JP3093011B2 - FIELD-EFFECT TRANSISTOR AND ITS MANUFACTURING METHOD, AND NONVOLATILE STORAGE ELEMENT AND NONVOLATILE STORAGE DEVICE USING THE TRANSISTOR - Google Patents
FIELD-EFFECT TRANSISTOR AND ITS MANUFACTURING METHOD, AND NONVOLATILE STORAGE ELEMENT AND NONVOLATILE STORAGE DEVICE USING THE TRANSISTORInfo
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Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、EEPROM(Electr
ically Erasable/Programable Read Only Memory)のよ
うな不揮発性のメモリにおいて好適に用いられる電界効
果トランジスタおよびその製造方法、ならびにそのトラ
ンジスタを用いた不揮発性記憶素子および不揮発性記憶
装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an EEPROM (Electr
Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor suitably used in a nonvolatile memory such as an erasable / programmable read only memory (IC) and a method of manufacturing the same, and a nonvolatile memory element and a nonvolatile memory device using the transistor.
【0002】[0002]
【従来の技術】たとえばPZT(lead(Pb) ZirconateTi
tanate )のような強誘電体材料に電界を印加すると、
分極方向が電界の方向に整列し、この整列状態は、電界
を取り去った後にも残留することが知られている。すな
わち、強誘電体材料の分極は、電界の印加に対してヒス
テリシス特性を示す。したがって、このようなヒステリ
シス特性を利用して、不揮発性のメモリ素子を構成する
ことが可能である。2. Description of the Related Art For example, PZT (lead (Pb) ZirconateTi
When an electric field is applied to a ferroelectric material such as
It is known that the polarization direction is aligned with the direction of the electric field, and this alignment remains even after the electric field is removed. That is, the polarization of the ferroelectric material exhibits a hysteresis characteristic with respect to the application of an electric field. Therefore, it is possible to configure a nonvolatile memory element by utilizing such hysteresis characteristics.
【0003】強誘電体材料を用いた記憶素子は、たとえ
ば米国特許第3832700号や、「PbTiO3 Thin Film
Gate Nonvolatile Memory FET (1979 Proceedings of
the2nd Meeting on Ferroelectric Materials and Thei
r Applications F-8 pp239-244)」、さらに「"MFS FET"
-A New Type of Nonvolatile Memory Swich Using PLZT
Film(Proceedings of the 9th Conference on Solid S
tate Devices, Tokyo, 1977; Japanese Journal of App
lied Physics, Volume 17(1978) Supplument17-1,pp209
-214) 」などに記載されている。A memory element using a ferroelectric material is disclosed in, for example, US Pat. No. 3,832,700 and “PbTiO 3 Thin Film
Gate Nonvolatile Memory FET (1979 Proceedings of
the2nd Meeting on Ferroelectric Materials and Thei
r Applications F-8 pp239-244) ”and“ MFS FET ”
-A New Type of Nonvolatile Memory Swich Using PLZT
Film (Proceedings of the 9th Conference on Solid S
tate Devices, Tokyo, 1977; Japanese Journal of App
lied Physics, Volume 17 (1978) Supplument17-1, pp209
-214)].
【0004】すなわち、図7に示すように、ソース・ド
レイン領域となるN+ 型高濃度不純物領域1を形成した
P型シリコン基板2の表面に、強誘電体膜3をゲート絶
縁膜として形成し、この強誘電体膜1上にゲート電極4
が形成されて、電界効果トランジスタが構成される。そ
して、たとえば基板2を接地して、ゲート電極4に正の
書込電圧VP を印加すると、強誘電体膜3内では、図7
(a) に示す分極が生じ、このためのP型シリコン基板2
の表面には小数キャリアの電子が引き寄せられてチャネ
ル5が形成され、ソース・ドレイン間が導通状態とな
る。強誘電体膜3の分極は書込電圧VP を除去した後も
保持されるから、書込電圧VP を取り除いた後でもチャ
ネル5が形成された状態のままである。That is, as shown in FIG. 7, a ferroelectric film 3 is formed as a gate insulating film on the surface of a P-type silicon substrate 2 on which an N + -type high-concentration impurity region 1 serving as a source / drain region is formed. The gate electrode 4 is formed on the ferroelectric film 1.
Are formed to form a field effect transistor. Then, for example, when the substrate 2 is grounded and a positive write voltage VP is applied to the gate electrode 4, in the ferroelectric film 3, FIG.
The polarization shown in (a) occurs, and the P-type silicon substrate 2
The electrons of the minority carriers are attracted to the surface of the channel 5 to form a channel 5, and the source and the drain are brought into a conductive state. Polarization of the ferroelectric film 3 remains because also maintained after removal of the write voltage V P, the state in which the channel 5 is formed even after the removal of the write voltage V P.
【0005】一方、負の消去電圧−VE をゲート電極4
に印加すると、強誘電体膜3では、図7(b) に示すよう
に、書込電圧VP の印加時とは逆方向の分極が生じる。
これによりチャネルは消失し、ソース・ドレイン間は遮
断状態となる。この状態は、消去電圧−VE を取り除い
た後にも維持される。このようにして、チャネル5の有
無により書込状態と消去状態との2つの状態を設定する
ことができ、情報の記憶が達成される。すなわち、トラ
ンジスタが導通状態であるか遮断状態であるかを調べる
ことにより、記憶情報を読み出すことができる。On the other hand, a negative erase voltage −V E is applied to the gate electrode 4.
When the voltage Vp is applied to the ferroelectric film 3, polarization occurs in the direction opposite to the direction in which the write voltage VP is applied, as shown in FIG.
As a result, the channel disappears, and the source and the drain are cut off. This state is also maintained after the removal of the erase voltage -V E. In this way, two states, a write state and an erase state, can be set according to the presence or absence of the channel 5, and information storage is achieved. That is, stored information can be read by checking whether the transistor is on or off.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述のトランジスタで
は、強誘電体膜3がP型シリコン基板2の表面に直接形
成されている。このため、素子形成時の拡散工程や薄膜
形成工程などでの熱処理時に強誘電体膜3中のPbなど
の金属がシリコン基板2に拡散したり、強誘電体膜形成
時にシリコン基板2の表面が酸化されたりする。このた
め、電界効果トランジスタとしての特性が劣化すること
になるという問題がある。In the above-described transistor, the ferroelectric film 3 is formed directly on the surface of the P-type silicon substrate 2. For this reason, a metal such as Pb in the ferroelectric film 3 diffuses into the silicon substrate 2 during a heat treatment in a diffusion step at the time of forming an element or a thin film forming step, or a surface of the silicon substrate 2 is formed at the time of forming a ferroelectric film. It is oxidized. For this reason, there is a problem that characteristics as a field-effect transistor are deteriorated.
【0007】この問題を解決するために、シリコン基板
の表面にまず酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコ
ン膜上に強誘電体膜を堆積させる技術が提案されてい
る。この提案に係わる技術では、ゲート近傍では等価的
に図8に示す回路が構成されることになる。すなわち、
ゲート電極とシリコン基板のチャネル領域との間に、強
誘電体膜に対応した容量C1と、酸化シリコン膜に対応
した容量C2とが直列接続されたときと等価な状態とな
る。In order to solve this problem, a technique has been proposed in which a silicon oxide film is first formed on the surface of a silicon substrate, and a ferroelectric film is deposited on the silicon oxide film. In the technique according to this proposal, the circuit shown in FIG. 8 is equivalently configured near the gate. That is,
A state equivalent to the case where a capacitor C1 corresponding to the ferroelectric film and a capacitor C2 corresponding to the silicon oxide film are connected in series between the gate electrode and the channel region of the silicon substrate.
【0008】ところが、強誘電体膜の誘電率は酸化シリ
コン膜の100〜1000倍程度であるため、容量C1
は容量C2よりもはるかに大きくなる。したがって、ゲ
ート電極に印加した電圧の大半は、容量C2に対応する
酸化シリコン膜に印加されることになる。このため、強
誘電体膜に所望の分極状態を達成させるための電圧を印
加しようとすると、ゲート電極とシリコン基板との間に
極めて高い電圧を印加することが必要となり、実際の素
子への応用は困難である。However, since the dielectric constant of the ferroelectric film is about 100 to 1000 times that of the silicon oxide film, the capacitance C1
Is much larger than the capacitance C2. Therefore, most of the voltage applied to the gate electrode is applied to the silicon oxide film corresponding to the capacitance C2. Therefore, when applying a voltage to achieve a desired polarization state to the ferroelectric film, it is necessary to apply an extremely high voltage between the gate electrode and the silicon substrate. It is difficult.
【0009】一方、炭化シリコン結晶は金属や酸素の拡
散が生じにくく、したがって炭化シリコン基板の表面に
強誘電体膜を形成して記憶素子を作成することが考えら
れる。ところが、炭化シリコン基板では、金属や酸素の
拡散が生じにくいのと同様に、不純物を拡散させること
も困難であり、このため不純物拡散による導電形式の制
御が困難であるという問題がある。すなわち、炭化シリ
コン基板を用いると、ソース・ドレインとなる高濃度不
純物領域の形成が困難になる。On the other hand, the diffusion of metal and oxygen hardly occurs in the silicon carbide crystal. Therefore, it is conceivable that a storage element is formed by forming a ferroelectric film on the surface of the silicon carbide substrate. However, in the silicon carbide substrate, it is difficult to diffuse impurities as well as it is difficult to diffuse metal and oxygen. Therefore, there is a problem that it is difficult to control the conductivity type by impurity diffusion. That is, when a silicon carbide substrate is used, it is difficult to form a high-concentration impurity region serving as a source / drain.
【0010】このように、強誘電体膜の記憶装置への適
用には、大きな障害があり、強誘電体膜を用いた記憶装
置は未だ実用化されていないのが現状である。そこで、
本発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、強誘電体
膜を用いた良好な電界効果トランジスタを提供するとと
もに、この電界効果トランジスタを用いて実用化の可能
な不揮発性記憶素子および不揮発性記憶装置を提供する
ことである。As described above, there is a major obstacle in applying a ferroelectric film to a storage device, and a storage device using a ferroelectric film has not yet been put to practical use. Therefore,
An object of the present invention is to solve the above-mentioned technical problems, to provide a good field-effect transistor using a ferroelectric film, and to provide a nonvolatile memory element and a nonvolatile memory that can be put to practical use using this field-effect transistor. Sexual storage device.
【0011】また、本発明の他の目的は、上記電界効果
トランジスタの製造方法を提供することである。It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing the above-mentioned field effect transistor.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段および作用】上記の目的を
達成するための本発明の電界効果トランジスタは、ソー
ス・ドレイン領域となる或る導電形式の高濃度不純物領
域を間隔を開けて形成した半導体基板と、上記高濃度不
純物領域の間を接続するように上記半導体基板表面に形
成された上記高濃度不純物領域とは逆の導電形式の炭化
シリコン層と、この炭化シリコン層に積層して形成した
強誘電体膜と、この強誘電体膜上に形成したゲート電極
とを含むものである。In order to achieve the above object, a field effect transistor according to the present invention comprises a semiconductor in which high-concentration impurity regions of a certain conductivity type serving as source / drain regions are formed at intervals. A silicon carbide layer having a conductivity type opposite to that of the high-concentration impurity region formed on the surface of the semiconductor substrate so as to connect between the substrate and the high-concentration impurity region, and formed on the silicon carbide layer; It includes a ferroelectric film and a gate electrode formed on the ferroelectric film.
【0013】このような電界効果トランジスタは、ソー
ス・ドレイン領域となる或る導電形式の高濃度不純物領
域を形成すべき半導体基板の表面に、上記高濃度不純物
領域を形成すべき領域の間を接続するように上記高濃度
不純物領域とは逆の導電形式の炭化シリコン層を形成
し、上記高濃度不純物領域を形成し、上記炭化シリコン
層上に強誘電体膜を形成し、この強誘電体膜上にゲート
電極を形成し、上記高濃度不純物領域に電気的に接続さ
れるようにソース・ドレイン電極を形成することによっ
て製造することができる。In such a field-effect transistor, a connection is made between a region where the high-concentration impurity region is to be formed and a surface of a semiconductor substrate where a high-concentration impurity region of a certain conductivity type serving as a source / drain region is to be formed. Forming a silicon carbide layer having a conductivity type opposite to that of the high-concentration impurity region, forming the high-concentration impurity region, forming a ferroelectric film on the silicon carbide layer, It can be manufactured by forming a gate electrode thereon and forming source / drain electrodes so as to be electrically connected to the high concentration impurity region.
【0014】上述のような構成によれば、半導体基板上
に形成した炭化シリコン層上に強誘電体膜が形成される
ので、強誘電体膜中の金属や酸素が炭化シリコン層中に
拡散することはなく、炭化シリコン層の表面近傍の領域
をチャネル領域として用いて良好なFET特性を得るこ
とができる。しかも、半導体基板として不純物の拡散に
よる導電形式の制御が容易なシリコン基板などを適用す
れば、ソース・ドレイン領域となる高濃度不純物領域を
容易に形成することができるので、素子の製造が困難と
なることもない。炭化シリコン層はチャネル領域を構成
することになるが、チャネル領域では不純物濃度を高く
する必要がないから、この炭化シリコン層の導電形式の
制御が困難になることはない。According to the above-described structure, since the ferroelectric film is formed on the silicon carbide layer formed on the semiconductor substrate, the metal and oxygen in the ferroelectric film diffuse into the silicon carbide layer. That is, good FET characteristics can be obtained by using a region near the surface of the silicon carbide layer as a channel region. In addition, if a silicon substrate or the like, whose conductivity type can be easily controlled by diffusion of impurities, is used as a semiconductor substrate, a high-concentration impurity region serving as a source / drain region can be easily formed. It won't be. The silicon carbide layer forms a channel region, but it is not necessary to increase the impurity concentration in the channel region, so that it is not difficult to control the conductivity type of the silicon carbide layer.
【0015】なお、上記の構成の電界効果トランジスタ
では、強誘電体膜の分極方向に応じて、炭化シリコン層
の表面にチャネルを生じさせるための閾値を二種類に設
定できるから、2種類の閾値を有する電界効果トランジ
スタが実現されることになる。換言すれば、2つの安定
状態を有する電界効果トランジスタが実現される。ま
た、本発明の不揮発性記憶素子は、上記の電界効果トラ
ジスタと、上記ゲート電極と半導体基板との間に所定方
向の電界を印加して、上記強誘電体膜の分極方向を或る
方向に整列させて情報の書込を行う手段と、上記ゲート
電極と半導体基板との間に上記所定方向とは逆の方向の
電界を印加して、上記強誘電体膜の分極方向を反転させ
て情報の消去を行う手段と、上記電界効果トランジスタ
の閾値の高低を調べることで情報の読出を行う手段とを
含むものである。In the field effect transistor having the above structure, two types of thresholds can be set for generating a channel on the surface of the silicon carbide layer according to the polarization direction of the ferroelectric film. Is realized. In other words, a field effect transistor having two stable states is realized. Further, in the nonvolatile memory element of the present invention, by applying an electric field in a predetermined direction between the field effect transistor and the gate electrode and the semiconductor substrate, the polarization direction of the ferroelectric film is changed in a certain direction. Means for aligning and writing information, and applying an electric field in a direction opposite to the predetermined direction between the gate electrode and the semiconductor substrate to invert the polarization direction of the ferroelectric film and And means for reading out information by checking the level of the threshold value of the field effect transistor.
【0016】この構成によって、強誘電体膜への電界の
印加により、強誘電体膜中の分極の方向を反転させるこ
とで情報の書込と消去とが達成できる。また、強誘電体
膜中の分極の方向に応じて、炭化シリコン層の表面にチ
ャネルを形成させるための閾値が変化するから、この閾
値の高低を調べることにより情報の読出が達成できるこ
とになる。With this configuration, writing and erasing of information can be achieved by reversing the direction of polarization in the ferroelectric film by applying an electric field to the ferroelectric film. Further, since the threshold value for forming a channel on the surface of the silicon carbide layer changes according to the direction of polarization in the ferroelectric film, information can be read out by examining the level of this threshold value.
【0017】なお、強誘電体膜は、PZTで構成される
ことが好ましい。これは、PZTと炭化シリコンの格子
定数が極めて近似しているからであり、PZTからなる
強誘電体膜と炭化シリコン層との組合せを採用すること
により、良好なヒステリシス特性を有する強誘電体膜の
形成が可能となり、記憶性能を向上することができる。
すなわち、低電圧・低電力の印加により、強誘電体膜に
おける分極を反転させることができる。The ferroelectric film is preferably made of PZT. This is because the lattice constants of PZT and silicon carbide are extremely close to each other. By using a combination of a ferroelectric film made of PZT and a silicon carbide layer, a ferroelectric film having good hysteresis characteristics can be obtained. Can be formed, and the storage performance can be improved.
That is, by applying a low voltage and a low power, the polarization in the ferroelectric film can be inverted.
【0018】また、大容量の不揮発性記憶装置は、アレ
イ状に配置され、上記の電界効果トランジスタをそれぞ
れ有するメモリセルと、任意のメモリセルを選択する手
段と、選択されたメモリセルの上記ゲート電極と半導体
基板との間に所定方向の電界を印加して、上記強誘電体
膜の分極方向を或る方向に整列させて情報の書込を行う
手段と、選択されたメモリセルの上記ゲート電極と半導
体基板との間に上記所定方向とは逆の方向の電界を印加
して、上記強誘電体膜の分極方向を逆の方向に整列させ
て情報の消去を行う手段と、選択されたメモリセルの上
記電界効果トランジスタの閾値の高低を調べることで情
報の読出を行う手段とを備えることによって構成するこ
とができる。The large-capacity nonvolatile memory device is arranged in an array and has memory cells each having the above-mentioned field-effect transistor, means for selecting an arbitrary memory cell, and the gate of the selected memory cell. Means for applying an electric field in a predetermined direction between the electrode and the semiconductor substrate to write information by aligning the polarization direction of the ferroelectric film in a certain direction, and the gate of the selected memory cell Means for applying an electric field in a direction opposite to the predetermined direction between the electrode and the semiconductor substrate to align the polarization direction of the ferroelectric film in the opposite direction to erase information; Means for reading information by examining the level of the threshold value of the field effect transistor of the memory cell.
【0019】[0019]
【実施例】以下では、本発明の実施例を、添付図面を参
照して詳細に説明する。図1は、本発明の一実施例の不
揮発性記憶装置の一部の断面図であり、メモリトランジ
スタとして用いられる電界効果トランジスタの構成が示
されている。P型シリコン基板11には、フィールド酸
化膜12で分離された素子形成領域が形成されており、
この素子形成領域にソース・ドレイン領域となる高濃度
不純物領域13A,13B(総称するときには、「高濃
度不純物領域13」という。)が所定の間隔を開けて形
成されている。基板11の表面には、高濃度不純物領域
13A,13Bの間を接続するように、P型の炭化シリ
コン層14が形成され、この炭化シリコン層14上に、
PZTなどからなる強誘電体膜15およびポリシリコン
からなるゲート電極16が順に積層されている。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a part of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention, showing a configuration of a field-effect transistor used as a memory transistor. An element formation region separated by a field oxide film 12 is formed on a P-type silicon substrate 11,
High-concentration impurity regions 13A and 13B (collectively referred to as "high-concentration impurity regions 13") serving as source / drain regions are formed at predetermined intervals in this element formation region. A P-type silicon carbide layer 14 is formed on the surface of substrate 11 so as to connect between high-concentration impurity regions 13A and 13B.
A ferroelectric film 15 made of PZT or the like and a gate electrode 16 made of polysilicon are sequentially stacked.
【0020】高濃度不純物領域13の表面から炭化シリ
コン層14の縁部に至る領域には、N+ 型のポリシリコ
ン膜17A,17B(総称するときには、「ポリシリコ
ン膜17」という。)が形成されており、さらにポリシ
リコン膜17と強誘電体膜15との接触を防ぐための酸
化シリコン膜18が形成されている。ゲート電極16な
どを覆うように、酸化シリコン膜19が形成されてい
る。この酸化シリコン膜19において、高濃度不純物領
域13A,13Bの上部に対応する位置には、コンタク
ト孔20A,20Bが形成されており、このコンタクト
孔20A,20Bにソース・ドレイン電極となる金属2
1A,21Bが堆積させられている。金属21A,21
BとN+ 型の高濃度不純物領域13A,13Bとは、N
型のポリシリコン膜17A,17Bを介して接続されて
おり、これにより良好なオーミック接触が形成されてい
る。なお、22はパッシベーション膜である。N + -type polysilicon films 17A and 17B (collectively referred to as "polysilicon film 17") are formed in a region extending from the surface of high-concentration impurity region 13 to the edge of silicon carbide layer 14. Further, a silicon oxide film 18 for preventing contact between the polysilicon film 17 and the ferroelectric film 15 is formed. A silicon oxide film 19 is formed so as to cover gate electrode 16 and the like. In the silicon oxide film 19, contact holes 20A and 20B are formed at positions corresponding to the upper portions of the high-concentration impurity regions 13A and 13B, and the contact holes 20A and 20B are formed with metal 2 serving as source / drain electrodes.
1A and 21B are deposited. Metal 21A, 21
B and the N + -type high-concentration impurity regions 13A and 13B
Are connected via the mold-type polysilicon films 17A and 17B, whereby a good ohmic contact is formed. Incidentally, reference numeral 22 denotes a passivation film.
【0021】図2は、強誘電体膜に電界を印加したとき
における分極の変化を示す図である。強誘電体膜に印加
する電界を増加していくと、電界方向の分極Pが増大し
ていき、状態Cの飽和状態となる。次に電界を減少させ
ていくと、分極Pは減少するが、電界を零にしても分極
Pが残留して、状態Dとなる。さらに、逆方向の電界を
印加していくことにより分極Pは減少していき、或る負
の電界を印加した状態Eで分極Pは零になる。さらに、
逆方向の電界を増大していくと、分極Pは逆方向に増大
していき、状態Fの飽和状態となる。この状態から、負
の電界を減少させていくと、電界を零にしても分極Pが
残留して、状態Aとなる。この状態から、正の電界を増
大していくことにより、状態Bを経て上記の飽和状態C
に至る。FIG. 2 is a diagram showing a change in polarization when an electric field is applied to the ferroelectric film. As the electric field applied to the ferroelectric film increases, the polarization P in the direction of the electric field increases and the state C is saturated. Next, when the electric field is reduced, the polarization P decreases. However, even when the electric field is reduced to zero, the polarization P remains and the state D is established. Further, the polarization P decreases by applying an electric field in the opposite direction, and the polarization P becomes zero in a state E in which a certain negative electric field is applied. further,
As the electric field in the opposite direction increases, the polarization P increases in the opposite direction, and the state F is saturated. When the negative electric field is decreased from this state, the polarization P remains even when the electric field is reduced to zero, and the state becomes the state A. From this state, by increasing the positive electric field, through the state B, the saturated state C
Leads to.
【0022】このように、強誘電体膜2の分極Pは電界
に対してヒステリシス特性を示し、本実施例の記憶装置
では、このヒステリシス特性を利用して、記憶動作が達
成される。図3は、図1に示されたトランジスタの原理
的な構成を示す概念図である。また、次に示す表1に
は、情報の書込、消去および読出時における動作がまと
めて示されている。以下では、図3および表1を参照し
て、動作を説明する。As described above, the polarization P of the ferroelectric film 2 exhibits a hysteresis characteristic with respect to the electric field, and the storage device of the present embodiment achieves a storage operation by utilizing the hysteresis characteristic. FIG. 3 is a conceptual diagram showing a basic configuration of the transistor shown in FIG. Table 1 below shows the operations at the time of writing, erasing, and reading information. Hereinafter, the operation will be described with reference to FIG. 3 and Table 1.
【0023】[0023]
【表1】 [Table 1]
【0024】<書込動作>P型半導体基板11を接地し
て、ゲート電極16に正の書込電圧VP を印加すると、
図3(a) に示す状態となる。すなわち、強誘電体膜15
では、ゲート電極16側が「−」となり、基板11側が
「+」となるような分極Pが生じて、この誘電体膜15
は図2の状態Cとなる。このときには、炭化シリコン
(SiC)層14において強誘電体膜15に接触する表
面には、小数キャリアである電子が誘導され、ソース領
域(N+ 型高濃度不純物領域17A)とドレイン領域
(N+ 型高濃度不純物領域17B)とを接続するチャネ
ルが形成されることになる。すなわち、この場合に、当
該電界効果トランジスタは導通状態(オン)となる。書
込電圧VP を除去した後は、強誘電体膜15の状態は図
2の状態Dとなり、分極Pが残留するから、チャネルが
形成されたままの状態に維持される。<Write Operation> When the P-type semiconductor substrate 11 is grounded and a positive write voltage VP is applied to the gate electrode 16,
The state shown in FIG. That is, the ferroelectric film 15
In this case, a polarization P is generated such that the gate electrode 16 side becomes “−” and the substrate 11 side becomes “+”.
Becomes the state C of FIG. At this time, electrons serving as minority carriers are induced on the surface of the silicon carbide (SiC) layer 14 in contact with the ferroelectric film 15, and the source region (N + -type high-concentration impurity region 17A) and the drain region (N + Thus, a channel connecting the high-concentration impurity region 17B) is formed. That is, in this case, the field-effect transistor is turned on (ON). After the write voltage VP is removed, the state of the ferroelectric film 15 becomes the state D in FIG. 2 and the polarization P remains, so that the state where the channel is formed is maintained.
【0025】<消去動作>ゲート電極16に負の消去電
圧−VE (たとえばVE =VP である。)を印加する
と、図3(b)の状態となる。すなわち、強誘電体膜15
では、ゲート電極16側が正で、基板11側が負である
ような分極Pが生じ、図2の状態Fとなる。このとき、
炭化シリコン層14の表面には、ホールが誘導されるか
ら、チャネルが消失し、ソース・ドレイン間は遮断状態
となる。消去電圧−VE を除去した後には、強誘電体膜
15の状態と、図2の状態Aとなり、状態Fの場合と等
しい方向の分極Pが残留するから、チャネルが消失した
状態に保たれる。<Erase Operation> When a negative erase voltage −V E (for example, V E = V P ) is applied to the gate electrode 16, the state shown in FIG. That is, the ferroelectric film 15
In this case, a polarization P is generated such that the gate electrode 16 side is positive and the substrate 11 side is negative, and the state becomes the state F in FIG. At this time,
Since holes are induced on the surface of the silicon carbide layer 14, the channel disappears and the source and drain are cut off. After removal of the erase voltage -V E is strong and the state of the dielectric film 15, the state A next 2, since the polarization direction P is equal to the case of state F remains, kept in a state where the channel is lost It is.
【0026】<読出動作>記憶情報の読出時には、ゲー
ト電極16への電圧の印加は行われない。すなわち、上
述のように書込状態ではトランジスタは導通し、消去状
態ではトランジスタは遮断されるのであるから、たとえ
ばドレインに電流を与えたときに、ソース側で電流が検
出されるかどうかを調べることで、記憶情報の読出を達
成できる。<Read Operation> When reading stored information, no voltage is applied to the gate electrode 16. That is, as described above, the transistor is turned on in the writing state, and is turned off in the erasing state. For example, when a current is supplied to the drain, it is checked whether or not the current is detected on the source side. Thus, reading of stored information can be achieved.
【0027】上述のように本実施例の記憶装置を構成す
る電界効果トランジスタでは、高濃度不純物領域13
A,13B間を接続するようにシリコン基板11の表面
に形成した炭化シリコン層14に強誘電体膜15を積層
し、炭化シリコン層14の表面にチャネルを形成させる
ようにしている。炭化シリコンは、シリコンに比較し
て、強誘電体中に含まれる金属や酸素の拡散の割合が、
1/10〜1/1000と極めて低いという特性があ
る。このため、素子形成過程における熱処理時にも、強
誘電体膜15中の金属や酸素が炭化シリコン層14に拡
散することがない。したがって、炭化シリコン層14で
チャネルを形成させるようにした上記の電界効果トラン
ジスタでは、良好なFET特性を達成することができ
る。As described above, in the field effect transistor constituting the storage device of this embodiment, the high-concentration impurity region 13
A ferroelectric film 15 is laminated on a silicon carbide layer 14 formed on the surface of the silicon substrate 11 so as to connect between A and 13B, and a channel is formed on the surface of the silicon carbide layer 14. Silicon carbide, compared to silicon, the diffusion rate of metal and oxygen contained in the ferroelectric,
It has a characteristic of extremely low 1/10 to 1/1000. Therefore, even during the heat treatment in the element formation process, the metal or oxygen in the ferroelectric film 15 does not diffuse into the silicon carbide layer 14. Therefore, in the above-described field effect transistor in which a channel is formed by the silicon carbide layer 14, good FET characteristics can be achieved.
【0028】一方、シリコンの格子定数は5.43Åで
あるのに対して、炭化シリコンの格子定数は4.36Å
である。この炭化シリコンの格子定数は、PZTの格子
定数(4.08〜4.12Å)に極めて近似している。
したがって、強誘電体膜15をPZTで構成することと
すると、この強誘電体膜の反転分極のヒステリシス特性
が極めて良好になり、良好な記憶動作を達成することが
できる。すなわち、低電圧・低電力で、強誘電体膜15
の分極を反転させることができる。On the other hand, the lattice constant of silicon is 5.43 °, while the lattice constant of silicon carbide is 4.36 °.
It is. The lattice constant of this silicon carbide is very close to the lattice constant of PZT (4.08 to 4.12 °).
Therefore, when the ferroelectric film 15 is made of PZT, the hysteresis characteristic of the inversion polarization of the ferroelectric film becomes extremely good, and a good storage operation can be achieved. That is, at low voltage and low power, the ferroelectric film 15
Can be reversed.
【0029】さらに、本実施例においては、ソース・ド
レイン領域となる高濃度不純物領域13は、シリコン基
板11に形成されている。すなわち、炭化シリコン結晶
では不純物拡散による導電形式の制御が困難であるた
め、高濃度不純物領域13は不純物拡散が容易なシリコ
ン結晶中に形成することとしているのである。このよう
にして、チャネルを炭化シリコン層14で形成させるよ
うにして良好なFET特性を実現しているとともに、高
濃度不純物領域13はシリコン基板11中に形成するこ
ととして素子の作成を容易にしている。なお、チャネル
領域となる炭化シリコン層14は導電形式をP型に制御
する必要があるが、チャネル領域では低い不純物濃度で
足りるので、この炭化シリコン層14の導電形式の制御
が困難となることはない。Further, in this embodiment, the high-concentration impurity regions 13 serving as source / drain regions are formed in the silicon substrate 11. That is, since it is difficult to control the conductivity type by impurity diffusion in the silicon carbide crystal, high-concentration impurity region 13 is formed in silicon crystal in which impurity diffusion is easy. In this manner, the channel is formed by the silicon carbide layer 14 to achieve good FET characteristics, and the high-concentration impurity region 13 is formed in the silicon substrate 11 to facilitate the fabrication of the device. I have. It is necessary to control the conductivity type of the silicon carbide layer 14 serving as a channel region to be P-type. However, since a low impurity concentration is sufficient in the channel region, it is difficult to control the conductivity type of the silicon carbide layer 14. Absent.
【0030】図4および図5は、上記の不揮発性記憶装
置の製造方法を工程順に示す断面図である。先ず、図4
(a) に示すように、P型シリコン基板11の表面にパッ
ド用の酸化シリコン膜41(たとえば500Å)が熱酸
化法により形成され、この酸化シリコン膜41の表面
に、窒化シリコン膜(Si3 N4 )42がパターン形成
される。この窒化シリコン膜42は、たとえば減圧CV
D法により形成され、膜厚はたとえば1500Åとされ
る。膜形成後のパターニングは、通常のフォトリソグラ
フィ技術およびフォトエッチング技術を適用して行われ
る。FIGS. 4 and 5 are sectional views showing a method of manufacturing the above-mentioned nonvolatile memory device in the order of steps. First, FIG.
As shown in (a), a silicon oxide film 41 (for example, 500 °) for a pad is formed on the surface of a P-type silicon substrate 11 by a thermal oxidation method, and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 42 is patterned. This silicon nitride film 42 is formed, for example, under reduced pressure CV.
It is formed by the method D and has a thickness of, for example, 1500 °. Patterning after film formation is performed by applying a normal photolithography technique and a photoetching technique.
【0031】次に、図4(b) に示すように、窒化シリコ
ン膜42をマスクとした熱酸化法により、素子分離用の
フィールド酸化膜12が選択的に形成される。次いで、
図4(c) に示すように、窒化シリコン膜42が剥離さ
れ、フォトリソグラフィ技術によりチャネル領域の酸化
シリコン膜41が選択除去される。さらに、酸化シリコ
ン膜41を除去した基板11の表面に、炭化シリコンが
選択的に成長させられ、炭化シリコン層14が形成され
る。この炭化シリコン層14の膜厚は、たとえば10n
mとされる。なお、炭化シリコンは酸化シリコン膜には
成長しにくいので、基板11に接触した炭化シリコン層
14の選択成長は容易に達成できる。Next, as shown in FIG. 4B, a field oxide film 12 for element isolation is selectively formed by a thermal oxidation method using the silicon nitride film 42 as a mask. Then
As shown in FIG. 4C, the silicon nitride film 42 is peeled off, and the silicon oxide film 41 in the channel region is selectively removed by photolithography. Further, silicon carbide is selectively grown on the surface of substrate 11 from which silicon oxide film 41 has been removed, and silicon carbide layer 14 is formed. Silicon carbide layer 14 has a thickness of, for example, 10 n
m. Since silicon carbide does not easily grow on a silicon oxide film, selective growth of silicon carbide layer 14 in contact with substrate 11 can be easily achieved.
【0032】この状態から、ソース・ドレイン領域の酸
化シリコン膜41が除去されて、次に、たとえば膜厚1
00nmのポリシリコン膜が減圧CVD法により形成さ
れ、リンイオンの注入が行われる。リンイオンの注入の
後には、アニールにより不純物の熱拡散処理が行われ
る。これにより、N+ 型の高濃度不純物領域13A,1
3Bが基板11中に形成されるとともに、上記のポリシ
リコン膜もN+ 型となる。そして、このポリシリコン膜
をパターニングすることによって、図4(d) に示すよう
に、N+ 型のポリシリコン膜17A,17Bが得られ
る。In this state, the silicon oxide film 41 in the source / drain regions is removed, and then,
A 00 nm polysilicon film is formed by a low pressure CVD method, and phosphorus ions are implanted. After the implantation of phosphorus ions, thermal diffusion of impurities is performed by annealing. Thereby, the N + -type high-concentration impurity regions 13A, 1
3B is formed in the substrate 11, and the polysilicon film also becomes N + type. Then, by patterning this polysilicon film, N + -type polysilicon films 17A and 17B are obtained as shown in FIG.
【0033】この状態から、ポリシリコン膜17の表面
の熱酸化が行われ、膜厚50nmの酸化シリコン膜18
が形成され、図5(e) の状態となる。次に、たとえばP
ZTからなる強誘電体膜15が形成され、さらに強誘電
体膜15上にゲート電極となるポリシリコン膜16が形
成される。そして、これらの膜15,16がフォトリソ
グラフィ技術によりパターニングされることにより、図
5(f) に示す状態となる。なお、強誘電体膜15は、た
とえばスパッタリング法、CVD法やSOL−GEL法
により形成することができる。この強誘電体膜15の膜
厚は、たとえば500nmとされる。また、ポリシリコ
ン膜16は、たとえば減圧CVD法により形成され、そ
の膜厚はたとえば500nmとされる。In this state, the surface of the polysilicon film 17 is thermally oxidized, and the silicon oxide film 18 having a thickness of 50 nm is formed.
Is formed, and the state shown in FIG. Then, for example, P
A ferroelectric film 15 made of ZT is formed, and a polysilicon film 16 serving as a gate electrode is formed on the ferroelectric film 15. Then, these films 15 and 16 are patterned by the photolithography technique to obtain the state shown in FIG. The ferroelectric film 15 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method, or a SOL-GEL method. The thickness of this ferroelectric film 15 is, for example, 500 nm. The polysilicon film 16 is formed, for example, by a low pressure CVD method, and has a thickness of, for example, 500 nm.
【0034】図5(f) の状態から、次に、酸化シリコン
膜(BPSG)19が全面に形成され、さらにステップ
カバレージの向上のためにリフロー処理が施される。こ
の酸化シリコン膜19において高濃度不純物領域13
A,13Bの上方に対応する位置にはコンタクト孔20
A,20Bが形成される。このコンタクト孔20A,2
0Bには、ポリシリコン膜17A,17Bを介してそれ
ぞれ高濃度不純物領域13A,13Bに電気的に接続さ
れるソース電極およびドレイン電極となる金属21A,
21Bが形成される。これらの金属21A,21Bは、
たとえばアルミニウム金属で構成される。この金属21
A,21Bの形成後には、全面を被覆するように、パッ
シベーション膜22が形成され、このようにして図5
(g) に示す装置が完成することになる。Next, from the state shown in FIG. 5F, a silicon oxide film (BPSG) 19 is formed on the entire surface, and a reflow process is further performed to improve step coverage. In the silicon oxide film 19, the high concentration impurity region 13
A contact hole 20 is located at a position corresponding to the upper side of A, 13B.
A and 20B are formed. These contact holes 20A, 2
Reference numeral 0B denotes a metal 21A serving as a source electrode and a drain electrode electrically connected to the high-concentration impurity regions 13A and 13B via the polysilicon films 17A and 17B, respectively.
21B is formed. These metals 21A and 21B are
For example, it is made of aluminum metal. This metal 21
After the formation of A and 21B, a passivation film 22 is formed so as to cover the entire surface.
The device shown in (g) is completed.
【0035】図6は、上述の電界効果トランジスタを個
々に有するメモリセルをアレイ状に配置して構成した不
揮発性記憶装置の回路構成を示す電気回路図である。各
メモリセルには、上記の電界効果トランジスタがメモリ
トランジスタMTrとして備えられているほか、各セル
を選択するための選択トランジスタSTrが備えられて
いる。一方方向に整列したメモリセル(m,n)および
(m,n+1)またはメモリセル(m+1,n)および
(m+1,n+1)では、各選択トランジスタSTrの
ゲートはワードラインWm またはワードラインWm+1 に
共通に接続されており、また各メモリトランジスタMT
rのゲートは制御ゲートラインCGLm または制御ゲー
トラインCGLm+1 に共通に接続されている。一方、ワ
ードラインWm ,Wm+1 に交差する方向に整列している
メモリセル(m,n)および(m+1,n)またはメモ
リセル(m,n+1)および(m+1,n+1)では、
各選択トランジスタのドレインはビットラインBLn ま
たはBLn+1 に共通接続されており、さらにメモリトラ
ンジスタMTrのソースおよび基板はソースラインSL
n またはSLn+1 に共通接続されている。FIG. 6 is an electric circuit diagram showing a circuit configuration of a nonvolatile memory device in which memory cells each having the above-mentioned field effect transistor are arranged in an array. Each memory cell includes the above-described field-effect transistor as a memory transistor MTr, and further includes a selection transistor STr for selecting each cell. On the other hand, the memory cell (m, n) aligned in the direction and (m, n + 1) or memory cells (m + 1, n) and (m + 1, n + 1 ) in the gate of the selection transistor STr word line W m or word line W m +1 and is connected to each memory transistor MT
The gate of r are connected in common to the control gate line CGL m or control gate line CGL m + 1. On the other hand, in the memory cells (m, n) and (m + 1, n) or the memory cells (m, n + 1) and (m + 1, n + 1) aligned in the direction intersecting the word lines W m and W m + 1 ,
Drain of each selection transistor are commonly connected to the bit line BL n or BL n + 1, further source and substrate of the memory transistor MTr source line SL
n or SL n + 1 .
【0036】次に示す表2には、メモリセル(m,n)
を選択して書込、消去および読出を行う際に、ビットラ
インBLn ,BLn+1 、ソースラインSn ,Sn+1 、ゲ
ートラインWn ,Wn+1 および制御ゲートラインCGL
n ,CGLn+1 にそれぞれ印加される電圧がまとめて示
されている。以下では、この表2と図6とを参照して、
メモリセル(m,n)に対する情報の書込、消去および
読出の各動作について説明する。なお、表2において、
記号「−」は、当該信号ラインが開放とされるかまたは
任意の電圧が与えられることを表している。Table 2 below shows that the memory cell (m, n)
The selected and writing, when erasing and reading, the bit line BL n, BL n + 1, the source line S n, S n + 1, gate line W n, W n + 1 and the control gate line CGL
n and CGL n + 1 are collectively shown. In the following, referring to Table 2 and FIG.
Each operation of writing, erasing and reading information to and from memory cell (m, n) will be described. In Table 2,
The symbol "-" indicates that the signal line is opened or an arbitrary voltage is applied.
【0037】[0037]
【表2】 [Table 2]
【0038】書込を行うときには、図外のメモリ駆動回
路は、ソースラインSLn およびワードラインWLm ,
WLm+1 に−1/2・VP を与え、制御ゲートラインC
GL m に+1/2・VP を印加する。これにより、メモ
リセル(m,n)では、半導体基板11とゲート16と
の間に、ゲート16側が正となる書込電圧VP が印加さ
れる。これにより、強誘電体膜15における分極方向が
ゲート16から基板11に向かう方向に整列して、情報
の書込が達成される。すなわち、この状態では、強誘電
体膜15の直下のP型炭化シリコン層14の表面に小数
キャリアである電子が誘導され、これによりチャネルが
形成されることになる。この結果、当該メモリトランジ
スタMTrは閾値の低い状態となり、本実施例では、制
御ゲートラインCGLm を接地電位とした状態でも、当
該メモリトランジスタMTrは導通する。When writing is performed, a memory driving circuit (not shown)
Road is source line SLnAnd word line WLm,
WLm + 1-1 / 2 / VPControl gate line C
GL m+ 1/2 · VPIs applied. This allows the note
In the recell (m, n), the semiconductor substrate 11, the gate 16,
, The write voltage V at which the gate 16 is positivePIs applied
It is. Thereby, the polarization direction in the ferroelectric film 15 is changed.
Aligned in the direction from the gate 16 to the substrate 11, the information
Is achieved. That is, in this state, the ferroelectric
The surface of the P-type silicon carbide layer 14 immediately below the body film 15
Carrier electrons are induced, which causes the channel to
Will be formed. As a result, the memory
The star MTr is in a state where the threshold value is low.
Your gate line CGLmIs set to ground potential,
The memory transistor MTr is turned on.
【0039】なお、上記の書込電圧VP は、強誘電体膜
15の分極方向を反転させることができる最低電圧(図
2のB,E点の電圧)である抗電界に対して、次式の関
係が成立する値に選ばれる。It should be noted, write voltage V P of the above strong minimum voltage it is possible to reverse the polarization direction of the dielectric film 15 relative to the coercive electric field is (in FIG. 2 B, the voltage at the point E), the following The value that satisfies the relationship of the expression is selected.
【0040】[0040]
【数1】 (Equation 1)
【0041】この書込動作時において、メモリセル
(m,n)と制御ゲートラインCGLm を共有するメモ
リセル(m,n+1)では、ソースラインSLn+1 が接
地電位とされる。このため、このセル(m,n+1)の
メモリトランジスタMTrでは、強誘電体膜15に書込
電圧VP の半分の電圧1/2・VP が印加されるに過ぎ
ないので、分極の配列に変化が生じることはなく、この
メモリトランジスタMTrに対する書込は生じない。同
様に、メモリセル(m,n)とソースラインSLn を共
有するメモリセル(m+1,n)では、制御ゲートライ
ンCGLm+1 が接地電位とされるために、書込が生じる
ことはない。メモリセル(m+1,n+1)では、制御
ゲートラインCGLm+1 およびソースラインSLn+1 が
いずれも接地電位とされるので、書込は生じない。[0041] During the write operation, the memory cell (m, n) in the control gate line CGL m memory cells sharing the (m, n + 1), the source lines SL n + 1 is the ground potential. Therefore, in the memory transistor MTr of the cell (m, n + 1), since only half of the voltage 1/2 · V P of the write voltage V P is applied to the ferroelectric film 15, the arrangement of the polarization No change occurs, and writing to memory transistor MTr does not occur. Similarly, in the memory cell (m, n) and the memory cells sharing the source line SL n (m + 1, n ), to the control gate line CGL m + 1 is the ground potential, never write results . In the memory cell (m + 1, n + 1), no writing occurs because both the control gate line CGL m + 1 and the source line SL n + 1 are set to the ground potential.
【0042】消去動作は、書込動作とほぼ同様な動作に
よって達成される。すなわち、消去動作は、選択された
メモリセル(m,n)のメモリトランジスタMTrの強
誘電体膜15における分極方向を、書込状態のときとは
反対方向に整列させる動作であるから、書込時とは反対
の極性の電圧を制御ゲートラインCGLm およびソース
ラインSLn に印加することによって行える。この消去
状態では、当該メモリセル(m,n)のメモリトランジ
スタMTrの閾値は高い状態となり、制御ゲートライン
CGLを接地電位としたときには、このメモリトランジ
スタMTrは遮断状態となる。The erasing operation is achieved by substantially the same operation as the writing operation. That is, the erasing operation is an operation of aligning the polarization direction in the ferroelectric film 15 of the memory transistor MTr of the selected memory cell (m, n) in the direction opposite to that in the writing state. the time performed by applying an opposite polarity voltage to the control gate line CGL m and the source lines SL n. In this erased state, the threshold value of the memory transistor MTr of the memory cell (m, n) is in a high state, and when the control gate line CGL is set to the ground potential, the memory transistor MTr is turned off.
【0043】情報の読出時には、ソースラインSLn ,
SLn+1 および制御ゲートラインCGLm ,CGLm+1
はいずれも接地電位とされる。したがって、書込状態の
セルのメモリトランジスタMTrは導通するが、消去状
態のメモリセルのメモリトランジスタMTrと遮断状態
となる。この状態で、メモリセル(m,n),(m,n
+1)に対応したワードラインWLm には、選択トラン
ジスタSTrを導通させることができる電圧(たとえば
5V)が与えられる。また、ビットラインBL n ,BL
n+1 に所定のセンス電圧Sが発生する。そして、このと
きに、ビットラインBLn ,BLn+1 の電位の降下が生
じるかどうかが図外の構成によって監視される。At the time of reading information, the source line SLn,
SLn + 1And control gate line CGLm, CGLm + 1
Are set to the ground potential. Therefore, the write state
The memory transistor MTr of the cell conducts, but the
Transistor MTr and shut-off state of memory cell in active state
Becomes In this state, the memory cells (m, n), (m, n
+1) corresponding to the word line WLmIn the selection tran
A voltage that allows the transistor STr to conduct (for example,
5V). Also, the bit line BL n, BL
n + 1, A predetermined sense voltage S is generated. And this
The bit line BLn, BLn + 1Of electric potential drop
It is monitored by an unillustrated configuration whether or not it fluctuates.
【0044】すなわち、メモリセル(m,n)が書込状
態にあれば当該メモリセル(m,n)のメモリトランジ
スタMTrは導通状態であるから、ビットラインBLn
の電位がソースラインSLn の電位である接地電位に引
かれて降下する。また、メモリセル(m,n)が消去状
態であれば、当該メモリセル(m,n)のメモリトラン
ジスタMTrは遮断状態となっているから、上記の電位
降下が生じない。このため、ビットラインBLn の電位
の降下を監視することで、メモリセル(m,n)の記憶
情報の読出が達成されることになる。That is, if the memory cell (m, n) is in the write state, the memory transistor MTr of the memory cell (m, n) is in the conductive state, so that the bit line BL n
Potential of drops being pulled to the ground potential which is the potential of the source line SL n. When the memory cell (m, n) is in the erased state, the memory transistor MTr of the memory cell (m, n) is in the cut-off state, so that the potential drop does not occur. Therefore, by monitoring the drop in the potential of the bit line BL n, so that the reading of information stored in the memory cell (m, n) is achieved.
【0045】また、メモリセル(m,n)と共通のワー
ドラインWLm に接続されたメモリセル(m,n+1)
に関しても同様である。すなわち、ビットラインB
Ln ,BLn+1 の電位を個々に監視するための構成を設
けておくことにより、各ビットラインBLn ,BLn+1
に同時にセンス電圧Sを発生させることによって、ワー
ドラインWm に接続された複数のメモリセルからの情報
を並列に読み出すことができる。Further, the memory cell (m, n) and a common word line WL m memory cell connected to the (m, n + 1)
The same applies to. That is, bit line B
By providing a configuration for individually monitoring the potentials of L n and BL n + 1 , each bit line BL n and BL n + 1
At the same time by generating the sense voltage S, it is possible to read information from a plurality of memory cells connected to the word line W m in parallel.
【0046】なお、メモリセル(m,n)と共通のビッ
トラインBLn に接続されたメモリセル(m+1,n)
では、ワードラインWLm+1 が接地電位とされるため、
情報の読出が生じることはない。このようにして、アレ
イ状に配置された複数のメモリセルから任意のメモリセ
ルを選択して、情報の書込、消去および読出を行うこと
ができる。このようにして、強誘電体材料の電界に対す
るヒステリシス特性を利用した大容量の電気的に書換可
能なメモリが実現される。[0046] Incidentally, the memory cell (m, n) and connected to a common bit line BL n memory cells (m + 1, n)
Since the word line WL m + 1 is set to the ground potential,
No information reading occurs. In this manner, an arbitrary memory cell can be selected from a plurality of memory cells arranged in an array to write, erase, and read information. In this manner, a large-capacity electrically rewritable memory utilizing the hysteresis characteristic of the ferroelectric material with respect to the electric field is realized.
【0047】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではない。たとえば、上記の実施例では、強誘電体
としてPZTを例に採ったが、たとえばPLZT(lead
(Pb)Lanthanum Zirconate Titanate )や、LiNbO
3 、BaMgF4 などの他の強誘電体が適用されてもよ
く、この場合にも強誘電体膜中の金属や酸素が炭化シリ
コン層に拡散することがないので、良好なFET特性を
得ることができる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, PZT was taken as an example of a ferroelectric substance, but for example, PLZT (lead
(Pb) Lanthanum Zirconate Titanate), LiNbO
3 , other ferroelectrics such as BaMgF 4 may be applied. In this case, since the metal and oxygen in the ferroelectric film do not diffuse into the silicon carbide layer, good FET characteristics can be obtained. Can be.
【0048】さらに、上記の実施例では、Nチャネルの
電界効果トランジスタを例にとったが、Pチャネルのト
ランジスタも同様にして容易に作成され得る。また、上
記の実施例では、トランジスタが導通する状態を書込状
態と定義し、トランジスタが遮断される状態を消去状態
と定義しているが、いずれの状態が書込状態または消去
状態と定義されてもよい。Further, in the above embodiment, an N-channel field-effect transistor is taken as an example, but a P-channel transistor can be easily formed in the same manner. Further, in the above embodiment, a state where the transistor is conductive is defined as a write state, and a state where the transistor is turned off is defined as an erase state. However, any state is defined as a write state or an erase state. You may.
【0049】その他、本発明の要旨を変更しない範囲で
種々の変更を施すことが可能である。Various other changes can be made without changing the gist of the present invention.
【0050】[0050]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、半導体基
板の表面に炭化シリコン層を形成し、この炭化シリコン
層に強誘電体膜を積層させるとともに、炭化シリコン層
においてチャネルを形成させるようにしている。この炭
化シリコン層には、強誘電体膜からの金属や酸素が極め
て拡散しにくいので、強誘電体膜を用いながら良好なF
ET特性が達成できる。As described above, according to the present invention, a silicon carbide layer is formed on the surface of a semiconductor substrate, a ferroelectric film is laminated on the silicon carbide layer, and a channel is formed in the silicon carbide layer. I have to. Since metal and oxygen from the ferroelectric film hardly diffuse into this silicon carbide layer, a good F
ET characteristics can be achieved.
【0051】しかも、半導体基板には不純物拡散による
導電形式の制御が容易なシリコン基板などを適用するこ
とができるから、ソース・ドレイン領域となる高濃度不
純物領域の形成は容易であり、素子の製造が困難になる
こともない。このようにして、強誘電体膜をゲート絶縁
膜に適用した実用化の容易な電界効果トランジスタが実
現される。この結果、上記の電界効果トランジスタを用
いることにより、分極が電界に対してヒステリシス特性
を有するという強誘電体の特性を利用した不揮発性の記
憶素子や記憶装置の実用化への途が拓かれる。In addition, since a silicon substrate or the like in which the conductivity type can be easily controlled by impurity diffusion can be applied to the semiconductor substrate, it is easy to form a high-concentration impurity region serving as a source / drain region. There is no difficulty. In this way, a field effect transistor that can easily be put to practical use, in which the ferroelectric film is applied to the gate insulating film, is realized. As a result, by using the above-mentioned field effect transistor, the way to practical use of a non-volatile storage element or a storage device utilizing the property of a ferroelectric substance in which polarization has a hysteresis characteristic with respect to an electric field is opened.
【図1】本発明の一実施例の不揮発性記憶装置の一部の
断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a part of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
【図2】強誘電体の分極の電界に対するヒステリシス特
性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a hysteresis characteristic of a polarization of a ferroelectric substance with respect to an electric field.
【図3】上記不揮発性記憶装置のメモリトランジスタの
原理的構成を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a principle configuration of a memory transistor of the nonvolatile memory device.
【図4】上記不揮発性記憶装置の製造工程を工程順に示
す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step of manufacturing the nonvolatile memory device in the order of steps.
【図5】上記不揮発性記憶装置の製造工程を工程順に示
す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step of manufacturing the nonvolatile memory device in the order of steps.
【図6】メモリセルをアレイ状に配置した上記不揮発性
記憶装置の回路構成を示す電気回路図である。FIG. 6 is an electric circuit diagram showing a circuit configuration of the nonvolatile memory device in which memory cells are arranged in an array.
【図7】先行技術の基本構成を示す概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram showing a basic configuration of the prior art.
【図8】強誘電体膜とシリコン基板との間に酸化シリコ
ン膜を介在させた提案例のゲート近傍の等価回路を示す
電気回路図である。FIG. 8 is an electric circuit diagram showing an equivalent circuit near a gate in a proposal example in which a silicon oxide film is interposed between a ferroelectric film and a silicon substrate.
11 P型半導体基板 13A N+ 型高濃度不純物領域(ソース領域) 13B N+ 型高濃度不純物領域(ドレイン領域) 14 P型炭化シリコン層 15 強誘電体膜 16 ゲート電極 21A 金属(ソース電極) 21B 金属(ドレイン電極)Reference Signs List 11 P-type semiconductor substrate 13A N + -type high concentration impurity region (source region) 13B N + -type high concentration impurity region (drain region) 14 P-type silicon carbide layer 15 ferroelectric film 16 gate electrode 21A metal (source electrode) 21B Metal (drain electrode)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/10 H01L 29/788 H01L 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/8247 H01L 27/10 H01L 29/788 H01L 29/792
Claims (4)
の高濃度不純物領域を間隔を開けて形成した半導体基板
と、 上記高濃度不純物領域の間を接続するように上記半導体
基板表面に形成された上記高濃度不純物領域とは逆の導
電形式の炭化シリコン層と、 この炭化シリコン層に積層して形成した強誘電体膜と、 この強誘電体膜上に形成したゲート電極とを含むことを
特徴とする電界効果トランジスタ。1. A semiconductor substrate formed with a certain concentration of high-concentration impurity regions serving as source / drain regions at intervals and formed on the surface of the semiconductor substrate so as to connect the high-concentration impurity regions. A silicon carbide layer having a conductivity type opposite to that of the high-concentration impurity region, a ferroelectric film formed by laminating the silicon carbide layer, and a gate electrode formed on the ferroelectric film. Characteristic field effect transistor.
の高濃度不純物領域を形成すべき半導体基板の表面に、
上記高濃度不純物領域を形成すべき領域の間を接続する
ように上記高濃度不純物領域とは逆の導電形式の炭化シ
リコン層を形成する工程と、 上記高濃度不純物領域を形成する工程と、 上記炭化シリコン層上に強誘電体膜を形成する工程と、 この強誘電体膜上にゲート電極を形成する工程と、 上記高濃度不純物領域に電気的に接続されるようにソー
ス・ドレイン電極を形成する工程とを含むことを特徴と
する電界効果トランジスタの製造方法。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a high-concentration impurity region of a certain conductivity type serving as a source / drain region is formed on a surface of the semiconductor substrate.
Forming a silicon carbide layer having a conductivity type opposite to that of the high-concentration impurity region so as to connect between the regions where the high-concentration impurity region is to be formed; and forming the high-concentration impurity region; Forming a ferroelectric film on the silicon carbide layer; forming a gate electrode on the ferroelectric film; forming source / drain electrodes so as to be electrically connected to the high concentration impurity region A method of manufacturing a field effect transistor.
と、 上記ゲート電極と半導体基板との間に所定方向の電界を
印加して、上記強誘電体膜の分極方向を或る方向に整列
させて情報の書込を行う手段と、 上記ゲート電極と半導体基板との間に上記所定方向とは
逆の方向の電界を印加して、上記強誘電体膜の分極方向
を反転させて情報の消去を行う手段と、 上記電界効果トランジスタの閾値の高低を調べることで
情報の読出を行う手段とを含むことを特徴とする不揮発
性記憶素子。3. A field effect transistor according to claim 1, wherein an electric field in a predetermined direction is applied between said gate electrode and said semiconductor substrate to align the polarization direction of said ferroelectric film in a certain direction. Means for writing information by erasing, and applying an electric field in a direction opposite to the predetermined direction between the gate electrode and the semiconductor substrate to invert the polarization direction of the ferroelectric film to erase the information. And a means for reading information by examining the level of the threshold value of the field effect transistor.
電界効果トランジスタをそれぞれ有する複数のメモリセ
ルと、 任意のメモリセルを選択する手段と、 選択されたメモリセルの上記ゲート電極と半導体基板と
の間に所定方向の電界を印加して、上記強誘電体膜の分
極方向を或る方向に整列させて情報の書込を行う手段
と、 選択されたメモリセルの上記ゲート電極と半導体基板と
の間に上記所定方向とは逆の方向の電界を印加して、上
記強誘電体膜の分極方向を逆の方向に整列させて情報の
消去を行う手段と、 選択されたメモリセルの上記電界効果トランジスタの閾
値の高低を調べることで情報の読出を行う手段とを含む
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。4. A plurality of memory cells arranged in an array and each having the field effect transistor according to claim 1, means for selecting an arbitrary memory cell, the gate electrode of the selected memory cell and a semiconductor Means for applying an electric field in a predetermined direction between the substrate and the substrate to write information by aligning the polarization direction of the ferroelectric film in a certain direction; Means for erasing information by applying an electric field in a direction opposite to the predetermined direction to the substrate and aligning the polarization direction of the ferroelectric film in the opposite direction; Means for reading information by examining the level of the threshold value of the field effect transistor.
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|---|---|---|---|
| JP03320708A JP3093011B2 (en) | 1991-12-04 | 1991-12-04 | FIELD-EFFECT TRANSISTOR AND ITS MANUFACTURING METHOD, AND NONVOLATILE STORAGE ELEMENT AND NONVOLATILE STORAGE DEVICE USING THE TRANSISTOR |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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