半导体存储器

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN01123695.7

(22)申请日 2001.09.11

(71)申请人 松下电器产业株式会社

地址 日本国大阪府

(72)发明人 内山洁 嶋田恭博 有田浩二 大槻达男

(74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任公司

代理人 汪惠民

(51)

H01L27/04

H01L27/105

(10)申请公布号 CN 1347156 A

(43)申请公布日 2002.05.01

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

半导体存储器

(57)摘要

一种半导体存储器,半导体衬底11

上依次重叠有下部绝缘层14、浮置栅极

15、铁电层16、上部绝缘层17以及栅电

极18。上部绝缘层17比铁电层16对漏电

流的绝缘性高。在FeFET型存储器中,能够

抑制从铁电层流向栅电极的漏电流,而大幅

度地改善保持特性。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1、一种半导体存储器,包括:栅电极隔着铁电层形成在半导体衬底上的场效应型

晶体管,其中:

在上述铁电层和上述栅电极之间形成有比上述铁电层对漏电流的绝缘性高的第

1绝缘层。

2、根据权利要求第1项所述的半导体存储器,其中:

又备有形成在上述铁电层和上述半导体衬底之间、并比上述铁电层对漏电流的

绝缘性高的第2绝缘层。

3、根据权利要求第1项所述的半导体存储器,其中:

上述第1绝缘层至少包括含有锶及钽的氧化物层。

4、根据权利要求第1项所述的半导体存储器,其中:

上述铁电层由铋层状化合物形成,上述第1绝缘层至少包括含有锶及钽的氧化物

层。

5、根据权利要求第1项所述的半导体存储器,其中:

上述铁电层由锆钛酸铅形成,上述第1绝缘层至少包括含有锆钛酸铅的氧化物层。

6、一种半导体存储器,包括:栅电极隔着铁电层形成在半导体衬底上的场效应型

晶体管,其中:

上述铁电层被它比上述铁电层对漏电流的绝缘性还高的绝缘层覆盖。

7、根据权利要求第6项所述的半导体存储器,其中:

上述绝缘层至少包括含有锶及钽的氧化物层。

8、根据权利要求第6项所述的半导体存储器,其中:

上述铁电层由铋层状化合物形成,上述绝缘层至少包括含有锶及钽的氧化物层。

9、根据权利要求第6项所述的半导体存储器,其中:

上述铁电层由锆钛酸铅形成,上述绝缘层至少包括含有锆钛酸铅的氧化物层。

说 明 书

技术领域

本发明涉及一种半导体存储器,包括其栅电极隔着铁电层形成在半导体衬底上的场

效应晶体管。

背景技术

近年来,很多半导体公司在为IC卡或笔记本电脑等研究、开发具有切断电源后记忆

内容也不消失的非易失性特征,和操作性与DRAM(FerroelectricRAM:以下,称它为

FeRAM)高速的铁电存储器。

现已开发出来的FeRAM存储单元结构,主要为2晶体管2电容器结构(2T2C结构)

或1晶体管1电容器结构(1T1C结构)。因此,当实现FeRAM微细化时,就需要使电

容器结构为3维等的高度加工技术。很难使存储器微细化的这一问题不仅在制造

FeRAM时存在,制造DRAM也会存在。它便是将来实现存储器的高密度化或大容

量化时的一大障碍。

另一方面,作为FeRAM的其他电路方式,又开始研究一种使用了栅极绝缘层的一部

分由铁电层构成的场效应型晶体管的半导体存储器(FerroelectricFET型存储器:以下,

称其为FeFET型存储器)。因FeFET型存储器仅由晶体管构成,故能避免上述微细

加工上的问题。也就是说,FeFET型存储器既实现了已往的FeRAM所备有的非易失

性以及高速动作性,又实现了高密度化,故可以说它具有作为一个半导体存储器所应

具有的最理想的特性。

以下,参考图5,对已往的半导体存储器,更具体而言,FeFET型存储器的单元结构进行

说明。

如图5所示,绝缘层104、浮置栅极105、铁电存储器106及栅电极107依次重叠在

形成有源极区域102和漏极区域103的半导体衬底101上。因此时,一般浮置栅极

105及栅电极107由金属构成,故简称具有图5所示的那样的结构的FeFET型存储

器结构,取每层的第一个英语字母,为MFMIS结构(Metal(栅电极107)-

Ferroelectric(铁电层106)-Metal(浮置栅极105)-Insulator(绝缘层104)-Substrate(半导

体衬底101))。

另外,在具有图5所示的那样的结构的存储单元中,在栅电极107被施加电压(以下,称

它为栅电压)后,铁电层106的两端就被施加了电压,而在铁电层106上发生极化。在

源极区域102和漏极区域103之间的导电率,会因该极化的方向往上(栅电极107方

向)还是往下(半导体衬底101方向)而不一样,故即使施加同样大小的栅极电压,在源

极区域102和漏极区域103之间流的电流的大小也不相等,存储功能由此而生。

再说,该铁电层106的极化,停止施加栅极电压后也保持同一方向,故上述存储器功能

还具有非易失性这一特征。

然而,在上述已往的FeFET型存储单元结构中,即使停止施加栅极电压,由于铁电层

106的极化也会在浮置栅极105产生电位,这样,漏电流就会从浮置栅极105通过绝

缘层104及铁电层106流向半导体衬底101及栅极电极107,结果是实际上存储在浮

置栅极105内的电荷减少。

此时,使用氧化硅作绝缘层104的材料时,流过绝缘层104的漏电流和流过铁电层

106的漏电流相比,其值实际上在能够忽视的范围内,铁电层106,在现在的情况下,还

很难具有良好的漏泄特性。因此,在现有的FeFET型存储单元上,主要由于通过铁电

层106流向栅电极107的漏电流,存储保持特性(以下,称其为保持特性)最长也只有

十几天左右,根本没达到实用时所需的10年的保持特性。

发明内容

本发明就是为解决上述问题而钻研出来的,其目的为:想法抑制FeFET型存储器中从

铁电层流向栅电极的漏电流,借此大幅度地改善保持特性。

为了达成上述目的,本发明所涉及的第1半导体存储器,是:隔着铁电层形成在半导体

衬底上的场效应型晶体管构成为前提,在铁电层和栅电极之间形成有比铁电层对漏

电流的绝缘性高的第1绝缘层。

依据第1半导体存储器,由于在铁电层和栅电极之间形成有比铁电层对漏电流的绝

缘性高的第1绝缘层,而能大幅度地减少从铁电层流向栅电极的漏电流,故大幅度地

能改善FeFET型存储器的保持特性。

在第1半导体存储器中,最好又备有形成在铁电层和半导体衬底之间、并比铁电层

对漏电流的绝缘性高的第2绝缘层。

这样做,也能减少从铁电层流向半导体衬底的漏电流,故能进一步改善FeFET型存储

器的保持特性。

在第1半导体存储器中,最好第1绝缘层至少包括含有锶及钽的氧化物层。

这样做,含有锶及钽的氧化物就具有很高的介电常数,也具有很高的绝缘性,故在同一

个装置结构下施加一样大的栅电压时,这种情况和使用其他的绝缘性很高的绝缘体

(如氧化硅等)作第1绝缘层相比,能使施加给铁电层的电压更大。

在第1半导体存储器中,最好铁电层由铋层状化合物形成,第1绝缘层至少包括含有

锶及钽的氧化物层。

这样做,即使铁电层中包含的铋在铁电层和第1绝缘层的界面上扩散,形成在该界面

上的物质也会成为典型的铁电铋层状化合物,即钽酸锶铋(SrBi2Ta2O9:以下称其为

SBT),故铁电特性不恶化。特别是,若以SBT或由它派生出来的化合物(以下,称其为

派生化合物)作铁电层用,就能够抑制由于构成元素在铁电层和第1绝缘层之间扩散

所导致的铁电层特性的恶化。

在第1半导体存储器中,最好铁电层由锆钛酸铅形成,第1绝缘层至少包括含有锆钛

酸铅的氧化物层。

这样做,即使铁电层中所包含的铅在铁电层和第1绝缘层的界面上扩散,形成在该界

面上的物质成为锆钛酸铅的派生化合物,因此能够抑制由于构成元素在铁电层和第1

绝缘层之间的扩散所导致的铁电层特性的恶化。

另外,为了达成上述目的,本发明所涉及的第2半导体存储器,是隔着铁电层形成在半

导体衬底上的场效应型晶体管为前提,铁电层被它比铁电层对漏电流的绝缘性还高

的绝缘层覆盖。

依据第2半导体存储器,铁电层由比铁电层对漏电流的绝缘性还高的绝缘层覆盖,因

此,不仅能减小从铁电层流向栅电极的漏电流,也大大地能减小从铁电层漏向所有部

位的漏电流,结果,可大幅度地改善FeFET型存储器的保持特性。

在第2半导体存储器中,最好绝缘层至少包括含有锶及钽的氧化物层。

这样做,含有锶及钽的氧化物就具有很高的介电常数,也具有很高的绝缘性,故在同一

个器件结构下施加一样大的栅电压时,这样情况和使用其他的绝缘性很高的绝缘体

(如氧化硅等)作第1绝缘层相比,更能使施加给铁电层的电压。

在第2半导体存储器中,铁电层由铋层状化合物形成,绝缘层至少包括含有锶及钽的

氧化物层。

这样做,即使铁电层中所包含的铋在铁电层和绝缘层的界面上扩散,形成在该界面的

物质也会成为典型的铁电铋层状化合物的SBT,故铁电特性不恶化。特别是,若以

SBT或由它派生化合物作铁电层用,就能够抑制由于构成元素在铁电层和绝缘层之

间扩散所导致的铁电层特性的恶化。

在第2半导体存储器中,最好铁电层是锆钛酸铅,绝缘层至少包括含有锆钛酸铅的氧

化物层。

这样做,即使铁电层中所包含的铅在铁电层和绝缘层的界面上扩散,形成在该界面上

的物质成为锆钛酸铅的派生化合物,因此能够抑制由于构成元素在铁电层和绝缘层

之间扩散所导致的铁电层特性的恶化。

附图说明

图1是用来说明本发明第1实施例所涉及的半导体存储器的单元结构的剖面图。

图2是用来说明本发明第1实施例的第1变形例所涉及的半导体存储器的单元结构

的剖面图。

图3是用来说明本发明第1实施例的第2变形例所涉及的半导体存储器的单元结构

的剖面图。

图4是用来说明本发明第2实施例所涉及的半导体存储器的单元结构的剖面图。

图5是用来说明已往的半导体存储器的单元结构的剖面图。

下面,简要说明符号。

11-半导体衬底;12-源极区域;13-漏极区域;14-下部绝缘层;15-浮置栅极;16-铁电层;17-

上部绝缘层;18-栅电极;19-上部浮置栅极;21-半导体衬底;22-源极区域;23-漏极区

域;24-下部浮置栅极;25-铁电层;26-上部浮置栅极;27-绝缘层;28-栅电极。

具体实施方式

(第1实施例)

下面,参考附图,对本发明第1实施例所涉及的半导体存储器进行说明。

图1为剖面图,示出了第1实施例所涉及的半导体存储器的单元结构,具体而言,为

FeFET型存储器的单元结构。

如图1所示,在形成有源极区域12及漏极区域13的半导体衬底11上,依次重叠有下

部绝缘层14、浮置栅极15、铁电层16、上部绝缘层17以及栅电极18。在此,下部

绝缘层14及上部绝缘层17比铁电层16对漏电流的绝缘性高。

在图1所示的本实施例的存储单元中,这样施加电压,即让栅电极18为高电位,半导

体衬底11为低电位,或者栅电极18为低电位,半导体衬底11为高电位,就能使铁电

层16内的极化方向指向栅电极18或半导体衬底11方向。

此时,给铁电层16施加的电压,由下部绝缘层14、铁电层16及上部绝缘层17的每

个容量串接在一起的结构来决定。具体来说,施加在栅电极18和半导体衬底11之

间的电压,按下部绝缘层14、铁电层16、上部绝缘层17的容量的倒数给它们分配。

因此,在存储保持之期间内,浮置栅极15一般不为0电位,另一方面,切断存储器电源

后栅电极18为0电位,所以铁电层16的下面和上部绝缘层17的上面之间产生电位

差。

然而,依据本实施例,在浮置栅极15和栅电极18之间,有比铁电层16对漏电流的绝

缘性高的上部绝缘层17,所以能抑制从浮置栅极15流向栅电极18的漏电流。因此,

能长时间保持产生在浮置栅极15的电荷,故能实现具有很优良保持特性的FeFET型

存储器。

再说,依据本实施例,浮置栅极15和半导体衬底11之间,有比铁电层16对漏电流的

绝缘性还高的下部绝缘层14,所以能减小从浮置栅极15流向半导体衬底11的漏电

流,因此,就更能改善FeFET型存储器的保持特性。

也就是说,本实施例的半导体存储器实现了未曾实现的优良特征。其存储单元结构,

从栅电极往下看去,依次为:栅电极18(金属:Metal)/上部绝缘层17(绝缘体:Insulator)/

铁电层16(铁电体:Ferroelectric)/浮置栅极15(金属:Metal)/下部绝缘层14(绝缘

体:Insulator)/半导体衬底11(基板:Substrate)。按照已往的FeFET型存储器领域的起

名方法,我们称本实施例的存储单元结构为MIFMIS结构。

一般来说,为将数据写入存储器最好给铁电层16施加较大的电压。对此相比,在本发

明的MIFMIS结构中,能使分别印加在下部绝缘层14及上部绝缘层17的电压比印

加在已往的FeFET型存储器的单元结构(即栅电极和铁电层之间没有绝缘体的普通

MFMIS结构)中的绝缘层(例如图5所示的绝缘层104)的电压小一些。因此,能使下

部绝缘层14及上部绝缘层17的厚度分别比已往的MFMIS结构中的绝缘层的厚度

薄一些。因此,可设下部绝缘层14及上部绝缘层17的电容串接时的总电容(每电容

的倒数的和的倒数)与普通MFMIS结构中的绝缘层的容量相等,由此能使施加给铁

电层16的电压与施加普通MFMIS结构中的铁电层的电压相等。

补充一下,在本实施例中,最好使用氧化硅作下部绝缘层14的材料,使用包含锶和钽

的氧化物作上部绝缘层17的材料。其理由如下:一般来说,锶和钽的氧化物的相对介

电常数在100以上,很高且很接近铁电层16的相对介电常数。另一方面,氧化硅的相

对介电常数在5左右,很小。因此,在将数据写入存储器时给栅电极18施加电压的时

候,铁电层16和上部绝缘层17之间的界面电位接近栅极电位,结果,实际上能给铁电

层16施加高电压。另外,因使用氧化硅作下部绝缘层14的材料,故至形成下部绝缘

层14及浮置栅极15为止,需要的不是形成铁电体的工艺,而是和形成普通闪烁存储

器相同的工艺(如一般的硅制造工艺),故能形成绝缘特性优良的下部绝缘层14及浮

置栅极15,且质量很好。再说,铁电层16及上部绝缘层17形成在上述那样形成的高

质量浮置栅极15上,故能实现形成结晶性及电气绝缘特性很优秀的铁电层16及上

部绝缘层17。

另外,在本实施例中,还最好使用铋层状化合物作铁电层16的材料,且使用包括锶和

钽的氧化物作上部绝缘层17的材料。其理由如下:即使铁电层16中所包含的铋在

铁电层16和上部绝缘层17的界面上扩散,形成在该界面的物质也会成为具有铁电

性的钽酸锶铋(SBT),故不恶化铁电体特性。特别是,在使用SBT或自它的派生化合

物作铁电层16时,即使铁电层16和上部绝缘层17的结构元素在彼此间互相扩散,也

因上部绝缘层17的构成元素(锶或钽)包括在铁电层16的构成元素内,故能够抑制由

于互相扩散而导致的铁电层16的铁电特性或上部绝缘层17的绝缘性的恶化。

在本实施例中,还最好使用锆钛酸铅作铁电层16的材料,使用包括锆钛酸铅的氧化物

作上部绝缘层17的材料。其理由如下:即使铁电层16中所包含的铅扩散在铁电层

16和上部绝缘层17之间的界面上扩散,形成在该界面上的物质也会成为锆钛酸铅的

派生化合物,因此可抑制由于铁电层16和上部绝缘层17的构成元素在彼此间扩散

而导致的铁电特性的恶化。

在本实施例中,既可以由一种物质构成上部绝缘层17,亦可以由两种以上绝缘性不同

的物质组合起来构成上部绝缘层17。例如,既可以使用包括锶和钽的氧化物形成单

层结构作上部绝缘层17;也可以使用由该氧化物层和其他绝缘性物质层形成的叠层

结构;还可以使用包括锆钛酸铅形成单层结构作上部绝缘层17;又可以使用由该氧化

物层和其他绝缘性物质层形成的叠层结构。

(第1实施例的第1变形例)

以下,参照附图对本发明第1实施例的第1变形例所涉及的半导体存储器进行说明。

图2为剖面图,示出了第1实施例的第1变形例所涉及的半导体存储器的单元结构,

具体而言,为FeFET型存储器件的单元结构。补充一下,在图2中,对和图1所示的第

1实施例中的部件相同的部件,使用相同的表示符号,省略其说明。

在第1实施例中,以具有浮置栅极15的FeFET型存储器为对象(参看图1),而在第1

实施例的第1变形例中,以没有浮置栅极15的FeFET型存储器为对象。具体来说,

如图2所示,第1实施例的第1变形例没有浮置栅极15,这是它唯一不同于第1实施

例的地方。

在第1实施例的第1变形例,也和第1实施例一样,给铁电层16施加的电压,以下部

绝缘层14、铁电层16以及上部绝缘层17的每个容量串接的结构来决定。具体来

说,施加在栅电极18和半导体衬底11之间的电压按下部绝缘层14、铁电层16、上

部绝缘层17的容量的倒数给它们分配。因此,在存储保持之期间内,下部绝缘层14

和铁电层16的界面一般不为0电位,另一方面,切断存储器电源后栅电极18为0电

位,所以铁电层16的下面和上部绝缘层17的上面之间发生电位差。

然而,依据本实施例,在铁电层16和栅电极18之间,有比铁电层16对漏电流的绝缘

性高的上部绝缘层17,所以能抑制从铁电层16到栅电极18的漏电流,故能实现具有

很优良保持特性的FeFET型存储器。

再说,依据本发明,铁电层16和半导体衬底11之间,有比铁电层16对漏电流的绝缘

性还高的下部绝缘层14,所以能减小从铁电层16流向半导体衬底11的漏电流,因此,

就更能改善FeFET型存储器的保持特性。

(第1实施例的第2变形例)

以下,参照附图对本发明第1实施例的第2变形例所涉及的半导体存储器进行说明。

图3为剖面图,示出了第1实施例的第2变形例所涉及的半导体存储器的单元结构,

具体而言,为FeFET型存储器件的单元结构。补充一下,在图3中,对和图1所示的第

1实施例的部件相同的部件,使用相同的表示符号,省略其说明。

在第1实施例中,以具有一个浮置栅极15的FeFET型存储器为对象(参看图1),而在

第1实施例的第2变形例中,以具有两个浮置栅极15的FeFET型存储器为对象。具

体来说,如图3所示,第1实施例的第2变形例除了设有浮置栅极15以外,又在铁电

层16和上部绝缘层17之间设有上部浮置栅极19,这是它唯一不同于第1实施例的

地方。

依据本变形例,除了能得到第1实施例的效果,还能得到以下效果。由于在铁电层16

和上部绝缘层17之间设上了上部浮置栅极19,故能防止铁电层16和上部绝缘层17

之间所产生的构成元素扩散且能抑制铁电层特性的恶化,也能给铁电层16施加均匀

电场。

(第2实施例)

以下,参照附图对本发明第2实施例所涉及的半导体存储器进行说明。

图4为剖面图,示出了第2实施例所涉及的半导体存储器的单元结构,具体而言,为

FeFET型存储器件的单元结构。

如图4所示,在形成有源极区域22及漏极区域23的半导体衬底21上,依次重叠有下

部浮置栅极24、铁电层25及上部浮置栅极26,同时,该重叠结构部被绝缘层27覆盖。

也就是说,该重叠结构部的上边,下边以及两侧都被绝缘层27覆盖。而且,该重叠结

构部的上边,即上部浮置栅极26的上边,隔着绝缘层27形成有栅电极28。在此,绝缘

层27比铁电层25对漏电流的绝缘性高。

依据本实施例,铁电层25被半导体衬底21一侧的下部浮置栅极24和栅电极28一

侧的上部浮置栅极26夹起来,同时以下部浮置栅极24、铁电层25及上部浮置栅极

26构成的重叠结构部,被比铁电层25对漏电流的绝缘性高的绝缘层27覆盖。因此,

能抑制从上部浮置栅极26流向栅电极28的漏电流,同时也能减小通过铁电层25从

下部浮置栅极24流向栅电极28的漏电流。而且,能抑制从下部浮置栅极24流向半

导体衬底21的漏电流,同时也能减小通过铁电层25从上部浮置栅极26流向半导体

衬底21的漏电流。再说,还能抑制从铁电层25的两个侧面漏出来的漏电流。换句

话说,大大地能抑制从铁电层25流向所有部位的漏电流,故能大幅度地改善FeFET

型存储器的保持特性。

补充一下,在本实施例中设置了上部浮置栅极26及下部浮置栅极24这两个浮置栅

极,还可以仅设置一个浮置栅极,或者可以不设置浮置栅极来代替上述做法。

在本实施例中,最好使用包括锶和钛的氧化物作绝缘层27的材料。这样做,包括锶和

钛的氧化物具有高介电常数,也具有高绝缘性,故在同一个器件结构下,施加一样大的

电压时,这样情况和使用的其他的绝缘性很高的绝缘体(如氧化硅等)作绝缘层27相

比,能使施加给铁电层的电压。

在本实施例中,最好使用铋层状化合物作铁电层25的材料,使用含有锶及钽的氧化物

作绝缘层27的材料。这样做,在不设置上部浮置栅极26或下部浮置栅极24的时候,

即使铁电层25中包含的铋在铁电层25和绝缘层27的界面上扩散,形成在该界面的

物质成为典型的铁电铋层状化合物的SBT,故铁电特性不恶化。特别是,若以SBT或

由它派生化合物作铁电层25用,就能够抑制由于构成元素在铁电层25和绝缘层27

之间所导致的铁电层特性的恶化。

在本实施例中,最好使用锆钛酸铅作铁电层25的材料,同时使用包括含有锆钛酸铅的

氧化物层作绝缘层27的材料。这样做,在不设置上部浮置栅极26或下部浮置栅极

24的时候,即使铁电层25所包含的铅在铁电层25和绝缘层27的界面上扩散,形成

在该界面上的物质成为锆钛酸铅的派生化合物,因此能够抑制由于构成元素在铁电

层25和绝缘层27之间扩散所导致的铁电层特性的恶化。

另外,在本实施例中,可以由单一物质构成绝缘层27,也可以由两种以上绝缘性不同的

物质组合起来构成绝缘层27。例如,既可以使用包括锶和钽的氧化物形成单层结构

作上部绝缘层17;也可以使用由该氧化物层和其他绝缘性物质层形成的叠层结构;还

可以使用包括锆钛酸铅形成单层结构作上部绝缘层17;又可以使用由该氧化物层和

其他绝缘性物质层形成的叠层结构。

依据本实施例,由于至少在铁电层和其上面的栅电极之间形成有对漏电流的绝缘型

比铁电层绝缘性高的绝缘层,大大地能够减小通过铁电层从铁电层流向栅电极的漏

电流,故大幅度地能改善FeFET型存储器的保持特性。