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JP3746815B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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JP3746815B2 JP21472895A JP21472895A JP3746815B2 JP 3746815 B2 JP3746815 B2 JP 3746815B2 JP 21472895 A JP21472895 A JP 21472895A JP 21472895 A JP21472895 A JP 21472895A JP 3746815 B2 JP3746815 B2 JP 3746815B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶素子に関し、特に、トランジスタのゲート部分に強誘電体を用いてソース−ドレイン間電流を直接制御することができる不揮発性メモリに係るものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体記憶素子には、電源を投入している間のみ情報を記憶することができる揮発性メモリと、電源を断たれた状態においても情報を記憶することができる不揮発性メモリとがある。揮発性メモリとしては、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)があり、不揮発性メモリとしては、マスクROM(Mask Read Only Memory)、PROM(Programmable Read Only Memory)、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等がある。
【0003】
これらの不揮発性メモリの中でもEPROM、EEPROMはRAMのように記憶内容を書き換えることができるROMで、コントロールゲートとチャネルとの間にフローティングゲートを持つMOS−FET(MOS型電界効果トランジスタ)構造をとるものが一般的である。EPROMは、紫外線を照射することによりフローティングゲート内のキャリアを放出させて消去動作をさせ、コントロールゲートとドレインの間に高電圧を加えた際に生じるホットエレクトロンがフローティングゲート内に残留することを利用して、書き込み動作をさせる。EEPROMでは、紫外線を照射することなく消去動作をさせることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したフローティングゲート型のMOS−FETは、書き込み、消去動作には、ミリ秒(msec.)オーダーの時間と107 V/cmオーダーの高電界を必要とする。このため、EEPROMでは、通常のDRAMのように同一サイクルでの書き込み、消去動作を実現することができず、また、電圧の高い電源も必要となる。
【0005】
また、最近開発が進められているFRAM(Ferroelectric Random Access Memory)の多くはDRAMのキャパシタを強誘電体キャパシタに置き換えた構造をしており(特開平2−113496号)、書き込み、消去、読み出し動作いずれもが強誘電体の分極反転を伴うため、強誘電体の疲労が問題となり、また、いずれの動作もキャパシタの充放電を伴うため、動作時間は100ナノ秒(nsec.)程度かかる。また、トランジスタとキャパシタを別々に設ける必要があり、面積縮小化に不利となる。
【0006】
このような問題を解決するために、トランジスタのゲート部分において、エピタキシャル酸化膜および強誘電体薄膜を積層する構造を持つ半導体記憶素子が提案されているが(特開平4−243232号)、高速かつ、強誘電体の疲労が少なく、面積縮小化に適した不揮発性メモリを提供する一方、トランジスタのゲート特性に再現性、安定性の上で問題があり、生産上の収率を高めることが難しかった。その原因として、Si基板と強誘電体薄膜との界面制御が難しい上、Si基板から強誘電体へキャリアが注入され強誘電体の分極が打ち消されるなどが考えられる。
【0007】
本発明は、このような従来の技術が有する未解決の課題を解決するべくなされたものであり、高速かつ、強誘電体の疲労が少なく、面積縮小化に適し、特に、ゲート特性において再現性、安定性に優れ、強誘電体へのキャリア注入が無く、かつ生産上の収率向上に優れた半導体記憶素子を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明に従う半導体記憶素子は、Si単結晶基板上に形成されたトランジスタを有する半導体記憶素子において、前記トランジスタのゲート部分が、前記Si単結晶基板上に、膜厚が20から100オングストローム(ただし、膜厚が50オングストローム以上の場合を除く。)のSi酸化膜からなるキャリア注入阻止層、配向したCeO薄膜、配向したPbTiO薄膜、導電体薄膜の積層構造を持つことを特徴とする。
【0010】
請求項2に記載の発明に従う半導体記憶素子は、請求項1に記載の半導体記憶素子において、前記Si単結晶基板がSi(100)単結晶基板であることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明において、配向したCeO2 薄膜とは、常誘電体結晶の特定の結晶軸が基板面に対し強く垂直に並んだCeO2 薄膜のことである。配向したPbTiO3薄膜とは、強誘電体結晶の特定の結晶軸が基板面に対し強く垂直に並んだPbTiO3 薄膜のことであり、特に分極を最も強く起こす結晶軸が基板に対し強く垂直になることが好ましい。これらの結晶の配列は、高速電子線回折、X線回折などにより確認することができる。
【0012】
導電体薄膜としては、例えば、多結晶Siに不純物を拡散し導電性を高めたもの、金属薄膜、導電性酸化物薄膜等を用いることができる。
【0013】
本発明の積層構造は、Si基板およびSi基板に近い方から順にSi酸化膜、配向したCeO2 薄膜、配向したPbTiO3 薄膜、導電体薄膜からなる積層構造であるが、必ずしも順に膜を積層してゆく必要はない。
【0014】
本発明において用いられる基板は、Siの単結晶基板である。これは、CeO2 薄膜およびPbTiO3 薄膜を配向させるために必要であり、PbTiO3 薄膜の分極をより安定に発生させるためには、好ましくは(100)もしくは(111)面に配向したものを用いる。
【0015】
また、これらの常誘電性酸化物薄膜は、例えば真空蒸着、レーザアブレーション法などによって形成することができる。
【0016】
Si単結晶基板とPbTiO3 薄膜との間に設ける配向したCeO2 薄膜は、Si単結晶基板と配向したPbTiO3 薄膜とが相互拡散して強誘電体が劣化するのを防ぐために必要である。
【0017】
キャリア注入阻止層としてのSi酸化膜は、Si基板よりキャリアが注入され、強誘電性薄膜の分極を打ち消してしまうのを防ぐ意味で重要であるばかりでなく、ソース−ドレイン間電流を安定にオン・オフし、かつ製造上の歩留まり、収率の向上、素子の安定動作のために不可欠である。また、このSi酸化膜からなるキャリア注入阻止層の膜厚は、20から100オングストロームの間の値を持つものが特に好ましい。これは、界面の良好な電気特性を発揮し、Si単結晶基板と配向した強誘電体薄膜との間でキャリアが移動して強誘電体の分極が低下するのを防ぎ、かつ素子の動作電圧を低く維持するために好ましい条件である。このSi酸化膜は、配向した常誘電性酸化物薄膜を形成した後に酸化雰囲気中において加熱処理する、あるいは配向した強誘電体薄膜を形成する際に長時間酸化雰囲気にさらすこと等によって形成することができる。
【0018】
本発明によるゲート電極を用い、強誘電体の自発分極を反転させることによって、ソース−ドレイン間電流をオン・オフすることができる。強誘電体の自発分極を反転させるためには、基板−ゲート間、もしくはドレイン−ゲート間、もしくはソース−ゲート間に電圧を印加する必要がある。強誘電体の自発分極の反転速度は極めて速く、DRAM以上の書き換え、消去の動作速度を得ることができる。また、トランジスタの他にキャパシタを設ける必要がないので、面積縮小化に有利となる。
【0019】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0020】
図1は本発明の半導体記憶素子を示す模式的断面図である。図1において、1はSi単結晶基板、2はSi単結晶基板1上に形成されたトランジスタのソース、3は該トランジスタのドレイン、4はSi単結晶基板1上に形成されたキャリア注入阻止層としてのSi酸化膜、5はSi酸化膜4上に形成された常誘電性酸化物薄膜としてのCeO2 薄膜、6はCeO2 薄膜5上に形成された強誘電体薄膜としてのPbTiO3 薄膜、7はPbTiO3 薄膜6に接続するアルミニウム電極である。8は絶縁膜である。
【0021】
まず、基板1として、抵抗率2Ωcmのn型Si(100)単結晶基板を用い、この基板1を1×10-6Torrの真空中において、約900℃に加熱した上で、CeO2 タブレットを電子ビーム加熱し、膜厚約150オングストロームのCeO2 薄膜5をSi基板1上に真空蒸着により成膜した。このCeO2 薄膜をRHEED(反射高速電子線回折)により表面観察したところ、いくつかのドットパターンを観測することができ、(110)配向のほぼエピタキシャル膜が成長していることが確認できた。
【0022】
次に、1気圧乾燥酸素雰囲気中で900℃で5分間加熱し、Si基板1とCeO2 薄膜5の界面に約40オングストロームのSiO2 キャリア注入阻止層としてのSi酸化膜4を形成した。CeO2 薄膜の表面に、導電体薄膜としてのアルミニウム(Al)電極7を真空蒸着法により形成し、この電極を用いて静電容量−電圧(C−V)特性を測定した。その結果、図2に示すように、印加電圧が1V程度までは実線で示すように、静電容量(キャパシタンス)が印加電圧に対して直線的に増加し、約2.2Vで飽和し、逆に印加電圧が低下するにつれて点線で示すように、ほぼ同じ経路を逆に辿って低下し、負電圧の印加に対しては静電容量は実質的に変化しない。このように、極めて良好なC−V特性が得られ、CeO2 薄膜がゲート酸化膜として利用可能であることが証明できた。この特性は、図3に示すように、上述の酸化操作を行った場合は、上述の酸化操作を行わない場合に比べて、界面準位が1013/cm2 ・eVから1011/cm2 ・eVに改善している。界面準位は、ゲート下部界面の結晶性の乱れを電気的に評価する手法であり、C−V特性の傾斜から見積もることができる。1011/cm2 ・eVオーダ以下の値であれば、良好な界面と解釈することができる。
【0023】
さらに、CeO2 /SiO2 /Si(100)上に、MOCVD法によりPbTiO3 薄膜6を成膜した。すなわち、Pb(C254 、Ti(i−OC374 を材料とし、それぞれ0℃、30℃の温度に保ち、それぞれ7cc/分、4.5cc/分のキャリアN2 ガスで材料を運び、30cc/分のO2 とともに基板温度540℃のCeO2 /SiO2 /Si(100)基板からなる構造体に吹き付け、PbTiO3 薄膜6を成膜した。雰囲気圧力は、約1Torrであった。また、膜厚は、約1000オングストロームであった。この薄膜をX線回折装置を用いて分析を行ったところ、PbTiO3 (100)、(001)面に強く配向していることが確認できた(図4)。
【0024】
このサンプルの断面を透過電子顕微鏡(TEM)を用いて観察したところ、図5に模式的に示すように、PbTiO3 /CeO2 /SiO2 /Si(100)積層構造体が形成されていることを確認した。詳しくは、この積層構造体は、Si(100)基板1、Si酸化薄膜(SiO2 薄膜)4、CeOx 膜5a、CeO2 薄膜5、PbTiO3 薄膜6がこの順に積層されており、Si基板とCeO2 薄膜の間にSiO2 薄膜が形成されていることを確認した。
【0025】
さらに、このサンプル表面にアルミニウム電極7を真空蒸着にて形成し、静電容量−電圧(C−V)特性を測定した。その結果、図6に示すような掃引方向によるヒステリシス特性を示し(メモリ−ウィンドウ幅2.3V)、記憶動作を確認した。ここで、いったん−3Vから+3Vまでバイアス電圧を掃引した後、メモリ−ウィンドウ中央部における静電容量を測定し、その時間変化を観察した。この操作により、このサンプルの記憶保持時間を測定することができる。その結果、キャリア注入阻止層を特に形成しなかったものは、約27時間で静電容量が20パーセント以上低下したのに対し、上記のようにキャリア注入阻止層を形成したものは、1カ月経っても静電容量の低下は観察されなかった。
【0026】
さらに、ソース、ドレイン間に上記PbTiO3 /CeO2 /SiO2 を形成し、Al電極を設けてソース−ドレイン間電流のオン、オフをPbTiO3 の自己分極を用いて制御する試みを行い、その現象を確認した。
【0027】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明によれば、Si基板上に配向成長したCeO2 (常誘電体)薄膜を形成した後、酸化雰囲気中において加熱することによってSi基板とCeO2 薄膜との界面にSi酸化膜からなるキャリア注入層を形成し、この層を介して、高配向PbTiO3 (強誘電体)薄膜を形成することにより、Si基板から強誘電体にキャリアが注入されるのを防ぐばかりでなく、極めて安定に強誘電体の自己分極により直接ソース−ドレイン間の電流をオン、オフすることができる。現在研究が進められているFRAMに比較して、読み出し動作では自発分極の反転を伴わないため、強誘電体の膜疲労が極めて少なく、また、トランジスタ以外の領域にキャパシタを設ける必要がないため、面積縮小化に適した不揮発性メモリを提供できる。さらに、従来困難とされてきた界面の制御を、界面にSi酸化膜からなるキャリア注入阻止層をCeO2 形成後に加熱して形成することによって達成し、基板から強誘電体へのキャリア注入を阻止し、さらにゲート特性を向上させることができる。このように、多くの優位性を有した不揮発性メモリを提供できるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に従う半導体記憶素子の基本構造を示す模式的断面図である。
【図2】Si(100)基板上にCeO2 を真空蒸着し、酸化雰囲気で加熱処理を行ったものに、Al電極を蒸着し、静電容量−電圧(C−V)特性を測定した結果を示す特性図である。
【図3】Si(100)基板上にCeO2 を真空蒸着したものに、Al電極を蒸着し、静電容量−電圧(C−V)特性を測定した結果を示す特性図である。
【図4】Si(100)基板上にCeO2 を真空蒸着したものにさらにPbTiO3 をCVD法により成膜し、その試料をX線回折装置を用いて分析を行った結果を示す特性図である。
【図5】PbTiO3 /CeO2 /SiO2 /Si(100)試料の断面構造を透過電子顕微鏡により観察した結果を模式的に表す断面図である。
【図6】図5に示す試料の表面にAl電極を真空蒸着により形成した後、静電容量−電圧(C−V)特性を測定した結果を示す特性図である。
【符号の説明】
1 Si単結晶基板
2 ソース
3 ドレイン
4 Si酸化膜
5 常誘電性酸化物薄膜としてのCeO2 薄膜
6 強誘電体薄膜としてのPbTiO3 薄膜
7 アルミニウム(Al)電極
8 絶縁膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory element, and more particularly to a nonvolatile memory that can directly control a source-drain current by using a ferroelectric in a gate portion of a transistor.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor memory elements include a volatile memory that can store information only while the power is turned on and a non-volatile memory that can store information even when the power is turned off. Volatile memory includes DRAM (Dynamic Random Access Memory) and SRAM (Static Random Access Memory). Non-volatile memory includes mask ROM (Mask Read Only Memory, PROM). Programmable Read Only Memory (EEPROM), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), and the like.
[0003]
Among these non-volatile memories, EPROM and EEPROM are ROMs whose contents can be rewritten like RAM, and have a MOS-FET (MOS type field effect transistor) structure having a floating gate between a control gate and a channel. Things are common. EPROM utilizes the fact that hot electrons generated when high voltage is applied between the control gate and the drain remain in the floating gate by erasing the carrier in the floating gate by irradiating ultraviolet rays. Then, the write operation is performed. In the EEPROM, an erasing operation can be performed without irradiating ultraviolet rays.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described floating gate type MOS-FET requires a time on the order of milliseconds (msec.) And a high electric field on the order of 10 7 V / cm for writing and erasing operations. For this reason, the EEPROM cannot realize write and erase operations in the same cycle as a normal DRAM, and also requires a high-voltage power supply.
[0005]
Many of the FRAMs (Ferroelectric Random Access Memories) that have been developed recently have a structure in which a DRAM capacitor is replaced with a ferroelectric capacitor (Japanese Patent Laid-Open No. 2-11396), and write, erase, and read operations are performed. Since both are accompanied by polarization inversion of the ferroelectric material, the fatigue of the ferroelectric material becomes a problem, and since each operation involves charging and discharging of the capacitor, the operation time takes about 100 nanoseconds (nsec.). Further, it is necessary to provide a transistor and a capacitor separately, which is disadvantageous for area reduction.
[0006]
In order to solve such a problem, a semiconductor memory element having a structure in which an epitaxial oxide film and a ferroelectric thin film are stacked in a gate portion of a transistor has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 4-243232). In addition, while providing a non-volatile memory suitable for area reduction with less fatigue of ferroelectrics, the gate characteristics of transistors have problems in terms of reproducibility and stability, and it is difficult to increase production yield. It was. As the cause, it may be difficult to control the interface between the Si substrate and the ferroelectric thin film, and carriers may be injected from the Si substrate into the ferroelectric to cancel the polarization of the ferroelectric.
[0007]
The present invention has been made to solve such an unsolved problem of the conventional technology, and is suitable for area reduction, at high speed, with less fatigue of the ferroelectric material, particularly in gate characteristics. An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that is excellent in stability, does not inject carriers into a ferroelectric material, and is excellent in production yield improvement.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory element having a transistor formed on a Si single crystal substrate, wherein the gate portion of the transistor has a thickness of 20 to 20 on the Si single crystal substrate. It has a laminated structure of a carrier injection blocking layer made of a Si oxide film of 100 angstroms (except when the film thickness is 50 angstroms or more) , an oriented CeO 2 thin film, an oriented PbTiO 3 thin film, and a conductor thin film. Features.
[0010]
A semiconductor memory element according to a second aspect of the present invention is the semiconductor memory element according to the first aspect, wherein the Si single crystal substrate is a Si (100) single crystal substrate.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the CeO 2 thin film oriented, a specific crystal axis of the paraelectric crystals is that of CeO 2 thin film vertically aligned strongly to the substrate surface. The oriented PbTiO3 thin films, the specific crystal axis of a ferroelectric crystal is that of PbTiO 3 film vertically aligned strongly to the substrate surface, the crystal axis is perpendicular strongly to the substrate in particular allow polarization strongest It is preferable. The arrangement of these crystals can be confirmed by high-speed electron diffraction, X-ray diffraction, or the like.
[0012]
As the conductor thin film, for example, a metal thin film, a conductive oxide thin film, or the like in which impurities are diffused into polycrystalline Si to increase conductivity can be used.
[0013]
The laminated structure of the present invention is a laminated structure comprising a Si substrate and an Si oxide film, an oriented CeO 2 thin film, an oriented PbTiO 3 thin film, and a conductor thin film in order from the side closest to the Si substrate. There is no need to go.
[0014]
The substrate used in the present invention is a Si single crystal substrate. This is necessary for orienting the CeO 2 thin film and the PbTiO 3 thin film, and in order to generate the polarization of the PbTiO 3 thin film more stably, the one oriented to the (100) or (111) plane is preferably used. .
[0015]
These paraelectric oxide thin films can be formed by, for example, vacuum deposition, laser ablation, or the like.
[0016]
The oriented CeO 2 thin film provided between the Si single crystal substrate and the PbTiO 3 thin film is necessary to prevent the ferroelectric from deteriorating due to mutual diffusion between the Si single crystal substrate and the oriented PbTiO 3 thin film.
[0017]
The Si oxide film as a carrier injection blocking layer is important not only in terms of preventing carriers from being injected from the Si substrate and canceling the polarization of the ferroelectric thin film, but also stably turning on the source-drain current. -It is indispensable for turning off and improving manufacturing yield, yield, and stable operation of the device. Further, it is particularly preferable that the thickness of the carrier injection blocking layer made of this Si oxide film has a value between 20 and 100 angstroms. This demonstrates good electrical characteristics at the interface, prevents carriers from moving between the Si single crystal substrate and the oriented ferroelectric thin film, and lowers the polarization of the ferroelectric, and also reduces the device operating voltage. This is a preferable condition for maintaining low. This Si oxide film is formed by forming an oriented paraelectric oxide thin film and then heat-treating it in an oxidizing atmosphere, or by exposing it to an oxidizing atmosphere for a long time when forming an oriented ferroelectric thin film. Can do.
[0018]
By using the gate electrode according to the present invention and reversing the spontaneous polarization of the ferroelectric, the source-drain current can be turned on and off. In order to reverse the spontaneous polarization of the ferroelectric, it is necessary to apply a voltage between the substrate and the gate, between the drain and the gate, or between the source and the gate. The reversal speed of the spontaneous polarization of the ferroelectric is extremely fast, and a rewriting and erasing operation speed higher than that of the DRAM can be obtained. In addition, it is not necessary to provide a capacitor in addition to the transistor, which is advantageous for area reduction.
[0019]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0020]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor memory element of the present invention. In FIG. 1, 1 is a Si single crystal substrate, 2 is a source of a transistor formed on the Si single crystal substrate 1, 3 is a drain of the transistor, and 4 is a carrier injection blocking layer formed on the Si single crystal substrate 1. Si oxide film 5, 5 is a CeO 2 thin film as a paraelectric oxide thin film formed on the Si oxide film 4, 6 is a PbTiO 3 thin film as a ferroelectric thin film formed on the CeO 2 thin film 5, Reference numeral 7 denotes an aluminum electrode connected to the PbTiO 3 thin film 6. Reference numeral 8 denotes an insulating film.
[0021]
First, an n-type Si (100) single crystal substrate having a resistivity of 2 Ωcm is used as the substrate 1. The substrate 1 is heated to about 900 ° C. in a vacuum of 1 × 10 −6 Torr, and then a CeO 2 tablet is used. The CeO 2 thin film 5 having a film thickness of about 150 Å was formed on the Si substrate 1 by vacuum deposition by electron beam heating. When the surface of this CeO 2 thin film was observed by RHEED (reflection high-energy electron diffraction), several dot patterns could be observed, and it was confirmed that an (110) -oriented epitaxial film had grown.
[0022]
Next, heating was performed at 900 ° C. for 5 minutes in a 1 atm dry oxygen atmosphere to form a Si oxide film 4 as a SiO 2 carrier injection blocking layer of about 40 Å at the interface between the Si substrate 1 and the CeO 2 thin film 5. An aluminum (Al) electrode 7 as a conductor thin film was formed on the surface of the CeO 2 thin film by a vacuum deposition method, and capacitance-voltage (CV) characteristics were measured using this electrode. As a result, as shown in FIG. 2, the electrostatic capacitance (capacitance) increases linearly with respect to the applied voltage as shown by the solid line until the applied voltage is about 1 V, and is saturated at about 2.2 V. As the applied voltage decreases, as shown by the dotted line, the voltage decreases by following substantially the same path in reverse, and the capacitance does not change substantially when a negative voltage is applied. Thus, very good CV characteristics were obtained, and it was proved that the CeO 2 thin film can be used as a gate oxide film. As shown in FIG. 3, when the above oxidation operation is performed, the interface state is 10 13 / cm 2 · eV to 10 11 / cm 2 when compared with the case where the above oxidation operation is not performed.・ Improved to eV. The interface state is a technique for electrically evaluating the disorder of crystallinity at the gate lower interface, and can be estimated from the slope of the CV characteristic. A value of 10 11 / cm 2 · eV or less can be interpreted as a good interface.
[0023]
Further, a PbTiO 3 thin film 6 was formed on CeO 2 / SiO 2 / Si (100) by MOCVD. That is, Pb (C 2 H 5 ) 4 and Ti (i-OC 3 H 7 ) 4 are used as materials, maintained at temperatures of 0 ° C. and 30 ° C., respectively, and carriers N 2 of 7 cc / min and 4.5 cc / min, respectively. The material was carried by gas and sprayed onto a structure composed of a CeO 2 / SiO 2 / Si (100) substrate having a substrate temperature of 540 ° C. together with 30 cc / min of O 2 to form a PbTiO 3 thin film 6. The atmospheric pressure was about 1 Torr. The film thickness was about 1000 angstroms. When this thin film was analyzed using an X-ray diffractometer, it was confirmed that the thin film was strongly oriented in the PbTiO 3 (100) and (001) planes (FIG. 4).
[0024]
When a cross section of this sample was observed using a transmission electron microscope (TEM), a PbTiO 3 / CeO 2 / SiO 2 / Si (100) laminated structure was formed as schematically shown in FIG. It was confirmed. Specifically, this laminated structure includes a Si (100) substrate 1, a Si oxide thin film (SiO 2 thin film) 4, a CeO x film 5a, a CeO 2 thin film 5, and a PbTiO 3 thin film 6 laminated in this order. It was confirmed that an SiO 2 thin film was formed between the CeO 2 thin film and the CeO 2 thin film.
[0025]
Furthermore, an aluminum electrode 7 was formed on the sample surface by vacuum deposition, and capacitance-voltage (CV) characteristics were measured. As a result, the hysteresis characteristic according to the sweep direction as shown in FIG. 6 was shown (memory-window width 2.3 V), and the storage operation was confirmed. Here, after once sweeping the bias voltage from −3 V to +3 V, the capacitance at the center of the memory window was measured, and the change with time was observed. By this operation, the memory retention time of this sample can be measured. As a result, in the case where the carrier injection blocking layer was not particularly formed, the capacitance decreased by 20% or more in about 27 hours, whereas in the case where the carrier injection blocking layer was formed as described above, one month passed. However, no decrease in capacitance was observed.
[0026]
Further, the PbTiO 3 / CeO 2 / SiO 2 is formed between the source and drain, an Al electrode is provided, and an attempt is made to control the on / off of the source-drain current using the self-polarization of PbTiO 3 , The phenomenon was confirmed.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an CeO 2 (paraelectric) thin film that is oriented and grown on a Si substrate is formed, and then heated in an oxidizing atmosphere to heat the interface between the Si substrate and the CeO 2 thin film. A carrier injection layer made of a Si oxide film is formed on this, and a highly oriented PbTiO 3 (ferroelectric) thin film is formed through this layer to prevent carriers from being injected into the ferroelectric from the Si substrate. In addition, the current between the source and the drain can be directly turned on and off by the ferroelectric self-polarization. Compared to the FRAM currently being studied, the read operation does not involve reversal of spontaneous polarization, so the film fatigue of the ferroelectric is extremely small, and there is no need to provide a capacitor in a region other than the transistor. A nonvolatile memory suitable for area reduction can be provided. Furthermore, control of the interface, which has been considered difficult in the past, is achieved by forming a carrier injection blocking layer consisting of a Si oxide film on the interface by heating after the formation of CeO 2 to block carrier injection from the substrate to the ferroelectric. In addition, the gate characteristics can be further improved. As described above, there is an effect that a nonvolatile memory having many advantages can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a basic structure of a semiconductor memory element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows the result of measuring capacitance-voltage (CV) characteristics by depositing an Al electrode on a Si (100) substrate that was vacuum-deposited with CeO 2 and heat-treated in an oxidizing atmosphere. FIG.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a result of measuring capacitance-voltage (CV) characteristics by depositing an Al electrode on a vacuum-deposited CeO 2 on a Si (100) substrate.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the results obtained by further depositing PbTiO 3 on a Si (100) substrate by vacuum deposition of CeO 2 by the CVD method and analyzing the sample using an X-ray diffractometer; is there.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a result of observation of a cross-sectional structure of a PbTiO 3 / CeO 2 / SiO 2 / Si (100) sample with a transmission electron microscope.
6 is a characteristic diagram showing a result of measuring capacitance-voltage (CV) characteristics after forming an Al electrode on the surface of the sample shown in FIG. 5 by vacuum vapor deposition. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Si single crystal substrate 2 source 3 drain 4 Si oxide film 5 paraelectric PbTiO 3 film 7 of aluminum as CeO 2 film 6 ferroelectric thin film as an oxide film (Al) electrode 8 insulating film

Claims (2)

Si単結晶基板上に形成されたトランジスタを有する半導体記憶素子において、前記トランジスタのゲート部分が、前記Si単結晶基板上に、膜厚が20から100オングストローム(ただし、膜厚が50オングストローム以上の場合を除く。)のSi酸化膜からなるキャリア注入阻止層、配向したCeO薄膜、配向したPbTiO薄膜、導電体薄膜の積層構造を持つことを特徴とする半導体記憶素子。In a semiconductor memory device having a transistor formed on a Si single crystal substrate, the gate portion of the transistor has a film thickness of 20 to 100 angstroms (provided that the film thickness is 50 angstroms or more) on the Si single crystal substrate. A semiconductor memory element having a laminated structure of a carrier injection blocking layer made of a Si oxide film, an oriented CeO 2 thin film, an oriented PbTiO 3 thin film, and a conductor thin film. 前記Si単結晶基板がSi(100)単結晶基板であることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶素子。  The semiconductor memory element according to claim 1, wherein the Si single crystal substrate is a Si (100) single crystal substrate.
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