【手続補正書】
【提出日】平成17年2月10日(2005.2.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲートと、
前記ゲート上に配置された強誘電体層と、
前記強誘電体層上に配置され、ソースとドレインにそれぞれ絶縁層を介して挟まれ、前記ゲートと電気的に結合する島電極と
を備えた不揮発性メモリ。
【請求項２】
ゲートと、
前記ゲート上に配置された強誘電体層と、
前記強誘電体層上に配置された低誘電率層と、
前記低誘電率層上に配置され、ソースとドレインにそれぞれ絶縁層を介して挟まれ、前記ゲートと電気的に結合する島電極と
を備えた不揮発性メモリ。
【請求項３】
ゲートと、
前記ゲート上に配置された強誘電体層と、
前記強誘電体層上に配置された上部ゲートと、
前記強誘電体層上に配置された低誘電率層と、
前記低誘電率層上に配置され、ソースとドレインにそれぞれ絶縁層を介して挟まれ、前記ゲートと電気的に結合する島電極と
を備えた不揮発性メモリ。
【請求項４】
前記強誘電体層は、前記ゲート上に形成されたｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅフェーズ部分と、前記ゲート以外の位置の上に形成されたｐｙｒｏｃｈｌｏｒｅフェーズ部分を含むことを特徴とする請求項３に記載の不揮発性メモリ。
【請求項５】
基板上に形成された拡散バリア層をさらに備え、
前記ゲートは、前記拡散バリア層上に配置されたことを特徴とする請求項1乃至４のいずれかに記載の不揮発性メモリ。
【請求項６】
前記拡散バリア層は、実質的に20nm以上のTiOxの膜厚が指定されたことを特徴とする請求項５に記載の不揮発性メモリ。
【請求項７】
前記ゲートが、PtまたはRhOxで形成されたことを特徴とする請求項1乃至６のいずれかに記載の不揮発性メモリ。
【請求項８】
前記強誘電体層は、PbTiO３, PbZrxTi1-xO３, (Pb,Sr)TiO３, (Pb1-YSrY)(Ti1-x)ZrxO３, SrBi2Ta2O9, BaTiO３, Bi3Ti4O12, LiNbO３, SrBi2TaxNb1-xO９ のいずれかで形成されたことを特徴とする請求項1乃至７のいずれかに記載の不揮発性メモリ。
【請求項９】
前記低誘電率層は、SiO2またはSi3N4で形成されたことを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の不揮発性メモリ。
【請求項１０】
前記強誘電体層が、PbZrxTi1-xまたは(Pb1-YSrY)(Ti1-xZrx)O3で形成され、その膜厚が実質的に100nm程度であり、かつ、
前記低誘電率層が、SiO2またはSi3N4で形成され、その膜厚が実質的に10nm以下であることを特徴とする請求項８又は９に記載の不揮発性メモリ。
【請求項１１】
前記強誘電体層が、SrBi2Ta2O9で形成され、その膜厚が実質的に200nm程度であり、かつ、
前記低誘電率層が、SiO2またはSi3N4で形成され、その膜厚が実質的に20nm以下であることを特徴とする請求項８又は９に記載の不揮発性メモリ。
【請求項１２】
前記島電極、ソース及びドレインが、AlまたはTiで形成されたことを特徴とする請求項1乃至１１のいずれかに記載の不揮発性メモリ。
【請求項１３】
前記強誘電体層は、前記島電極、ソース、ドレイン領域と接し、かつ、前記ゲートと前記ゲート周囲の拡散バリア層にわたって接していることを特徴とする請求項1乃至１２のいずれかに記載の不揮発性メモリ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
書き込み動作としては、まず、ソース１・ドレイン２間電圧が０に設置され、、次にゲート電極７に電圧を印加し、所定電圧以上になるとＦ／Ｎ型電子放出がなされる。これにより、フローティング電極８１と島電極３との間にゲート電界が生じ、ソース１・ドレイン２間電流を制御する。次に、読み取り動作としては、まず、ソース１・ドレイン２間にバイアス電位を印加すると電子が絶縁層４、５をトンネルし、島電極３内に蓄積する。このときの、ソース１・ドレイン２間電流を測置することで、単電子が、島における量子エネルギーレベルを通ってトンネルするため、記憶情報を高感度に読み取り可能である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の第３の解決手段によると、
ゲートと、
前記ゲート上に配置された強誘電体層と、前記強誘電体層上に配置された上部ゲートと、
前記強誘電体層上に配置された低誘電率層と、前記低誘電率層上に配置され、ソースとドレインにそれぞれ絶縁層を介して挟まれ、前記ゲートと電気的に結合する島電極とを備えた不揮発性メモリを提供する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
島電極３、ソース１及びドレイン２は、例えば、AlまたはTiで形成することができる。ソース１及びドレイン２は、例えば、数10nm程度の幅及び厚さを有する金属で形成される。また、島電極３は、例えば、数10nm以下のサイズで形成される。絶縁層４、５は、例えば、酸化Alまたは酸化Tiで形成することができる。Alの島電極３、ソース１、ドレイン２を含む単電子トランジスタは、同一平面上に形成される。強誘電体層６は、例えば、PbTiO３, PbZrxTi1-xO３, (Pb,Sr)TiO３, (Pb1-YSrY)(Ti1-x)ZrxO３, SrBi2Ta2O9, BaTiO３, Bi3Ti4O12, LiNbO３, SrBi2TaxNb1-xO９, のいずれかで形成することができる。強誘電体層６は、例えば、誘電率ε＞ 100である。強誘電体層６は、この例では、島電極３、ソース１、ドレイン２領域と接し、かつ、ゲート７とゲート７周囲の拡散バリア層１０にわたって接している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
一般的に強誘電体はミクロンサイズのグレインが発生しやすい。一方、平坦な金属膜上では単一結晶化しやすい。これらの性質から、図４のように、強誘電体の形成途中で基板上のステップカバレージがある場合、ゲート金属電極上だけ単結晶によるグレインが形成され、ゲート金属電極以外の拡散バリア層上にはｐｙｒｏｃｈｌｏｒｅフェーズの結晶性のため強誘電性を示さない層が形成されると考えられる。従って、ゲート金属電極上の強誘電体のグレイン部分だけが分極されるので、集積化した場合の隣接する素子の分離は、ゲート金属電極のサイズを素子単位として可能で、集積化が可能である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
第２の実施の形態との違いは、Pt等の上部ゲート金属電極１５及び下部ゲート金属電極１４を強誘電体層６の上部および下部に配置したことである。低誘電率層１２（例えばε〜 4のSiO2）の役割は、強誘電体膜の高い誘電率によるゲート容量の増加をスクリーンし、さらに島電極３から漏れる電気力線による容量成分を極力低減化し、単電子トランジスタの動作限界温度（kT=e2/2C）の低下を防ぐことである。また、強誘電体層６は、ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅフェーズ部分６１とｐｙｒｏｃｈｌｏｒｅフェーズ部分６２とを含む。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
第２の実施の形態２では、下部のゲート電極上の単結晶グレインを一個の単電子トランジスタ素子と対応させ、下部のゲート電極だけで、強誘電体の分極を起こして書き込み動作を行うが、実際は下部のゲート電極の形状だけでグレインサイズの形状制御を行うことは必ずしも容易とはいえず、グレインサイズやグレイン間の境界のばらつきが起こり、書き込み時の電界分布の不均一性などによる書き込みエラーが予想される場合がある。そこで第３の実施の形態では、任意の単電子トランジスタ素子の直下において、電荷を蓄積する領域の限定をより有効に行う為に、新たに、上部ゲート金属電極１５を追加し、上部及び下部ゲート金属電極１５及び１４にはさまれた強誘電体層６のｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅフェーズ部分６１だけを分極させ、書き込み操作を行う。この結果、強誘電体グレインサイズやその境界が多少変形しても、電界強度分布がより集中し、単電子トランジスタの直下に限定した分極をより正確に起こすことが可能であり、素子分離をさらに高め、集積化した場合の誤動作を抑制することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
単電子トランジスタ固有の特徴は、ソース１・ドレイン２間電流を半電子単位で読みとれることである。単電子トランジスタでは、静電容量Cが非常に小さく、静電容量Cの桁が電子電荷の桁に近くなる。ゲート電圧を固定した場合は、ソース１・ドレイン２間の電流・電圧特性は階段状になり、比例と一定を繰り返しながら、電流値が上昇する。このままでは、電子数個単位の読み出しを行っているかどうかは不明である。そこで、ゲート電圧を変化させる。このときは、ソース１・ドレイン２間電位を一定に保持する。