CN101101789A - 铁电门器件 - Google Patents

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CN101101789A CNA2007101391322A CN200710139132A CN101101789A CN 101101789 A CN101101789 A CN 101101789A CN A2007101391322 A CNA2007101391322 A CN A2007101391322A CN 200710139132 A CN200710139132 A CN 200710139132A CN 101101789 A CN101101789 A CN 101101789A
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丰田健治
大塚隆
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Abstract

铁电元件，具有：铁电电容器、与所述铁电电容器串联连接的开关元件、输入端子和接地端子，开关元件由N型场效应型晶体管、和P型场效应晶体管构成，N型和P型场效应晶体管的源极均与输入端子连接，N型和P型场效应晶体管的漏极均与铁电电容器的一端连接，N型和P型场效应晶体管的栅极、以及铁电电容器的另一端与接地端子连接，在输入端子上施加电压时，如果在铁电电容器上施加铁电电容器具有的铁电体的矫顽电压以上的电压时，则开关元件作为电阻工作，在输入端子上施加电压时，如果在铁电电容器上施加比矫顽电压小的电压时，开关元件作为电容器工作。

Description

铁电门器件
(本申请是2003年7月15日提出的申请号为038163160的同名申请的分案申请)
技术领域
本发明涉及使用铁电体(ferroelectric)的元件及门器件，尤其是涉及提高保持介质极化特性以及矩形比的铁电元件以及使用它的铁电门器件。
技术背景
伴随着近年的电子设备的发展，数据大容量化不断进步。为了在电源断开后也保存数据，非易失性存储器令人注目。作为非易失性存储器，可列举出闪存存储器或铁电存储器(Fe RAM)等。可是，为了处理高速、大容量的数据，更加高速非易失存储器成为必要。近年MFMIS(Metal Ferroelectric Metal Insulator Semiconductor，金属铁电体金属绝缘体半导体)型铁电门器件令人注目。可是，在MFMIS型铁电门器件中，在铁电电容器(铁电薄膜)和门氧化膜上施加的电压分配比成为问题。使用图10对该问题加以说明。
图10(a)是示出对顺电介质(paraelectric)电容器101及铁电电容器102串联的电路的电路图。图10(a)示出的顺电介质电容器101及铁电电容器102分别表示铁电门器件中的门氧化膜以及铁电薄膜。铁电电容器102一方的端子接地。现在，在顺电介质电容器101的端子IN上施加电压Vpp。这时，令铁电电容器102两端的电压为Vf，顺电介质电容器101两端电压为Vc，顺电介质电容器101及铁电电容器102各自感应的电荷为Q。铁电电容器102的电荷Q和电压Vf示出如图10(b)所示那样的磁滞特性。此外，顺电介质电容器101的电荷Q和电压Vc之间的关系如式1所示地表达。
Q＝CcVc
＝Cc(Vpp-Vf)(式1)
作为式1表示的直线和上述磁滞曲线之间交点的点A(参照图10(b))是这时的工作点。
如果施加顺电介质电容器101的电压Vpp的端子IN返回0V，则顺电介质电容器101的电荷Q和电压Vc之间的关系如式(2)所示地表达。
Q＝CcVc
＝-CcVf    (式2)
作为式2表示的直线和上述磁滞曲线之间交点的点B(参照图10(b))是这时的工作点。由于保持铁电电容器102的铁电体极化，所以在连接顺电介质电容器101和铁电电容器102的节点上保持-Vh电位。
为了增大该保持电压(-Vh)，希望增大铁电电容器102上施加的电压，然而一旦在端子IN上施加电压，则因为顺电介质电容器101上也施加电压，所以不能充分感应铁电体的极化。此外，一旦在端子IN上施加的电压过大，则顺电介质电容器101的电场强度达到耐压以上。此外，如果增大铁电体的矩形比M(＝Pr(残余极化/Ps(自发极化))(参照图10(b))，则增大保持电压是可能的，然而，为此必须提高铁电薄膜的结晶性。可是形成具有与容积(bulk)同程度的矩形比M的铁电薄膜结晶是困难的。
如以上所示，在顺电介质电容器101及铁电电容器102的串联电路，想提高保持在两电容器101、102连接节点上的电压，只在铁电电容器102上施加足够高的电压是困难的，而且存在所谓铁电薄膜的矩形比不太大的问题。
发明内容
为了解决上述的课题，本发明的目的是提供根据施加的电压作为电阻或电容器工作的开关元件与铁电电容器串联的铁电元件以及使用它的铁电门器件。
达到上述目的的第1的本发明的铁电元件具有铁电电容器和与该铁电电容器串联的开关元件，该开关元件由齐纳二极管构成，在前述铁电元件两端子上施加电压时，一旦在前述铁电电容器上施加前述铁电电容器具有的铁电体的矫顽电压以上的电压，则前述开关元件作为电阻工作，在前述铁电元件两端子上施加电压时，一旦在前述铁电电容器上施加比前述铁电电容器具有的铁电体的矫顽电压还小的电压，则前述开关元件作为电容器工作。
达到上述目的的第2的本发明的铁电元件具有铁电电容器和由N型场效应型晶体管及P型场效应型晶体管构成的、与前述铁电电容器串联的开关元件，该开关元件中，前述N型及P型场效应型晶体管的源极一起与输入端子连接，前述N型及P型的场效应型晶体管的漏极一起与铁电电容器一端连接，前述N型及P型场效应型晶体管的栅极与前述铁电电容器的另一端连接，在前述铁电元件两端施加电压时，一旦在前述铁电电容器上施加前述铁电电容器具有的铁电体的矫顽电压以上的电压时，则前述开关元件作为电阻工作，在前述铁电元件两端上施加电压时，一旦在前述铁电电容器上施加比前述矫顽电压小的电压时，则前述开关元件作为电容器工作。
达到上述目的的第3的本发明的铁电元件具有铁电电容器、与铁电电容器串联的开关元件、和与前述铁电电容器或前述开关元件串联的顺电介质电容器；前述开关元件由齐纳二极管构成，在前述铁电元件的两端子上施加电压时，一旦在前述铁电电容器上施加前述铁电电容器具有的铁电体的矫顽电压以上的电压，则前述开关元件作为电阻工作，在前述铁电元件的两端子上施加电压时，一旦在前述铁电电容器上施加比前述矫顽电压还小的电压时，前述开关元件作为电容器工作。
达到上述目的的本发明的铁电门器件具有铁电电容器、开关元件、和具有源极、漏极以及栅极的场效应晶体管；在前述铁电电容器一端上设置输入端子，前述铁电电容器的另一端和前述开关元件的一端连接，前述开关元件的另一端和前述场效应晶体管的栅极连接，前述开关元件由齐纳二极管构成。
附图说明
图1是示出本发明的铁电元件的第1实施方式的电路图。
图2是用于说明图1所示的铁电元件的动作的图。
图3是示出图1所示的铁电元件的电介质极化和施加电压之间关系的模拟结果的图。
图4是示出本发明的铁电元件的第2实施方式的电路图。
图5是示出图4所示的铁电元件的电介质极化和施加电压之间关系的模拟结果的图。
图6是示出本发明的铁电元件的第3实施方式的电路图。
图7是示出在图6所示的铁电元件施加电压和输出电压之间关系的模拟结果的图。
图8是示出本发明的铁电门器件的一实施方式的电路图。
图9是示出图8所示的铁电门器件的漏极电流和施加电压之间关系的模拟结果的图。
图10是说明传统技术的图，(a)是串联连接铁电电容器以及顺电介质电容器的电路图，(b)是说明(a)所示的电路图的动作的图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的铁电元件以及使用它的铁电门器件的实施方式加以说明。在本说明书中，所谓“门器件”意味着以场效应晶体管为代表的开关元件，具体讲，意味着若在栅极上施加ON电压，则在源漏极之间流过电流，在栅极上施加OFF电压，则在源漏极之间实质上没有电流流过的元件。
(本发明的铁电元件的第1实施方式)
图1是示出本发明的铁电元件的第1实施方式的电路图。如图1所示，本实施方式的铁电元件由串联铁电电容器1以及开关元件2构成。在这里，开关元件2对顺方向压示出通常二极管的电压一电流特性，对逆方向电流，是端子间电压成为一定(齐纳电压)的齐纳二极管，阴极2c与铁电电容器1连接，阳极2a与端子SS连接。齐纳二极管(开关元件2)在施加电压在预定电压以上时，作为电阻工作，在施加电压比预定电压小时，作为电容器工作，可以作为持有与开关类似特性的元件处理。使开关元件2的端子SS接地，在铁电电容器1的端子IN上施加电压Vin。在以下的说明中，令铁电电容器1两端电压为Vf，开关元件2的两端的电压为Vr。铁电电容器1的铁电体可以使用例如钽酸锶铋(Y1：SrBi2 Ta2O9)。
使用图2的(a)、(b)，具体说明开关元件2的动作。根据输入端子IN上施加的电压Vin，在铁电电容器1两端电压Vf比铁电电容器1的铁电体的矫顽电压Vc还小时，则开关元件2是作为电容器工作，在电压Vf在矫顽电压Vc以上时，是作为电阻工作的元件。即：开关元件2是按照这样的特性下设计的。因此，图1所示的铁电元件的电路图在Vf＜Vc时可以等效地表示为如图2(a)所示的电路图，在Vf≥Vc时，等效地表示为如图2(b)所示的电路图。
在输入端子IN上所施加的电压Vin比矫顽电压Vc充分大时，在铁电电容器1上成为施加矫顽电压Vc以上的电压，如上述所示，开关元件2作为电阻工作。因此，铁电电容器1的两端电压Vf与施加电压Vin相等。即：在强介电体电容器1上施加矫顽电压Vc以上的电压Vf(＝Vin＞Vc)，充分感应铁电电容器1的铁电体极化。此外，在输入端子IN上施加的电压Vin比矫顽电压Vc还小时，为了在铁电电容器1上只施加比矫顽电压Vc小的电压，如上述所示，开关元件2作为电容器工作。即：在输入端子IN上施加高电压，感应铁电电容器1的铁电体极化之后，一旦减小电压Vin，则开关元件2作为电容器工作，因为保持铁电电容器1的铁电体极化，所以矩形比增大。
为了确认这些特性提高而进行了模拟。图3示出在开关元件2作为电阻工作时的电阻值取100Ω，开关元件2作为电容器工作时的电容量取10pF，铁电电容器1的铁电体的矫顽电压Vc取1.5V，输入端子IN上施加上-10V以上，10V以下范围内的电压的条件下，对在铁电电容器1的铁电内感应的极化Pr进行模拟的结果。
图3只涉及具有开关元件2的本实施方式的铁电元件，和不具有开关元件的铁电电容器1，示出在输入端子IN上施加的电压Vin和感应的极化Pr之间的关系。如从图3可知，在本实施方式的铁电元件中，从0V逐渐增大施加电压Vin到约6V，引起极化倒转。如果取铁电电容器1的矫顽电压Vc为1.5V来考虑模拟，则可以看到本实施方式的铁电元件的极化的保持特性提高了。此外，关于矩形比，只在不具有开关元件2的铁电电容器1的情况下，为0.77，然而与此作比较，在本实施方式的铁电元件中，大幅度增加到0.92。
如以上所示，通过开关元件2与铁电电容器1的串联，在低输入电压下可使铁电电容器1的铁电体极化感应。提高了铁电电容器1的铁电体的极化的保持特性。此外，使铁电元件的矩形比大幅度增加。
开关元件2是电流值在预定的电压值(阈值)附近急剧变化的元件，而且，如上述所示，可以设计阈值，以便根据串联的铁电电容器上施加的电压Vf和矫顽电压Vc的大小关系来作为电阻或电容器工作。
作为铁电电容器1的铁电体，在上述中列举了Y1，然而，如果是在极化中具有磁滞特性的材料，无论使用怎样的物质，例如钛酸铋、钛酸铅等，进而利用电荷的偏移来保持数据的偏氟乙烯三氟乙烯共聚物P(VDF/TrFE)等高分子化合物来构成铁电体，也可以得到与上述同样的效果。
使开关元件2的端子SS接地，对铁电电容器1的端子IN施加电压Vin的情况加以了说明，然而，也可以使端子IN接地而在端子SS上施加电压Vin。即使在该情况也可以得到与上述同样的效果。
(本发明的铁电元件的第2实施方式)
图4是示出本发明的铁电元件的第2实施方式的电路图。本实施方式的铁电元件通过连接铁电电容器1、和作为N型场效应型晶体管的N型MOS晶体管3以及作为P型场效应晶体管的P型MOS晶体管4构成的开关元件构成。强电质体电容器1的一端与N型MOS晶体管3以及P型MOS晶体管4的漏极与连接节点CP相连接，铁电电容器1的另一端、N型MOS晶体管3的栅极、以及P型晶体管4的栅极与端子SS连接，N型MOS晶体管3以及P型MOS晶体管4的源极与输入端子IN连接。此外，端子SS接地，N型及P型MOS晶体管3、4的阈值电压大小设定在与铁电电容器1的铁电体的矫顽电压Vc相等的值。N型MOS晶体管3具有的基板设定在-Vpp，P型MOS晶体管4具有的基板设定在Vpp。在这里，所谓Vpp意味着可以输入到输入端子IN上的电压最大值。这样，设定基板在Vpp或-Vpp的理由是为了防止pn的正方向电流。能输入到输入端子IN的电压最大值是为了使极化充分饱和所必要的电压，在第5图中作为-5V及5V电压例示。即：能输入到输入端子IN的电压最大值是与第5图所示的一对磁滞曲线汇合的部分对应的电压。
在以下的说明中，与第1实施方式同样，令在输入端子IN上施加的电压为Vin，铁电电容器1两端的电压为Vf。对铁电电容器1的铁电体可以使用例如钽酸锶铋(Y1：SrBi2Ta2O9)。
在这里，N型MOS晶体管3以及P型MOS晶体管4可这样设计，以便一旦在铁电电容器1两端施加的电压Vf成为Vc以上值时，N型MOS晶体管3导通，一旦电压Vf成为-Vc以下的值，则P型MOS晶体管4导通，如果电压Vf成为比-Vc大，比Vc小的值，则任一MOS晶体管3、4也都导通。即：通过N型MOS晶体管3及P型MOS晶体管4构成的开关元件，如果Vf≥Vc或Vf≤-Vc，则作为电阻工作，如果-Vc＜Vf＜Vc，则作为电容器工作。因此，可以得到与第1实施方式的铁电元件同样的效果。
为了确认该效果，进行了模拟。图5是在铁电电容器1的铁电体的矫顽电压Vc为1.5V，输入端子IN上施加-5V以上、5V以下范围电压的条件下，示出通过模拟分析在铁电电容器1感应的极化的结果。图5只涉及到具有由N型及P型MOS晶体管3，4构成的开关元件的本实施方式的铁电元件、和不具有开关元件的铁电电容器1，示出在输入端子IN上施加的电压Vin和铁电感应的极化Pr之间关系。如从图5可知，在本实施方式的铁电元件中，如果使施加电压Vin从0V起逐渐加大，则在约3V引起极化倒转。如果考虑取铁电电容器1的矫顽电压Vc为1.5V来进行模拟，则可以看到本实施方式的铁电元件的极化的保持特性提高。据此，矩形比与不具有开关元件的铁电电容器的0.77比较，在本实施方式的铁电元件中大幅增加到0.95。
如以上所示，通过由N型及P型MOS晶体管3、4构成的开关元件与铁电电容器1串联，可以实现与第1实施方式的铁电元件同样的效果，可以大幅度提高电介质极化的保持特性和矩形比。
在上述中，作为铁电电容器1的铁电体列举了Y1，然而如果是在极化中具有磁滞特性的材料，则使用无论怎样的物质，例如钛酸铋，钛酸铅等，进而利用电荷的偏移来保持数据的偏氟乙烯三氟乙烯共聚物共聚体(P(VDF/FrFE)等的高分子化合物来构成铁电元件也可以得到与上述同样的效果。
(本发明的铁电元件的第3实施方式)
图6是示出本发明的铁电元件的第3实施方式的电路图。如图6所示，本实施方式的铁电元件由串联图1所示的第1实施方式的铁电元件和顺电介质电容器5构成。以铁电电容器1的端子IN作为施加预定电压Vin的输入端子，使顺电介质电容器5侧的端子SS接地，在开关元件2和顺电介质电容器5之间的连接节点上设置输出端子OUT。顺电介质电容器5的电容量例如为10pF，铁电电容器1的铁电体例如是钽酸锶铋(Y1：SrBi2Ta2O9)。
在输入端子IN上施加的电压Vin比铁电电容器1的铁电体的矫顽电压Vc充分大时，在铁电电容器1上施加矫顽电压Vc以上的电压，如第1实施方式所说明的那样，开关元件2作为电阻工作。因此，在输入端子IN和输出端子OUT之间的电压只施加在铁电电容器1上，充分感应铁电电容器1的铁电体极化。此外，在输入端子IN上所施加的电压Vin比矫顽电压Vc小时，为了在铁电电容器1上只施加比Vc小的电压，开关元件2作为电容器工作。即：在输入端子IN上施加高电压，感应铁电电容器1的铁电体极化之后，一旦减小电压Vin，则开关元件2作为电容器工作，因为保持了铁电电容器1的铁电体极化，所以增大了矩形比。据此，在输出端子OUT上保持的电压也增大。
为了确认这些特性的提高而进行了模拟。图7是在开关元件2作为电阻工作时的电阻值取作100Ω，开关元件2作为电容器工作时的电容量取作10pF，顺电介质电容器5的电容量取10pF，铁电电容器1的铁电体的矫顽电压Vc取1.5V，在输入端子IN上施加-10V以上、10V以下范围电压的条件下，示出对输出端子OUT的电压Vout进行模拟的结果。
图7涉及到具有开关元件2的本实施方式的铁电元件，和不具有开关元件2的铁电电容器1以及顺电介质电容器5的串联电路，示出输入端子IN上所施加的电压Vin和输出端子OUT电压Vout之间的关系。如从图7可知，在对输入端子IN施加的电压Vin为0V时的铁电元件的保持电压，即在输出端子OUT上的保持电压Vout，在不具有开关元件2的铁电电容器1及顺电介质电容器5的串联电路上约为1.1V，然而，在本实施方式的铁电元件上大幅增加到约为2.6V。正如有关第1实施方式的铁电元件所说明的那样，这是由于通过开关元件2与铁电电容器1串联增大了矩形比的缘故。
如以上所示，顺电介质电容器5进一步与第1实施方式的铁电元件的开关元件2串联，通过作为全体作成另外的铁电元件，可使在开关元件2和顺电介质电容器5之间的连接端子OUT上的保持电压Vout增大。
在上述中，对连接开关元件2和顺电介质电容器5的情况加以说明，然而，也可以调换铁电电容器1和开关元件2的位置，连接铁电电容器1和顺电介质电容器5，以该连接节点作为输出端子OUT。也可以原封不动保持铁电电容器1以及开关元件2的位置关系，调换铁电电容器1以及开关元件2和顺电介质电容器5，连接铁电电容器1和顺电介质电容器5，以其连接节点作为输出端子OUT。此外，也可以调换铁电电容器1以及开关元件2的位置，调换铁电电容器1以及开关元件2和顺电介质电容器5，连接开关元件2和顺电介质电容器5，以其连接节点作为输出端子OUT。即使在这些情况下也可以得到与上述同样的效果。
(本发明的铁电门器件的一实施方式)
图8是示出本发明的铁电门器件的一实施方式的电路图。本实施方式的门器件设置图1所示的铁电元件和作为开关元件2的齐纳二极管的阳极2a与栅极连接的MOS晶体管6构成。在开关元件2和MOS晶体管6的栅极的连接节点上设置端子FG。在这里，在MOS晶体管6的漏极上施加上1.0V的电源电压Vdd，MOS晶体管6的源极以及基板接地。在MOS晶体管6上作为一例可以使用栅极长0.5μm，栅极宽5μm，阈值电压0.6V的N型MOS晶体管。在铁电电容器1的铁电体上使用例如钽酸锶铋(Y1：SrBi2Ta2O9)，可以使铁电体的面积作成例如MOS晶体管6栅极面积的约1/10。
为了分析MOS晶体管6的漏极电流Ids而进行了模拟，图9示出开关元件2作为电阻工作时的电阻值取100Ω，在作为电容工作时的电容量取10pF，铁电电容器1的铁电体的矫顽电压Vc取1.5V，在输入端子IN施加-10V以上、10V以下范围的条件下，模拟漏极电流Ids的结果。
图9涉及只把具有开关元件2的本实施方式的铁电门器件和传统的MFMIS构造的门器件，即不配备开关元件的铁电电容器1与栅极连接的门器件，示出在输入端子IN上施加的电压Vin和漏极电流Ids之间关系。从图9可知，传统的MFMIS构造的门器件的存储器窗口(Memory Window)W1约为3.1V，然而本实施方式的铁电门器件的储存窗口W2大幅增加到约10.7V。这是由于与有关本发明的铁电元件的第3实施方式说明同样地增大了端子FG的保持电压，由此可使MOS晶体管6的阈值比传统的MFMIS构造大幅度变化的缘故。
本实施方式的铁电门器件的储存窗口W2优选为传统的MFMIS构造的门器件的储存窗口W1的2倍以上、5倍以下。不足2倍，则不能充分得到本发明的效果，超过5倍则设计上的困难多多。
如以上所示，本实施方式的铁电门器件与传统的MFMIS构造的门器件相比，可增大储存窗。
在上述中，对连接开关元件2和MOS晶体管6的栅极的情况加以说明，然而，也可以调换铁电电容器1和开关元件2的位置，连接铁电电容器1和MOS晶体管6的栅极，以其连接节点作为端子FG。即使在这种情况下，也可以得到与上述同样的效果。
工业上利用的可能性
根据本发明，可以通过比传统方式低的输入电压感应铁电体的极化，可提供提高了铁电体极化的保持特性以及矩形比的铁电元件。此外，通过对门器件使用该铁电元件，可以通过比传统的MFMIS型的铁电门器件更低的输入电压感应铁电体的极化，从而可提供提高了电介质极化的保持特性、矩形比以及储存窗口的铁电门器件。

Claims (3)

1、一种铁电元件，具有：铁电电容器、与所述铁电电容器串联连接的开关元件、输入端子和接地端子，其特征在于，
所述开关元件由N型场效应型晶体管、和P型场效应晶体管构成，
所述N型和P型场效应晶体管的源极均与所述输入端子连接，
所述N型和P型场效应晶体管的漏极均与铁电电容器的一端连接，
所述N型和P型场效应晶体管的栅极、以及所述铁电电容器的另一端与所述接地端子连接，
在所述输入端子上施加电压时，如果在所述铁电电容器上施加所述铁电电容器具有的铁电体的矫顽电压以上的电压时，则所述开关元件作为电阻工作，
在所述输入端子上施加电压时，如果在所述铁电电容器上施加比所述矫顽电压小的电压时，所述开关元件作为电容器工作。
2、根据权利要求1所述的铁电元件，其特征为，
在具有N型场效应晶体管的基板上施加负的电压，
在具有P型场效应晶体管的基板上施加正的电压。
3、根据权利要求1所述的铁电元件，其特征为，
在具有N型场效应晶体管的基板上施加-Vpp的电压，
在具有P型场效应晶体管的基板上施加+Vpp的电压，
在此，Vpp是可输入到所述输入端子的电压的最大值。
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