DE60118061T2

DE60118061T2 - Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher

Info

Publication number: DE60118061T2
Application number: DE60118061T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Muko-shi Shimada; Yoshihisa Otsu-shi Kato
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: CN1181553C; KR100655028B1; JP2002009255A; TW511275B; US20010052607A1; DE60118061D1; US6455883B2; EP1168454B1; KR20010113555A; EP1168454A3; CN1350333A; EP1168454A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher, der einen ferroelektrischen Kondensator zur Steuerung des Gate-Potentials eines Feldeffekt-Transistors (FET) benutzt.
In herkömmlichen nichtflüchtigen ferroelektrischen Speichern, die einen ferroelektrischen Kondensator zur Steuerung des Gate-Potentials eines FET benutzen, sind ein Source-Bereich 2 und ein Drain-Bereich 3 in einem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet und ein Siliziumoxid-Schicht 5, die als dielektrische Schicht dient, ist in einem Kanalbereich 4 zwischen dem Source-Bereich 2 und dem Drain-Bereich 3 auf dem Silizium-Substrat 1 ausgebildet, wie es in 4 dargestellt ist. Eine ferroelektrische Schicht 6 aus einem Metalloxid, wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Strontium-Wismut-Tantalat (SBT), ist auf der Siliziumoxid-Schicht 5 ausgebildet, und eine Gate-Elektrode 7 ist auf der ferroelektrischen Schicht 6 ausgebildet.
In einem ferroelektrischen Halbleiterspeicher kann in der ferroelektrischen Schicht 6 eine Aufwärts- oder Abwärtspolarisation hervorgerufen werden. Die Stärke des Oberflächenpotentials des Bereiches in dem Siliziumsubstrat 1 unterhalb der Gate-Elektrode 7 kann auf zwei unterschiedliche Werten eingestellt werden, die jeweils den Polarisationszuständen des ferroelektrischen Schicht 6 entsprechen.
Dabei Fall steuert die Stärke des Oberflächenpotentials des Bereiches in dem Siliziumsubstrat 1 unterhalb der Gate-Elektrode 7 (des Kanalbereiches) den Widerstand zwischen dem Source-Bereich 2 und dem Drain-Bereich 3, und damit wird entsprechend der Polarisationsrichtung der ferroelektrischen Schicht 6 der Widerstand zwischen dem Source-Bereich 2 und dem Drain-Bereich 3 auf einen großen Wert oder einen kleinen Wert eingestellt. Diese Zustände bleiben so lange erhalten (gespeichert), wie die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 6 erhalten bleibt, und somit arbeitet der ferroelektrische Speicher als nichtflüchtiger Speicher.
Zu der Speicherung eines der beiden logischen Zustände in dem ferroelektrischen Speicher oder zu dem Lesen der beiden logischen Zustände aus dem ferroelektrischen Speicher, wird zum Beispiel der nach unten gerichtete Polarisationszustand in der ferroelektrischen Schicht 6 als logisch "1" bezeichnet und der nach oben gerichtete Polarisationszustand wird als logisch "0" bezeichnet.
Um die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 6 nach unten zu richten und eine Information (von logisch "1") in den ferroelektrischen Speicher zu schreiben, wird eine große positive Spannung an die Gate-Elektrode 7 angelegt, wobei das Silizium-Substrat 1 auf Bezugspotential liegt. Danach ändert sich das Potential der Gate-Elektrode 7 aufgrund eines Leckstroms in dem FET rasch auf das Bezugspotential, da ein Potentialunterschied zwischen der Gate-Elektrode 7 und dem Silizium-Substrat 1 schnell abgebaut wird. Somit bleibt die geschriebene Information erhalten.
Als nächstes wird der Zustand der Datenspeicherung eines ferroelektrischen Speichers bezüglich des Energieband-Diagramms aus den 5A und 5B beschrieben.
Es wird beispielsweise angenommen, dass das Silizium-Substrat 1 p-leitend ist und der Source-Bereich 2 und der Drain-Bereich 3 n-leitend sind. 5A zeigt ein Energieband, wie man es ein einem ferroelektrischen Speicher erhält, wenn man eine positive Vorspannung anlegt, um die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 6 nach unten zu richten (um eine Information von logisch "1" zu schreiben) und dann das Potential der Gate-Elektrode 7 auf das Bezugspotential wechselt. 5B zeigt ein Energieband, wie man es ein einem ferroelektrischen Speicher erhält, wenn man eine negative Vorspannung anlegt, um die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 6 nach oben zu richten (um eine Information von logisch "0" zu schreiben) und dann das Potential der Gate-Elektrode 7 auf das Bezugspotential wechselt. In den 5A und 5B bezeichnet das Bezugszeichen 30 die Richtung der Polarisation, das Bezugszeichen 31 das Leitungsband der Gate-Elektrode 7, das Bezugszeichen 32 das Energieband der ferroelektrischen Schicht 6, das Bezugszeichen 33 das Energieband der Siliziumoxid-Schicht 5, das Bezugszeichen 35 den n-leitenden Ladungskanal und die gestrichelte Linie bezeichnet das Fermi-Niveau.
Falls die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 6 nach unten gerichtet ist, dehnt sich die negativ ionisierte Sperrschicht tief in den Bereich des Silizium-Substrates 1 aus. Wie in 5A gezeigt, bildet sich in dem Bereich des Silizium-Substrates 1 unterhalb der Gate-Elektrode 7 (in dem Kanalbereich 4) ein n-leitender Leitungskanal, und damit ist das Oberflächenpotential des Silizium-Substrates 1 niedriger als das Bezugspotential.
Ist dagegen die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 6 nach oben gerichtet, werden Löcher, das sind Ladungsträger vom p-Typ, in dem Bereich des Silizium-Substrates 1 unterhalb der Gate-Elektrode 7 (in dem Kanalbereich 4) gespeichert und damit ist, wie in 5B gezeigt, der n-leitende Kanal in dem Kanalbereich nicht ausgebildet. Daher stimmt das Potential des Silizium-Substrates 1 mit dem Bezugspotential überein.
Das Oberflächenpotential in dem Bereich des Silizium-Substrates 1 unterhalb der Gate-Elektrode ist daher je nach Polarisationsrichtung der ferroelektrischen Schicht 6 unterschiedlich. Wenn zwischen dem Drain-Bereich 3 und dem Source-Bereich 2 ein Potentialunterschied entsteht, fließt folglich abhängig von der Polarisationsrichtung ein Strom zwischen dem Drain-Bereich 3 und dem Source-Bereich 2. Speziell wenn das Oberflächenpotential des Silizium-Substrats 1 kleiner als das Bezugspotential ist (was einer logischen "1" entspricht), ist der Widerstand zwischen dem Drain-Bereich 3 und dem Source-Bereich 2 niedrig (was einem Ein-Zustand entspricht), so dass ein großer Strom fließen kann. Wenn das Oberflächenpotential des Silizium-Substrats 1 mit dem Bezugspotential übereinstimmt (was einer logischen "0" entspricht), ist der Widerstand zwischen dem Drain-Bereich 3 und dem Source-Bereich 2 groß (was einem Aus-Zustand entspricht), und somit kann nur ein minimaler Strom fließen. Dementsprechend kann festgestellt werden, ob sich der ferroelektrische Speicher in dem Ein-Zustand (entsprechend einer logischen "1") oder dem Aus-Zustand (entsprechend einer logischen "0") befindet, in dem der Wert des Stroms gemessen wird, der zwischen dem Drain-Bereich 3 und dem Source-Bereich 2 fließt.
Auf diese Weise kann der logische Zustand des ferroelektrischen Speichers ausgelesen werden, in dem eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain hervorgerufen wird, ohne dass eine Vorspannung an die Gate-Elektrode 7 angelegt wird. Demzufolge entspricht der Ein-Zustand des ferroelektrischen Speichers einem Sperrzustand eines MOS-Transistors.
Nachdem eine Information in den ferroelektrischen Speicher geschrieben wurde, wird unvermeidlich eine positive oder negative Vorspannung in der ferroelektrischen Schicht 6 hervorgerufen, wie es in 5A und 5B gezeigt ist. Die Siliziumoxid-Schicht 5 und das Silizium-Substrat 1 erhalten ein Potential zur Aufhebung der Vorspannung. Ob der ferroelektrische Speicher in einem Ein-Zustand oder einem Aus-Zustand ist, hängt von dem jeweiligen Potential ab.
Die ferroelektrische Schicht 6 ist eine isolierende Schicht und hat einen Widerstand von höchtens etwa 10¹⁵ Ω·cm. Hat die ferroelektrische Schicht eine Dicke von 100 nm, so ergibt sich damit ein Widerstand der ferroelektrischen Schicht 6 von 10⁷ Ω pro cm².
Die ferroelektrische Schicht 6 und die Gate-Elektrode 7 haben, wie in 4 gezeigt, die gleiche Grundfläche. Daher ist für die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften des ferroelektrischen Speichers die Fläche der ferroelektrischen Schicht 6 und der Gate-Elektrode 7 hierbei zu 1 cm² standardisiert.
6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines ferroelektrischen Speichers, das man erhält, wenn die Gate-Elektrode 7 und das Siliziumsubstrat 1 auf Bezugspotential liegen. In 6 bezeichnet C_OX den Kapazität der Siliziumoxid-Schicht 5, C_F bezeichnet die Kapazität der ferroelektrischen Schicht 6 und R_F bezeichnet den inneren Widerstand der ferroelektrischen Schicht 6. Der Wert von C_OX ist höchstens 0,1 μF/cm², was im Wesentlichen genauso groß wie die Kapazität der Siliziumoxid-Schicht eines Standard MOS-Transistors ist. Der Wert von C_F ist 1 μF/cm². Daher ist die parallele Kapazität dieser beiden Kondensatoren etwa 1 μF/cm². Der Wert von R_F ist wie oben beschrieben 10⁷ Ω. Entsprechend fällt das virtuelle schwebende Potential im Punkt A des Ersatzschaltbilds aus 6 durch die Entladung des Kondensators C_OX und des Kondensators C_F durch den Widerstand R_F. Die Zeitkonstante für diesen Fall bestimmt sich zu (C_OX + C_F) × R_F, was etwa 10 Sekunden ergibt. Die eigentliche Zeitkonstante ist aufgrund des Trapping in der Gate-Elektrode und der Verschiebung des ohmschen Widerstandes bei niedrigen Spannungen eher größer. Dennoch ist die experimentell ermittelte obere Grenze der Zeitkonstante höchstens 10³ Sekunden.
Dies bedeutet, dass die Vorspannung, die an die ferroelektrische Schicht 6 anliegt, verloren geht und somit der Leitungskanal nach etwa 10³ Sekunden aufgehoben ist.
Für eine praktische Verwendung von ferroelektrischen Speichern als nichtflüchtige Speicher wird eine Datenspeicherzeit von 10 Jahren (= 10⁸ Sekunden) und mehr gefordert. Um diese Speicherzeiten zu erreichen muss der Widerstand der ferroelektrischen Schicht 6 auf mindestens etwas 10²⁰ Ω·cm erhöht werden, was fünf oder mehr Größenordnungen entspricht.
Eine ferroelektrische Schicht mit so einem großen Widerstand kann jedoch in den heutigen Tagen noch nicht erreicht werden, was einem praktischen Einsatz von ferroelektrischen Speichern entgegensteht.
US-A-5 744 674 bezieht sich auf ferroelektrische Speichervorrichtungen, die eine Schicht Yttriumoxid als dielektrische Pufferschicht zwischen dem Siliziumsubstrat und der ferroelektrischen Schicht benutzen. Die isolierende Schicht einer solche Speichervorrichtung hat bezüglich Gitterkonstante und thermischem Ausdehnungskoeffizienten ähnliche Eigenschaften wie das Silizium-Substrat. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung solcher Speichervorrichtungen beschrieben.
Ein statischer ferroelektrischer Speicher, der einer Feldeffekt-Transistor mit verbesserter Datenhaltungszeiten benutzt, ist in US-A-5 578 846 beschrieben. Die ferroelektrische Schicht dieses Feldeffekt-Transistors ist aus einer Perowskit-Struktur (ABO₃) hergestellt. Ferner ist die Perowskit-Struktur mit einem Element dotiert, das eine Oxidationszahl von größer als +4 besitzt.
Der Artikel "The Effects of Mg Doping on the Materials and Dielectric Properties of Ba_1–xSr_xTiO₃ Thin Films" (Materials Research Society Symposium Proceedings, Volume 623, 2000, Seite 125–130) beschreibt die Effekte einer Mg-Dotierung von Ba_1–xSr_xTiO₃ (BST). Es wird berichtet, dass Mg-Dotierung die Korngröße, die dielektrischen Verluste, die dielektrische Konstante und den Verluststrom verringert. BST wird für die Herstellung von einstellbaren Mikrowellenkomponenten, wie zum Beispiel Mischern, Verzögerungsleitungen oder Filtern, verwendet.
Unter Berücksichtigung der zuvor genannten Umstände ist es die Aufgabe der Erfindung, einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher bereitzustellen, der in der Lage ist, die Daten für einen langen Zeitraum zu speichern, indem der Verlust an Ladungsträgern aufgrund eines Leckstroms in der ferroelektrischen Schicht unterbunden wird. Um diese Aufgabe zu erzielen umfasst ein erster nichtflüchtiger Halbleiterspeicher aus dieser Erfindung einen Source-Bereich und einen Drain-Bereich, die in einem Siliziumsubstrat ausgebildet sind, eine dielektrische Schicht, die über dem Bereich des Siliziumsubstrats zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich ausgebildet ist, eine ferroelektrische Schicht, die auf der dielektrischen Schicht ausgebildet ist, und eine Gate-Elektrode, die auf der ferroelektrischen Schicht ausgebildet ist. Die ferroelektrische Schicht und das Siliziumsubstrat sind p-leitend, und der Source-Bereich und der Drain-Bereich sind n-leitend.
Die Aufgabe wird auch durch einen zweiten nichtflüchtiger Halbleiterspeicher erzielt. Dieser umfasst eine Source-Bereich und einen Drain-Bereich, die in einem Siliziumsubstrat ausgebildet sind, eine dielektrische Schicht, die über dem Bereich des Siliziumsubstrats zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich ausgebildet ist, eine ferroelektrische Schicht, die auf der dielektrischen Schicht ausgebildet ist, und eine Gate-Elektrode, die auf der ferroelektrischen Schicht ausgebildet ist. Die ferroelektrische Schicht und das Siliziumsubstrat sind n-leitend, und der Source-Bereich und der Drain-Bereich sind p-leitend.
Der erste und zweite nichtflüchtige Halbleiterspeicher dieser Erfindung haben jeweils in der ferroelektrischen Schicht und in dem Silizium-Substrat den gleichen Leitungstyp. Daher ist der Verlust an Ladungsträgern aufgrund eines Leckstroms in der ferroelektrischen Schicht minimal, selbst wenn eine Vorspannung an die ferroelektrische Schicht angelegt wird, um eine Information zu schreiben, da nur wenige Ladungsträger der gleichen Polarität wie die Vorspannung vorhanden sind. Daher kann der Leitungskanal, der sich in dem Oberflächenbereich des Siliziums-Substrats ausgebildet hat, für einen langen Zeitraum erhalten bleiben und der Leitungskanal bleibt konstant erhalten bis ein Vorgang zur Entfernung des Leitungskanals ausgeführt wird. Nachdem die Operation für die Entfernung des Leitungskanals ausgeführt wurde, bleibt der Leitungskanal auch permanent entfernt.
Als Folge kann in dem ersten und zweiten nichtflüchtigen Halbleiterspeicher der Erfindung eine Information für einen langen Zeitraum gespeicherte bleiben.
1 zeigt die Ansicht eines Querschnitts durch einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 und 2 der Erfindung;
2A und 2B zeigen Energieband-Diagramme eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers des Ausführungsbeispiels 1 in dem Zustand der Datenspeicherung;
3A und 3B zeigen Energieband-Diagramme eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers des Ausführungsbeispiels 2 in dem Zustand der Datenspeicherung;
4 zeigt die Ansicht eines Querschnitts durch einen konventionellen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher;
5A und 5B zeigen die Energieband-Diagramme der konventionellen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher in dem Zustand der Datenspeicherung; und
6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines konventionellen ferroelektrischen Speichers für den Fall, dass die Gate-Elektrode und das Silizium-Substrat auf Bezugspotential liegen.
Im Folgenden wird die Struktur des Querschnitts eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers gemäß den Ausführungsbeispielen 1 und 2 der Erfindung in Bezug auf 1 beschrieben.
1 zeigt die Struktur eines Querschnitts eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers, wie sie den beiden Ausführungsbeispielen 1 und 2 gemeinsam zugrunde liegt. Ein Source-Bereich 11 und eine Drain-Bereich 12 sind in dem Silizium-Substrat 10 ausgebildet, und eine Siliziumoxid-Schicht 14, die als dielektrische Schicht dient, ist auf einem Kanalbereicht 13 in dem Silizium-Substrat 10 zwischen dem Source-Bereich 11 und dem Drain-Bereich 12 ausgebildet. Eine ferroelektrische Schicht 15 aus einem Metalloxid ist auf der Siliziumoxid-Schicht 14 ausgebildet und eine Gate-Elektrode 16 ist auf der ferroelektrischen Schicht 15 ausgebildet.
Ausführungsbeispiel 1
In dem ferroelektrischen Speicher gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 dieser Erfindung ist die ferroelektrische Schicht 15 p-leitend, das Silizium-Substrat 10 ist p-leitend und der Source-Bereich 11 und der Drain-Bereich 12 sind n-leitend. Daher ist der Feldeffekt-Transistor des ferroelektrischen Speichers ein n-Kanal-Transistor.
Aufgrund dieser Struktur ist der Verlust der Ladung durch den in der ferroelektrischen Schicht 15 hervorgerufenen Leckstrom minimal. Somit können die Daten für einen langen Zeitraum gespeichert werden. Der Grund hierfür wird nun mit Bezug auf 2A und 2B beschrieben.
3B und 3B sind Energieband-Diagramme des nichtflüchtigen Halbleiterspeichers aus Ausführungsbeispiels 1, nämlich eines ferroelektrischen Speichers, im Zustand der Datenspeicherung, in dem die ferroelektrische Schicht 15 und das Silizium-Substrat 10 beide p-leitend sind.
In den 2A und 2B bezeichnet das Bezugszeichen 20 die Richtung der Polarisation, das Bezugszeichen 21 bezeichnet das Energieband der Gate-Elektrode 16, das Bezugszeichen 22 bezeichnet das Energieband der ferroelektrischen Schicht 15, das Bezugszeichen 23 bezeichnet das Energieband der Siliziumoxid-Schicht 14, das Bezugszeichen 24 bezeichnet das Energieband des p-leitenden Silizium-Substrats 10 und die gestrichelte Linie bezeichnet das Fermi-Niveau.
Nun werden die Ladungsträger des Leckstroms betrachtet, die durch den inneren Widerstand der ferroelektrischen Schicht 15 des ferroelektrischen Speichers fließen. Da die ferroelektrische Schicht 15 und die Siliziumoxid-Schicht 14 direkt miteinander verbunden sind, handelt es sich bei der Ladung am Übergang der beiden Schichten um Polarisationsladung. Daher sind an dem Übergang keine frei beweglichen Ladungsträger vorhanden.
Um den ferroelektrischen Speicher des Ausführungsbeispiels 1 in den Ein-Zustand zu bringen, wird bezüglich des Silizium-Substrates 10 vom p-Typ eine positive Vorspannung an die Gate-Elektrode 16 angelegt, so dass sich die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 15 nach unten wendet. Danach wird die Vorspannung auf Null geändert. Wie 2A zeigt, kann dadurch der Leitungskanal 25, der auf einem Silizium-Substrat vom p-Typ ausgebildet ist, für eine lange Zeit erhalten werden.
Wie aus 2A zu erkennen ist, wird zu diesem Zeitpunkt eine Vorspannung, die bezüglich des Silizium-Substrates 10 negativ ist, an die ferroelektrische Schicht 15 angelegt. Da eine negative Vorspannung angelegt ist, werden die Ladungsträger in die ferroelektrische Schicht 15 entweder als Löcher aus der Siliziumoxid-Schicht 14 injiziert oder als Elektronen aus der Gate-Elektrode 16 injiziert.
Es gibt jedoch keine frei beweglichen Ladungsträger in der Nachbarschaft des Übergangs zwischen der ferroelektrischen Schicht 15 und der Siliziumoxid-Schicht 14. Daher werden keinesfalls Löcher aus der Siliziumoxid-Schicht 14 injiziert. Folglich sind die injizierten Ladungsträger lediglich Elektronen, die aus der Gate-Elektrode 16 injiziert werden.
Da das Silizium-Substrat 10 p-leitend ist und die ferroelektrische Schicht 15 in dem Ausführungsbeispiel 1 p-leitend ist, können die Elektronen, die von der Gate-Elektrode injiziert werden, nicht durch die ferroelektrischen Schicht 15 geleitet werden. Daher sind die Elektronen, die nicht geleitet werden können, lokal an dem Übergang zwischen der Gate-Elektrode 16 und der ferroelektrischen Schicht 15 vorhanden. Als Ergebnis beschleunigt sich der Anstieg des Oberflächenpotentials der ferroelektrischen Schicht 15 bezüglich der Elektronen, so dass die Elektronen überhaupt nicht mehr injiziert werden können.
Da auf diese Weise die Elektronen nicht von der Gate-Elektrode 16 injiziert werden, kann die Vorspannung, die an die ferroelektrische Schicht 15 angelegt ist, für einen langen Zeitraum erhalten bleiben. Entsprechend kann der n-leitende Kanal 25, der in der Oberfläche des p-leitenden Silizium-Substrats 10 ausgebildet ist, erhalten bleiben.
Um den ferroelektrischen Speicher des Ausführungsbeispiels 1 in den Aus-Zustand zu versetzen, wird eine Vorspannung, die bezüglich des p-leitenden Silizium-Substrats 10 negativ ist, an die Gate-Elektrode 16 angelegt, um die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 15 nach oben zu wenden. Die Vorspannung wird danach auf Null geändert. Wie in 2B gezeigt, wird dadurch der n-leitende Kanal 25, der auf der Oberfläche des p-leitenden Silizium-Substrats ausgebildet ist, entfernt.
Zu diesem Zeitpunkt wird die negative Vorspannung, die an die Gate-Elektrode 16 angelegt ist, auf einen hinreichend kleinen Wert gesetzt, um sie nicht an die ferroelektrische Schicht 15 anzulegen. Folglich befindet sich, wie in 2B gezeigt, das Energieband im Wesentlichen im thermischen Gleichgewichtszustand, und damit bleibt der n-leitende Ladungskanal 25 permanent entfernt.
Ausführungsbeispiel 2
In dem ferroelektrischen Speicher gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 dieser Erfindung ist die ferroelektrische Schicht 15 n-leitend, das Silizium-Substrat 10 ist n-leitend und der Source-Bereich 11 und der Drain-Bereich 12 sind p-leitend. Daher ist der Feldeffekt-Transistor des ferroelektrischen Speichers ein p-Kanal-Transistor.
Aufgrund dieser Struktur ist der Verlust der Ladung durch den in der ferroelektrischen Schicht 15 hervorgerufenen Leckstrom minimal. Somit können die Daten für einen langen Zeitraum gespeichert werden. Der Grund hierfür wird nun mit Bezug auf 3A und 3B beschrieben.
3A und 3B sind Energieband-Diagramme des nichtflüchtigen Halbleiterspeichers aus Ausführungsbeispiels 2, nämlich eines ferroelektrischen Speichers, im Zustand der Datenspeicherung, in dem die ferroelektrische Schicht 15 und das Silizium-Substrat 10 beide n-leitend sind.
In den 3A und 3B bezeichnet das Bezugszeichen 20 die Richtung der Polarisation, das Bezugszeichen 21 bezeichnet das Energieband der Gate-Elektrode 16, das Bezugszeichen 22 bezeichnet das Energieband der ferroelektrischen Schicht 15, das Bezugszeichen 23 bezeichnet das Energieband der Siliziumoxid-Schicht 14, das Bezugszeichen 24 bezeichnet das Energieband des n-leitenden Silizium-Substrats 10 und die gestrichelte Linie bezeichnet das Fermi-Niveau.
Nun werden die Ladungsträger des Leckstroms betrachtet, die durch den inneren Widerstand der ferroelektnschen Schicht 15 des ferroelektrischen Speichers fließen. Da die ferroelektrische Schicht 15 und die Siliziumoxid-Schicht 14 direkt miteinander verbunden sind, handelt es sich bei der Ladung am Übergang der beiden. Schichten um Polarisationsladung. Daher sind an dem Übergang keine frei beweglichen Ladungsträger vorhanden.
Um den ferroelektrischen Speicher des Ausführungsbeispiels 2 in den Ein-Zustand zu bringen, wird bezüglich des Silizium-Substrates 10 vom n-Typ eine negative Vorspannung an die Gate-Elektrode 16 angelegt, so dass sich die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 15 nach oben wendet. Danach wird die Vorspannung auf Null geändert. Wie 3A zeigt, kann dadurch der Leitungskanal 27 vom p-Typ, der auf einem Silizium-Substrat vom n-Typ ausgebildet ist, für eine lange Zeit erhalten werden.
Wie aus 3A zu erkennen ist, wird zu diesem Zeitpunkt eine Vorspannung, die bezüglich des Silizium-Substrates 10 positiv ist, an die ferroelektrische Schicht 15 angelegt. Da eine positive Vorspannung angelegt ist, werden die Ladungsträger in die ferroelektrische Schicht 15 entweder als Elektronen aus der Siliziumoxid-Schicht 14 injiziert oder als Löcher aus der Gate-Elektrode 16 injiziert.
Es gibt jedoch keine frei beweglichen Ladungsträger in der Nachbarschaft des Übergangs zwischen der ferroelektrischen Schicht 15 und der Siliziumoxid-Schicht 14. Daher werden keinesfalls Elektronen aus der Siliziumoxid-Schicht 14 injiziert. Folglich sind die injizierten Ladungsträger lediglich Löcher, die aus der Gate-Elektrode 16 injiziert werden.
Da das Silizium-Substrat 10 n-leitend ist und die ferroelektrische Schicht 15 in dem Ausführungsbeispiel 2 n-leitend ist, können die Löcher, die von der Gate-Elektrode injiziert werden, nicht durch die ferroelektrischen Schicht 15 geleitet werden. Daher sind die Löcher, die nicht geleitet werden können, lokal an dem Übergang zwischen der Gate-Elektrode 16 und der ferroelektrischen Schicht 15 vorhanden. Als Ergebnis beschleunigt sich der Anstieg des Oberflächenpotentials der ferroelektrischen Schicht 15 bezüglich der Löcher, so dass die Löcher überhaupt nicht mehr injiziert werden können.
Da auf diese Weise die Löcher nicht von der Gate-Elektrode 16 injiziert werden, kann die Vorspannung, die an die ferroelektrische Schicht 15 angelegt ist, für einen langen Zeitraum erhalten bleiben. Entsprechend kann der p-leitende Kanal 27, der in der Oberfläche des n-leitenden Silizium-Substrats 10 ausgebildet ist, erhalten bleiben.
Um den ferroelektrischen Speicher des Ausführungsbeispiels 2 in den Aus-Zustand zu versetzen, wird eine Vorspannung, die bezüglich des p-leitenden Silizium-Substrats 10 positiv ist, an die Gate-Elektrode 16 angelegt, um die Polarisation der ferroelektrischen Schicht 15 nach unten zu wenden. Die Vorspannung wird danach auf Null geändert. Wie in 3B gezeigt, wird dadurch der p-leitende Kanal 27, der auf der Oberfläche des n-leitenden Silizium-Substrats ausgebildet ist, entfernt.
Zu diesem Zeitpunkt wird die positive Vorspannung, die an die Gate-Elektrode 16 angelegt ist, auf einen hinreichend kleinen Wert gesetzt, um sie nicht an die ferroelektrische Schicht 15 anzulegen. Folglich befindet sich, wie in 3B gezeigt, das Energieband im Wesentlichen im thermischen Gleichgewichtszustand, und damit bleibt der p-leitende Ladungskanal 27 permanent entfernt.
Falls die ferroelektrische Schicht 15 zum Beispiel aus einer n-leitenden SrBi₂(Ta, Nb)₂O₄ Schicht gebildet ist, ist die Datenspeicherzeit eines auf einem n-leitenden Silizium-Substrat gebildeten p-Kanal FET größer als die Speicherzeit eines auf einem p-leitenden Silizium-Substrat gebildeten n-Kanal FET.

Claims

Ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher umfassend: ein Source-Bereich (11) und ein Drain-Bereich (12), die in einem Siliziumsubstrat (10) ausgebildet sind, eine dielektrische Schicht (14), die über dem Bereich des Siliziumsubstrats (10) zwischen dem Source-Bereich (11) und dem Drain-Bereich (12) ausgebildet ist, eine ferroelektrische Schicht (15), die auf der dielektrischen Schicht (14) ausgebildet ist, und eine Gate-Elektrode (16), die auf der ferroelektrischen Schicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Schicht (15) und das Siliziumsubstrat (10) p-leitend sind, und der Source-Bereich (11) und der Drain-Bereich (12) n-leitend sind.
Ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher umfassend: ein Source-Bereich (11) und ein Drain-Bereich (12), die in einem Siliziumsubstrat (10) ausgebildet sind, eine dielektrische Schicht (14), die über dem Bereich des Siliziumsubstrats (10) zwischen dem Source-Bereich (11) und dem Drain-Bereich (12) ausgebildet ist, eine ferroelektrische Schicht (15), die auf der dielektrischen Schicht (14) ausgebildet ist, und eine Gate-Elektrode (16), die auf der ferroelektrischen Schicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Schicht (15) und das Siliziumsubstrat (10) n-leitend sind, und der Source-Bereich (11) und der Drain-Bereich (12) p-leitend sind.