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JP2010267705A - Semiconductor memory cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2010267705A
JP2010267705A JP2009116442A JP2009116442A JP2010267705A JP 2010267705 A JP2010267705 A JP 2010267705A JP 2009116442 A JP2009116442 A JP 2009116442A JP 2009116442 A JP2009116442 A JP 2009116442A JP 2010267705 A JP2010267705 A JP 2010267705A
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semiconductor memory
gate electrode
electrode
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Hiroyuki Tanaka
浩之 田中
Yukihiro Kaneko
幸広 金子
Takehisa Kato
剛久 加藤
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Original Assignee
Panasonic Corp
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Abstract

【課題】スイッチング特性に優れ、セルサイズの小さい半導体メモリセルを提供することにある。
【解決手段】ゲート絶縁膜が強誘電体膜4で構成されたMFSFET21からなるメモリ素子と、ゲート絶縁膜が常誘電体膜9で構成されたMISFET22からなる選択スイッチング素子とを備え、強誘電体膜4と常誘電体膜9とはアモルファス半導体膜5を介して積層されており、強誘電体膜4側に、MFSFET21の第1のゲート電極3が形成され、常誘電体膜9側に、MISFETの第2のゲート電極10が形成されている。アモルファス半導体膜5は、MFSFET21及びMISFET22の共通のチャネル層を構成しており、アモルファス半導体膜5の主面上に、MFSFET21及びMISFET22に共通のソース電極6及びドレイン電極8が形成されている。
【選択図】図10
A semiconductor memory cell having excellent switching characteristics and a small cell size is provided.
A ferroelectric device includes a memory element composed of a MFSFET whose gate insulating film is composed of a ferroelectric film, and a selective switching element composed of a MISFET whose gate insulating film is composed of a paraelectric film. The film 4 and the paraelectric film 9 are laminated via the amorphous semiconductor film 5, the first gate electrode 3 of the MFSFET 21 is formed on the ferroelectric film 4 side, and the paraelectric film 9 side is formed. A second gate electrode 10 of the MISFET is formed. The amorphous semiconductor film 5 constitutes a common channel layer for the MFSFET 21 and the MISFET 22, and a source electrode 6 and a drain electrode 8 common to the MFSFET 21 and the MISFET 22 are formed on the main surface of the amorphous semiconductor film 5.
[Selection] Figure 10

Description

本発明は、ゲート絶縁膜が強誘電体膜で構成された電界効果トランジスタからなる半導体記メモリセルに関する。   The present invention relates to a semiconductor memory cell comprising a field effect transistor having a gate insulating film made of a ferroelectric film.

強誘電体を用いた不揮発性メモリには、大きく分けてキャパシタ型と、ゲート絶縁膜を強誘電体膜で構成した電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor、FET)型との2種類がある。   There are two types of nonvolatile memories using ferroelectrics: a capacitor type and a field effect transistor (FET) type in which a gate insulating film is formed of a ferroelectric film.

キャパシタ型は、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)と類似した構造であり、強誘電体キャパシタに電荷を保持し、強誘電体の分極方向によって、データの0、1状態を区別する。データを読み出す際に、記憶されていたデータを破壊してしまうため、データの再書き込み動作が必要となる。そのため、読み出すごとに分極反転させることになり、分極反転疲労が問題となる。また、この構造では分極電荷をセンスアンプで読み出すため、センスアンプの検知限界以上の電荷量(典型的には100fC)が必要である。強誘電体は面積あたりの分極電荷が材料固有であり、メモリセルを微細化する場合であっても、同じ材料を使う限り電極面積は一定の大きさが必要である。従って、プロセスルールの微細化に比例してキャパシタサイズを小さくすることは困難であり、大容量化に不適である。   The capacitor type has a structure similar to that of a dynamic random access memory (DRAM), and holds a charge in a ferroelectric capacitor, and distinguishes between 0 and 1 states of data depending on the polarization direction of the ferroelectric. When data is read, the stored data is destroyed, so that a data rewrite operation is required. For this reason, the polarization is inverted every time reading is performed, and polarization inversion fatigue becomes a problem. In this structure, since the polarization charge is read by the sense amplifier, a charge amount (typically 100 fC) that is greater than the detection limit of the sense amplifier is required. A ferroelectric has a polarization charge per area inherent to the material, and even when the memory cell is miniaturized, the electrode area needs to have a certain size as long as the same material is used. Therefore, it is difficult to reduce the capacitor size in proportion to the miniaturization of the process rule, which is not suitable for increasing the capacity.

一方、FET型の強誘電体メモリ(MFSFET:Metal-Ferroelectric-Semiconductor FET)は、強誘電体膜の分極の向きによって変化するチャネルの導通状態を検出することによりデータを読み出すため、非破壊でのデータの読み出しが可能である。また、FETの増幅作用によって出力電圧振幅を大きくすることができ、スケーリング則に依存した微細化が可能である。そのため、キャパシタ型に比べて飛躍的に微細化することが可能である。   On the other hand, FET-type ferroelectric memory (MFSFET: Metal-Ferroelectric-Semiconductor FET) reads data by detecting the conduction state of the channel that changes depending on the direction of polarization of the ferroelectric film. Data can be read out. Further, the output voltage amplitude can be increased by the amplification action of the FET, and miniaturization depending on the scaling law is possible. Therefore, it can be remarkably miniaturized as compared with the capacitor type.

ところで、FET型の強誘電体メモリを行列状にマトリクス配置したメモリセルアレイにおいて、強誘電体メモリへの2値データの書き込みは、選択されたメモリセルのワード線に接続されたゲート電極と、ソース線に接続されたソース電極間に電圧パルスを印加することによって行われる。しかしながら、その際、選択されたメモリセルのワード線及びソース線に接続された非アクセス対象のメモリセルにも電圧が印加されることから、データの誤書き込みが発生してしまう。そのため、通常は、ワード線とゲート電極間および/またはソース線とソース電極間に、例えば、MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor FET)からなる選択スイッチ素子を挿入することによって、誤書き込みの防止を図っている。このような構成にすれば、各メモリセルへのランダムアクセスが可能になる(例えば、特許文献1を参照)。   By the way, in a memory cell array in which FET type ferroelectric memories are arranged in a matrix, binary data is written into the ferroelectric memory by using a gate electrode connected to the word line of the selected memory cell, a source This is done by applying a voltage pulse between the source electrodes connected to the line. However, at that time, a voltage is also applied to the non-access target memory cell connected to the word line and the source line of the selected memory cell, so that erroneous data writing occurs. For this reason, in general, a selection switch element made of, for example, a MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET) is inserted between the word line and the gate electrode and / or between the source line and the source electrode to prevent erroneous writing. ing. With such a configuration, random access to each memory cell becomes possible (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、メモリ素子であるMFSFETに、選択スイッチ素子であるMISFETを平面的に並べて配置すると、少なくとも、これらFETのゲート電極を電気的に分離する領域が必要となるため、セルサイズが大きくなってしまうという問題がある。   However, when the MISFETs that are the selection switch elements are arranged in a plane on the MFSFET that is the memory element, at least a region that electrically isolates the gate electrodes of these FETs is required, which increases the cell size. There is a problem.

このような問題に対して、本願出願人は、セルサイズの小さい新構造の半導体メモリセルを提案している(特許文献2)。この新構造の半導体メモリセルは、メモリ素子であるMFSFETのゲート絶縁膜を構成する強誘電体膜と、選択スイッチング素子であるMISFETのゲート絶縁膜を構成する常誘電体膜とを、半導体膜を介して積層し、当該半導体膜を、MFSFET及びMISFETの共通のチャネル層とする構成を採用している。このような構成により、メモリ素子をなすMFSFETの第1のゲート電極と、選択スイッチング素子をなすMISFETの第2のゲート電極とを、平面的に近接して配置できるため、セルサイズを小さくすることができる。理想的にはセルサイズを6F(Fは最小加工寸法)まで小さくすることが可能である。 In response to such a problem, the applicant of the present application has proposed a semiconductor memory cell having a new structure with a small cell size (Patent Document 2). The semiconductor memory cell of this new structure is composed of a ferroelectric film that forms the gate insulating film of the MFSFET that is a memory element, and a paraelectric film that forms the gate insulating film of the MISFET that is a selective switching element. The semiconductor film is used as a common channel layer for the MFSFET and the MISFET. With such a configuration, the first gate electrode of the MFSFET that forms the memory element and the second gate electrode of the MISFET that forms the selective switching element can be arranged close to each other in plan view, thereby reducing the cell size. Can do. Ideally, the cell size can be reduced to 6F 2 (F is the minimum processing dimension).

特開平5−205487号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-205487 特開2008−263019号公報JP 2008-263019 A

特許文献2に開示した半導体メモリセルは、通常、基板上にMFSFETの第1のゲート電極を形成した後、基板上に強誘電体膜及び半導体膜を積層し、さらに、半導体膜上にソース・ドレイン電極を形成した後、常誘電体膜を形成することによって製造される。   In the semiconductor memory cell disclosed in Patent Document 2, a first gate electrode of an MFSFET is usually formed on a substrate, and then a ferroelectric film and a semiconductor film are stacked on the substrate. It is manufactured by forming a paraelectric film after forming the drain electrode.

ところで、メモリセルを駆動するための周辺回路(デコーダやカラムアンプ等)との接続を考慮すると、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)デバイスを容易に作りこめるシリコン基板上に、これらのメモリセルを形成することが望ましい。また、シリコン基板を用いることができれば、コスト削減にも繋がる。   By the way, considering connection with peripheral circuits (decoders, column amplifiers, etc.) for driving the memory cells, these memory cells are formed on a silicon substrate on which a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) device can be easily formed. It is desirable. Moreover, if a silicon substrate can be used, it will also lead to cost reduction.

しかしながら、シリコン基板(またはシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜)上に、半導体メモリセルの構成要素である強誘電体膜や半導体膜といった酸化物薄膜を結晶性良く堆積することは容易でない。そのため、スイッチング特性の良いFET素子が容易に得られないという課題がある。   However, it is not easy to deposit an oxide thin film such as a ferroelectric film or a semiconductor film, which is a constituent element of a semiconductor memory cell, on a silicon substrate (or a silicon oxide film formed on the silicon substrate) with good crystallinity. Therefore, there is a problem that an FET element with good switching characteristics cannot be easily obtained.

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、スイッチング特性に優れ、セルサイズの小さい半導体メモリセルを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and a main object thereof is to provide a semiconductor memory cell having excellent switching characteristics and a small cell size.

上記の課題を解決するために、本発明は、メモリ素子であるMFSFETのゲート絶縁膜を構成する強誘電体膜と、選択スイッチング素子であるMISFETのゲート絶縁膜を構成する常誘電体膜とを、半導体膜を介して積層し、当該半導体膜を、MFSFET及びMISFETの共通のチャネル層とした半導体メモリセルおいて、半導体膜にアモルファス半導体膜を用いた構成を採用する。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a ferroelectric film that forms a gate insulating film of a MFSFET that is a memory element, and a paraelectric film that forms a gate insulating film of a MISFET that is a selective switching element. In a semiconductor memory cell which is stacked via a semiconductor film and the semiconductor film is a common channel layer for MFSFET and MISFET, a configuration using an amorphous semiconductor film as the semiconductor film is employed.

本発明の一側面における半導体メモリセルは、ゲート絶縁膜が強誘電体膜で構成された第1の電界効果トランジスタからなるメモリ素子と、ゲート絶縁膜が常誘電体膜で構成された第2の電界効果トランジスタからなる選択スイッチング素子とを備え、強誘電体膜と常誘電体膜とはアモルファス半導体膜を介して積層されており、強誘電体膜側に、第1の電界効果トランジスタの第1のゲート電極が形成され、常誘電体膜側に、第2の電界効果トランジスタの第2のゲート電極が形成されており、アモルファス半導体膜は、第1の電界効果トランジスタ及び第2の電界効果トランジスタの共通のチャネル層を構成しており、アモルファス半導体膜の主面上に、第1の電界効果トランジスタ及び第2の電界効果トランジスタに共通のソース電極及びドレイン電極が形成されている。   A semiconductor memory cell according to one aspect of the present invention includes a memory element including a first field effect transistor having a gate insulating film formed of a ferroelectric film, and a second element having a gate insulating film formed of a paraelectric film. The ferroelectric film and the paraelectric film are stacked via an amorphous semiconductor film, and the first field effect transistor of the first field effect transistor is provided on the ferroelectric film side. The second gate electrode of the second field effect transistor is formed on the paraelectric film side, and the amorphous semiconductor film is formed of the first field effect transistor and the second field effect transistor. And a common source electrode for the first field effect transistor and the second field effect transistor on the main surface of the amorphous semiconductor film. Fine drain electrode are formed.

このような構成により、アモルファス半導体膜の表面が平坦になるため、スイッチング特性の優れた選択スイッチング素子(第2の電界効果トランジスタ)を得ることができる。加えて、半導体膜が自発分極を有する材料からなる場合でも、半導体膜が結晶化していないため、自発分極をゼロにすることができる。そのため、チャネル層を構成するアモルファス半導体膜の界面にキャリアが自然に発生することはなく、しきい値電圧の変動のない選択スイッチング素子を得ることができる。   With such a configuration, since the surface of the amorphous semiconductor film becomes flat, a selective switching element (second field effect transistor) having excellent switching characteristics can be obtained. In addition, even when the semiconductor film is made of a material having spontaneous polarization, the spontaneous polarization can be made zero because the semiconductor film is not crystallized. For this reason, carriers are not spontaneously generated at the interface of the amorphous semiconductor film constituting the channel layer, and a selective switching element having no variation in threshold voltage can be obtained.

本発明の他の側面において、上記アモルファス半導体膜は、金属酸化物からなることが好ましい。これにより、半導体メモリセルのゲート絶縁膜を構成する強誘電体膜及び常誘電体膜が金属酸化物からなる場合、これら誘電体膜とチャネル層を構成するアモルファス半導体膜とは同じ酸化物同士で接合されるため、界面に反応層が形成されにくい。そのため、良好な界面が得られ、スイッチング特性の優れた半導体メモリ素子(第1の電界効果トランジスタ)及び選択スイッチング素子(第2の電界効果トランジスタ)を得ることができる。   In another aspect of the present invention, the amorphous semiconductor film is preferably made of a metal oxide. As a result, when the ferroelectric film and the paraelectric film constituting the gate insulating film of the semiconductor memory cell are made of a metal oxide, the dielectric film and the amorphous semiconductor film constituting the channel layer are made of the same oxide. Due to the bonding, a reaction layer is hardly formed at the interface. Therefore, a good interface can be obtained, and a semiconductor memory element (first field effect transistor) and a selective switching element (second field effect transistor) having excellent switching characteristics can be obtained.

本発明の他の側面において、上記アモルファス半導体膜は、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)の少なくとも1種を含む金属酸化物からなることが好ましい。これにより、半導体膜がアモルファスであるにも拘わらず、移動度の高いチャネル構造を得ることができる。その結果、半導体メモリ素子及び選択スイッチング素子のオン抵抗が大きくなるため、データ読み出し時の出力電圧の差が大きくなり、S/N比を向上させることができる。ここで、アモルファス半導体膜は、In-Ga-Zn-O系の金属酸化物からなることが好ましい。これにより、多結晶のZnO膜と同等レベルの移動度を得ることができる。   In another aspect of the present invention, the amorphous semiconductor film is preferably made of a metal oxide containing at least one of indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn). Accordingly, a channel structure with high mobility can be obtained even though the semiconductor film is amorphous. As a result, the on-resistance of the semiconductor memory element and the selective switching element is increased, so that the difference in output voltage during data reading is increased, and the S / N ratio can be improved. Here, the amorphous semiconductor film is preferably made of an In—Ga—Zn—O-based metal oxide. Thereby, the mobility equivalent to that of the polycrystalline ZnO film can be obtained.

本発明の他の側面において、上記アモルファス半導体膜は、キャリア濃度が1018cm−3以下であることが好ましい。これにより、半導体メモリ素子及び選択スイッチング素子のオフ電流を小さくすることができる。そのため、データ読み出し時の出力電圧の差が大きくなり、S/N比を向上させることができる。 In another aspect of the present invention, the amorphous semiconductor film preferably has a carrier concentration of 10 18 cm −3 or less. Thereby, the off-state current of the semiconductor memory element and the selective switching element can be reduced. Therefore, the difference in output voltage at the time of data reading becomes large, and the S / N ratio can be improved.

本発明の一側面における半導体メモリセルの製造方法は、基板上に第1のゲート電極を形成する工程(a)と、第1のゲート電極を覆うように、基板上に強誘電体膜を形成する工程(b)と、強誘電体膜上に、アモルファス半導体膜を形成する工程(c)と、アモルファス半導体膜上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程(d)と、ソース電極及びドレイン電極を覆うように、アモルファス半導体膜上に常誘電体膜を形成する工程(e)と、常誘電体膜上に、第2のゲート電極を形成する工程(f)とを含む。   According to one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor memory cell, comprising: forming a first gate electrode on a substrate; and forming a ferroelectric film on the substrate so as to cover the first gate electrode. A step (b), a step (c) of forming an amorphous semiconductor film on the ferroelectric film, a step (d) of forming a source electrode and a drain electrode on the amorphous semiconductor film, and a source electrode and a drain A step (e) of forming a paraelectric film on the amorphous semiconductor film so as to cover the electrode, and a step (f) of forming a second gate electrode on the paraelectric film are included.

このような方法により、セルサイズの小さな上記半導体メモリセルを容易に製造することができる。   By such a method, the semiconductor memory cell having a small cell size can be easily manufactured.

本発明の他の側面において、上記工程(b)の後、工程(c)の前に、強誘電体膜の表面を平滑化処理する工程をさらに含む。このような方法により、強誘電体膜が表面起伏の大きな膜(例えば多結晶膜)として形成された場合でも、アモルファス酸化物半導体膜との界面を急峻にできる。急峻な界面においては伝導電子の散乱が抑制されるので、半導体メモリ素子(第1の電界効果トランジスタ)のオン電流を大きくすることができ、これにより、データ読み出し時の出力電圧の差が大きくなり、S/N比を向上させることができる。   In another aspect of the present invention, the method further includes a step of smoothing the surface of the ferroelectric film after the step (b) and before the step (c). By such a method, even when the ferroelectric film is formed as a film having a large surface undulation (for example, a polycrystalline film), the interface with the amorphous oxide semiconductor film can be sharpened. Since the scattering of conduction electrons is suppressed at the steep interface, the on-current of the semiconductor memory element (first field effect transistor) can be increased, thereby increasing the difference in output voltage when reading data. , S / N ratio can be improved.

本発明によれば、半導体メモリ素子(MFSFET)及び選択スイッチング素子(MISFET)の共通のチャネル層を構成する半導体膜にアモルファス半導体膜を用いることによって、スイッチング特性に優れ、セルサイズの小さい半導体メモリセルを実現することができる。   According to the present invention, an amorphous semiconductor film is used as a semiconductor film constituting a common channel layer of a semiconductor memory element (MFSFET) and a selective switching element (MISFET), thereby providing a semiconductor memory cell having excellent switching characteristics and a small cell size. Can be realized.

特許文献2に開示された半導体メモリセルの構成を示した図で、(a)はその断面図、(b)はその等価回路図である。2A and 2B are diagrams illustrating a configuration of a semiconductor memory cell disclosed in Patent Document 2, in which FIG. 3A is a cross-sectional view thereof, and FIG. (a)〜(d)は、半導体メモリセルにおけるMFSFETの作製手順を示した断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which showed the preparation procedures of MFSFET in a semiconductor memory cell. 半導体メモリセルにおけるMFSFETのドレイン電流−ゲート電極特性を示したグラフである。It is the graph which showed the drain current-gate electrode characteristic of MFSFET in a semiconductor memory cell. (a)〜(c)は、半導体メモリセルにおけるMISFETの作製手順を示した断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which showed the preparation procedures of MISFET in a semiconductor memory cell. 半導体メモリセルにおけるMISFETのドレイン電流−ゲート電極特性を示したグラフである。It is the graph which showed the drain current-gate electrode characteristic of MISFET in a semiconductor memory cell. ZnO膜の表面粗さの測定部位を示した半導体メモリセルの断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor memory cell which showed the measurement site | part of the surface roughness of a ZnO film | membrane. (a)〜(d)は、ZnO膜の表面粗さの測定結果を示したAFM像である。(A)-(d) is the AFM image which showed the measurement result of the surface roughness of a ZnO film | membrane. (a)及び(b)は、PZT膜及びZnO膜の結晶性をEBSDで測定した結果を示した回折像である。(A) And (b) is the diffraction image which showed the result of having measured the crystallinity of the PZT film | membrane and the ZnO film | membrane by EBSD. (a)はZnOの結晶模式図、(b)は半導体メモリセルの断面図、(c)はMISFETが形成された領域の拡大断面図である。(A) is a crystal schematic diagram of ZnO, (b) is a cross-sectional view of a semiconductor memory cell, and (c) is an enlarged cross-sectional view of a region where a MISFET is formed. (a)は本発明の一実施形態における半導体メモリセルの構成を示した断面図、(b)はその等価回路図である。(A) is sectional drawing which showed the structure of the semiconductor memory cell in one Embodiment of this invention, (b) is the equivalent circuit schematic. (a)〜(d)は、本発明の一実施形態における半導体メモリセルの製造工程を示した断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which showed the manufacturing process of the semiconductor memory cell in one Embodiment of this invention. (a)〜(c)は、本発明の一実施形態における半導体メモリセルの製造工程を示した断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which showed the manufacturing process of the semiconductor memory cell in one Embodiment of this invention. (a)〜(d)は、本発明の一実施形態におけるIGZO膜の表面粗さの測定結果を示したAFM像である。(A)-(d) is an AFM image which showed the measurement result of the surface roughness of the IGZO film | membrane in one Embodiment of this invention. (a)及び(b)は、本発明の一実施形態におけるPZT膜及びIGZO膜の結晶性をEBSDで測定した結果を示した回折像である。(A) And (b) is the diffraction image which showed the result of having measured the crystallinity of the PZT film | membrane and IGZO film | membrane in one Embodiment of this invention by EBSD. 本発明の一実施形態におけるMISFETのドレイン電流−ゲート電極特性を示したグラフである。It is the graph which showed the drain current-gate electrode characteristic of MISFET in one Embodiment of this invention. (a)は本発明の他の実施形態における半導体メモリセルの構成を示した断面図、(b)はその等価回路図である。(A) is sectional drawing which showed the structure of the semiconductor memory cell in other embodiment of this invention, (b) is the equivalent circuit schematic. (a)は本発明の他の実施形態における半導体メモリセルの構成を示した断面図、(b)はその等価回路図である。(A) is sectional drawing which showed the structure of the semiconductor memory cell in other embodiment of this invention, (b) is the equivalent circuit schematic. 本実施形態における半導体メモリセルの動作を説明した表である。It is a table | surface explaining operation | movement of the semiconductor memory cell in this embodiment. (a)及び(b)は、本実施形態における半導体メモリセルの動作を説明した断面図である。(A) And (b) is sectional drawing explaining operation | movement of the semiconductor memory cell in this embodiment. 本実施形態における半導体メモリセルをアレイ状に配置した構成を示した回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration in which semiconductor memory cells according to an embodiment are arranged in an array.

本発明における実施形態を説明する前に、本発明を想到するに至った経緯を説明する。   Before describing the embodiments of the present invention, the background to the idea of the present invention will be described.

図1(a)、(b)は、本願出願人が特許文献2に開示した半導体メモリセル120の構成を示した図で、(a)はその断面図、(b)はその等価回路図である。   1A and 1B are diagrams showing a configuration of a semiconductor memory cell 120 disclosed in Patent Document 2 by the applicant of the present application. FIG. 1A is a cross-sectional view thereof, and FIG. 1B is an equivalent circuit diagram thereof. is there.

図1(a)に示すように、基板101上に、強誘電体膜104と常誘電体膜109とが、半導体膜105を介して積層されて形成されており、強誘電体膜104側には、MFSFETのゲート電極103が形成され、常誘電体膜109側には、MISFETのゲート電極110が形成されている。また、半導体膜105は、MFSFET及びMISFETに共通のチャネル層を構成しており、半導体膜105上には、MFSFET及びMISFETに共通のソース電極106、ドレイン電極108、及び中間電極107が形成されている。   As shown in FIG. 1A, a ferroelectric film 104 and a paraelectric film 109 are stacked on a substrate 101 with a semiconductor film 105 interposed therebetween. The MFSFET gate electrode 103 is formed, and the MISFET gate electrode 110 is formed on the paraelectric film 109 side. The semiconductor film 105 forms a channel layer common to the MFSFET and the MISFET, and the source electrode 106, the drain electrode 108, and the intermediate electrode 107 common to the MFSFET and the MISFET are formed on the semiconductor film 105. Yes.

すなわち、半導体メモリセル120は、図1(a)に示すように、ボトムゲート型のMFSFET(メモリ素子)と、トップゲート型のMISFET(選択スイッチング素子)とが積層された構造をなし、等価回路的には、図1(b)に示すように、MFSFET121とMISFET122とが直列接続された構成をなす。   That is, the semiconductor memory cell 120 has a structure in which a bottom gate type MFSFET (memory element) and a top gate type MISFET (selective switching element) are stacked as shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 1B, the MFSFET 121 and the MISFET 122 are connected in series.

メモリ素子へのデータの書き込みは、MISFET122のゲート電極110に所定の電圧を印加して、選択スイッチング素子をオン状態にして、MFSFET121のゲート電極103とドレイン電極108間に所定の電圧を印加することによって、強誘電体膜104に電界を発生させ、これにより、強誘電体膜104の分極状態を変化させることによって行われる。   Data is written to the memory element by applying a predetermined voltage to the gate electrode 110 of the MISFET 122 to turn on the selective switching element and applying a predetermined voltage between the gate electrode 103 and the drain electrode 108 of the MFSFET 121. Thus, an electric field is generated in the ferroelectric film 104, thereby changing the polarization state of the ferroelectric film 104.

メモリ素子に書き込まれたデータの読み出しは、MISFET122のゲート電極110に所定の電圧を印加して、選択スイッチング素子をオン状態にするとともに、ソース電極106とドレイン電極108間に所定の電圧を印加して、強誘電体膜104の分極状態に応じてチャネル層(半導体膜105)を流れる電流を検出することによって行われる。   To read data written in the memory element, a predetermined voltage is applied to the gate electrode 110 of the MISFET 122 to turn on the selective switching element, and a predetermined voltage is applied between the source electrode 106 and the drain electrode 108. The detection is performed by detecting the current flowing through the channel layer (semiconductor film 105) in accordance with the polarization state of the ferroelectric film 104.

本願発明者等は、上記構成の半導体メモリセルをシリコン基板上に作製し、MFSFET121及びMISFET122の特性の評価を行った。   The inventors of the present invention fabricated a semiconductor memory cell having the above structure on a silicon substrate, and evaluated the characteristics of the MFSFET 121 and the MISFET 122.

まず、MFSFET121の特性を評価するために、図2(a)〜(d)に示す手順で、シリコン基板上にMFSFETを作製した。   First, in order to evaluate the characteristics of the MFSFET 121, an MFSFET was fabricated on a silicon substrate by the procedure shown in FIGS.

図2(a)に示すように、シリコン基板101上にシリコン酸化膜(SiO)102を形成した後、白金とルテニウム酸ストロンチウム(SRO)の積層膜からなるゲート電極103を形成した。 As shown in FIG. 2A, after forming a silicon oxide film (SiO 2 ) 102 on a silicon substrate 101, a gate electrode 103 made of a laminated film of platinum and strontium ruthenate (SRO) was formed.

次に、図2(b)に示すように、SiO膜102上に、チタン・ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O、以下PZT)膜からなるゲート絶縁膜(強誘電体膜)104を堆積した。このとき、ゲート電極103と平面的に重なっている箇所のPZT膜104は(111)方向に単一配向していたが、表面粗さ(RMS)は10nm程度と大きかった。そこで、PZT膜104の表面を化学機械研磨によって平滑化し、表面粗さ(RMS)を原子層レベルの0.6nm程度にした。 Next, as shown in FIG. 2B, a gate insulating film (ferroelectric film) made of a titanium / lead zirconate (Pb (Zr, Ti) O 3 , hereinafter referred to as PZT) film on the SiO 2 film 102. 104 was deposited. At this time, the PZT film 104 at a position overlapping the gate electrode 103 in a plane was unidirectionally oriented in the (111) direction, but the surface roughness (RMS) was as large as about 10 nm. Therefore, the surface of the PZT film 104 was smoothed by chemical mechanical polishing, and the surface roughness (RMS) was set to about 0.6 nm at the atomic layer level.

次に、図2(c)に示すように、PZT膜104上に、厚さ30nmのZnO膜からなる半導体膜105を堆積した。このとき、ゲート電極103と平面的に重なっている箇所のZnO膜105は(0001)方向に単一配向していた。   Next, as shown in FIG. 2C, a semiconductor film 105 made of a ZnO film having a thickness of 30 nm was deposited on the PZT film 104. At this time, the ZnO film 105 at a position overlapping the gate electrode 103 in a plane was unidirectionally oriented in the (0001) direction.

次に、ZnO膜105上に、白金とチタンの積層膜からなるソース電極106、中間電極107、及びドレイン電極108をリフトオフ法によって形成し、MFSFETを作製した。   Next, a source electrode 106, an intermediate electrode 107, and a drain electrode 108 made of a laminated film of platinum and titanium were formed on the ZnO film 105 by a lift-off method, and an MFSFET was manufactured.

作製したMFSFETの特性を評価するために、ソース電極106を接地し、中間電極(ドレイン電極に相当)107に0.1Vの電圧を印加した状態で、ゲート電極103の電圧を−10Vから+10Vに掃引して、ドレイン電流を測定した。   In order to evaluate the characteristics of the fabricated MFSFET, the voltage of the gate electrode 103 is changed from −10 V to +10 V with the source electrode 106 grounded and a voltage of 0.1 V applied to the intermediate electrode (corresponding to the drain electrode) 107. The drain current was measured by sweeping.

図3は、ドレイン電流−ゲート電極特性を示したグラフで、ドレイン電流は、ゲート電圧に対して半時計周りのヒステリシスループを描き、強誘電体の自発分極の反転に応じて大きく変調された。さらに、ゲート電極103が0Vのときのチャネルのオン・オフ比は5桁以上であった。これは、強誘電体のゲート絶縁膜に書き込まれた分極状態を明瞭に区別できる特性であり、シリコン基板上に形成したMFSFETは、メモリ素子として十分な特性を有することを確認できた。   FIG. 3 is a graph showing drain current-gate electrode characteristics. The drain current draws a hysteresis loop in a counterclockwise direction with respect to the gate voltage, and is greatly modulated according to the reversal of the spontaneous polarization of the ferroelectric. Furthermore, the on / off ratio of the channel when the gate electrode 103 was 0 V was 5 digits or more. This is a characteristic that can clearly distinguish the polarization state written in the ferroelectric gate insulating film, and it was confirmed that the MFSFET formed on the silicon substrate has sufficient characteristics as a memory element.

次に、MISFET122の特性を評価するために、MFSFET121を作製した後、さらに、図4(a)〜(c)に示す手順で、MISFET122を作製した。   Next, in order to evaluate the characteristics of the MISFET 122, the MFSFET 121 was fabricated, and then the MISFET 122 was fabricated according to the procedure shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c).

図4(a)に示すように、半導体膜105上に、シリコン窒化膜(SiNx)からなるゲート絶縁膜(常誘電体膜)109を形成した。その後、図4(b)に示すように、SiNx膜109上に、金とチタンの積層膜からなるゲート電極110をリフトオフ法により形成した。さらに、図4(c)に示すように、ソース電極106、中間電極107、ドレイン電極108とコンタクトする電極111a〜111cを形成して、MISFETを作製した。   As shown in FIG. 4A, a gate insulating film (paraelectric film) 109 made of a silicon nitride film (SiNx) was formed on the semiconductor film 105. Thereafter, as shown in FIG. 4B, a gate electrode 110 made of a laminated film of gold and titanium was formed on the SiNx film 109 by a lift-off method. Further, as shown in FIG. 4C, electrodes 111a to 111c that are in contact with the source electrode 106, the intermediate electrode 107, and the drain electrode 108 were formed to manufacture a MISFET.

作製したMISFETの特性を評価するために、中間電極(ソース電極に相当)107を接地し、ドレイン電極108に0.1Vの電圧を印加した状態で、ゲート電極103の電圧を−10Vから+10Vに掃引して、ドレイン電流を測定した。   In order to evaluate the characteristics of the manufactured MISFET, the voltage of the gate electrode 103 is changed from −10 V to +10 V with the intermediate electrode (corresponding to the source electrode) 107 grounded and a voltage of 0.1 V applied to the drain electrode 108. The drain current was measured by sweeping.

図5は、ドレイン電流−ゲート電極特性を示したグラフで、ドレイン電流は、ゲート電圧に対して2桁程度しか変調されず、しきい値も負バイアス側にシフトしていた。さらに、ゲート絶縁膜109が常誘電体にもかかわらず、ドレイン電流はヒステリシス履歴を示した。すなわち、作製したMISFETは、選択スイッチング素子として不十分な特性であることが判明した。   FIG. 5 is a graph showing the drain current-gate electrode characteristics. The drain current was modulated only by about two digits with respect to the gate voltage, and the threshold value was also shifted to the negative bias side. Furthermore, although the gate insulating film 109 is a paraelectric, the drain current shows a hysteresis history. That is, it was found that the manufactured MISFET had insufficient characteristics as a selective switching element.

本発明者等は、作製したMISFETのスイッチング特性が優れない理由をさらに検討した結果、次のような知見を得た。   As a result of further examination of the reason why the switching characteristics of the manufactured MISFET are not excellent, the present inventors have obtained the following knowledge.

まず、チャネルを構成するZnO膜105の表面粗さを評価した。図6は、表面粗さの測定部位を示した図で、MFSFETのゲート電極103と平面的に重なる領域A、及びMISFETのゲート電極110と平面的に重なる領域Bで、それぞれPZT膜104とZnO膜105との界面X、及びZnO膜105とSiNx膜109との界面YにおけるZnO膜105の表面荒さをAFM(Atomic Force Microscope:原子間力顕微鏡)を用いて測定した。   First, the surface roughness of the ZnO film 105 constituting the channel was evaluated. FIG. 6 is a diagram showing the measurement site of the surface roughness. In the region A that overlaps the gate electrode 103 of the MFSFET and the region B that overlaps the gate electrode 110 of the MISFET, The surface roughness of the ZnO film 105 at the interface X with the film 105 and at the interface Y between the ZnO film 105 and the SiNx film 109 was measured using an AFM (Atomic Force Microscope).

図7は、その結果を示したAFM像で、界面Xにおいては、領域A、Bとも表面粗さ(RMS)は0.6nmと小さかったのに対し(図7(c)、(d)を参照)、界面Yにおいては、領域Aで表面粗さ(RMS)が1.8nm(図7(a)を参照)、領域Bで表面粗さ(RMS)が1.3nm(図7(b)を参照)と大きかった。界面Xにおいて表面粗さが小さいのは、PZT膜104の表面が研磨されているからである。一方、界面Yにおいて表面粗さが大きいのは、多結晶のPZT膜104上に形成されたZnO膜105が多結晶成長し、結晶粒に起因した表面粗さが生じたものと考えられ、これが、MISFETのスイッチング特性が優れなかった理由の一つと推察される。   FIG. 7 is an AFM image showing the result. At the interface X, the surface roughness (RMS) of the regions A and B was as small as 0.6 nm (FIGS. 7C and 7D). In the interface Y, the surface roughness (RMS) is 1.8 nm (see FIG. 7A) in the region A, and the surface roughness (RMS) is 1.3 nm in the region B (FIG. 7B). It was great. The reason why the surface roughness is small at the interface X is that the surface of the PZT film 104 is polished. On the other hand, the surface roughness at the interface Y is large because the ZnO film 105 formed on the polycrystalline PZT film 104 grows in polycrystal and the surface roughness due to the crystal grains is generated. This is presumably one of the reasons why the switching characteristics of the MISFET were not excellent.

次に、ZnO膜105の結晶性を、電子線後方散乱回折(EBSD)を用いて評価した。図8(a)、(b)は、その結果を示した回折像で、図8(a)は、PZT膜104の領域A及び領域Bにける回折像、図8(b)は、ZnO膜105の領域A及び領域Bにおける回折像である。   Next, the crystallinity of the ZnO film 105 was evaluated using electron beam backscatter diffraction (EBSD). 8A and 8B are diffraction images showing the results, FIG. 8A is a diffraction image in the region A and the region B of the PZT film 104, and FIG. 8B is a ZnO film. It is the diffraction image in 105 area | region A and area | region B. FIG.

領域Aでは、PZT膜104は(111)方向に、ZnO膜105は(0001)方向に単一配向し、結晶粒径は150nm〜250nmであった。一方、領域Bでは、回折像は得られず、PZT膜104及びZnO膜105は、アモルファス若しくは微結晶であった。これは、MFSFETのゲート電極103を構成する白金の結晶性が良いため、その上に堆積されたPZT膜104やZnO膜105は結晶化したのに対し、ゲート電極103のない領域では、下地がアモルファスのSiO膜102であるため、結晶化しにくかったためと考えられる。ZnO膜105は結晶化が不十分であると、酸素空孔が容易に形成されるため、キャリア濃度が高くなる。キャリア濃度が高い場合、キャリアを自由に変調できないため、MISFETが形成されている領域Bではスイッチング特性が優れなかった理由の一つと推察される。 In the region A, the PZT film 104 was single-oriented in the (111) direction, the ZnO film 105 was single-oriented in the (0001) direction, and the crystal grain size was 150 nm to 250 nm. On the other hand, in the region B, a diffraction image was not obtained, and the PZT film 104 and the ZnO film 105 were amorphous or microcrystalline. This is because the crystallinity of platinum constituting the gate electrode 103 of the MFSFET is good, and the PZT film 104 and the ZnO film 105 deposited thereon are crystallized, whereas in the region without the gate electrode 103, the base is This is probably because the amorphous SiO 2 film 102 was difficult to crystallize. If the ZnO film 105 is insufficiently crystallized, oxygen vacancies are easily formed, and the carrier concentration becomes high. If the carrier concentration is high, the carrier cannot be freely modulated, so it is presumed that the switching characteristics are not excellent in the region B where the MISFET is formed.

次に、ZnO膜105に固有の性質である自発分極について検討した。図9(a)は、ZnOの結晶模式図、図9(b)は、半導体メモリセルの断面図、図9(c)は、MISFETが形成された領域の拡大断面図である。   Next, spontaneous polarization, which is a property unique to the ZnO film 105, was examined. 9A is a schematic diagram of ZnO crystal, FIG. 9B is a cross-sectional view of a semiconductor memory cell, and FIG. 9C is an enlarged cross-sectional view of a region where a MISFET is formed.

図9(a)に示すように、ZnOは、[0001]方向に、大きさ5.5μC/cmの自発分極Psを持つことから、ZnO膜105の表面には、3×1013/cm個のキャリアが蓄えられている。従って、図9(c)に示すように、PZT膜104上に(0001)配向して形成されたZnO膜105の自発分極は、SiNx膜109側を向くため、ゲート電極110に電圧を印加しない状態でも、ZnO膜105とSiNx膜109との界面に電子が蓄えられていると考えられる。これが、MISFETのしきい値が負バイアス側へシフトした理由と推察される。 As shown in FIG. 9A, since ZnO has a spontaneous polarization Ps with a magnitude of 5.5 μC / cm 2 in the [0001] direction, the surface of the ZnO film 105 has 3 × 10 13 / cm. Two carriers are stored. Therefore, as shown in FIG. 9C, since the spontaneous polarization of the ZnO film 105 formed with the (0001) orientation on the PZT film 104 faces the SiNx film 109 side, no voltage is applied to the gate electrode 110. Even in this state, it is considered that electrons are stored at the interface between the ZnO film 105 and the SiNx film 109. This is presumed to be the reason why the threshold value of the MISFET has shifted to the negative bias side.

本発明者等は、上記の知見に基づき、種々検討を行った結果、チャネルを構成する半導体膜105を、凹凸が少なく、結晶性が悪くても残留キャリアを発生させにくいアモルファス半導体材料にすることによって、MISFETのスイッチング特性を劣化させる要因を排除できることに気がつき、本発明を想到するに至った。   As a result of various studies based on the above findings, the present inventors have made the semiconductor film 105 constituting the channel an amorphous semiconductor material that has few irregularities and hardly generates residual carriers even when crystallinity is poor. As a result, it has been found that the factors that deteriorate the switching characteristics of the MISFET can be eliminated, and the present invention has been conceived.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. Moreover, it can change suitably in the range which does not deviate from the range which has the effect of this invention. Furthermore, combinations with other embodiments are possible.

図10(a)は、本発明の一実施形態における半導体メモリセル20の構成を模式的に示した断面図で、図10(b)はその等価回路図である。   FIG. 10A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor memory cell 20 in one embodiment of the present invention, and FIG. 10B is an equivalent circuit diagram thereof.

図10(a)、(b)に示すように、半導体メモリセル20は、ゲート絶縁膜が強誘電体膜4で構成された第1の電界効果トランジスタ(MFSFET)21からなるメモリ素子と、ゲート絶縁膜が常誘電体膜9で構成された第2の電界効果トランジスタ(MISFET)22からなる選択スイッチング素子とを備えている。そして、強誘電体膜4と常誘電体膜9とはアモルファス半導体膜5を介して積層されており、強誘電体膜4側に、MFSFET21の第1のゲート電極3が形成され、常誘電体膜9側に、MISFET22の第2のゲート電極10が形成されている。ここで、アモルファス半導体膜5は、MFSFET21及びMISFET22の共通のチャネル層を構成している。また、アモルファス半導体膜5の主面上に、MFSFET21及びMISFET22に共通のソース電極6及びドレイン電極8が形成されている。   As shown in FIGS. 10A and 10B, the semiconductor memory cell 20 includes a memory element composed of a first field effect transistor (MFSFET) 21 having a gate insulating film made of a ferroelectric film 4, and a gate. And a selective switching element including a second field effect transistor (MISFET) 22 having an insulating film made of a paraelectric film 9. The ferroelectric film 4 and the paraelectric film 9 are laminated via the amorphous semiconductor film 5, and the first gate electrode 3 of the MFSFET 21 is formed on the ferroelectric film 4 side. On the film 9 side, the second gate electrode 10 of the MISFET 22 is formed. Here, the amorphous semiconductor film 5 constitutes a common channel layer of the MFSFET 21 and the MISFET 22. A source electrode 6 and a drain electrode 8 common to the MFSFET 21 and the MISFET 22 are formed on the main surface of the amorphous semiconductor film 5.

すなわち、本実施形態における半導体メモリセル20は、ボトムゲート型のMFSFET(メモリ素子)21と、トップゲート型のMISFET(選択スイッチング素子)22とが積層された構造をなし、等価回路的には、MFSFET21とMISFET22とが直列接続された構成をなす。   That is, the semiconductor memory cell 20 in the present embodiment has a structure in which a bottom gate type MFSFET (memory element) 21 and a top gate type MISFET (selective switching element) 22 are stacked. The MFSFET 21 and the MISFET 22 are connected in series.

ここで、メモリ素子21へのデータの書き込みは、MISFET22のゲート電極10に所定の電圧を印加して、選択スイッチング素子22をオン状態にして、MFSFET21のゲート電極3とドレイン電極8間に所定の電圧を印加することによって、強誘電体膜4に電界を発生させ、これにより、強誘電体膜4の分極状態を変化させることによって行われる。   Here, the data is written into the memory element 21 by applying a predetermined voltage to the gate electrode 10 of the MISFET 22 to turn on the selective switching element 22, and then a predetermined voltage between the gate electrode 3 and the drain electrode 8 of the MFSFET 21. By applying a voltage, an electric field is generated in the ferroelectric film 4, thereby changing the polarization state of the ferroelectric film 4.

メモリ素子21に書き込まれたデータの読み出しは、MISFET22のゲート電極10に所定の電圧を印加して、選択スイッチング素子をオン状態にするとともに、ソース電極6とドレイン電極8間に所定の電圧を印加して、強誘電体膜4の分極状態に応じてチャネル層(半導体膜5)を流れる電流を検出することによって行われる。   To read data written in the memory element 21, a predetermined voltage is applied to the gate electrode 10 of the MISFET 22 to turn on the selective switching element, and a predetermined voltage is applied between the source electrode 6 and the drain electrode 8. The detection is performed by detecting the current flowing through the channel layer (semiconductor film 5) in accordance with the polarization state of the ferroelectric film 4.

次に、図11(a)〜(d)、及び図12(a)〜(c)を参照しながら、本実施形態における半導体メモリセル20の製造方法を説明する。   Next, with reference to FIGS. 11A to 11D and FIGS. 12A to 12C, a method for manufacturing the semiconductor memory cell 20 in the present embodiment will be described.

まず、図11(a)に示すように、シリコン基板1上にシリコン酸化膜(SiO)2を形成した後、白金とルテニウム酸ストロンチウム(SRO)の積層膜からなる第1のゲート電極3を形成する。 First, as shown in FIG. 11A, after a silicon oxide film (SiO 2 ) 2 is formed on a silicon substrate 1, a first gate electrode 3 made of a laminated film of platinum and strontium ruthenate (SRO) is formed. Form.

次に、図11(b)に示すように、SiO膜2上に、チタン・ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O、以下PZT)膜からなるゲート絶縁膜(強誘電体膜)4を堆積する。このとき、第1のゲート電極3と平面的に重なっている箇所のPZT膜4は(111)方向に単一配向する。 Next, as shown in FIG. 11B, a gate insulating film (ferroelectric film) made of a titanium / lead zirconate (Pb (Zr, Ti) O 3 , hereinafter referred to as PZT) film on the SiO 2 film 2. 4 is deposited. At this time, the PZT film 4 at a location overlapping the first gate electrode 3 in a plane is unidirectionally oriented in the (111) direction.

次に、PZT膜4の表面を化学機械研磨によって平滑化した後、図11(c)に示すように、PZT膜4上に、厚さ20nmのInGaZnO(IGZO)膜からなるアモルファス半導体膜5を堆積する。   Next, after smoothing the surface of the PZT film 4 by chemical mechanical polishing, an amorphous semiconductor film 5 made of an InGaZnO (IGZO) film having a thickness of 20 nm is formed on the PZT film 4 as shown in FIG. accumulate.

次に、図11(d)に示すように、IGZO膜5上に、白金とチタンの積層膜からなるソース電極6、中間電極7、及びドレイン電極8をリフトオフ法によって形成して、MFSFET21を形成する。   Next, as shown in FIG. 11D, the source electrode 6, the intermediate electrode 7 and the drain electrode 8 made of a laminated film of platinum and titanium are formed on the IGZO film 5 by the lift-off method to form the MFSFET 21. To do.

次に、図12(a)に示すように、IGZO膜5上に、シリコン窒化膜(SiNx)からなる第2のゲート絶縁膜(常誘電体膜)9を形成する。その後、図12(b)に示すように、SiNx膜9上に、金とチタンの積層膜からなるゲート電極110をリフトオフ法により形成する。さらに、図12(c)に示すように、ソース電極6、中間電極7、ドレイン電極8とコンタクトする電極11a〜11cを形成して、MISFET22を形成する。これにより、MFSFET(メモリ素子)21と、MISFET(選択スイッチング素子)22とが積層された構造の半導体メモリセル20が完成する。   Next, as shown in FIG. 12A, a second gate insulating film (paraelectric film) 9 made of a silicon nitride film (SiNx) is formed on the IGZO film 5. Thereafter, as shown in FIG. 12B, a gate electrode 110 made of a laminated film of gold and titanium is formed on the SiNx film 9 by a lift-off method. Further, as shown in FIG. 12C, electrodes 11a to 11c that are in contact with the source electrode 6, the intermediate electrode 7, and the drain electrode 8 are formed, and the MISFET 22 is formed. Thereby, the semiconductor memory cell 20 having a structure in which the MFSFET (memory element) 21 and the MISFET (selective switching element) 22 are stacked is completed.

図13は、チャネルを構成するIGZO膜5の表面粗さを測定した結果を示したAFM像である。なお、表面粗さは、図10(a)に示したように、MFSFET21の第1のゲート電極3と平面的に重なる領域A、及びMISFET22の第2のゲート電極10と平面的に重なる領域Bで、それぞれPZT膜4とIGZO膜5との界面X、及びIGZO膜5とSiNx膜9との界面YにおけるZnO膜105の表面を測定した。   FIG. 13 is an AFM image showing the result of measuring the surface roughness of the IGZO film 5 constituting the channel. As shown in FIG. 10A, the surface roughness is a region A that overlaps the first gate electrode 3 of the MFSFET 21 in a plane and a region B that overlaps the second gate electrode 10 of the MISFET 22 in a plane. Thus, the surface of the ZnO film 105 at the interface X between the PZT film 4 and the IGZO film 5 and the interface Y between the IGZO film 5 and the SiNx film 9 was measured.

図13に示すように、界面Yにおいて、領域A及び領域Bでの表面粗さ(RMS)は0.6〜0.7nm程度で、これは、界面Xにおける領域A及び領域Bでの表面粗さ(RMS)0.6nmとほぼ同程度であった。これは、IGZO膜5がアモルファスであるため、結晶粒に起因した表面粗さが生じなかったためと考えられる。   As shown in FIG. 13, at the interface Y, the surface roughness (RMS) in the region A and the region B is about 0.6 to 0.7 nm, which is the surface roughness in the region A and the region B at the interface X. (RMS) was approximately the same as 0.6 nm. This is presumably because the IGZO film 5 is amorphous and thus the surface roughness due to the crystal grains did not occur.

図14(a)、(b)は、PZT膜4及びIGZO膜5の結晶性を、電子線後方散乱回折(EBSD)で測定した結果を示した回折像である。図14(a)は、PZT膜4の領域A及び領域Bにける回折像、図14(b)は、IGZO膜5の領域A及び領域Bにおける回折像である。   FIGS. 14A and 14B are diffraction images showing the results of measuring the crystallinity of the PZT film 4 and the IGZO film 5 by electron beam backscatter diffraction (EBSD). FIG. 14A is a diffraction image in the region A and the region B of the PZT film 4, and FIG. 14B is a diffraction image in the region A and the region B of the IGZO film 5.

PZT膜4は、図14(a)に示すように、領域Aでは結晶化し、領域Bでは結晶化されていなかった。一方、IGZO膜5は、図14(b)に示すように、領域A及び領域Bともに回折像は得られず、結晶化されていなかった。すなわち、IGZO膜5は、下地のPZT膜4の結晶性によらず、均一なアモルファス状態であった。   The PZT film 4 was crystallized in the region A and not crystallized in the region B as shown in FIG. On the other hand, as shown in FIG. 14B, the IGZO film 5 was not crystallized because no diffraction image was obtained in both the region A and the region B. That is, the IGZO film 5 was in a uniform amorphous state regardless of the crystallinity of the underlying PZT film 4.

形成した半導体メモリセル20のMISFET22について、図5に示した方法と同様の方法でドレイン電流−ゲート電圧特性を測定したところ、図15に示すように、ヒステリシスのない良好なスイッチング特性が得られた。   When the drain current-gate voltage characteristics of the MISFET 22 of the formed semiconductor memory cell 20 were measured by the same method as that shown in FIG. 5, good switching characteristics without hysteresis were obtained as shown in FIG. 15. .

これは、チャネルを構成する半導体膜5をアモルファスにすることによって、1)半導体膜5の表面粗さが低減され、2)半導体膜5が、下地の強誘電体膜4の結晶性に依存しない均一で残留キャリアの少ないアモルファス状態となり、3)半導体膜5の自発分極がゼロになったためと考えられる。   This is because by making the semiconductor film 5 constituting the channel amorphous, 1) the surface roughness of the semiconductor film 5 is reduced, and 2) the semiconductor film 5 does not depend on the crystallinity of the underlying ferroelectric film 4. It is considered that the amorphous state is uniform with few residual carriers, and 3) the spontaneous polarization of the semiconductor film 5 becomes zero.

本発明において、アモルファス半導体膜5の材料は特に制限されないが、金属酸化物からなる材料を用いることが好ましい。半導体メモリセルのゲート絶縁膜を構成する強誘電体膜4及び常誘電体膜9が金属酸化物からなる場合、これら誘電体膜とチャネル層を構成するアモルファス半導体膜5とは同じ酸化物同士で接合されるため、界面に反応層が形成されにくい。そのため、良好な界面が得られ、スイッチング特性の優れたMFSFET及びMISFETを得ることができる。   In the present invention, the material of the amorphous semiconductor film 5 is not particularly limited, but a material made of a metal oxide is preferably used. When the ferroelectric film 4 and the paraelectric film 9 constituting the gate insulating film of the semiconductor memory cell are made of metal oxide, the dielectric film and the amorphous semiconductor film 5 constituting the channel layer are made of the same oxide. Due to the bonding, a reaction layer is hardly formed at the interface. Therefore, a good interface can be obtained, and MFSFET and MISFET having excellent switching characteristics can be obtained.

また、上記実施形態では、アモルファス半導体膜5としてIGZO膜を用いたが、これに限らず、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)の少なくとも1種を含む金属酸化物からなる材料を用いてもよい。これらの材料からなる半導体膜5は、アモルファスであるにも関わらず、移動度が高いため(典型的には、15〜20cm/V・s)、半導体メモリ素子及び選択スイッチング素子のオン抵抗を大きくすることができる。これにより、データ読み出し時の出力電圧の差が大きくなり、S/N比を向上させることができる。また、アモルファス半導体膜5は、キャリア濃度が1018cm−3以下であることが好ましい。これにより、半導体メモリ素子及び選択スイッチング素子のオフ電流を小さくすることができる。そのため、データ読み出し時の出力電圧の差が大きくなり、S/N比を向上させることができる。 Moreover, in the said embodiment, although the IGZO film was used as the amorphous semiconductor film 5, it is not restricted to this, The material which consists of a metal oxide containing at least 1 sort (s) of indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) May be used. Although the semiconductor film 5 made of these materials is amorphous, it has high mobility (typically 15 to 20 cm 2 / V · s), so that the on-resistance of the semiconductor memory element and the selective switching element is reduced. Can be bigger. Thereby, the difference in output voltage at the time of data reading becomes large, and the S / N ratio can be improved. The amorphous semiconductor film 5 preferably has a carrier concentration of 10 18 cm −3 or less. Thereby, the off current of the semiconductor memory element and the selective switching element can be reduced. Therefore, the difference in output voltage at the time of data reading becomes large, and the S / N ratio can be improved.

また、アモルファス半導体膜5の材料としては、金属酸化物の他、非酸化物のシリコンやゲルマニウムを用いてもよい。また、アモルファス半導体膜5は、PLD(Pulse Laser Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、スパッタ法、真空蒸着法等の方法で形成することができる。   Further, as the material of the amorphous semiconductor film 5, non-oxide silicon or germanium may be used in addition to the metal oxide. The amorphous semiconductor film 5 can be formed by a method such as a PLD (Pulse Laser Deposition) method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, a sputtering method, or a vacuum deposition method.

なお、本実施形態において、強誘電体膜4はPZT膜を用いたが、これに限定されず、例えば、ランタン(La)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、 タングステン(W)、 プラセオジウム(Pr)、 サマリウム(Sm)等の元素を添加したPZT膜を用いてもよい。他元素の添加により、結晶化温度が下げられるため、低温形成が可能になるとともに、繰り返し分極反転疲労を低減する効果も得られる。また、ビスマスチタネート(BiTi12)、ビスマスランタチタネート(Bi3.25La0.75Ti12)、ストロンチウムビスマスタンタレート(Sr(Bi, Ta))、ビスマスフェライト(BiFeO)、イットリウムマンガナイト(YMnO)等を用いてもよい。 In the present embodiment, the ferroelectric film 4 is a PZT film, but is not limited to this. For example, lanthanum (La), niobium (Nb), vanadium (V), tungsten (W), praseodymium ( PZT films to which elements such as Pr) and samarium (Sm) are added may be used. By adding other elements, the crystallization temperature is lowered, so that formation at a low temperature is possible, and the effect of reducing repetitive polarization reversal fatigue is also obtained. In addition, bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ), bismuth lanthanum titanate (Bi 3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 ), strontium bismastantalate (Sr (Bi, Ta) 2 O 9 ), bismuth ferrite ( BiFeO 3 ), yttrium manganite (YMnO 3 ) or the like may be used.

なお、強誘電体膜4は、多結晶膜として形成されることが好ましい。なぜなら、メモリチップのドライバなどに必要なCMOS回路を形成したシリコン基板に強誘電体膜をエピタキシャル成長させることは容易ではないため、多結晶の強誘電体膜を用いることで駆動回路と一体化した素子を得ることができるからである。例えば、CMOS回路と本メモリ素子との間に層間絶縁膜を介して、第1のゲート電極として多結晶の白金を用い、強誘電体膜として多結晶のPZTを用いるような構成がある。   The ferroelectric film 4 is preferably formed as a polycrystalline film. This is because it is not easy to epitaxially grow a ferroelectric film on a silicon substrate on which a CMOS circuit necessary for a memory chip driver or the like is formed. Therefore, an element integrated with a drive circuit by using a polycrystalline ferroelectric film It is because it can obtain. For example, there is a configuration in which polycrystalline platinum is used as the first gate electrode and polycrystalline PZT is used as the ferroelectric film via an interlayer insulating film between the CMOS circuit and the memory element.

また、本発明において、半導体メモリセル20は、図10(a)に示した構造に限らず、種々の構造を採用し得る。例えば、図16(a)、(b)に示すように、中間電極7を省略した構造のものであってもよい。この場合、第1のゲート電極3と第2のゲート電極10とは、平面的に一部重なった領域を有することが好ましい。また、図17(a)、(b)に示すように、第1のゲート電極3と第2のゲート電極10とを対向させて配置した構造のものであってもよい。この場合、図17(b)に示すように、MFSFET21とMISFET21は並列接続された構成となり、NAND型メモリとしての動作が可能になる。   In the present invention, the semiconductor memory cell 20 is not limited to the structure shown in FIG. For example, as shown in FIGS. 16A and 16B, the intermediate electrode 7 may be omitted. In this case, it is preferable that the first gate electrode 3 and the second gate electrode 10 have a region partially overlapping in plan view. Further, as shown in FIGS. 17A and 17B, the first gate electrode 3 and the second gate electrode 10 may be arranged to face each other. In this case, as shown in FIG. 17B, the MFSFET 21 and the MISFET 21 are configured to be connected in parallel, and an operation as a NAND type memory becomes possible.

次に、図18、及び図19(a)、(b)を参照しながら、半導体メモリセルの動作を説明する。なお、ここでは、図16(a)、(b)に示した構造の半導体メモリセルを例に説明する。   Next, the operation of the semiconductor memory cell will be described with reference to FIG. 18 and FIGS. 19 (a) and 19 (b). Here, a semiconductor memory cell having the structure shown in FIGS. 16A and 16B will be described as an example.

非アクセス状態では、第1のゲート電極3、第2のゲート電極10、及びソース電極6を接地する。第2のゲート電極10を接地することで、MISFET22はオフ状態となっており、ドレイン電極8に任意の電圧を印加しても、MFSFET21に誤書き込みは生じない。   In the non-access state, the first gate electrode 3, the second gate electrode 10, and the source electrode 6 are grounded. By grounding the second gate electrode 10, the MISFET 22 is in an OFF state, and even if an arbitrary voltage is applied to the drain electrode 8, no erroneous writing occurs in the MFSFET 21.

データの書き込み動作では、第2のゲート電極10に正電圧(例えば12V)を印加してMISFET22をオン状態にして、ドレイン電極8及び第1のゲート電極3に電圧を印加し、チャネル層5と第1のゲート電極3間に書き込み電圧を印加する。例えば、データ“1”を書き込む場合、ドレイン電極8を接地し、第1のゲート電極3に正電圧(例えば10V)を印加する。また、データ“0”を書き込む場合、第1のゲート電極3を接地し、ドレイン電極8に正電圧(例えば10V)を印加する。これにより、データ“1”を書き込む場合には、MFSFETのゲート絶縁膜4の分極は、図19(b)に示すように、上方向(チャネル層5方向)を向き、データ“0”を書き込む場合には、ゲート絶縁膜4の分極は、図19(a)に示すように、下方向(第1のゲート電極3方向)を向く。   In the data writing operation, a positive voltage (for example, 12 V) is applied to the second gate electrode 10 to turn on the MISFET 22, a voltage is applied to the drain electrode 8 and the first gate electrode 3, and the channel layer 5 A write voltage is applied between the first gate electrodes 3. For example, when data “1” is written, the drain electrode 8 is grounded and a positive voltage (for example, 10 V) is applied to the first gate electrode 3. When writing data “0”, the first gate electrode 3 is grounded and a positive voltage (for example, 10 V) is applied to the drain electrode 8. Thus, when data “1” is written, the polarization of the gate insulating film 4 of the MFSFET is directed upward (channel layer 5 direction) and data “0” is written as shown in FIG. 19B. In this case, the polarization of the gate insulating film 4 is directed downward (in the direction of the first gate electrode 3) as shown in FIG.

データの読み出しは、第1のゲート電極3を接地し、第2のゲート電極10に正電圧(例えば12V)を印加して、MISFET22をオン状態にし、ドレイン電極8、ソース電極6間に電圧(例えば1V)を印加し、流れるドレイン電流が大きければ“1”、小さければ“0”と読み出すことができる。   To read data, the first gate electrode 3 is grounded, a positive voltage (for example, 12V) is applied to the second gate electrode 10 to turn on the MISFET 22, and a voltage (between the drain electrode 8 and the source electrode 6 ( For example, if 1V) is applied and the flowing drain current is large, "1" can be read and if it is small, "0" can be read.

図20は、半導体メモリセル20をアレイ状に配置した構成を示した回路図である。図20では、半導体メモリセル20を、4行×4列に配置した例を示す。各半導体メモリセル20において、MFSFET(半導体メモリ素子)の第1のゲート電極はローデコーダ30側の第1のワード線WL1に、MISFET(選択スイッチング素子)の第2のゲート電極は第2のワード線WL2に、ドレイン電極はカラムデコーダ31側のビット線MLに、ソース電極はソース線(不図示)に、それぞれ接続されている。本実施形態では、MFSFETを列方向に交互に反転して配置することにより、上下に隣り合う半導体メモリ素子がソース電極及びドレイン電極を共有する構成としている。これにより、セル占有面積を縮小できる。なお、本実施形態におけるMFSFET及びMISFETは、可視光に対して透明であるため、電子ペーパーなど透明性が要求される用途に対して、メモリ機能・スイッチング機能を付加できる。   FIG. 20 is a circuit diagram showing a configuration in which semiconductor memory cells 20 are arranged in an array. FIG. 20 shows an example in which the semiconductor memory cells 20 are arranged in 4 rows × 4 columns. In each semiconductor memory cell 20, the first gate electrode of the MFSFET (semiconductor memory element) is the first word line WL1 on the row decoder 30 side, and the second gate electrode of the MISFET (selective switching element) is the second word. The drain electrode is connected to the line WL2, the drain electrode is connected to the bit line ML on the column decoder 31 side, and the source electrode is connected to the source line (not shown). In the present embodiment, the MFSFETs are alternately inverted in the column direction so that the semiconductor memory elements adjacent in the vertical direction share the source electrode and the drain electrode. Thereby, the cell occupation area can be reduced. In addition, since MFSFET and MISFET in this embodiment are transparent with respect to visible light, a memory function and a switching function can be added with respect to the use as which transparency is requested | required, such as electronic paper.

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。   As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.

本発明は、強誘電体を用いた超高集積メモリ・スイッチング素子に有用である。   The present invention is useful for an ultra-high-integrated memory switching device using a ferroelectric.

1 シリコン基板
2 SiO
3 第1のゲート電極
4 強誘電体膜(ゲート絶縁膜)
5 IGZO膜(アモルファス半導体膜)
6 ソース電極
7 中間電極
8 ドレイン電極
9 常誘電体膜(ゲート絶縁膜)
10 第2のゲート電極
11a〜11c 電極
20 半導体メモリセル
21 MFSFET(第1の電界効果トランジスタ)
22 MISFET(第2の電界効果トランジスタ)
30 ローデコーダ
31 カラムデコーダ
1 Silicon substrate 2 SiO 2 film 3 First gate electrode 4 Ferroelectric film (gate insulating film)
5 IGZO film (amorphous semiconductor film)
6 Source electrode 7 Intermediate electrode 8 Drain electrode 9 Paraelectric film (gate insulating film)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 2nd gate electrode 11a-11c Electrode 20 Semiconductor memory cell 21 MFSFET (1st field effect transistor)
22 MISFET (second field effect transistor)
30 Row decoder 31 Column decoder

Claims (10)

ゲート絶縁膜が強誘電体膜で構成された第1の電界効果トランジスタからなるメモリ素子と、
ゲート絶縁膜が常誘電体膜で構成された第2の電界効果トランジスタからなる選択スイッチング素子と
を備えた半導体メモリセルであって、
前記強誘電体膜と前記常誘電体膜とはアモルファス半導体膜を介して積層されており、
前記強誘電体膜側に、前記第1の電界効果トランジスタの第1のゲート電極が形成され、
前記常誘電体膜側に、前記第2の電界効果トランジスタの第2のゲート電極が形成されており、
前記アモルファス半導体膜は、前記第1の電界効果トランジスタ及び前記第2の電界効果トランジスタの共通のチャネル層を構成しており、
前記アモルファス半導体膜の主面上に、前記第1の電界効果トランジスタ及び前記第2の電界効果トランジスタに共通のソース電極及びドレイン電極が形成されている、半導体メモリセル。
A memory element comprising a first field effect transistor having a gate insulating film made of a ferroelectric film;
A semiconductor memory cell comprising a selective switching element comprising a second field effect transistor having a gate insulating film made of a paraelectric film,
The ferroelectric film and the paraelectric film are laminated via an amorphous semiconductor film,
A first gate electrode of the first field effect transistor is formed on the ferroelectric film side;
A second gate electrode of the second field effect transistor is formed on the paraelectric film side;
The amorphous semiconductor film constitutes a common channel layer of the first field effect transistor and the second field effect transistor,
A semiconductor memory cell, wherein a source electrode and a drain electrode common to the first field effect transistor and the second field effect transistor are formed on a main surface of the amorphous semiconductor film.
前記第2のゲート電極に所定の電圧を印加して、前記選択スイッチング素子をオン状態にし、
前記第1のゲート電極と前記ドレイン電極間に所定の電圧を印加して、前記強誘電体膜の分極状態を変化させることによって、前記メモリ素子にデータの書き込みが行われる、請求項1に記載の半導体メモリセル。
Applying a predetermined voltage to the second gate electrode to turn on the selective switching element;
The data is written to the memory element by applying a predetermined voltage between the first gate electrode and the drain electrode to change a polarization state of the ferroelectric film. Semiconductor memory cell.
前記第2のゲート電極に所定の電圧を印加して、前記選択スイッチング素子をオン状態にし、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間に所定の電圧を印加して、前記強誘電体膜の分極状態に応じて前記チャネル層を流れる電流を検出することによって、前記メモリ素子に書き込まれたデータの読み出しが行われる、請求項1に記載の半導体メモリセル。
Applying a predetermined voltage to the second gate electrode to turn on the selective switching element;
Reading a data written in the memory element by applying a predetermined voltage between the source electrode and the drain electrode and detecting a current flowing through the channel layer according to a polarization state of the ferroelectric film. The semiconductor memory cell according to claim 1, wherein:
前記アモルファス半導体膜は、金属酸化物からなる、請求項1に記載の半導体メモリセル。   The semiconductor memory cell according to claim 1, wherein the amorphous semiconductor film is made of a metal oxide. 前記アモルファス半導体は、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)の少なくとも1種を含む金属酸化物からなる、請求項4に記載の半導体メモリセル。   The semiconductor memory cell according to claim 4, wherein the amorphous semiconductor is made of a metal oxide containing at least one of indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn). 前記アモルファス半導体膜は、In-Ga-Zn-O系の金属酸化物からなる、請求項5に記載の半導体メモリセル。   The semiconductor memory cell according to claim 5, wherein the amorphous semiconductor film is made of an In—Ga—Zn—O-based metal oxide. 前記アモルファス半導体膜は、キャリア濃度が1018cm−3以下である、請求項1に記載の半導体メモリセル。 The amorphous semiconductor film, the carrier concentration is 10 18 cm -3 or less, the semiconductor memory cell of claim 1. 請求項1に記載の半導体メモリセルを製造する方法であって、
基板上に前記第1のゲート電極を形成する工程(a)と、
前記第1のゲート電極を覆うように、前記基板上に前記強誘電体膜を形成する工程(b)と、
前記強誘電体膜上に、前記アモルファス半導体膜を形成する工程(c)と、
前記アモルファス半導体膜上に、前記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程(d)と、
前記ソース電極及びドレイン電極を覆うように、前記アモルファス半導体膜上に前記常誘電体膜を形成する工程(e)と、
前記常誘電体膜上に、前記第2のゲート電極を形成する工程(f)と
を含む、半導体メモリセルの製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor memory cell according to claim 1, comprising:
Forming (a) the first gate electrode on a substrate;
Forming the ferroelectric film on the substrate so as to cover the first gate electrode (b);
Forming the amorphous semiconductor film on the ferroelectric film (c);
Forming the source and drain electrodes on the amorphous semiconductor film (d);
Forming the paraelectric film on the amorphous semiconductor film so as to cover the source electrode and the drain electrode (e);
And (f) forming a second gate electrode on the paraelectric film.
前記工程(b)の後、前記工程(c)の前に、前記強誘電体膜の表面を平滑化処理する工程をさらに含む、請求項8に記載の半導体メモリセルの製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor memory cell according to claim 8, further comprising a step of smoothing the surface of the ferroelectric film after the step (b) and before the step (c). 前記工程(b)において、前記強誘電体膜は多結晶膜として形成される、請求項8に記載の半導体メモリセルの製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor memory cell according to claim 8, wherein in the step (b), the ferroelectric film is formed as a polycrystalline film.
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