[发明专利]半导体存储器件、其驱动方法及其制造方法

说明书

本发明涉及一种具有利用强电介质薄膜的滞回特性来改变场效应型晶体管沟道区域电位的构造的半导体存储器件。

以往，众所周知的半导体存储器件具有在栅极中包含由强电介质薄膜构成的不挥发性存储部的场效应型晶体管，例如被称为MFISFET、MFSFET、MFMISFET等的场效应型晶体管(以下，在本说明书中称为强电介质FET)。

图8是以往的MFISFET型强电介质FET的剖视图。如同图所示，以往的强电介质FET包括：设在硅基片101上的硅氧化膜102；由设在硅氧化膜102上的锆钛酸铅(PZT)或钽酸铋锶(SBT)等金属氧化物构成的强电介质薄膜103；由pt等导体材料构成的栅极104；分别设置在位于硅基片101内的栅极104两侧的源极区域105以及漏极区域106。而且，在硅基片101中，置位于硅氧化膜102下方的区域成为沟道区域。

在图8所示构造中，强电介质薄膜103具有：按照外加在栅极-硅基片之间的电压的极性来产生向上(产生上方为正极的偶极子力矩的状态)或向下(产生下方为正极的偶极子力矩的状态)的极化，并当外加电压停止后极化仍然残存这一滞回特性。并且，在不给栅极104施加电压时，对应这两种不同的残留极化状态，强电介质FET的沟道区域107是在位势差深度不同的两种状态上。另一方面，强电介质FET的源极-漏极之间的阻抗值按照沟道区域107的位势深度来变化。因此，按照强电介质薄膜103的2种残留极化状态，源极-漏极之间的阻抗值定在较高值和较低值的某一值上，只要强电介质薄膜103的残留极化状态还存在，就保存(储存)表示该源极-漏极之间阻抗不同的2种值中任一种值的状态。因此，使用强电介质FET能够构成不挥发性存储器。

在此，在使用了以往的强电介质FET的不挥发性存储器中，如分别使强电介质薄膜103中产生向下的残留极化的状态对应数据“1”，使强电介质薄膜103中产生向上的残留极化的状态对应数据“0”。为了使强电介质薄膜103中产生向下的残留极化，例如把硅基片101的背面部作为接地电位，在栅极104上施加正电压后，使栅极104的电压返回接地电位。而且，为了使强电介质薄膜103中产生向上的残留极化，例如把硅基片101的背面部作为接地电位，在栅极104上施加负电压后，使栅极104的电压返回接地电位。

图9(a)、(b)、(c)分别为依次表示通过强电介质薄膜103中的残留极化向下、向上以及0时的栅极104、强电介质薄膜103、硅氧化膜102以及沟道区域107剖面的能带状态的能带图。在图9(a)～(c)，以硅基片101为P型基片，把源极区域105以及漏极区域106作为N型半导体区域。图9(a)、(b)中的箭头表示强电介质的极化方向。

为了获得图9(a)所示的状态，对硅基片101，在栅极104上施加正电压。在该栅极104和硅基片101之间的强电介质薄膜103以及硅氧化膜102上按照某种比例分配外加在栅极104和硅基片101之间的电压。此时，如把电压施加到栅极104上，从而使分配到强电介质薄膜103上的电压大于强电介质薄膜103的极化颠倒电压，则强电介质薄膜103的极化方向向下。而且，如除去外加电压使栅极104返回接地电压，则如图9(a)所示，产生向下的残留极化。当残留极化向下时(数据“1”的状态)，利用在强电介质薄膜103的下端部感应出的正极和在强电介质薄膜103的上端部感应出的负极之间产生的电场，如图9(a)所示，强电介质薄膜103、硅氧化膜102以及沟道区域107的能带发生弯曲。此时，与沟道区域107的硅氧化膜102的界面附近的区域负离子化，耗尽层扩展到极板深处，与沟道区域107的硅氧化膜102的界面附近区域的电位变得比接地电位还低。即形成所谓的反型层。

另一方面，为了获得图9(b)所示的状态，对硅基片101，在栅极104上施加负电压，使分配给强电介质薄膜103的电压大于强电介质的极化颠倒电压。此时，如停止外加电压并使栅极104返回接地电位，则如图9(b)所示，在强电介质薄膜103上产生向上的残留极化。当残留极化方向向上(数据“0”的状态)时，利用在强电介质薄膜103的下端部感应出的负极和在强电介质薄膜103的上端部感应出的正极之间产生的电场，强电介质薄膜103、硅氧化膜102以及沟道区域107的能带发生弯曲，但在与沟道区域107的硅氧化膜102的界面附近的区域上存有作为多数载流子的正的空穴，所以不形成耗尽层，沟道区域107的电位近似等于接地电位。