DE69833446T2 - Halbleiterspeicher und zugriffsverfahren dazu - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher, welcher ferroelektrische Kondensatoren verwendet, und genauer einen Halbleiterspeicher, welcher ferroelektrische Speicher-Feldeffekttransistoren aufweist, welche jeweils mindestens eine ferroelektrische Schicht zwischen einer Gate-Elektrode und einer Halbleiterschicht aufweisen, und ein Verfahren zum Erlangen eines Zugriffs auf den Halbleiterspeicher.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • JP 7-45794 betrifft einen ferroelektrischen Gate-Transistorspeicher und ein Verfahren zum Treiben eines ferroelektrischen Gates zu einem Transistorspeicher, welches ein zerstörungsfreies Verfahren zum Lesen von Speicherdaten beinhaltet. Dieser ferroelektrische Speicher beinhaltet eine Vielzahl von Speicherzellen, welche in einer Matrixform angeordnet sind und wobei jede der Speicherzellen einen ferroelektrischen Gate-Transistor beinhaltet.
  • US 5,666,305 offenbart ein Verfahren zum Treiben einer Speicherzelle eines ferroelektrischen Gate-Transistors und ein zerstörungsfreies Leseverfahren. Dieses Verfahren beinhaltet das Anlegen bestimmter Spannungen, welche in Bezug auf die Koerzitivspannung des eingesetzten Ferroelektrikums ausgewählt werden. Zudem lehrt US 5,666,305 die Verwendung bestimmter Polaritäten der Spannung zum Lesen aus einer einzelnen Speicherzelle.
  • Ein ferroelektrischer Speicher weist beispielsweise eine Feldeffekttransistorenstruktur auf, wie in 13 gezeigt, bei welcher eine ferroelektrische Schicht 54 und eine Gate-Elektrode 55 auf einem Teil eines Halbleitersubstrates 51 zwischen einem Drain-Bereich 52 und einem Source-Bereich 53 geliefert sind, welcher auf einem Halbleitersubstrat 51 gebildet ist. Es ist bekannt, dass: beim Anlegen einer hohen Spannung zwischen der Gate-Elektrode 55 und dem Halbleitersubstrat 51 eine Polarisationsladung erzeugt wird und „1" oder „0" abhängig von der Polarisationsrichtung geschrieben wird; die Daten „1" oder „0" durch das Anlegen einer niedrigen Spannung an die Gate-Elektrode gelesen werden können; und die Daten sogar beim Abstellen des Stroms nicht verschwinden. Daher ist bekannt, dass die Vorrichtung als nichtflüchtiger Speicher der Art des zerstörungsfreien Lesens verwendet werden kann. Jedoch ist die praktische Verwendung eines Speichers noch zu realisieren, bei welchem die oben beschriebenen Speicherzellen als Matrixschaltung angeordnet sind. D.h. ein Verfahren ist bekannt, bei welchem auf jede der als Matrix angeordneten Zellen durch vorgesehene Auswahlelemente, zwei für jede Zelle, eines zum Schreiben und das andere zum Lesen, zugegriffen werden kann. Wenn zwei Auswahlelemente jeweils für jede Zelle verwendet werden, entsteht jedoch ein Problem, dass die Zellenfläche zunimmt und das Integrationsgrad extrem abnimmt.
  • Andererseits wird ein Zugriffsverfahren beispielsweise für einen Speicher in Erwägung gezogen, welcher aus als Matrix angeordneten ferroelektrischen Kondensatoren besteht, bei welchen eine Spannung Vcc der Speisequelle gleichmäßig in drei geteilt ist und an jeder Leitung angelegt wird, um zu verhindern, dass eine Spannung an einer anderen Zelle als einer vorgesehenen, ausgewählten Zelle beispielsweise beim Schreiben angelegt wird und verhindert, dass die Daten aufgefrischt werden. Zum Anwenden des Verfahrens zum Anlegen einer gleichmäßig in drei geteilten Spannung an einem Speicher, in welchem die ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren als Matrix angeordnet sind, kann das folgende Zugriffsverfahren in Erwägung gezogen werden.
  • D.h., wenn die Zellen, welche eine Vielzahl von ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren in einem Matrix-Muster aufweisen, verdrahtet sind und „1" in eine ausgewählte Zelle P zu schreiben ist, wie in der vereinfachten Zeichnung 12(a) gezeigt, wird das Schreiben durch das Anlegen einer Vcc an eine Wortleitung WL1, auf welcher die ausgewählte Zelle P vorhanden ist, von 1/3 der Vcc an einer Wortleitung WL2, auf welcher die ausgewählte Zelle P nicht vorhanden ist, von 0 an einer Bitleitung BL1, auf welcher die ausgewählte Zelle P vorhanden ist, und von 2/3·Vcc an einer Bitleitung BL1 ausgeführt, auf welcher die ausgewählte Zelle P nicht vorhanden ist. Wenn „0" in die ausgewählte Zelle P zu schreiben ist, wird 0 an der Wortleitung WL1, 2/3 der Vcc an der Wortleitung WL2, Vcc an der Bitleitung BL1, und 1/3 der Vcc an der Bitleitung BL2 angelegt. Wenn die ausgewählte Zelle P zu lesen ist, wird V1 (eine geringere Spannung als Vcc beim Lesen) an die Wortleitung WL1, 0 an die Wortleitung WL2, 0 an die Bitleitung BL1 und VSA (Datenerfassungsspannung) an die Datenleitung DL1 angelegt. Die Reihenfolge beim Schreiben und Lesen von „1" und „0" wird in 12(b) gezeigt. Die leeren Kästchen in 13(b) bedeuten, dass die entsprechenden Leitungen offen oder mit 0 V sind. Folglich wird beim Ausführen des Schreibens eine hohe Spannung von Vcc oder –Vcc zwischen der Gate-Elektrode und dem Halbleitersubstrat angelegt, um „1" oder „0" zu schreiben. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die an einer nicht ausgewählten Zelle angelegte Spannung 1/3 der Vcc oder –1/3 der Vcc und das Schreiben wird nicht ausgeführt. Beim Lesen, während V1 zwischen der Gate-Elektrode und dem Halbleitersubstrat in den ausgewählten Zellen angelegt ist, sind die nicht ausgewählten Zellen offen oder mit 0 V, ist nahezu keine Spannung angelegt und wird kein Lesen ausgeführt.
  • Zwar kann das Schreiben und Lesen durch das Auswählen von nur vorgesehenen Zellen durchgeführt werden, wie oben beschrieben wurde, aber beispielsweise beim Schreiben wird die Spannung von 1/3 der Vcc auch an nicht ausgewählten Zellen angelegt. Wenn die Spannung von 1/3 der Vcc angelegt ist, wird die Polarisation des ferroelektrischen Kondensators (den gespeicherten Daten von „1" oder „0" entsprechende Polarisation) gestört. Nach wiederholten Anwendungen besteht die Besorgnis, dass sich die Daten ändern können, welche in Zellen gespeichert sind, in welchen kein Schreiben durchgeführt wird. Unter solchen Umständen bestehen die folgenden Probleme: für Halbleiterspeicher mit einer kleinen Größe, welche die ferroelektrischen Speicherzellen verwenden, ist ein Zugriffsverfahren ohne das Stören der in den nicht ausgewählten Speicherzellen gespeicherten Daten noch zu erstellen. Und wie oben beschrieben wurde, wurde der Halbleiterspeicher noch nicht in der Praxis verwendet, in welcher die ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren als Matrix aus Zellen angeordnet sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, welche zum Lösen der oben beschrieben Probleme gemacht wurde, ein Verfahren zum Schreiben und Lesen mit einem Halbleiterspeicher zu liefern, welcher aus als Matrix angeordneten ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren gebildet ist, welches zulässt, dass Daten in nur eine ausgewählte Speicherzelle geschrieben und/oder aus derselben gelesen werden, ohne, dass die Daten durch eine an den nicht ausgewählten Zellen angelegte Störspannung zerstört werden, ohne jede Zelle mit einem Auswahlelement zu versehen.
  • D.h. die Aufgabe der Erfindung ist das Liefern eines Halbleiterspeichers, etc. unter Verwendung eines ferroelektrischen Speichers, mit welchem gespeicherte Daten nicht gestört werden.
  • Nach der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Schreiben von Daten in einen Halbleiterspeicher die Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen werden in den Ansprüchen 2 und 3 definiert. Die Erfindung liefert zudem ein Verfahren zum Lesen von Daten aus einem Halbleiterspeicher nach Anspruch 4.
  • Der Ausdruck ferroelektrischer Speicher-Feldeffekttransistor mit einer ferroelektrischen Schicht zwischen einer Gate-Elektrode und einer Halbleiterschicht bezeichnet jedes Speicherelement einer Feldeffekttransistorstruktur mit mindestens einer ferroelektrischen Schicht, welche zwischen einer Gate-Elektrode und einer Halbleiterschicht angeordnet ist, wie z.B. eine Struktur (MFS-Struktur) einer Gate-Elektrode (Metall (M)-Ferroelektrikum (F)-Halbleiter (S)); eine Struktur, bei welcher mindestens eine andere Schicht als die ferroelektrische Schicht zwischen dem Metall M und einem Halbleiter S der MFS-Struktur angeordnet ist; und eine Struktur (MFMIS-Struktur) einer Gate-Elektrode ((M)-Ferroelektrikum (F)-schwebendes Gate (M)-Isolierschicht (I)-Halbleiter (S)).
  • Wenn das oben beschriebene Verfahren verwendet wird, wird sogar wenn die Störspannung von 1/3 der Vcc an den nicht ausgewählten Zellen im Zugriffsverfahren des gleichmäßigen Teilens der Spannung der Speisequelle in drei und zum Anlegen an den jeweiligen Leitungen angelegt wird, die Verringerung in der Ladung aufgrund der Störspannung durch das konstante Anlegen einer Spannung in der entgegengesetzten Richtung der Störspannung hintereinander beibehalten und verhindert, dass die Daten entfernt werden.
  • Das Anlegen der Spannung an jeder Speicherzelle beim Schreiben kann derart durchgeführt werden, dass beispielsweise die Spannung der Speisequelle gleichmäßig in drei geteilt wird und an jeder Leitung angelegt wird. In diesem Fall ist es möglich die Spannung der Speisequelle an einer ausgewählten Zelle anzulegen, während ±1/3 der Spannung der Speisequelle an nicht ausgewählten Zellen angelegt wird.
  • Der oben erwähnte Speicher kann derart gebildet sein, dass die aus den ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren gebildeten Speicherzellen als Matrix angeordnet sind, Gates von Zellen in einer Reihe in einer Richtung angeschlossen sind, um eine Wortleitung zu bilden, Sourcen von Zellen in einer Reihe in einer Richtung angeschlossen sind, um eine Source-Leitung zu bilden, Drains von Zellen in einer Reihe in der anderen Richtung angeschlossen sind, um eine Datenleitung zu bilden, und Halbleiterschichten von Zellen in einer Reihe in der anderen Richtung angeschlossen sind, um eine Bitleitung zu bilden. Das Schreiben und Lesen kann durch das Anlegen einer Spannung zwischen der Wortleitung und der Bitleitung durchgeführt werden.
  • Der Halbleiterspeicher, welcher die ferroelektrische Schicht der Erfindung verwendet, weist Speicherzellen aus ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren auf, welche jeweils eine ferroelektrische Schicht zwischen einer Gate-Elektrode und einer Halbleiterschicht, Pufferzellen, welche zum Übertragen von Daten aus den Speicherzellen fähig sind, und Pufferschaltungen aufweisen, welche Daten aus einer Speicherzelle an eine Pufferzelle übertragen und die übertragenen Daten wieder in die Speicherzelle schreiben.
  • Zwar können die Merkmale dieser Erfindung weitgehend gezeigt werden, wie oben beschrieben wurde, aber der Aufbau und die Inhalte zusammen mit den Aufgaben und anderen Merkmalen derselben werden aus der folgenden Beschreibung in Bezug auf die anhängenden Zeichnungen zudem hervorgehen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1(a) ist ein Drahtverbindungsdiagramm eines Halbleiterspeichers als eine Ausführungsform der Erfindung.
  • 1(b) ist eine Tabelle, welche eine Betätigungsreihenfolge des in 1(a) gezeigten Halbleiterspeichers zeigt.
  • 2 ist eine erläuternde Draufsicht, welche ein Beispiel einer Struktur eines Speicherzellenabschnitts in 1 zeigt.
  • Die 3(a) bis 3(d) sind erläuternde Zeichnungen der Querschnitte der 2.
  • 4 ist eine erläuternde Draufsicht, welche ein anderes Beispiel einer Struktur des Speicherzellenabschnitts der 1 zeigt.
  • Die 5(a) bis 5(d) sind erläuternde Zeichnungen der Querschnitte in 4.
  • Die 6(a) bis 6(d) zeigen Beispiele der angelegten Signalform, um die Störungskennzeichen zu untersuchen.
  • 7 zeigt Störungskennzeichen im Verhältnis zur Anzahl der angelegten Impulse.
  • 8 zeigt Änderungen in der Ladung bei jedem Anlegen der positiven und negativen, bidirektionalen Impulse.
  • 9 zeigt die Änderung im Strom im Verhältnis zu der Zeit, wenn Spannungen an einem ferroelektrischen Kondensator angelegt sind.
  • 10 zeigt die Störungskennzeichen im Verhältnis zur Dauer der angelegten Impulse.
  • 11 zeigt die Störungskennzeichen im Verhältnis zur Größe (Amplitude) der angelegten Impulse.
  • Die 12(a) und 12(b) sind erläuternde Zeichnungen des Zugriffs auf ferroelektrische Speicher-Feldeffekttransistoren, welche als Matrix angeordnet sind, unter Verwendung des Verfahrens der gleichmäßig in drei geteilten Spannung.
  • 13 ist eine erläuternde Zeichnung eines ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistors als ein Beispiel.
  • Beste Ausführungsform der Erfindung
  • Nun wird das Verfahren zum Schreiben in und Lesen aus einem Halbleiterspeicher unter Verwendung einer ferroelektrischen Schicht als eine Ausführungsform dieser Erfindung in Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.
  • Das Verfahren zum Schreiben in und Lesen aus einem Halbleiterspeicher unter Verwendung einer ferroelektrischen Schicht als eine Ausführungsform dieser Erfindung verwendet den in 1(a) gezeigten Halbleiterspeicher gemäß der in 1(b) gezeigten Reihenfolge. 1(a) zeigt einen Teil des Halbleiterspeichers, welcher vier Speicherzellen Q1 bis Q4 beinhaltet, welche als Matrix angeordnet sind und aus ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren bestehen, welche jeweils eine ferroelektrische Schicht zwischen einer Gate-Elektrode und einer Halbleiterschicht aufweisen. Beim Auswählen einer Speicherzelle und Schreiben von Daten in oder Lesen derselben aus der ausgewählten Speicherzelle, ist das Verfahren als eine Ausführungsform dieser Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung einer der Richtung einer Schreibe- und Lesespannung entgegengesetzten Richtung angelegt wird, bevor die Schreibe- oder Lesespannung angelegt wird. D.h. der Anmelder hat die folgenden Tatsachen nach dem Wiederholen genauer Studien und Untersuchungen herausgefunden: der Einfluss der an den nicht ausgewählten Zellen angelegten Störspannung von 1/3·Vcc auf die Daten in der nicht ausgewählten Zelle wurde beispielsweise beim Schreiben von Daten durch das Verfahren des gleichmäßigen Teilens der Spannung der Speisequelle in drei durch Veränderungen in der Ladungsmenge im ferroelektrischen Kondensator überprüft. Folglich hat sich erwiesen, dass, wie später beschrieben wird, die Ladungsmenge im ferroelektrischen Kondensator zwar sogar dann gestört wird, wenn eine niedrige Spannung angelegt ist, aber das Störereignis ausgeglichen und die Ladung durch das Anlegen eines entgegengesetzt gerichteten Störimpulses wiederhergestellt wird. Basierend auf solchen Ergebnissen liegt das Kennzeichen dieser Erfindung im Verhindern, dass Daten durch die Störspannung beim Schreiben oder Lesen der Daten verschlechtert werden, wobei die Verhinderung durch das Anlegen einer entgegengesetzt gerichteten Spannung vor dem Anlegen der Schreibe- oder Lesespannung bewirkt wird.
  • Als nächstes werden konkrete Beispiele in Bezug auf 1 detaillierter beschrieben werden. 1(a) zeigt einen Teil einer Matrixstruktur, welche vier Speicherzellen Q1 bis Q4 aus ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren beinhaltet. Die Gate-Elektroden der in seitlicher Richtung nebeneinander angeordneten Zellen sind angeschlossen und jeweils mit Wortleitungen WL1 und WL2 versehen. Die Sourcen der in seitlicher Richtung nebeneinander angeordneten Zellen sind angeschlossen und jeweils mit Source-Leitungen SL1 und SL2 versehen. Die Drains der in Vertikalrichtung übereinander angeordneten Zellen sind angeschlossen und jeweils mit Datenleitungen DL1 und DL2 versehen. Die Substrate (Halbleiterschichten) der in Vertikalrichtung übereinander angeordneten Zellen sind angeschlossen und jeweils mit Bitleitungen BL1 und BL2 versehen. Folglich ist ein Teil der Matrix gebildet.
  • Um „1" in eine ausgewählte Zelle Q1 zu schreiben, wird zuerst 0 an der Wortleitung WL1 der ausgewählten Zelle Q1, Vcc an der Bitleitung BL1 der ausgewählten Zelle Q1, 2/3 der Vcc an der Wortleitung WL2 einer nicht ausgewählten Zelle und 1/3 der Vcc an der Bitleitung BL2 angelegt (eine der zum Schreiben von „1" entgegengesetzte Spannung wird angelegt). Als nächstes wird Vcc an der Wortleitung WL1, 0 an der Bitleitung BL1, 1/3·Vcc an der Wortleitung WL2 der nicht ausgewählten Zelle und 2/3 der Vcc an der Bitleitung BL2 angelegt. Folglich wird „1" in die Speicherzelle Q1 geschrieben. Zum Schreiben von „0" in die Speicherzelle Q1 wird wie beim Schreiben von „1" wiederum zuerst Vcc an der Wortleitung WL1 der ausgewählten Zelle Q1, 0 an der Bitleitung BL1, 1/3 der Vcc an die Wortleitung WL2 der nicht ausgewählten Zelle und 2/3 der Vcc an der Bitleitung BL2 angelegt. Danach wird 0 an der Wortleitung WL1, Vcc an der Bitleitung BL1 zum Schreiben von „1", 2/3 der Vcc an der Wortleitung WL2 der nicht ausgewählten Zelle bzw. 1/3 der Vcc an der Bitleitung BL2 angelegt.
  • Zum Lesen von Daten aus der ausgewählten Zelle Q1 wird zuerst –V1 an der Wortleitung WL1 angelegt (V1 ist die Spannung, welche zum Einschalten des Feldeffekttransistors der Zelle erfordert wird, in welche „1" oder „0" geschrieben wird, und vom Unterschied in den Schwellenspannungen der Feldeffekttransistoren und der Störstellendichte im Si- Substrat abhängt, wobei die Spannung durch das Einstellen der Menge an gemischten Störstellen eingestellt werden kann), die Bitleitung BL1 und die Wortleitung WL2 auf null eingestellt (0 V), –VSA (Datenerfassungspannung) an der Datenleitung DL1 angelegt, und dann V1 an der Wortleitung WL1, 0 an sowohl der Bitleitung BL1 als auch der Wortleitung WL2 und VSA an der Datenleitung DL1 angelegt. Folglich werden die Daten aus der ausgewählten Zelle Q1 gelesen. Eine Reihenfolge der Schritte des Schreibens und Lesens wird in 1(b) gezeigt, wobei die leeren Kästchen dem Zustand von offen oder mit 0 V entsprechen.
  • Die Struktur der oben beschriebenen Speicherzelle kann wie in den 2 und 3 gezeigt hergestellt werden: 2 ist eine Draufsicht einer Beispielstruktur, die 3(a) bis 3(d) sind erläuternde Zeichnungen, welche die Abschnitte A-A, B-B, C-C bzw. D-D derselben zeigen. Die Figuren zeigen einen Teil der Struktur, welche ferroelektrische Speicher-Feldeffekttransistoren aufweist (Speicherzellen Q1 bis Q4). In diesem Beispiel sind die Zellen mit Isolierungen 10 eines tiefen Grabens voneinander getrennt, welche in tiefen Graben eingebettet sind, welche im Halbleitersubstrat gebildet sind.
  • Diese Struktur ist beispielsweise wie folgt hergestellt: eine Wanne 1a einer p-Art ist auf einem Halbleitersubstrat 1 der p- oder n-Art vorgesehen, ein Drain-Bereich 2 einer n-Art und ein Source-Bereich 3 sind jeweils auf der Wanne 1a gebildet und Gate-Elektroden 5 (WL1, WL2) aus Polysilizium oder ähnlichem sind zwischen beiden Bereichen durch eine ferroelektrische Schicht 4 aus PZT (Blei-Zirkonium-Titanat) oder ähnlichem angeordnet. Die Bezugsnummer 6 bezeichnet eine LOCOS-Oxidationsschicht (Oxidationsschicht der lokalen Oxidation von Silizium); 7, 8 bzw. 9 bezeichnen Isolierschichten zwischen den Schichten, und 10 bezeichnet tiefe Isolierungen, welche die Wanne 1a in jeweilige Spalten unterteilen. Der als Q2 gezeigte Teil in 2 ist eine Speicherzelle. Die Gate-Elektroden der jeweiligen in seitlichen Reihen nebeneinander angeordneten Zellen sind durch Wortleitungen WL1 und WL2 angeschlossen. Ebenso sind die Source-Bereiche 3 der in seitlichen Reihen nebeneinander angeordneten Zellen durch Source-Leitungen SL1 und SL2 angeschlossen und erste Metallschichten 11, welche elektrisch an den Drain-Bereichen 2 der jeweiligen in vertikalen Spalten übereinander angeordneten Zellen angeschlossen sind, sind durch Datenleitungen DL1 und DL2 angeschlossen. Auf diese Weise sind die Speicherzellen als Matrix angeordnet, wie in 1 mittels eines äquivalenten Schaltplans gezeigt. Übrigens sind die Bitleitungen BL1 und BL2 an der Wanne 1a angeschlossen.
  • Die 4 und 5 zeigen ähnlich wie die 2 und 3 eine weitere Beispielstruktur des Halbleiterspeichers der Erfindung. In diesem Beispiel sind Wannen 16 der p-Art auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildet, wobei in den Wannen 16 ein Drain-Bereich 2 und Source-Bereiche 3 der n-Art gebildet sind. Die Wannen 16 sind mit Trennschichten getrennt, wie beispielsweise LOCOS-Oxidationsschichten 15. Die Wannen 16 dienen als Bitleitungen. Mit Ausnahme der oben beschriebenen Punkte, ist die Struktur die gleiche, wie die, welche in den 2 und 3 gezeigt wird, wobei ähnliche Teile mit den gleichen Bezugsnummern versehen sind und deren Erklärungen ausgelassen wurden.
  • Zwar sind alle der oben beschriebenen Strukturen der Speicherzellen der MFS-Art sind, bei welcher die ferroelektrische Schicht direkt auf der Halbleiterschicht vorgesehen ist und über welcher metallische Gate-Elektroden angeordnet sind, aber die Struktur kann aus der MFIS-Art bestehen, bei welcher eine andere Art von Isolierungsschicht, wie beispielsweise SiO2 oder Si3N4 zwischen der ferroelektrischen Schicht und der Halbleiterschicht angeordnet ist, oder eine MFMIS-Art sein, bei welcher eine Metallschicht eines schwebenden Gates zwischen denselben angeordnet ist. In Wirklichkeit kann jede Art eingesetzt werden, solange sie den ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistor bildet, bei welchem die ferroelektrische Schicht zwischen der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors und der Halbleiterschicht vorgesehen ist.
  • Als nächstes wird der Nachweise des Effekts der Spannung von 1/3 der Vcc beschrieben werden, welche an der nicht ausgewählten Zelle angelegt ist. Der Effekt ist die Basis der Tatsache, dass Daten nicht zerstört, sondern aufbewahrt werden, wenn eine Spannung in der entgegengesetzten Richtung angelegt ist, bevor eine normale Schreibe- oder Lesespannung angelegt wird. Für diesen Nachweis wurde ein 300 nm (Nanometer) dickes PZT verwendet und eine Spannung von 1/3 der Vcc am ferroelektrischen Kondensator angelegt und die Änderung in der Schaltladungsmenge desselben untersucht (Unterschied zwischen einer Ladungsmenge, welche beim Anlegen einer Spannung in einer Richtung und Schalten der Polarisationsrichtung erzeugt wird, und einer Ladungsmenge, wenn die Polarisationsrichtung nicht geschaltet wird).
  • Die Schaltladungsmenge wurde mit den folgenden Schritten gemessen; zuerst wurde eine Source-Spannung Vcc in der in 6(a) gezeigten negativen Richtung angelegt, um die Schicht in der negativen Richtung zu polarisieren, eine bestimmte Anzahl (n) von Malen der gleich gerichteten Impulse von 1/3·Vcc in der positiven (entgegengesetzt der Polarisation) Richtung angelegt, wie in 6(b) gezeigt, und die in 6(c) gezeigten Doppelimpulse angelegt, um die Schaltladungsmenge zu messen. Die Messung der Ladungsmenge wurde auch für den Fall durchgeführt, in welchem die in 6(d) gezeigten bidirektionalen Impulse von ±1/3 der Vcc abwechselnd in positiven und negativen Richtungen anstelle der in 6(b) gezeigten Impulse der gleichen Richtung angelegt wurden. Hier betrug die Impulsdauer der Störimpulse immer 200 ns (Nanosekunden) und die Spannung der Speisequelle 5 V und 3,3 V (jeweils 1/3 derselben wurde angelegt). Im Fall der bidirektionalen Impulsen wurden zwei Impulse, ein positiver und ein negativer, als 1 Zyklus angelegt.
  • 7 ist ein Graph der Absolutwerte der Schaltladungsmenge, welche gegen die Anzahl (n) an Impulsen gemessen wird, welche an einer Spannung von 1/3 der Vcc (oder ±1/3 der Vcc) angelegt sind. In 7 zeigt die Kurve A1 die Ergebnisse mit den Impulsen in der gleichen Richtung mit 3,3 V, A2 die Ergebnisse mit den bidirektionalen Impulsen mit 3,3 V, B1 die Ergebnisse mit den Impulsen in der gleichen Richtung mit 5 V und B2 die Ergebnisse mit den bidirektionalen Impulsen mit 5 V. Wie aus 7 hervorgeht, ähneln sich die Ergebnisse und Spannungen der Speisequelle von 5 V und 3,3 V; wenn die gleich gerichteten Impulse angelegt werden, nimmt die Schaltladungsmenge allmählich auf weniger als 1/3 nach dem Anlegen eines Impulses um 103 bis 104 Mal ab. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass ein Risiko besteht, dass Daten in einer Zelle gelöscht werden, wenn auf die gleiche Zelle mit wiederholten Störimpulsen in der gleichen Richtung zugegriffen wird.
  • Andererseits zeigen die Ergebnisse (A2, B2), wenn Impulse abwechselnd in positiven und negativen Richtungen angelegt sind, dass sich die Schaltladungsmenge sogar etwas verändert, nachdem die Impulse öfters als 108 Mal angelegt wurden. Diese Erfindung wurde basierend auf der oben beschriebenen Tatsache gemacht, dass das abwechselnde Anlegen von Impulsen in positiven und negativen Richtungen verhindert, dass sich Daten sogar nach dem Anlegen einer sehr hohen Anzahl von Impulsen ändern.
  • 8 zeigt Ergebnisse, wie sich die Schaltladungsmenge jedes Mal ändert, wenn eine Impulsspannung Vcc von 5 V abwechselnd in positiven und negativen Richtungen angelegt ist. Wenn Vcc 5 V beträgt (angelegte Spannung beträgt 1,67 V), nimmt die Schaltladungsmenge, wie in 8 gezeigt, durch das Anlegen eines Störimpulses in der der Polarisationsrichtung entgegengesetzten Richtung von 30 auf ca. 15 ab. Es geht jedoch hervor, dass die Menge fast zum Ausgangswert wiederhergestellt wird, wenn ein Impuls in der gleichen Richtung wie der der Polarisationsrichtung angelegt wird. D.h., die gespeicherte Ladungsmenge nimmt zwar auf einen bestimmten Wert ab, wenn abwechselnde (bidirektionale) Impulse angelegt werden, aber die Menge nimmt nicht weiter ab. Wenn die übrige Menge zum Unterscheiden der besagten Daten ausreichend ist, wird verhindert, dass die Daten durch eine Störung verloren gehen.
  • 9 zeigt die Änderung in der Schaltladungsmenge, welche mit der Änderung in der Stromdichte (A/cm2) dargestellt ist, welche gegen die Zeit des Anlegens einer Spannung von 1/3 der Vcc an einem Kondensator grafisch dargestellt ist. In 9 zeigt die Kurve D den Wert der Stromdichte, wenn Daten geschrieben werden und die Polarisationsrichtung umgekehrt wird und danach Störimpulse durch eine gerade Anzahl (n = 2k) von Malen angelegt werden, nämlich nachdem der Störimpuls in der gleichen Richtung wie der Polarisationsrichtung angelegt wird. Die Kurve E zeigt den Wert der Stromdichte, nachdem eine ungerade Anzahl (n = 2k + 1) von Malen des Anlegens, nämlich nachdem der Störimpuls in der anderen Richtung als der der Polarisation angelegt wird. Die Kurve F zeigt den Wert der Stromdichte beim Schreiben von Daten durch das Anlegen einer Spannung in der gleichen Richtung wie der der Polarisation. Die oben beschriebene Schaltladungsmenge ist die Ladungsmenge, welche den Unterschied zwischen dem Stromwert der Kurve D oder E und dem Stromwert der Kurve F anzeigt.
  • Als nächstes wurden zum Verringern der Abnahme in der Schaltladungsmenge durch einen Störimpuls die Optimalwerte der Impulsdauer und Impulsspannung durch das Untersuchen der Abhängigkeit derselben von der Impulsdauer und der Spannung Vcc der Speisequelle untersucht. Die Ergebnisse werden in den 10 und 11 gezeigt. 10 zeigt die Ergebnisse der Messungen der Abnahme in der Menge der gespeicherten Ladung durch das Anlegen eines einzigen Störimpulses (in der der Polarisationsrichtung entgegengesetzten Richtung) verschiedener Impulsdauern mit der Spannung der Speisequelle von 3,3 V (Kurve A) und 5 V (Kurve B). Wie im Graphen gezeigt, nimmt die Abnahme mit der Zunahme der Impulsdauer zu. Es geht hervor, dass die Störung (Abnahme in der Ladungsmenge) sehr gering ist, wenn Vcc = 3,3 V und die Impulsdauer 10–7 Sekunden oder weniger beträgt. Da erwartet wird, dass die Impulsdauer mit dem tatsächlichen Element 10–7 Sekunden oder weniger beträgt, kann ausgesagt werden, dass keine Möglichkeit einer starken Störung mit einem einzigen Impuls bestehen wird.
  • 11 zeigt die Ergebnisse der Messungen der Schaltladungsmenge nach dem Anlegen einer Störspannung in den der Polarisationsrichtung entgegengesetzten Richtungen an einen Kondensator, welcher in positive und negative Richtungen polarisiert ist, mit verschiedenen Störspannungen. Der Graph (A) zeigt die Ergebnisse mit der der Polarisationsrichtung des Schreibens entgegengesetzten Impulsrichtung und der Graph (B) zeigt die Ergebnisse mit der der Polarisationsrichtung des Schreibens gleichenden Impulsrichtung. Die Impulsdauer betrug 500 ns. Der Unterschied zwischen den Schaltladungsmengen in zwei Kondensatoren ist die Ladungsmenge zum Erfassen von Daten. Aus der Figur geht hervor, dass die Reihenfolge der Größen der Schaltladungsmengen der zwei Kondensatoren bei der Störspannung von ca. 1,5 V umgekehrt wird und die Daten nicht länger erfasst werden können. Um eine Ladungsmenge aufrecht zu erhalten, welche zum Erfassen von Daten sogar dann ausreicht, wenn ein Störimpuls von 1/3 der Vcc angelegt wird, ist es am geeignetsten, dass die Vcc ca. das Doppelte der Spannung beträgt, bei welcher sich die zwei Kurven A und B schneiden. Da sich dieses Kennzeichen jedoch mit der Stärke und dem Sättigungskennzeichen des Ferroelektrikums und ähnlichem verändert, scheint es besser eher die Schichtstärke und das für die Vcc geeignete Material, als die für die Schicht geeignete Vcc auszuwählen. Für die diesmal untersuchte Schicht, scheinen die geeignetsten Zustände die Spannung der Speisequelle der Vcc von 3,3 V und die Impulsdauer zum Schreiben von 100 ns oder weniger zu sein.
  • Wenn das Anlegen der Störspannung in der gleichen Richtung mehr als eine bestimmte Anzahl von Malen wiederholt wird, besteht, wie oben beschrieben wurde, ein Risiko, dass Daten, welche in andere Zellen als der einen ausgewählten Zelle geschrieben werden, gelöscht werden. Und das Risiko hängt sehr von der Dauer und Größe der Impulse ab. Da Spannungen in den positiven und negativen Richtungen gleichmäßig angelegt werden, tritt nach dieser Erfindung die Abnahme in der den Daten entsprechenden Ladungsmenge jedoch nur mit dem ersten Anlegen der Störspannung auf, und danach tritt keine zusätzliche Abnahme auf. Wenn die Spannung Vcc der Speisequelle, die Schreib- und Lesegeschwindigkeit, das ferroelektrische Material, die Stärke der ferroelektrischen Schicht, etc. zu dem Ausmaß optimiert werden, dass die Abnahme in der Ladungsmenge durch das erste Anlegen einer Störspannung kein Problem beim Lesen der Daten verursacht, werden die Daten folglich aufrechterhalten, ohne gelöscht zu werden, sogar wenn die Störimpulse 108 Mal angelegt werden. Folglich kann ein Direktzugriffsspeicher mit einer Matrixanordnung von geradzahligen ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren gebildet werden.
  • Im oben beschriebenen Beispiel wird die entgegengesetzt gerichtete Spannung vor dem Anlegen einer Schreib- oder Lesespannung für sowohl das Schreiben als auch Lesen angelegt. Abhängig von der Art des Halbleiterspeichers, kann es jedoch einen Fall geben, in welchem die relative Häufigkeit des Schreibens zum Lesen äußerst unausgeglichen ist. Wenn dies zutrifft, ist es möglich ein Auswahlelement zu der Seite zu verwenden, auf welche häufig zugegriffen wird (Schreiben oder Lesen), um auf die ausgewählte Zelle zuzugreifen, so dass das Element nicht auf der Seite verwendet wird, welche seltener verwendet wird. Folglich wird das Verfahren dieser Erfindung zum Erlangen eines Zugriffs verwendet, ohne die Schreib- und Lesegeschwindigkeit zu verringern, während die Chipfläche durch das Verringern der Anzahl von Auswahlelementen verringert wird.
  • Zwar wurde die Erfindung mittels der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, aber die hierin verwendeten Ausdrücke dienen nicht zur Beschränkung, sondern nur zur Erklärung und können innerhalb des Bereichs der anhängenden Ansprüche verändert und geändert werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Schreiben von Daten in eine ausgewählte Speicherzelle (Q1) eines Halbleiterspeichers, welcher eine Vielzahl von Speicherzellen (Q1, Q2, Q3, Q4) beinhaltet, welche jeweils einen ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistor mit einer zwischen einer Gate-Elektrode (5) und einer Halbleiterschicht (1) angeordneten ferroelektrischen Schicht (4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte beinhaltet: – Anlegen einer Vorschreibespannung an die ferroelektrische Schicht (4) einer nicht ausgewählten Zelle (Q2, Q3, Q4), – Anlegen einer ersten Schreibespannung an die ferroelektrische Schicht (4) der ausgewählten Zelle (Q1) und einer zweiten Schreibespannung an die ferroelektrische Schicht (4) der nicht ausgewählten Zelle (Q2, Q3, Q4), wobei sowohl die erste als auch zweite Schreibespannung gleichzeitig angelegt werden, wobei die zweite Schreibespannung über die ferroelektrische Schicht (4) der nicht ausgewählten Zelle (Q2, Q3, Q4) die entgegengesetzte Polarität der Spannung zum Vorschreiben aufweist, damit die nicht ausgewählte Zelle (Q2, Q3, Q4) ihre Daten während dem Schreiben der ausgewählten Zelle (Q1) unverändert lässt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Verfahren zum Teilen in drei gleiche Teile verwendet wird, bei welchem eine Spannung der Speisequelle gleichmäßig in drei geteilt und an jeweiligen Leitungen angelegt wird und die Spannung der Speisequelle an einer ausgewählten Zelle (Q1) und ±1/3 der Spannung der Speisequelle an den nicht ausgewählten Zellen (Q2, Q3, Q4) angelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halbleiterspeicher derart gebildet ist, dass: eine vielfache Anzahl von Zellen (Q1, Q2, Q3, Q4) aus ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistoren als Matrix angeordnet ist; eine Wortleitung (WL1, WL2) durch das Anschließen von Gates (5) von in einer Reihe nebeneinander angeordneten Zellen in eine oder die andere Richtung gebildet ist; eine Source-Leitung (SL1, SL2) durch das Anschließen von Sourcen (3) von in einer Reihe nebeneinander angeordneten Zellen in eine oder die andere Richtung gebildet ist; eine Datenleitung (DL1, DL2) durch das Anschließen von Drains (2) der in einer Reihe nebeneinander angeordneten Zellen in die andere oder eine Richtung gebildet ist; und eine Bitleitung (BL1, BL2) durch das Verbinden der Halbleiterschichten (1a) der in einer Reihe nebeneinander angeordneten Zellen in die andere oder eine Richtung gebildet ist; und Daten durch das Anlegen einer Spannung zwischen der Wortleitung (WL1 und WL2) und der Bitleitung (BL1, BL2) geschrieben werden.
  4. Verfahren zum Lesen von Daten aus einer ausgewählten Speicherzelle (Q1) eines Halbleiterspeichers mit einer Vielzahl von Speicherzellen (Q1, Q2, Q3, Q4), welche jeweils einen ferroelektrischen Speicher-Feldeffekttransistor mit einer zwischen einer Gate-Elektrode (5) und einer Halbleiterschicht (1) angeordneten ferroelektrischen Schicht aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte beinhaltet: – Anlegen einer Spannung zum Lesen in Voraus über die ferroelektrische Schicht (4) einer nicht ausgewählten Zelle (Q2, Q3, Q4), – Anlegen einer ersten Spannung zum Lesen über die ferroelektrische Schicht (4) der ausgewählten Zelle (Q1) und einer zweiten Spannung zum Lesen über die ferroelektrische Schicht (4) der nicht ausgewählten Zelle (Q2, Q3, Q4), wobei sowohl die erste als auch zweite Lesespannung gleichzeitig angelegt werden, wobei die zweite Lesespannung über die ferroelektrische Schicht (4) der nicht ausgewählten Zelle (Q2, Q3, Q4) die entgegengesetzte Polarität der Spannung zum Lesen im Voraus aufweist, damit die nicht ausgewählte Zelle (Q2, Q3, Q4) ihre Daten während dem Lesen aus der ausgewählten Zelle (Q1) unverändert lässt.
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