JP2000156472A - Semiconductor memory device - Google Patents

Semiconductor memory device

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JP2000156472A JP11105948A JP10594899A JP2000156472A JP 2000156472 A JP2000156472 A JP 2000156472A JP 11105948 A JP11105948 A JP 11105948A JP 10594899 A JP10594899 A JP 10594899A JP 2000156472 A JP2000156472 A JP 2000156472A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a ferroelectric thin film which is capable of constituting a small memory cell and scaling through a simple process and stably holding its polarization state. SOLUTION: A memory cell is equipped with a memory capacitor CM equipped with a first electrode, a second electrode opposed to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched in between the electrodes, a reference capacitor CREF equipped with a third electrode connected to the first electrode, a fourth electrode opposed to the third electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched in between the electrodes, a rear-out transistor QREAD equipped with a gate electrode connected to both the first and third electrode, and a control transistor for controlling the potential VG of a storage node NS as a connecting point of the first electrode, the third electrode, and the gate electrode, and two or more of the memory cells are arranged in a matrix to form a semiconductor memory device.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ギガビット以上の
超大容量の記憶が可能な半導体記憶装置に係り、特に強
誘電体薄膜からなる薄膜キャパシタを具備した不揮発性
半導体記憶装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device capable of storing an ultra-large capacity of gigabit or more, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device having a thin film capacitor formed of a ferroelectric thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体記憶装置の集積密度が高くなり、
ギガビット以上の超大容量の記憶容量が必要になってく
ると、メモリセルはますます小さくなるため、従来の酸
化膜を用いた蓄積キャパシタでは、容量が不足するよう
になってきている。そこで、近年、強誘電体薄膜を蓄積
キャパシタ等に用いた記憶装置(以下において、「強誘
電体メモリ」という)の研究・開発が盛んに行なわれて
おり、既に一部では実用化されている。強誘電体メモリ
は不揮発性であり、電源を落とした後もメモリに記憶さ
れた内容が失われず、しかも膜厚を充分に薄く形成でき
た場合には自発分極の反転が速く、DRAM並みに高速
の書き込みや読み出しが可能であるなどの特徴を有す
る。
2. Description of the Related Art The integration density of semiconductor memory devices has increased,
When an ultra-large storage capacity of gigabit or more is required, the memory cell becomes smaller and smaller, and the capacity of a conventional storage capacitor using an oxide film becomes insufficient. Therefore, in recent years, storage devices using ferroelectric thin films for storage capacitors and the like (hereinafter referred to as “ferroelectric memories”) have been actively researched and developed, and some of them have already been put into practical use. . A ferroelectric memory is non-volatile, so that the contents stored in the memory are not lost even after the power is turned off, and when the film can be formed sufficiently thin, the spontaneous polarization inversion is fast and as fast as DRAM. It is possible to write and read data.

【0003】現在、強誘電体薄膜の利用形態から大別し
て、以下に分類する第1および第2の2種類の強誘電体
メモリが考えられている。
At present, first and second types of ferroelectric memories, which are roughly classified into the following modes of use of ferroelectric thin films, are considered.

【0004】第1の強誘電体メモリは、強誘電体薄膜を
強誘電体キャパシタとして用いたものであり、金属/強
誘電体/金属接合からなる強誘電体キャパシタの、分極
反転時の電荷を読み出す方式である。その長所として
は、強誘電体キャパシタを別作りにするので作成プロセ
スが比較的容易であること、スタンバイ時には強誘電体
キャパシタの両電極間を等電位にしているので分極保持
が容易であること、最小加工寸法をFとすると、DRA
Mと同様の一セル一トランジスタ(1T/1C)型セル
で8F,NAND型のセルや、1T/1C並列接続
のセル(Chain FRAM)では4Fという小さなメモリ
セル面積が可能であること、等が挙げられる。ここで、
半導体記憶装置を構成しているパターンの最小ライン幅
L、最小スペース幅Sとすると、最小加工寸法(2F)
は両者の和(2F=L+S)に相当している。
The first ferroelectric memory uses a ferroelectric thin film as a ferroelectric capacitor. The ferroelectric memory stores electric charge at the time of polarization reversal of a ferroelectric capacitor composed of a metal / ferroelectric / metal junction. This is a reading method. Its advantages are that the fabrication process is relatively easy because the ferroelectric capacitor is made separately, and that the polarization is easily maintained because both electrodes of the ferroelectric capacitor are at the same potential during standby. Assuming that the minimum processing dimension is F, DRA
A memory cell area as small as 4F 2 is possible in a cell-to-transistor (1T / 1C) type cell similar to M, 8F 2 , NAND type cell, and 1T / 1C parallel connected cell (Chain FRAM). And the like. here,
Assuming that the minimum line width L and the minimum space width S of the pattern constituting the semiconductor memory device are the minimum processing size (2F)
Corresponds to the sum of the two (2F = L + S).

【0005】第2の強誘電体メモリは、強誘電体薄膜を
強誘電体ゲートトランジスタとして用いたものである。
これは、MOS−FETのゲート酸化膜の代わりに、強
誘電体薄膜をゲート絶縁膜として使用する構造であり、
「MFS(金属/強誘電体/半導体)−FET(Field
Effect Transistor)」とも呼ばれている。この第2の
強誘電体メモリは、強誘電体薄膜の分極電荷を補償する
だけのキャリアが半導体表面に誘起されるため、キャパ
シタの分極方向によって反転層や蓄積層が形成され、ト
ランジスタのスイッチング状態の保持が可能になる。
A second ferroelectric memory uses a ferroelectric thin film as a ferroelectric gate transistor.
This is a structure in which a ferroelectric thin film is used as a gate insulating film instead of a gate oxide film of a MOS-FET,
“MFS (Metal / Ferroelectric / Semiconductor) -FET (Field
Effect Transistor) ". In this second ferroelectric memory, carriers are generated on the semiconductor surface to compensate for the polarization charge of the ferroelectric thin film, so that an inversion layer and an accumulation layer are formed depending on the polarization direction of the capacitor, and the switching state of the transistor is changed. Can be maintained.

【0006】このデバイスの特に優れている点は、分極
電荷を直接読み出すのではなく、ゲインセルとして増幅
して読み出せるところにある。したがって、記憶保持に
分極電荷量の絶対値が必要ではなく、分極密度さえ保持
できれば最小寸法fによるスケーリングが可能である。
ここで、「最小寸法f」は、いわゆるフィーチュア・サ
イズ(Feature Size)fであり、一般に、L=S=fも
しくは、L=f、S=1.5f等により与えられる。
A particular advantage of this device is that the polarization charge can be amplified and read as a gain cell instead of directly reading the polarization charge. Therefore, the absolute value of the amount of polarization electric charge is not required for memory retention, and scaling with the minimum dimension f is possible as long as polarization density can be retained.
Here, the “minimum dimension f” is a so-called feature size f, which is generally given by L = S = f, L = f, S = 1.5f, or the like.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記の強誘電体薄膜を
強誘電体キャパシタとして用いた第1の強誘電体メモリ
は、強誘電体キャパシタの残留分極量が、ある絶対量以
上必要であり、最小寸法fによるスケーリングが困難な
点が短所である。現状の強誘電体キャパシタを使用した
読み出しは、キャパシタの反転電荷をビット線容量に導
き、ビット線の電位差としてセンスを行なっている。微
細化にともないキャパシタの面積や反転電荷量はF
縮小するのに対し、ビット線容量はほとんど減少するこ
とが困難であるため、スケーリングの限界が存在すると
いう問題点があった。
In the first ferroelectric memory using the above ferroelectric thin film as a ferroelectric capacitor, the amount of remanent polarization of the ferroelectric capacitor must be more than a certain absolute amount. The disadvantage is that scaling with the minimum dimension f is difficult. In the current reading using a ferroelectric capacitor, the inverted charge of the capacitor is led to the bit line capacitance, and sensing is performed as the potential difference of the bit line. Area and polarization inversion amounts of capacitors with miniaturization whereas reduced in F 2, since the bit line capacitance is difficult that most decreases, there is a problem that limits the scaling is present.

【0008】一方、上記のMFS−FETを用いた第2
の強誘電体メモリにも以下のような第1ないし第3の短
所がある。まず第1の短所は、Si上へ直接強誘電体薄
膜を成膜するプロセスが困難な場合があることである。
その理由は、酸化し易いSi(シリコン)の上に、PZ
T(チタン酸ジルコン酸鉛:PbZrXTi1-X3)、
SBT(タンタル酸ストロンチウムビスマス:SrBi
2Ta29)、BSTO(チタン酸バリウム・ストロン
チウム:BaXSr1-XTiO3)などの酸化物強誘電体
薄膜を直接形成しているため、良好な結晶性を維持しつ
つ成膜することは容易ではないからである。
On the other hand, the second using the above MFS-FET
The ferroelectric memory also has the following first to third disadvantages. A first disadvantage is that the process of forming a ferroelectric thin film directly on Si may be difficult.
The reason is that PZ on Si (silicon) which is easily oxidized
T (lead zirconate titanate: PbZr x Ti 1-x O 3 ),
SBT (Strontium bismuth tantalate: SrBi
2 Ta 2 O 9), BSTO ( barium strontium titanate: Ba X Sr 1-X TiO 3) because it directly form an oxide ferroelectric thin film such as the film formation while maintaining good crystallinity It is not easy to do.

【0009】また、強誘電体薄膜を成膜する際には、シ
リコン(Si)との界面には多少なりともSiO2層が
生成されるが、SiO2 層が数nm程度に薄くても、
その誘電率が強誘電体薄膜に比較すれば遙かに小さいた
めに、MSF−FETのゲート電極への印加電圧のかな
りの部分がSiO2 層に食われてしまい、動作電圧が
高くなるという問題も含んでいるからである。
Further, when forming a ferroelectric thin film is more or less SiO 2 layer at the interface between silicon (Si) is generated, even if the SiO 2 layer is thin as a few nm,
Since the dielectric constant is much smaller than that of the ferroelectric thin film, a considerable portion of the voltage applied to the gate electrode of the MSF-FET is eroded by the SiO 2 layer, resulting in a high operating voltage. Is included.

【0010】さらに、理想的なSi/SiO2 界面と
は異なり、Si/強誘電体界面に存在する界面準位、あ
るいはSi中に拡散した強誘電体中の重金属の不純物準
位などは、MFS−FETのチャネルのトラップとな
り、キャリアの移動度を低下させると共に、MFS−F
ETの閾値電圧を界面準位密度、不純物準位密度に応じ
て変動させることも第1の短所の理由として考えられ
る。これらの問題点は、高集積化LSIとして非常に大
きな課題となる。
Further, unlike the ideal Si / SiO 2 interface, the interface level existing at the Si / ferroelectric interface or the impurity level of heavy metal in the ferroelectric diffused in Si is determined by MFS. -Becomes a trap of the channel of the FET, lowers the mobility of the carrier, and increases the MFS-F
Varying the threshold voltage of ET in accordance with the interface state density and the impurity state density is also considered as a first disadvantage. These problems are very serious issues for a highly integrated LSI.

【0011】第2の短所として、強誘電体薄膜に加わる
反電界の問題があ。すなわち、強誘電体の分極により生
じた電荷とSi表面に誘起される電荷は理想的には等し
いため、分極の方向により蓄積層および空乏層ないしは
反転層が生成されることになるが、このときのSiの表
面電位のシフト分が強誘電体薄膜に反電界として加わる
ことになる。この反電界は分極を反転される方向に加わ
るため、MFS−FETの分極の安定的な保持に困難が
生じる。
As a second disadvantage, there is a problem of an anti-electric field applied to the ferroelectric thin film. That is, since the charge generated by the polarization of the ferroelectric and the charge induced on the Si surface are ideally equal, an accumulation layer and a depletion layer or an inversion layer are generated depending on the direction of the polarization. The shift in the surface potential of Si is applied to the ferroelectric thin film as an anti-electric field. Since this anti-electric field is applied in the direction in which the polarization is inverted, it is difficult to stably maintain the polarization of the MFS-FET.

【0012】第3の短所として、メモリ−セルサイズが
大きくなることが挙げられる。MFS−FETからなる
メモリ−セルをマトリックス状に配置し、半導体記憶装
置を構成する場合、一つのメモリ−セルには、通常情報
を保持するためのMFS−FETに加え、書き込み制御
用トランジスタおよび読み出し制御用トランジスタが必
要である。即ち、MFS−FETの場合は、一つのメモ
リ−セルは3つのトランジスタ(3T)で構成され、お
よび18F2以上のセル面積になり、上記の第1の強誘
電体薄膜を強誘電体キャパシタとして用いた強誘電体メ
モリセルよりもメモリ−セルサイズが大きくなる。
A third disadvantage is that the memory cell size increases. When memory cells composed of MFS-FETs are arranged in a matrix to constitute a semiconductor memory device, one memory cell usually has a write control transistor and a read control transistor in addition to an MFS-FET for holding information. A control transistor is required. That is, in the case of the MFS-FET, one memory cell is composed of three transistors (3T) and has a cell area of 18F 2 or more, and the first ferroelectric thin film is used as a ferroelectric capacitor. The memory cell size is larger than the ferroelectric memory cell used.

【0013】上述してきたように、第1のメモリにおけ
る強誘電体キャパシタ、あるいは第2のメモリにおける
MFS−FETのいずれを使用しても一長一短があり、
小さなメモリセル構成、スケーリング可能、強誘電体分
極の安定な保持、プロセスの容易さ、といった高集積半
導体メモリに必要な項目をすべて満たすことはできな
い。
As described above, using either the ferroelectric capacitor in the first memory or the MFS-FET in the second memory has advantages and disadvantages.
It is not possible to satisfy all the requirements for a highly integrated semiconductor memory, such as a small memory cell configuration, scalability, stable retention of ferroelectric polarization, and ease of processing.

【0014】上記問題点に鑑みて、本発明は小さなメモ
リセル構成が可能であり、さらに強誘電体分極の安定な
保持が可能な強誘電体薄膜を使用した半導体記憶装置を
提供することを目的とする。
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film which can have a small memory cell configuration and can stably maintain ferroelectric polarization. And

【0015】また、上記の目的に加えて、MFS−FE
Tの長所であるスケーリングが可能であるという特徴を
併せ有すると共に、さらに高集積化が可能な強誘電体薄
膜を使用した半導体記憶装置を提供することを他の目的
としている。
Further, in addition to the above-mentioned object, MFS-FE
Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film, which has a feature of being capable of scaling, which is an advantage of T, and which can be further integrated.

【0016】本発明は、製造プロセスが容易である強誘
電体薄膜を使用した半導体記憶装置を提供することをさ
らに他の目的としている。
It is still another object of the present invention to provide a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film whose manufacturing process is easy.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第1の基本構成に係る半導体記憶装置は、
第1の電極と、この第1の電極に対向して配置された第
2の電極と、これらの第1および第2の電極に挟まれた
強誘電体薄膜とを少なくとも備える記憶用キャパシタ
と;この記憶用キャパシタの第1の電極に接続された第
3の電極と、この第3の電極に対向して配置された第4
の電極と、これらの第3および第4の電極に挟まれた誘
電体薄膜とを少なくとも備える参照用キャパシタと;記
憶用キャパシタの第1の電極および参照用キャパシタの
第3の電極に共に接続されたゲート電極を有する読み出
し用トランジスタと;第1の電極、第3の電極、ゲート
電極の3つの接続点であるストレージノードの電位を調
整する制御用トランジスタと;を少なくとも具備するメ
モリセルを複数個マトリックス状に配置したことを特徴
としている。すなわち、第1の基本構成に係る半導体記
憶装置は、記憶用キャパシタ、参照用キャパシタおよび
読み出し用トランジスタ、制御用トランジスタを少なく
とも具備したメモリセルを、複数個マトリックス状に配
置したでものである。
In order to achieve the above object, a semiconductor memory device according to a first basic structure of the present invention comprises:
A storage capacitor comprising at least a first electrode, a second electrode arranged opposite to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes; A third electrode connected to the first electrode of the storage capacitor and a fourth electrode arranged opposite to the third electrode.
And a reference capacitor comprising at least a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes; and a capacitor connected together to the first electrode of the storage capacitor and the third electrode of the reference capacitor. A plurality of memory cells each including at least a read transistor having a gate electrode provided therein; and a control transistor for adjusting a potential of a storage node which is a connection point between the first electrode, the third electrode, and the gate electrode. It is characterized by being arranged in a matrix. That is, in the semiconductor memory device according to the first basic configuration, a plurality of memory cells each including at least a storage capacitor, a reference capacitor, a read transistor, and a control transistor are arranged in a matrix.

【0018】本発明では、以下の説明において、記憶用
キャパシタの第1の電極、参照用キャパシタの第3の電
極、および読み出し用トランジスタのゲート電極のすべ
ての接続点となるノードを「ストレージノード」と呼
ぶ。本発明の第1の基本構成において、記憶用キャパシ
タと参照用キャパシタとの直列回路の両端に、外部電圧
Aを加えたとき、このストレージノードの電位VGは、
記憶用キャパシタと参照用キャパシタの分極−電圧曲線
(P−V曲線)の交点で示される。強誘電体薄膜を有す
る記憶用キャパシタは、強誘電ヒステリシス曲線を持つ
ので、読み出し動作前に、予め、“1”あるいは“0”
の記憶に相当する分極状態にしておくことができる。こ
の、予め設定した分極状態に応じて、記憶用キャパシタ
のP−V曲線が異なり、したがって、P−V曲線の交点
で示されるVGは異なる2値をとることができる。この
異なるVGにより読み出し用トランジスタをオン/オフ
制御すれば読み出し信号線に“1”あるいは“0”の記
憶状態に対応した信号を出力することができる。
In the present invention, in the following description, a node that is a connection point between the first electrode of the storage capacitor, the third electrode of the reference capacitor, and the gate electrode of the read transistor is referred to as a “storage node”. Call. In the first basic structure of the present invention, across the series circuit of the reference capacitor and the storage capacitor, when applying an external voltage V A, the potential V G of the storage node,
It is indicated by the intersection of the polarization-voltage curve (PV curve) of the storage capacitor and the reference capacitor. Since a storage capacitor having a ferroelectric thin film has a ferroelectric hysteresis curve, "1" or "0" is read before the read operation.
Can be kept in a polarization state corresponding to the memory of This, depending on the polarization state previously set, different P-V curve of the storage capacitor, thus, V G represented by a point of intersection P-V curve can assume two different values. It is possible to output a signal corresponding to the storage state of the by different V G to the read signal line when the on / off control of the read transistor "1" or "0".

【0019】本発明の第1の基本構成においては、記憶
用キャパシタの第1および第2の電極間に制御用トラン
ジスタを接続することが好ましい。すなわち、記憶用キ
ャパシタと並列に制御用トランジスタを設置することに
より、ストレージノードのフローティング/ショート状
態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動
作速度を速くすることができる。また、読み出し時に
は、まず記憶用キャパシタを制御用トランジスタで短絡
し、参照用キャパシタのみに電圧を加えてプリチャージ
を行ない、次に制御用トランジスタを遮断状態にし、記
憶用キャパシタの第1および第2の電極間に低電圧の逆
電位を加えて、分極状態を反転するプリチャージ併用読
み出し方式が可能になる。本発明では、以下の説明にお
いて、記憶用キャパシタと、この記憶用キャパシタに並
列接続された制御用トランジスタからなるユニットを
「記憶セル」と呼ぶ。
In the first basic configuration of the present invention, it is preferable to connect a control transistor between the first and second electrodes of the storage capacitor. That is, by arranging the control transistor in parallel with the storage capacitor, the floating / short state of the storage node can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed. At the time of reading, first, the storage capacitor is short-circuited by the control transistor, precharging is performed by applying a voltage only to the reference capacitor, and then the control transistor is turned off, and the first and second storage capacitors are turned off. , A low-voltage reverse potential is applied between the electrodes to invert the polarization state, thereby enabling a precharge combined readout method. In the present invention, in the following description, a unit including a storage capacitor and a control transistor connected in parallel to the storage capacitor is referred to as a “memory cell”.

【0020】また、本発明の第1の基本構成において、
参照用キャパシタの第3および第4の電極間に制御用ト
ランジスタを接続することが好ましい。参照用キャパシ
タと並列に制御用トランジスタを設置することにより、
ストレージノードのフローティング/ショート状態を、
読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度
を速くすることができる。また、書き込み時には参照用
キャパシタの第3および第4の電極間を制御用トランジ
スタで短絡して(パスして)記憶用キャパシタのみに電
圧を加えることにより、低電圧書き込みが可能になる。
本発明では、以下の説明において、参照用キャパシタ
と、この参照用キャパシタに並列接続された制御用トラ
ンジスタからなるユニットを「参照セル」と呼ぶことに
する。
Further, in the first basic configuration of the present invention,
Preferably, a control transistor is connected between the third and fourth electrodes of the reference capacitor. By installing a control transistor in parallel with a reference capacitor,
The floating / short state of the storage node
The operation speed can be increased by quickly switching between read / write and standby. Further, at the time of writing, the third and fourth electrodes of the reference capacitor are short-circuited (passed) by the control transistor, and a voltage is applied only to the storage capacitor, thereby enabling low-voltage writing.
In the present invention, in the following description, a unit including a reference capacitor and a control transistor connected in parallel to the reference capacitor will be referred to as a “reference cell”.

【0021】さらに、本発明の第1の基本構成におい
て、記憶用キャパシタの第1および第2の電極間に接続
された第1の制御用トランジスタと、参照用キャパシタ
の第3および第4の電極間に接続された第2の制御用ト
ランジスタを具備することが好ましい。読み出し時に
は、まず第1の制御用トランジスタを導通状態とし、記
憶用キャパシタを短絡し、第2の制御用トランジスタを
遮断状態とし、参照用キャパシタのみに電圧を加えてプ
リチャージを行なう。一方、書き込み時には、第2の制
御用トランジスタを導通状態とし、参照用キャパシタの
第3および第4の電極間を第2の制御用トランジスタに
より短絡させて(パスして)、第1の制御用トランジス
タを遮断状態とし、記憶用キャパシタのみに電圧を加え
ることにより、低電圧書き込みが可能になる。また、第
1および第2の制御用トランジスタを設置することによ
り、ストレージノードのフローティング/ショート状態
を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作
速度を速くすることができる。
Further, in the first basic configuration of the present invention, a first control transistor connected between the first and second electrodes of the storage capacitor, and a third and fourth electrode of the reference capacitor It is preferable to include a second control transistor connected therebetween. At the time of reading, first, the first control transistor is turned on, the storage capacitor is short-circuited, the second control transistor is turned off, and precharging is performed by applying a voltage only to the reference capacitor. On the other hand, at the time of writing, the second control transistor is turned on, and the third and fourth electrodes of the reference capacitor are short-circuited (passed) by the second control transistor, and the first control transistor is turned off. By turning off the transistor and applying a voltage only to the storage capacitor, low-voltage writing can be performed. Further, by providing the first and second control transistors, the floating / short state of the storage node can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed.

【0022】本発明の第1の基本構成によれば、プロセ
スの容易さ、小さなメモリセル構成でかつスケーリング
可能な高集積密度半導体記憶装置を提供することが可能
になる。特に、微細化に対しては、記憶用キャパシタ、
参照用キャパシタ、制御用トランジスタ(第1/第2の
制御用トランジスタ)および読み出し用トランジスタの
ゲートキャパシタの全てが比例縮小するので、MFS−
FETと同様に完全なスケーリングが可能になる。
According to the first basic configuration of the present invention, it is possible to provide a scalable high-density semiconductor memory device that is easy to process, has a small memory cell configuration, and is scalable. In particular, for miniaturization, storage capacitors,
Since all of the reference capacitor, the control transistor (first / second control transistor), and the gate capacitor of the read transistor are reduced in proportion, the MFS-
Full scaling is possible as with FETs.

【0023】本発明の第2の基本構成は、第1の電極
と、この第1の電極に対向して配置された第2の電極
と、これらの第1および第2の電極に挟まれた強誘電体
薄膜とを少なくとも具備した記憶用キャパシタと、第1
および第2の電極間に接続された制御用トランジスタと
からなる記憶セルが複数個直列接続された記憶セル列
(記憶セルチェーン)と;この記憶セル列(記憶セルチ
ェーン)の端部に位置する記憶用キャパシタの第1の電
極に電気的に接合した第3の電極と、この第3の電極に
対応して配置された第4の電極と、これら第3および第
4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備した
参照用キャパシタと;第1および第3の電極に電気的に
接合したゲート電極を有する読み出し用トランジスタ
と;を少なくとも具備したメモリセルブロックを複数個
マトリックス状に配置したことを特徴としている。ここ
で、「電気的に結合した」とは直接的な接続以外に、短
絡状態になった記憶用キャパシタや記憶セル列(記憶セ
ルチェーン)等が間に存在する状態の回路構成を許容す
る意である。本発明の第2の基本構成における記憶セル
列(記憶セルチェーン)をランダムにアクセスするため
には、ブロック選択トランジスタを各記憶セル列に接続
すればよい。
According to a second basic configuration of the present invention, a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a first electrode and a second electrode sandwiched between the first and second electrodes are provided. A storage capacitor comprising at least a ferroelectric thin film;
A storage cell array (storage cell chain) in which a plurality of storage cells each including a control transistor connected between the second electrodes are connected in series; and located at an end of the storage cell array (storage cell chain). A third electrode electrically connected to the first electrode of the storage capacitor, a fourth electrode arranged corresponding to the third electrode, and sandwiched between the third and fourth electrodes; A plurality of memory cell blocks including at least a reference capacitor having at least a dielectric thin film; and a read transistor having a gate electrode electrically connected to the first and third electrodes are arranged in a matrix. It is characterized by: Here, “electrically coupled” means that a circuit configuration in which a short-circuited storage capacitor, a storage cell column (storage cell chain), or the like exists between the storage capacitor and the storage device other than the direct connection is allowed. It is. In order to randomly access a memory cell column (memory cell chain) in the second basic configuration of the present invention, a block selection transistor may be connected to each memory cell column.

【0024】本発明の第2の基本構成において記憶セル
列がn個の記憶セルの直列接続からなるとすれば、この
n個の記憶セル、ブロック選択トランジスタ、読み出し
トランジスタ、および参照用キャパシタ等を含んだ1個
のブロックの面積を考慮すれば、メモリセルユニットは
最小4F2のサイズとなるので、メモリセル1個当りの
寸法を(4+20/n)F2ないし(4+14/n)F2
程度にすることが可能となり、高集積密度化が可能とな
る。さらに、本発明の第2の特徴によれば、製造プロセ
スが容易で、かつパターン寸法のスケーリングが可能な
高集積密度半導体記憶装置を提供することができる。特
に、微細化に対しては、記憶用キャパシタ、参照用キャ
パシタ、制御用トランジスタおよび読み出し用トランジ
スタのゲートキャパシタの全てが比例縮小するので、M
FS−FETと同様の完全なスケーリングが可能にな
る。記憶セル列内の特定の記憶用キャパシタを選択する
ためには、他の記憶用キャパシタに並列接続されて制御
用トランジスタを導通状態とし、対象とした特定の記憶
用キャパシタに並列接続されている制御用トランジスタ
のみを遮断状態とすればよい。この場合、記憶セル列内
の参照用キャパシタから遠い記憶用キャパシタを選択す
ると、参照用キャパシタと選択した記憶用キャパシタの
間に存在する記憶セルの制御用トランジスタの寄生容量
が、参照用キャパシタの容量に足し合わさるため、記憶
情報の読み出し動作に影響する場合が考えられる。この
場合には各位置の記憶セルの容量を、参照用キャパシタ
の容量と制御用トランジスタの寄生容量の和に対して、
なるべく1:1に近くなるように調節することにより解
決することができる。具体的には、参照用キャパシタに
近い記憶セルの記憶用キャパシタの残留分極量より、参
照用キャパシタより遠い場所の記憶セルの記憶用キャパ
シタの残留分極量を徐々に大きくすればよい。
In the second basic configuration of the present invention, assuming that a storage cell row is composed of a series connection of n storage cells, the storage cell array includes the n storage cells, a block selection transistor, a read transistor, a reference capacitor, and the like. Considering the area of only one block, the memory cell unit has a minimum size of 4F 2 , so the size per memory cell is (4 + 20 / n) F 2 to (4 + 14 / n) F 2
, And high integration density can be achieved. Further, according to the second feature of the present invention, it is possible to provide a high-integration-density semiconductor memory device in which a manufacturing process is easy and a pattern dimension can be scaled. In particular, with respect to miniaturization, since all of the storage capacitor, the reference capacitor, the control transistor, and the gate capacitor of the read transistor are reduced proportionally, M
Full scaling similar to FS-FET is possible. In order to select a specific storage capacitor in a storage cell column, a control transistor connected in parallel to another storage capacitor to make the control transistor conductive, and a control connected in parallel to the target specific storage capacitor It is sufficient that only the use transistor is turned off. In this case, when a storage capacitor far from the reference capacitor in the storage cell column is selected, the parasitic capacitance of the control transistor of the storage cell existing between the reference capacitor and the selected storage capacitor becomes the capacitance of the reference capacitor. In some cases, it may affect the operation of reading stored information. In this case, the capacitance of the storage cell at each position is determined by the sum of the capacitance of the reference capacitor and the parasitic capacitance of the control transistor.
The problem can be solved by adjusting the ratio as close to 1: 1 as possible. Specifically, the remanent polarization of the storage capacitor of the storage cell farther from the reference capacitor may be gradually increased than the remanent polarization of the storage capacitor of the storage cell closer to the reference capacitor.

【0025】本発明の第2の基本構成において、記憶用
キャパシタに並列接続されている制御用トランジスタを
「第1の制御用トランジスタ」と呼ぶこととして、さら
に参照用キャパシタの第3および第4の電極間に第2の
制御用トランジスタを接続することが好ましい。参照用
キャパシタと並列に第2の制御用トランジスタを設置し
た参照セルを構成することにより、ストレージノードの
フローティング/ショート状態を、読み書き時とスタン
バイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることがで
きる。また、書き込み時には参照用キャパシタの第3お
よび第4の電極間を第2の制御用トランジスタで短絡し
て(パスして)記憶用キャパシタのみに電圧を加えるこ
とにより、低電圧書き込みが可能になる。
In the second basic configuration of the present invention, the control transistor connected in parallel to the storage capacitor is referred to as a “first control transistor”, and the third and fourth reference capacitors are referred to as “first control transistor”. It is preferable to connect a second control transistor between the electrodes. By configuring the reference cell in which the second control transistor is provided in parallel with the reference capacitor, the floating / short state of the storage node can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed. . In addition, at the time of writing, the third and fourth electrodes of the reference capacitor are short-circuited (passed) by the second control transistor to apply a voltage only to the storage capacitor, thereby enabling low-voltage writing. .

【0026】なお、本発明の第1および第2の基本構成
に共通した事項であるが、参照用キャパシタに読み出し
電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成
分を含む電荷量が、記憶用キャパシタに読み出し電圧に
相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含
む電荷量の、1/4以上4倍以内であることが好まし
い。特に、記憶用強誘電体キャパシタと参照用キャパシ
タの実効的な容量をほぼ等しくすることで、強誘電体キ
ャパシタの反転電圧をVCとすると、約2VGの動作電圧
で強誘電体キャパシタを反転させることができる。また
これと共に、当初の強誘電体キャパシタの分極状態に応
じて、ストレージノードにVG程度の電圧差異を発生さ
せることができるので、ストレージノードの電位によっ
て読み出しトランジスタを直接スイッチングすることが
可能になる。
It should be noted that although the first and second basic configurations of the present invention have a common feature, the amount of electric charge including a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to a reference capacitor is: It is preferable that the charge amount is not less than 1/4 and not more than 4 times the amount of charge including the domain-inverted component obtained when a voltage corresponding to the read voltage is applied to the storage capacitor. In particular, the effective capacitance of the reference capacitor and ferroelectric memory capacitor by approximately equal, when the inversion voltage of the ferroelectric capacitor and V C, inverting the ferroelectric capacitor at the operating voltage of approximately 2V G Can be done. Together with this, depending on the polarization state of the original of the ferroelectric capacitor, it is possible to generate a voltage difference of about V G to the storage node, it is possible to directly switching the read transistor by the potential of the storage node .

【0027】さらに、本発明の第1および第2の基本構
成のいずれにも同様であるが、参照用キャパシタの誘電
体薄膜は常誘電体薄膜でも強誘電体薄膜であっても構わ
ない。参照用キャパシタを強誘電体薄膜で構成すれば、
記憶用キャパシタと参照用キャパシタを同一のプロセス
で同時に作成可能になり、プロセスの簡略化と製造歩留
まりの向上を図ることができ、非常に大きなメリットが
ある。
Further, the same applies to both the first and second basic configurations of the present invention, but the dielectric thin film of the reference capacitor may be a paraelectric thin film or a ferroelectric thin film. If the reference capacitor is made of a ferroelectric thin film,
The storage capacitor and the reference capacitor can be simultaneously formed in the same process, so that the process can be simplified and the manufacturing yield can be improved, which is a great advantage.

【0028】本発明の第1および第2の基本構成に係る
半導体記憶装置を既存のDRAMやFeRAMと比較す
ると以下のような長所が列挙できる。即ち、(1)メモ
リセルユニットは最小4F2のサイズであり、(2)蓄
積電荷の絶対値が不要であり面積縮小に対するスケーリ
ングが可能であり、(3)スタンバイ時には強誘電体キ
ャパシタを等電位に保持できるので安定であり、(4)
キャパシタのリークやトランジスタの接合リークに対し
て敏感でなく、このためセル分離も容易となり、(5)
ランダム・アクセスが可能となり、(6)DRAMと同
程度の動作速度を確保でき、(7)クロスポイントのセ
ルだけの読み出し/書き込み(R/W)であるため、低
消費電力であり、(8)読み出しがバスレベルであるた
め、ノイズに対して敏感でなくなり、(9)ビット線モ
ードのソフトエラーに対してもスケーリング則が当ては
まり、ソフトエラーが問題とはならず、(10)読み出し
アンプをブロック内に有するために、ビット線毎のセン
スアンプは不要である、等が挙げられる。また、敢えて
短所を挙げるなら、破壊読出しであるための強誘電体キ
ャパシタの疲労劣化が懸念されるが、最近エピタキシャ
ル成長したBSTO強誘電体キャパシタが開発され、こ
の疲労劣化が問題はなくなっている。
When the semiconductor memory device according to the first and second basic configurations of the present invention is compared with an existing DRAM or FeRAM, the following advantages can be listed. That is, (1) the memory cell unit has a minimum size of 4F 2 , (2) the absolute value of the stored charge is unnecessary, and scaling for area reduction is possible, and (3) the ferroelectric capacitor is set at the same potential during standby. (4)
It is not sensitive to capacitor leakage or transistor junction leakage, which facilitates cell separation, and (5)
Random access becomes possible, (6) operation speed comparable to that of DRAM can be secured, and (7) read / write (R / W) only for cross-point cells, low power consumption and (8) ) Since the reading is at the bus level, it is less sensitive to noise. There is no need for a sense amplifier for each bit line because it is included in a block. In addition, there is a concern that fatigue deterioration of the ferroelectric capacitor due to destructive readout is concerned. However, a BSTO ferroelectric capacitor which has been epitaxially grown recently has been developed, and the fatigue deterioration has no problem.

【0029】次に、本発明の第3の基本構成に係る半導
体装置は、直列接続された複数の選択用MOSトランジ
スタと、これら選択用トランジスタの共通主電極毎に接
続された蓄積電極に対向するプレート電極に挟まれた誘
電体薄膜よりなる記憶用キャパシタとからなるNAND
型記憶セル列と、前記記憶セル列の端部に位置する選択
用トランジスタの主電極に電気的に結合した参照用キャ
パシタと、前記選択用トランジスタの主電極と参照用キ
ャパシタの接続部に電気的に結合したゲート電極を有す
る読み出し用トランジスタとを少なくとも具備したメモ
リセルブロックを、複数個マトリックス状に配置したこ
とを特徴とする。
Next, the semiconductor device according to the third basic configuration of the present invention faces a plurality of selection MOS transistors connected in series and storage electrodes connected to common common electrodes of these selection transistors. NAND consisting of a storage capacitor consisting of a dielectric thin film sandwiched between plate electrodes
A type storage cell column, a reference capacitor electrically coupled to a main electrode of a selection transistor located at an end of the storage cell column, and an electrical connection to a connection between the main electrode of the selection transistor and the reference capacitor. And a plurality of memory cell blocks each including at least a read transistor having a gate electrode coupled thereto.

【0030】この第3の基本構成の主眼は、誘電体キャ
パシタを使用したNAND型の記憶セル列と、参照用キ
ャパシタを直列に接続し、両者の接続点であるストレー
ジノードの電位を読み出し用トランジスタのゲート電極
に加えることにより記憶セルブロック毎の読み出しを行
なうところにある。すなわち、NANDセル列中のトラ
ンジスタにより選択された1個の記憶用キャパシタと参
照用キャパシタとの直列回路の両端に、外部電圧VA
加えたときに、このストレージノードNの電位V
Gは、記憶用キャパシタと参照用キャパシタの分極−電
圧曲線(P−V曲線)の交点で示される。
The main feature of the third basic configuration is that a NAND-type memory cell array using a dielectric capacitor and a reference capacitor are connected in series, and the potential of a storage node, which is a connection point between the two, is read by a read transistor. Readout for each memory cell block. In other words, across the series circuit of the one memory capacitor which is selected by the transistors in the NAND cell column and the reference capacitor, when applying an external voltage V A, the potential of the storage node N S V
G is indicated by the intersection of the polarization-voltage curve (PV curve) of the storage capacitor and the reference capacitor.

【0031】第3基本構成において、強誘電体薄膜を有
する記憶用キャパシタは、強誘電ヒステリシス曲線を持
つので、読み出し動作前に予め“1”あるいは“0”の
記憶に相当する分極状態にしておくことができる。この
予め設定した分極状態に応じて記憶用キャパシタのP−
V曲線が異なり、従ってP−V曲線の交点で示されるV
Gは異なる2値をとることができる。この異なるVGによ
り読み出し用トランジスタをオン/オフ制御すれば読み
出し信号線に“1”あるいは“0”の記憶状態に対応し
た信号を出力することができる。
In the third basic configuration, since the storage capacitor having the ferroelectric thin film has a ferroelectric hysteresis curve, it is set in a polarization state corresponding to the storage of "1" or "0" before the read operation. be able to. According to the preset polarization state, the P-
V curves are different, and therefore V indicated by the intersection of the PV curves
G can take two different values. It is possible to output a signal corresponding to the storage state of the by different V G to the read signal line when the on / off control of the read transistor "1" or "0".

【0032】一方、常誘電体薄膜を有する記憶用キャパ
シタでは、“1”あるいは“0”の記憶に相当する電荷
を記憶用キャパシタに蓄積して選択用トランジスタをオ
フにすることにより、リフレッシュサイクル内で記憶状
態を保持することができる。読み出し時に選択用トラン
ジスタをオンにして、記憶用キャパシタと参照用キャパ
シタを接続すれば、予め蓄積した記憶用キャパシタの電
荷量に応じてストレージノードNの電圧VGは異なる
2値をとることができる。この異なるVGにより読み出
し用トランジスタをオン/オフ制御すれば読み出し信号
線に“1”あるいは“0”の記憶状態に対応した信号を
出力することができる。
On the other hand, in the storage capacitor having a paraelectric thin film, the charge corresponding to the storage of "1" or "0" is stored in the storage capacitor and the selection transistor is turned off, so that the refresh cycle is reduced. Can hold the stored state. Check the selection transistor during reading, by connecting the reference capacitor and the storage capacitor, the voltage V G of the storage node N S in accordance with the pre-charge amount of accumulated memory capacitor can take two different values it can. It is possible to output a signal corresponding to the storage state of the by different V G to the read signal line when the on / off control of the read transistor "1" or "0".

【0033】前述したようにNAND型メモリセルは、
最小4F2の面積が可能であるが、従来の回路ではメモ
リセル内の誘電体キャパシタの蓄積電荷をビット線容量
で読み出してセンスアンプで判定するため、ビット線容
量に対して所定の割合の蓄積電荷容量が必要となり、こ
のため微細化が困難であった。これに対して、本発明の
第3の基本構成に係る半導体装置によれば、記憶用キャ
パシタの蓄積電荷を参照用キャパシタの容量で読み出
し、ブロック内の読み出し用トランジスタで判定してい
る。このため、記憶用キャパシタ、参照用キャパシタ、
トランジスタのゲートキャパシタの全てを比例縮小する
ことができるので、MFS−FETと同様に面積に対し
て完全なスケーリングが可能になり、ギガビットクラス
にまで高集積化された半導体記憶装置を実現することが
できる。
As described above, the NAND memory cell is
While it is possible area of minimum 4F 2, in the conventional circuit for determining the sense amplifier reads the charge accumulated in the dielectric capacitor in a memory cell in the bit line capacitance, the accumulation of a predetermined ratio with respect to the bit line capacitance A charge capacity is required, which makes it difficult to miniaturize. On the other hand, according to the semiconductor device of the third basic configuration of the present invention, the charge stored in the storage capacitor is read by the capacitance of the reference capacitor, and the determination is made by the read transistor in the block. Therefore, storage capacitors, reference capacitors,
Since all of the gate capacitors of the transistors can be proportionally reduced, the area can be completely scaled in the same manner as the MFS-FET, and a highly integrated semiconductor memory device of the gigabit class can be realized. it can.

【0034】また、多数の記憶セルからなるNAND型
メモリセルブロックに対して、1個の参照用キャパシタ
および1個の読み出し用トランジスタを付加すれば済む
ため全体としても4F2に近い小さなメモリセル面積が
可能となる。
Further, since only one reference capacitor and one read transistor need be added to the NAND type memory cell block composed of a large number of memory cells, a small memory cell area close to 4F 2 as a whole is required. Becomes possible.

【0035】本発明の第3の基本構成に係る半導体記憶
装置を既存のDRAMやFeRAMと比較すると以下の
ような長所が列挙できる。即ち、(1)メモリセルユニ
ットは最小4F2のサイズであり、(2)蓄積電荷の絶
対値が不要であるため、面積縮小に対するスケーリング
が可能となり、(3)スタンバイ時には強誘電体キャパ
シタを等電位に保持できるので安定となり、(4)強誘
電体キャパシタを記憶用キャパシタに使用すれば、記憶
保持がキャパシタのリークや、トランジスタの接合リー
クに対して敏感でなくなり、セル分離も容易となり、
(5)DRAMと同程度の動作速度を確保でき、(6)
ビット線への読み出しがバスレベルであるため、ノイズ
に対しても敏感でなくなり、(7)ソフトエラーに対し
てもスケーリング則が当てはまり、不敏感となり、
(8)読み出しアンプをブロック内に有するために、ビ
ット線毎のセンスアンプが不要となり、(9)記憶用キ
ャパシタの片方が共通にプレート電極に接続されている
ため、セル構造やプロセスが容易である、等である。
When the semiconductor memory device according to the third basic configuration of the present invention is compared with an existing DRAM or FeRAM, the following advantages can be listed. That is, (1) the memory cell unit has a minimum size of 4F 2 , (2) the absolute value of the accumulated charge is unnecessary, so that scaling for area reduction is possible, and (3) the ferroelectric capacitor is used during standby. (4) If a ferroelectric capacitor is used as a storage capacitor, storage is less sensitive to capacitor leakage and transistor junction leakage, and cell isolation is facilitated.
(5) The same operation speed as that of the DRAM can be secured, and (6)
Since the read to the bit line is at the bus level, the bit line is not sensitive to noise.
(8) Since the read amplifier is provided in the block, a sense amplifier for each bit line is not required. (9) Since one of the storage capacitors is commonly connected to the plate electrode, the cell structure and process are easy. Yes, etc.

【0036】また、敢えて短所を挙げるなら、NAND
構造であるために1ビット毎のランダムアクセスができ
ず、ブロック単位のR/Wであることである。また、破
壊読み出しであるため強誘電体キャパシタの疲労劣化が
懸念されるが、最近エピタキシャル成長したBSTO強
誘電体キャパシタが開発されており、第1および第2の
基本構成に係る半導体記憶装置と同様に、このような疲
労劣化の問題はかなり軽減されてきている。
If the disadvantages are to be mentioned, the NAND
Because of the structure, random access for each bit cannot be performed, and R / W is performed in block units. In addition, the fatigue readout of the ferroelectric capacitor is feared due to the destructive readout. However, a BSTO ferroelectric capacitor which has been epitaxially grown recently has been developed. However, such a problem of fatigue deterioration has been considerably reduced.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体記憶装
置の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら
詳細に説明する。具体的な実施形態を説明する前に、図
1ないし図15を用いて、本発明の基本的な動作をさら
に詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a semiconductor memory device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Before describing a specific embodiment, the basic operation of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS.

【0038】図1に示す等価回路図において、半導体記
憶装置は、第1の電極、この第1の電極に対向して配置
された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に
挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備した記憶用キ
ャパシタCMと、記憶用キャパシタCMの第1の電極に接
続された第3の電極、この第3の電極に対向して配置さ
れた第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟
まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備した参照用キャパ
シタCREFと、記憶用キャパシタCMの第1の電極および
参照用キャパシタCREFの第3の電極に接続されたゲー
ト電極を有する読み出し用トランジスタQREADと、記憶
用キャパシタCMの第1の電極と参照用キャパシタCREF
の第3の電極との接続点にソースまたはドレインが接続
された制御用トランジスタQと、を少なくとも具備し
たメモリセルである。
In the equivalent circuit diagram shown in FIG. 1, the semiconductor memory device includes a first electrode, a second electrode opposed to the first electrode, and a first electrode and a second electrode. a memory capacitor C M for a ferroelectric thin film sandwiched between the at least includes, a third electrode connected to a first electrode of the memory capacitor C M, which is arranged to face the third electrode fourth electrode, and the these three and the reference capacitor C REF that at least and a dielectric film sandwiched between the fourth electrode, the first electrode and the reference capacitor C REF of the memory capacitor C M A read transistor Q READ having a gate electrode connected to the third electrode of the storage capacitor C M, a first electrode of the storage capacitor C M , and a reference capacitor C REF
, A control transistor Q C where the source or drain connected to a connection point between the third electrode of which is at least provided with a memory cell.

【0039】図2(a)(b)は、図1に示した記憶用
キャパシタCMと、常誘電体薄膜を用いた参照用キャパ
シタCREFとを直列に接続したセルのA−B端子間に、
外部電圧を印加したときの記憶“1”の読み出し動作
と、記憶“0”読み出し動作の動作線図を示す。ここ
で、図2(a)および(b)に示す分極−電圧曲線(P
−V曲線)は、横軸に電圧(V)が、縦軸に誘電分極
(P)が示される。記憶用キャパシタとしての強誘電体
キャパシタCMの反転電圧をVC、外部印加電圧をVA
両キャパシタの接続点であるストレージノードNの電
位をVGとする。強誘電体キャパシタCMのP−V曲線
は、図2(a)(b)に示すような強誘電ヒステリシス
曲線を有することになる。図2(a)は、強誘電体キャ
パシタCMが、読み出し動作前に予め、“1”の記憶に
相当する分極状態にしてある場合で、図2(b)は、強
誘電体キャパシタCMが、“0”の記憶に相当する分極
状態にしてある場合を示す。常誘電体薄膜を用いた参照
用キャパシタCREFは容量に相当する傾きを持つ直線で
表される。
FIG. 2 (a) (b) includes a storage capacitor C M shown in FIG. 1, between the A-B terminal of the cell to the reference capacitor C REF with paraelectric thin film are connected in series To
The operation diagram of the memory “1” read operation and the memory “0” read operation when an external voltage is applied is shown. Here, the polarization-voltage curves (P) shown in FIGS.
-V curve), the horizontal axis represents voltage (V) and the vertical axis represents dielectric polarization (P). The inversion voltage of the ferroelectric capacitor C M as a storage capacitor V C, the externally applied voltage V A,
The potential of the storage node N S is the connecting point of the capacitors and V G. P-V curve of the ferroelectric capacitor C M will have a ferroelectric hysteresis curve as shown in FIG. 2 (a) (b). 2 (a) is, in the case where the ferroelectric capacitor C M is, in advance before the read operation, are the polarization state corresponding to a storage of "1", FIG. 2 (b), the ferroelectric capacitor C M Shows a case in which a polarization state corresponding to storage of “0” is set. The reference capacitor C REF using a paraelectric thin film is represented by a straight line having a slope corresponding to the capacitance.

【0040】セルのA−B端子間に外部電圧Vを加え
たとき、ストレージノードNの電位VGは、記憶用キ
ャパシタと参照用キャパシタのP−V曲線の交点で示さ
れる。図2(a)および図2(b)から分かるように、
P−V曲線が異なるので、予め、“1”の記憶に相当す
る分極状態にしてある場合のストレージノードの電位V
G 1と“0”の記憶に相当する分極状態にされている場合
のストレージノードの電位VG 0とは異なる。
[0040] When adding an external voltage V A between the cells of the A-B terminal, the potential V G of the storage node N S is represented by a point of intersection P-V curve of the reference capacitor and the storage capacitor. As can be seen from FIGS. 2 (a) and 2 (b),
Since the PV curves are different, the potential V of the storage node in the case where the polarization state corresponding to the storage of “1” is set in advance.
Different from the electric potential V G 0 of the storage node when it is in the polarization state corresponding to the storage in G 1 and "0".

【0041】記憶用キャパシタCMを反転させるための
電圧VAは、参照用キャパシタCREFの容量が大きい(図
2(a)および図2(b)でいうと傾きが大きい)ほど
低くなるため、参照用キャパシタCREFの容量は大きい
方が望ましい。一方、VAを加えたときにVGで読み出さ
れる電圧の記憶状態による差△VG=VG 1−VG 0は、逆
に参照用キャパシタCREFの容量が小さいほど大きくな
る。この点では参照用キャパシタの容量は小さい方が望
ましい。したがって、反転電圧と読み出し電圧の双方を
勘案すると、記憶用キャパシタCMと参照用キャパシタ
REFの実質的な容量が同程度、すなわち記憶用キャパ
シタCMに反転電圧を加えたときに得られる反転分極電
荷と、反転電圧と同じ電圧を参照用キャパシタCREF
加えたときに得られる電荷が、ほぼ同程度であることが
望ましい。より広くは、実質的な容量の比は、1/4以
上4倍以内程度が許容される。
The voltage V A for inverting the storage capacitor C M becomes lower as the capacitance of the reference capacitor C REF is larger (the slope is larger in FIGS. 2A and 2B). It is desirable that the capacitance of the reference capacitor C REF be large. On the other hand, V difference by the storage state of the voltage read at V G when the plus A △ V G = V G 1 -V G 0 becomes more capacitance of the reference capacitor C REF conversely small increase. In this regard, it is desirable that the capacity of the reference capacitor be small. Therefore, when considering both the inversion voltage and the read voltage obtained when substantial capacitance of the reference capacitor C REF and the storage capacitor C M is plus comparable, i.e. inversion voltage in the storage capacitor C M inverted It is desirable that the polarization charge and the charge obtained when the same voltage as the inversion voltage is applied to the reference capacitor C REF are substantially the same. More broadly, a substantial capacity ratio of about 1/4 or more and up to about 4 times is allowed.

【0042】記憶用キャパシタCMと参照用キャパシタ
REFの容量比が1:1のとき、VAはVGの2倍程度と
なり、また記憶状態によるVGの差△VGは、ほぼVC
同程度になる。したがって、反転電圧1Vの記憶用キャ
パシタCMを使用すれば、VAは2V程度となり、△VG
として1V程度の差異が得られることになる。
The volume ratio of the storage capacitor C M and the reference capacitor C REF is 1: When 1, V A is two times the V G, also the difference △ V G of V G by the storage state is approximately V It is about the same as C. Thus, if the memory capacitor C M of the inverting voltage 1V, V A becomes about 2V, △ V G
As a result, a difference of about 1 V is obtained.

【0043】次に、ストレージノードNには読み出し
用トランジスタQREADのゲート電極を接続し、Vの差
△Vによる記憶状態の判別を行なう。このときに読み
出し用トランジスタQREADのゲート容量が記憶用キャパ
シタCMや参照用キャパシタCREFに並列に接続されるこ
とになるが、記憶用キャパシタCMとして残留分極が1
0μC/cm程度以上の通常の強誘電体キャパシタを
使用すれば、同じ面積の読み出し用トランジスタQREAD
のゲート容量は1/10以下であるから、ストレージノ
ードNの電位にほとんど変化を与えない。また、前述
の例では、VGの差△VGとして1V程度得られるので、
読み出し用トランジスタQREADとして用いるMOSトラ
ンジスタの閾値である700mV程度より大きくなり、
直接、ゲート電圧によるMOSトランジスタQREADのオ
ン/オフの制御による読み出しが可能になる。
Next, the storage node N S connects the gate electrode of the read transistor Q READ, discriminates storage state due to a difference △ V G of V G. The gate capacitance of the read transistor Q READ at this time is to be connected in parallel with the storage capacitor C M and reference capacitor C REF, the residual polarization as the memory capacitor C M is 1
When a normal ferroelectric capacitor of about 0 μC / cm 2 or more is used, the read transistor Q READ having the same area is used.
Since the gate capacitance is 1/10 or less, it has little change in the potential of the storage node N S. In the example described above, since the resulting about 1V as the difference △ V G of V G,
Becomes larger than the threshold value of about 700 mV of the MOS transistor used as the read transistor Q READ ,
Reading can be directly performed by controlling ON / OFF of the MOS transistor Q READ by the gate voltage.

【0044】また、記憶用キャパシタCMの強誘電ヒス
テリシス曲線の角型比が良い場合は参照用キャパシタC
REFに読み出された電荷を再利用することにより、読み
出し動作に引き続き再書き込みをすることができる。す
なわち、図3に示すように、読み出し電圧VRとは逆方
向に適当な再書き込み電圧VWを加えることにより、記
憶用キャパシタCMの分極を、ほぼ読み出し動作前の状
態に戻すことができる。
[0044] The storage capacitor C M of ferroelectric hysteresis reference capacitor when the squareness ratio is good for curve C
By reusing the charge read to REF , rewriting can be performed following the reading operation. That is, as shown in FIG. 3, the read voltage V R by adding a suitable rewrite voltage V W to the opposite direction, the polarization of the memory capacitor C M, can be returned to approximately the read operation state before .

【0045】図3(a)は、強誘電体キャパシタC
Mが、読み出し動作前に予め“1”の記憶に相当する分
極状態にしてあった場合を示し、図3(b)は、強誘電
体キャパシタCMが、“0”の記憶に相当する分極状態
にしてあった場合を示す。なお、図3(a)および図3
(b)のような連続再書き込みを行なわない場合には、
図7(a)に示すように、参照用キャパシタCREFに制
御トランジスタを並列接続し、この制御トランジスタを
導通状態(オン状態)にして、参照用キャパシタC REF
を短絡し、直接記憶用キャパシタCMのみに電圧を加え
て書き込みをすることができる。
FIG. 3A shows a ferroelectric capacitor C
MBefore the read operation, an amount equivalent to the storage of “1” in advance.
FIG. 3 (b) shows a case in which the electrodes are in a pole state.
Body capacitor CMIs the polarization state corresponding to the memory of "0"
Shows the case where 3A and FIG.
In the case where continuous rewriting as in (b) is not performed,
As shown in FIG. 7A, the reference capacitor CREFControl
Control transistors in parallel, and this control transistor
In the conductive state (ON state), the reference capacitor C REF
Is short-circuited and the capacitor C for direct storage isMApply voltage only to
You can write.

【0046】また、参照用キャパシタCREFを構成する
誘電体薄膜は、図1に示すような常誘電体薄膜の場合に
限られず、図4に示すような強誘電体薄膜であっても構
わない。参照用キャパシタCREFとして強誘電体を使用
し、図4に示す回路図においてA−B端子間に直接電圧
を加えて記憶を読み出す方法についてまず説明する。参
照用キャパシタとして強誘電体キャパシタを使用した場
合には、読み出す前に参照用キャパシタを一方向に分極
する必要がある。図4に示す回路図において、制御用ト
ランジスタをオンにし、B−C端子間に負の電圧を加え
て参照用キャパシタを一方向に分極させる。次に、制御
用トランジスタをオフにし、A−B端子間に記憶用キャ
パシタと参照用キャパシタに直列に負の読み出し電圧V
Aを加える。
The dielectric thin film forming the reference capacitor C REF is not limited to the paraelectric thin film as shown in FIG. 1, but may be a ferroelectric thin film as shown in FIG. . First, a method of using a ferroelectric material as the reference capacitor C REF and applying a voltage directly between the A and B terminals in the circuit diagram shown in FIG. When a ferroelectric capacitor is used as the reference capacitor, it is necessary to polarize the reference capacitor in one direction before reading. In the circuit diagram shown in FIG. 4, the control transistor is turned on, and a negative voltage is applied between the B and C terminals to polarize the reference capacitor in one direction. Next, the control transistor is turned off, and a negative read voltage V is serially connected between the AB terminal and the storage capacitor and the reference capacitor.
Add A.

【0047】図5(a)は、記憶用キャパシタCMが図
中の“1”の状態に書き込まれた場合の、読み出し動作
における動作線図を示す。端子Bに負の読み出し電圧V
Aを加えたときに、ストレージノードNの電位VGは、
記憶用キャパシタのP−V曲線と、参照用キャパシタの
P−V直線との交点で示され、そのときの電位はV G 1
なる。記憶用キャパシタが反対方向に分極している場
合、すなわち“0”の状態に書き込まれた場合の、読み
出し動作における動作線図を図5(b)に示す。全く同
様の解析から、ストレージノードの電位VG とが求ま
る。このように、記憶用キャパシタの反転電圧と参照用
キャパシタの和にほぼ相当する読み出し電圧VAを加え
ることで、常誘電体薄膜を参照用キャパシタに使用した
ときと同様に、記憶状態によりストレージノードで充分
な電圧の差VG 1−VG 0を得ることができる。
FIG. 5A shows a storage capacitor CMIs a figure
Read operation when written to the state of "1" in
FIG. Negative read voltage V is applied to terminal B
AIs added to the storage node NSPotential VGIs
The storage capacitor PV curve and the reference capacitor
It is indicated by the intersection with the PV straight line, and the potential at that time is V G 1When
Become. If the storage capacitor is polarized in the opposite direction
In other words, when reading is performed in the state of “0”,
FIG. 5B shows an operation diagram in the dispensing operation. Exactly the same
From the analysis, the potential V of the storage nodeG 0Sought
You. Thus, the inversion voltage of the storage capacitor and the reference voltage
Read voltage V approximately equivalent to the sum of capacitorsAAdd
As a result, the paraelectric thin film was used as a reference capacitor.
As before, the storage node is sufficient depending on the storage state
Voltage difference VG 1-VG 0Can be obtained.

【0048】次に、参照用キャパシタCREFとして強誘
電体薄膜を使用した場合のプリチャージモードによる読
み出しについて説明する。図4に示す回路図において、
制御用トランジスタをオンにし、端子AおよびCを等電
位に保ったまま端子Bに正の電圧Vpreeを加えて参照
用キャパシタを反転させるとともにプリチャージ動作を
行なう。次に、制御用トランジスタをオフにし、プリチ
ャージ電圧を0にして端子Bを端子AおよびCと等電位
に戻す。このときの動作線図を図6(a)および図6
(b)に示す。強誘電体キャパシタの場合は、分極反転
後の誘電率は小さいので、プリチャージによって蓄える
電荷は小さく、このプリチャージ電荷のみによって記憶
用キャパシタを分極反転させることはできない。しかし
ながら、記憶用キャパシタの分極方向によりP−V曲線
が異なるために、ストレージノードの電位差VG 1−VG 0
を同様に得ることができる。この読み出し方法は、強誘
電体キャパシタを使用しながら、強誘電体キャパシタを
反転せずに読み出せるという利点も有する。
Next, reading in the precharge mode when a ferroelectric thin film is used as the reference capacitor C REF will be described. In the circuit diagram shown in FIG.
The control transistor is turned on, and a positive voltage V pree is applied to the terminal B while the terminals A and C are kept at the same potential to invert the reference capacitor and perform a precharge operation. Next, the control transistor is turned off, the precharge voltage is set to 0, and the terminal B is returned to the same potential as the terminals A and C. The operation diagram at this time is shown in FIGS.
(B). In the case of a ferroelectric capacitor, since the dielectric constant after the polarization inversion is small, the charge stored by the precharge is small, and the polarization of the storage capacitor cannot be inverted only by the precharge. However, in order to P-V curve by the polarization direction of the memory capacitor are different, a potential difference V G 1 -V G 0 of the storage node
Can be obtained similarly. This read method also has the advantage that the ferroelectric capacitor can be read without inversion while using the ferroelectric capacitor.

【0049】なお、記憶用キャパシタCMとして、PZ
T系、SBT系(特に、ビスマス(Bi)を主成分とす
るSrBiTa9)、Baリッチ組成のエピタキ
シャルBSTO系の強誘電体薄膜からなる薄膜キャパシ
タを使用することが可能である。この内、特に安定性や
膜厚などの点でエピタキシャルBSTO系のキャパシタ
が優れている。また、参照用キャパシタCREFとして、
酸化シリコン(SiO2)、酸化タンタル(Ta
5)、Srリッチ組成のBSTOを使用した常誘電
体キャパシタや、上述の強誘電体キャパシタを使用する
ことができる。
[0049] Incidentally, as the storage capacitor C M, PZ
It is possible to use a thin film capacitor made of a T-based, SBT-based (particularly, SrBi 2 Ta 2 O 9 containing bismuth (Bi) as a main component), or a Ba-rich composition epitaxial BSTO-based ferroelectric thin film. Of these, epitaxial BSTO-based capacitors are particularly excellent in terms of stability and film thickness. Further, as a reference capacitor C REF ,
Silicon oxide (SiO 2 ), tantalum oxide (Ta
2 O 5), it can be used or paraelectric capacitor using BSTO the Sr-rich composition, the ferroelectric capacitor described above.

【0050】図7(a)ないし図7(b)は、本発明の
基本的な構成を説明するための回路図である。図7
(a)は、参照用キャパシタCREFの第3および第4の
電極間に制御用トランジスタを接続した場合の回路図で
ある。参照用キャパシタCREFと並列に制御用トランジ
スタを設置することにより、ストレージノードNのフ
ローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバ
イ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができ
る。また、書き込み時には参照用キャパシタCREFの第
3および第4の電極間を制御用トランジスタで短絡して
(パスして)記憶用キャパシタCMのみに電圧を加える
ことにより、低電圧書き込みが可能になる。
FIGS. 7A and 7B are circuit diagrams for explaining the basic configuration of the present invention. FIG.
(A) is a circuit diagram when a control transistor is connected between the third and fourth electrodes of the reference capacitor C REF . By installing a control transistor in parallel with the reference capacitor C REF, the storage node of the floating / short state of the N S, it is possible to increase the operating speed quickly switched during write time and standby. Further, by adding the third and fourth between the electrodes by short-circuit the control transistor (to pass) voltage only to the memory capacitor C M of the reference capacitor C REF when writing, to enable low voltage writing Become.

【0051】また、図7(b)は、前述したように記憶
用キャパシタCMの第1および第2の電極間に制御用ト
ランジスタを接続した場合を示す。記憶用キャパシタC
Mと並列に制御用トランジスタを設置することにより、
ストレージノードのフローティング/ショート状態を、
読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度
を速くすることができる。また、読み出し時には、まず
記憶用キャパシタCMを制御用トランジスタで短絡し、
参照用キャパシタCREFのみに電圧を加えてプリチャー
ジを行ない、次に制御用トランジスタを遮断状態にし、
記憶用キャパシタCMの第1および第2の電極間に低電
圧の逆電位を加えて、分極状態を反転するプリチャージ
併用読み出し方式が可能になる。
[0051] Further, FIG. 7 (b) shows a case of connecting the control transistor between the first and second electrode of the memory capacitor C M, as described above. Storage capacitor C
By installing a control transistor in parallel with M ,
The floating / short state of the storage node
The operation speed can be increased by quickly switching between read / write and standby. Further, at the time of reading, firstly short the memory capacitor C M in the control transistor,
Energized only to the reference capacitor C REF performs precharging, then the control transistor in the blocked state,
By applying a low-voltage reverse potential between the first and second electrodes of the storage capacitor C M , a precharge-combination read method of inverting the polarization state becomes possible.

【0052】そして、図7(c)は、記憶用キャパシタ
Mの第1および第2の電極間に接続された第1の制御
用トランジスタと、参照用キャパシタCREFの第3およ
び第4の電極間に接続された第2の制御用トランジスタ
を具備した場合の回路図である。読み出し時には、まず
第1の制御用トランジスタを導通状態とし、記憶用キャ
パシタCMを短絡し、第2の制御用トランジスタを遮断
状態とし、参照用キャパシタCREFのみに電圧を加えて
プリチャージを行なう。一方、書き込み時には、第2の
制御用トランジスタを導通状態とし、参照用キャパシタ
REFの第3および第4の電極間を第2の制御用トラン
ジスタで短絡する(パスする)。そして、第1の制御用
トランジスタを遮断状態とし、記憶用キャパシタCM
みに電圧を加えることにより、低電圧書き込みが可能に
なる。また、第1および第2の制御用トランジスタを設
置することにより、ストレージノードNのフローティ
ング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅
速に切り替えて動作速度を速くすることができる。
[0052] Then, FIG. 7 (c), a first control transistor coupled between the first and second electrode of the memory capacitor C M, the reference capacitor C REF of the third and fourth FIG. 4 is a circuit diagram in a case where a second control transistor connected between electrodes is provided. At the time of reading, first, the first control transistor is turned on, the storage capacitor CM is short-circuited, the second control transistor is turned off, and precharging is performed by applying a voltage only to the reference capacitor CREF. . On the other hand, at the time of writing, the second control transistor is turned on, and the third and fourth electrodes of the reference capacitor C REF are short-circuited (passed) by the second control transistor. Then, the first control transistor and the cut-off state, only by applying a voltage to the storage capacitor C M, allowing low voltage writing. Further, by providing the first and second control transistor, the storage node of the floating / short state of the N S, it is possible to increase the operating speed quickly switched during write time and standby.

【0053】図8(a)および図8(b)は、本発明の
半導体記憶装置をより高集積化するための具体的な構成
をそれぞれ示す回路図である。図8(a)に示される記
憶装置は、第1の電極、この第1の電極に対向して配置
された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に
挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備した複数の記
憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…と、各記憶
用キャパシタCM0,C M1,CM2,CM3,…のそれぞれの
第1および第2の電極間に接続された制御用トランジス
タQとからなる複数の記憶セルが直列接続された記憶
セル列(記憶セルチェーン)と;この記憶セル列(記憶
セルチェーン)の端部に位置する記憶用キャパシタCM0
の第1の電極に電気的に結合した第3の電極、この第3
の電極に対向して配置された第4の電極、およびこれら
の第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくと
も具備した参照用キャパシタCREFと;第1および第3
の電極に電気的に結合したゲート電極を有する読み出し
用トランジスタQREADとを少なくとも具備したメモリセ
ルブロックを示す。
FIG. 8A and FIG. 8B show the present invention.
Specific configuration for higher integration of semiconductor memory device
FIG. The description shown in FIG.
The storage device is disposed opposite to the first electrode and the first electrode
Second electrode, and these first and second electrodes
A plurality of notes comprising at least a ferroelectric thin film sandwiched between
Storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ... and each memory
Capacitor CM0, C M1, CM2, CM3, ...
A control transistor connected between the first and second electrodes
TA QCA memory in which a plurality of storage cells consisting of
Cell column (storage cell chain); this storage cell column (storage
Storage capacitor C located at the end of the cell chain)M0
A third electrode electrically coupled to the first electrode of the third
And a fourth electrode disposed opposite to the electrode of
Of the dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes
Reference capacitor C havingREFAnd the first and third
Having a gate electrode electrically coupled to a second electrode
Transistor QREADA memory cell having at least
Indicates a lock block.

【0054】そして、本発明の半導体記憶装置は、この
メモリセルブロックを複数個マトリックス状に配置して
いる。記憶セル列がn個の記憶セルの直列接続からなる
とすれば、記憶セル列(記憶セルチェーン)の他方の端
部に位置する記憶用キャパシタCMn-1の第2の電極に
は、選択トランジスタ(ブロック選択トランジスタ)Q
が接続されている。このn個の記憶セル、ブロック選
択トランジスタQ、読み出しトランジスタQREAD、お
よび参照用キャパシタCREF等を含んだ1個のブロック
の面積を考慮すれば、メモリセルユニットは最小4F2
のサイズとなるので、メモリセル1個当りの寸法を(4
+20/n)F2ないし(4+14/n)F2程度にする
ことが可能となり、高集積密度化が可能となる。記憶セ
ル列内の特定の記憶用キャパシタCMyを選択するために
は、他の記憶用キャパシタに並列接続されている制御用
トランジスタ(nMOSFET)のワード線WLをハイ
レベルとして導通状態とし、対象とした特定の記憶用キ
ャパシタに並列接続されている制御用トランジスタ(n
MOSFET)のワード線WLのみをローレベルと
し、その制御用トランジスタ(nMOSFET)のみを
遮断状態とすればよい。
The semiconductor memory device of the present invention
Arrange multiple memory cell blocks in a matrix
I have. A storage cell column is composed of a series connection of n storage cells
, The other end of the memory cell column (memory cell chain)
Storage capacitor C located in the sectionMn-1For the second electrode
Is the selection transistor (block selection transistor) Q
SIs connected. These n memory cells, block selection
Selection transistor QS, Read transistor QREAD,
And reference capacitor CREFOne block containing etc.
Considering the area of the memory cell unit, the minimum is 4FTwo
The size per memory cell is (4
+ 20 / n) FTwoOr (4 + 14 / n) FTwoAbout
And high integration density can be achieved. Memory center
Specific storage capacitor C in the arrayMyTo choose
Is used for control connected in parallel with other storage capacitors.
The word line WL of the transistor (nMOSFET) is set high.
The level is set to the conductive state, and the specific storage key
The control transistor (n) connected in parallel with the capacitor
MOSFET) word line WLyOnly low level and
And only the control transistor (nMOSFET)
What is necessary is just to make it a cutoff state.

【0055】また、図8(b)に示すように、記憶用キ
ャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…に並列接続されて
いる制御用トランジスタQを第1の制御用トランジス
タとして、さらに参照用キャパシタCREFの第3および
第4の電極間に第2の制御用トランジスタQC2を接続
した場合を示す。参照用キャパシタCREFと並列に第2
の制御用トランジスタQC2を設置することにより、ス
トレージノードNのフローティング/ショート状態
を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作
速度を速くすることができる。また、書き込み時には参
照用キャパシタC REFの第3および第4の電極間を第2
の制御用トランジスタQC2で短絡して(パスして)特
定の記憶用キャパシタCMyのみに電圧を加えることによ
り、低電圧での書き込みが可能になる。
Further, as shown in FIG.
Japashita CM0, CM1, CM2, CM3, ... connected in parallel
Control transistor QCTo the first control transistor
The reference capacitor CREFThird and
A second control transistor Q between the fourth electrodesC2Connect
The following shows the case. Reference capacitor CREFSecond in parallel with
Control transistor QC2By installing
Storage node NSFloating / short state
Switch quickly between read / write and standby
Speed can be increased. When writing,
Illumination capacitor C REFBetween the third and fourth electrodes
Control transistor QC2Short-circuit with (pass)
Constant storage capacitor CMyBy applying voltage only to
Thus, writing at a low voltage becomes possible.

【0056】図9(a)および図9(b)は、図8
(a)および図8(b)の参照用キャパシタCREFをそ
れぞれ強誘電体薄膜で構成した場合の回路図である。す
なわち、図9(b)は、参照用キャパシタCREFと並列
に第2の制御用トランジスタQ を設置して参照セル
を構成した場合で、図9(a)は、参照用キャパシタC
RE Fに対して並列に第2の制御用トランジスタQC2
有しない場合である。参照用キャパシタCREFを強誘電
体薄膜で構成すれば、記憶用キャパシタCM0,CM1,C
M2,CM3,…と参照用キャパシタCREFとを同一のプロ
セスで同時に作成することが可能になり、プロセスの簡
略化と製造歩留まりの向上が図られ、非常に大きなメリ
ットがある。
FIG. 9A and FIG. 9B show FIG.
FIG. 9 is a circuit diagram when the reference capacitors C REF of FIG. 8A and FIG. 8B are each formed of a ferroelectric thin film. That is, FIG. 9 (b), in the case where in parallel with the reference capacitor C REF to constitute a second reference cell by installing a control transistor Q C 2, FIG. 9 (a), reference capacitor C
Against RE F is the case does not have the second control transistor Q C2 in parallel. If the reference capacitor C REF is made of a ferroelectric thin film, the storage capacitors C M0 , C M1 , C
M2, C M3, ... and it is possible to create simultaneously the reference capacitor C REF in the same process, the improvement of process simplification and production yield is achieved, there is a very big advantage.

【0057】図10は、本発明の半導体記憶装置をより
高集積化するための回路図であり、記憶用キャパシタと
して強誘電体キャパシタを使用した例である。すなわ
ち、直列接続された複数の選択用MOSトランジスタQ
M0−QMN(図中にはQM0−QM2のみ示す)と、これら選
択用トランジスタの共通主電極毎に接続された蓄積電極
と対向するプレート電極とに挟まれた強誘電体薄膜から
なる記憶用キャパシタC M0−CMN(同様に、図中にはC
M0−CM2のみ示す)とからなるNAND型記憶セル列
と、前記記憶セル列の端部に位置する前記選択用トラン
ジスタQM0の主電極に電気的に結合した参照用キャパシ
タCREFと、前記選択用トランジスタの主電極と参照用
キャパシタの電極の接続部であるストレートノードN
に電気的に結合したゲート電極を有する読み出し用トラ
ンジスタQREADとを少なくとも具備したメモリセルブロ
ックを有する。
FIG. 10 shows a semiconductor memory device of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram for high integration, including a storage capacitor and
This is an example in which a ferroelectric capacitor is used. Sand
That is, a plurality of selection MOS transistors Q connected in series
M0−QMN(Q in the figureM0−QM2Only) and these selections
Storage electrode connected to each common main electrode of the selection transistor
From the ferroelectric thin film sandwiched between the
Storage capacitor C M0-CMN(Similarly, C in the figure
M0-CM2Only shown)).
And the selection transformer located at the end of the memory cell row.
Jista QM0Reference capacity electrically coupled to the main electrode
TA CREFAnd a main electrode of the selection transistor and a reference electrode.
Straight node N, which is the connection between the electrodes of the capacitorS
Readout tiger having a gate electrode electrically coupled to the
Transistor QREADMemory cell block having at least
Have a check.

【0058】なお、本例においては、参照用キャパシタ
のストレージノードに接続した電極に対向して設置され
た他方の電極はプレート電極PEに接続され、ストレー
ジノードNは、R/W制御用トランジスタQR/Wを介
してビット線BLに接続されている。
[0058] In this example, the other electrode of the connected to the storage node of the reference capacitor electrode disposed to face is connected to a plate electrode PE, the storage node N S is, R / W control transistor It is connected to the bit line BL via QR / W.

【0059】今、記憶セル列の第1番目のキャパシタC
M0の読み出し動作を説明する。トランジスタQR/Wをオ
ンにし、QM0およびQM1をオフにし、ビット線BLによ
り参照用キャパシタCREFにプリチャージ電圧VPを印加
してプリチャージを行なう。次に、トランジスタQR/W
をオフにしてトランジスタQM0をオンにし、読み出し動
作を行なう。
Now, the first capacitor C in the memory cell row
The read operation of M0 will be described. Transistor Q R / W is turned on, and turns off the Q M0 and Q M1, the precharge voltage V P to the reference capacitor C REF is applied by a bit line BL precharged with. Next, the transistor Q R / W
Is turned off, the transistor Q M0 is turned on, and the read operation is performed.

【0060】NAND型メモリセル列の第1番目のキャ
パシタCM0のメモリ内容を読み出した後は、同じシーク
エンスを繰り返すことによって、順にキャパシタCM1
M2,…CMk,…CMNのメモリ内容を読み出すことがで
きる。すなわち、キャパシタCMkのメモリ内容を読み出
す場合は、トランジスタQR/WおよびQM0からQMk-1
でをすべてオンにし、トランジタ、QMkをオフにし、ビ
ット線BLにより参照用キャパシタCREFおよび記憶用
キャパシタCM0からCMk-1にプリチャージ電圧VPを印
加してプリチャージを行なう。次に、トランジスタQ
R/Wをオフにし、トランジスタQM0をオフにして読み出
し動作を行なう。
After reading out the memory contents of the first capacitor C M0 of the NAND type memory cell column, the same sequence is repeated, whereby the capacitors C M1 , C M1,.
C M2 ,... C Mk ,. That is, when reading the memory contents of the capacitor C Mk , all the transistors QR / W and Q M0 to Q Mk-1 are turned on, the transistor and Q Mk are turned off, and the reference capacitor C REF and from the storage capacitor C M0 to C Mk-1 to apply the precharge voltage V P performs precharge. Next, the transistor Q
The read operation is performed with the R / W turned off and the transistor Q M0 turned off.

【0061】このときに、NAND型セル列の特性とし
て、キャパシタCMkのメモリ内容を読み出す場合は、既
に読み出された手順のCM0からCMk-1までのキャパシタ
の常誘電成分の容量が寄生容量として加わることが問題
点としてあげられる。この寄生容量が多くなりすぎると
読み出し動作に支障をきたすため、多数の記憶セルを有
するNANDセル列を利用するためには、できるだけ寄
生容量を減らす必要がある。すなわち、記憶用強誘電体
キャパシタの角型比を上げて常誘電成分を減らすことが
有効である。
At this time, when the memory content of the capacitor C Mk is read as a characteristic of the NAND cell row, the capacitance of the paraelectric component of the capacitor from C M0 to C Mk−1 in the procedure that has already been read is equal to Adding as parasitic capacitance is a problem. If the parasitic capacitance becomes too large, the read operation is hindered. Therefore, in order to use a NAND cell array having a large number of storage cells, it is necessary to reduce the parasitic capacitance as much as possible. That is, it is effective to increase the squareness ratio of the storage ferroelectric capacitor to reduce the paraelectric component.

【0062】一方、書き込みにおいては、NAND型メ
モリセル列を持つメモリ共通に、ビット線から最も遠い
キャパシタから順番に書き込んでいく。キャパシタCMk
に書込みを行なう場合には、トランジスタQR/Wおよび
M0からQMkまでをすべてオンに、QMk+1をオフにし、
プレート電極に対してビット線BLにより書込み電圧V
Aを印加して、メモリ用強誘電体キャパシタに抗電圧以
上の電圧を印加することにより書込みを行なう。
On the other hand, in writing, data is written in order from the capacitor farthest from the bit line, commonly to memories having a NAND type memory cell column. Capacitor C Mk
When writing to the transistor, all the transistors Q R / W and Q M0 to Q Mk are turned on, and Q Mk + 1 is turned off.
The write voltage V is applied to the plate electrode by the bit line BL.
By applying A, writing by applying the coercive voltage or higher voltage to the memory ferroelectric capacitor.

【0063】本発明によれば、記憶セル列、参照用キャ
パシタおよび読み出し用トランジスタからなる基本回路
構成に、さまざまな回路構成を付加することが可能であ
る。図15(a)ないし図15(d)はその幾つかの例
を示している。
According to the present invention, various circuit configurations can be added to the basic circuit configuration including the memory cell column, the reference capacitor, and the read transistor. FIGS. 15A to 15D show some examples thereof.

【0064】図15(a)に示す回路においては、
(1)参照用キャパシタCREFのストレージノードN
と接続した電極と対向して設置された他方の電極のプレ
ート電極PEに接続し、R/W制御用トランジスタQ
R/WをストレージノードNとビット線BLとの間に設
置した。
In the circuit shown in FIG.
(1) of the reference capacitor C REF storage node N S
Connected to the plate electrode PE of the other electrode provided opposite to the electrode connected to the R / W control transistor Q
Was installed R / W between the storage node N S and the bit line BL.

【0065】この回路においてはプリチャージによる読
み出し動作のみが可能であるが、書き込み動作において
は、記憶用キャパシタに対して書き込み電圧を直接印加
することが可能になる。
In this circuit, only a read operation by precharge is possible, but in a write operation, a write voltage can be directly applied to the storage capacitor.

【0066】図15(b)に示す回路においては、
(2)参照用キャパシタCREFのストレージノードN
と接続した電極と対向して設置された他方の電極を第2
の駆動線DL(ドライブ線と呼んでも良いし、相補的な
ビット線BL−でも良い)に接続し、R/W制御用トラ
ンジスタQR/WをストレージノードNとビット線BL
との間に設置している。
In the circuit shown in FIG.
(2) of the reference capacitor C REF storage node N S
The other electrode installed opposite to the electrode connected to
(May be referred to as drive lines, may be complementary bit line BL-) of the drive line DL is connected to, R / W control transistor Q R / W storage node N S and the bit line BL
It is installed between and.

【0067】この回路においては、プリチャージ動作時
において、プレート電極電位に対して相補的な電位をB
LとDLの間に加えることが可能になるので、大電圧の
プリチャージによる、動作電圧の低電圧化と動作速度の
高速化が可能になる。また、書き込み動作においては、
記憶用キャパシタに対して書き込み電圧を直接印加する
ことが可能になる。
In this circuit, during the precharge operation, a potential complementary to the plate electrode potential is set to B
Since it is possible to add between L and DL, it is possible to lower the operating voltage and increase the operating speed by precharging with a large voltage. In the write operation,
It becomes possible to directly apply a write voltage to the storage capacitor.

【0068】図15(c)に示す回路においては、
(3)参照用キャパシタCREFのストレージノードN
と接続した電極と対向して設置された他方の電極をビッ
ト線BLに接続し、R/W制御用トランジスタQ R/W
を参照用キャパシタCREFと並列にストレージノードN
とビット線BLとの間に設置している。
In the circuit shown in FIG.
(3) Reference capacitor CREFStorage node NS
The other electrode installed opposite to the electrode connected to
R / W control transistor Q R / W
Reference capacitor CREFStorage node N in parallel with
SAnd the bit line BL.

【0069】この回路においては、読み出し電圧印加に
よる読み出し動作のみが可能であるが、書き込み動作に
おいては直接記憶用キャパシタへの書き込み電圧印加が
可能になる。
In this circuit, only the read operation by applying the read voltage is possible, but in the write operation, the write voltage can be directly applied to the storage capacitor.

【0070】さらに、図15(d)に示す回路において
は、(4)参照用キャパシタCREFのストレージノード
と接続した電極と対向して設置された他方の電極を
ビット線BLに接続し、第1のR/W制御用トランジス
タQR/W1を参照用キャパシタCREFと並列にストレ
ージノードNとビット線BLとの間に設置すると共
に、第2のR/W制御用トランジスタQR/W2をストレー
ジノードNとプレート電極PEとの間に設置してい
る。
[0070] Further, in the circuit shown in FIG. 15 (d) connects the (4) the storage node N S and the connected electrode and opposite to the installed other electrode of the reference capacitor C REF to the bit lines BL , while disposed between the first R / W control transistor Q storage the R / W1 in parallel with the reference capacitor C REF node N S and the bit line BL, and the second R / W control transistor Q R the / W2 are disposed between the storage node N S and the plate electrode PE.

【0071】この回路においては、プレチャージを併用
した読み出し動作が可能であり、さらに直接記憶用キャ
パシタへの書き込み電圧印加が可能になる。
In this circuit, a read operation using precharge is possible, and further, a write voltage can be directly applied to the storage capacitor.

【0072】このように、基本的な構成に若干の素子を
付加することにより、多様な読み出しおよび書込みモー
ドに対応することが可能である。
As described above, by adding a few elements to the basic configuration, it is possible to cope with various reading and writing modes.

【0073】なお、図15(d)に示す回路において、
参照用キャパシタCREFとして常誘電体キャパシタの代
わりに強誘電体キャパシタを使用するようにしても良
い。この場合、記憶セル列の第1番目のキャパシタCM0
を例にとってその読み出し動作を説明する。トランジス
タQR/W1をオフにQR/W2をオンにし、参照用の強誘電体
キャパシタの抗電圧以上のプレチャージ電圧VPをプレ
ート電極PEとビット線BLの間に印加して、参照用キ
ャパシタを一方向に分極させる。次にビット線BLの電
位をプレート電極PEと同電位に戻して、トランジスタ
M0をオンにし、ビット線BLにより参照用キャパシタ
REFおよび記憶用キャパシタCM0に直列に、プレート
電極電位に対してプレチャージ電圧とは逆方向の読み出
し電圧VAを印加して読み出し動作を行なう。このとき
のストレージノードNの動作線図は、常誘電体を使用
した参照用キャパシタと基本的に類似の動作をすること
が理解できる。予め記憶用キャパシタの“1”あるいは
“0”の記憶に対応する分極状態に応じて、異なったス
トレージノードNの電圧VG 1ないしはVG 0が得られる
ことが分かる。ストレージノードNにゲート電極を接
続した読み出し用トランジスタQREADにより記憶状態の
判別を行なう。
In the circuit shown in FIG.
A ferroelectric capacitor may be used instead of the paraelectric capacitor as the reference capacitor CREF . In this case, the first capacitor C M0 of the memory cell row
Will be described as an example. Turn on Q R / W2 off transistor Q R / W1, the precharge voltage V P of the ferroelectric capacitor coercive voltage above the reference is applied between the plate electrode PE and the bit line BL, and for reference Polarize the capacitor in one direction. Next, the potential of the bit line BL is returned to the same potential as the plate electrode PE, the transistor Q M0 is turned on, and the bit line BL connects the reference capacitor C REF and the storage capacitor C M0 in series with the plate electrode potential. A read operation is performed by applying a read voltage VA in a direction opposite to the precharge voltage. Operation diagram of the storage node N S at this time can be understood that the reference capacitor basically similar operation using the paraelectric. In advance in accordance with the polarization state corresponding to a storage of "1" of the memory capacitor or "0", different voltage V G 1 or V G 0 of the storage node N S has is can be seen that to obtain. The storage node N read transistor has a gate electrode connected to the S Q READ discriminates storage state.

【0074】書込みにおいては、トランジスタQR/W1
オンにすると共に、トランジスタQ R/W2をオフとし、
トランジスタQM0をオンにして、ビット線BLにより記
憶用キャパシタCM0に書込み電圧VAを直接印加して書
込み動作を行なう。
In writing, the transistor QR / W1To
Turn on the transistor Q R / W2Off and
Transistor QM0Is turned on, and the
Storage capacitor CM0To the write voltage VABy directly applying
Perform a write operation.

【0075】次に、記憶用キャパシタとして、図11
(a)および図11(b)に示すように、強誘電ヒステ
リシスの中心が0Vからずれた非対称な強誘電キャパシ
タを使用する場合について説明する。このような非対称
強誘電体キャパシタは、エピタキシャル強誘電体膜を使
用した場合にしばしば観察される(例えば、K. Abe、S.
Komatsu、N. Yanase、K. Sano and T. Kawakubo : ’As
ymmetric Ferroelectricity and Anomalous Current Co
nduction in Heteroepitaxial BaTiO3 Thin Films’、J
apan Journal of Applied Physics、Vol.36、Part 1、N
o.9B、pp.5846-53(1997))。
Next, as a storage capacitor, FIG.
As shown in FIG. 11A and FIG. 11B, a case where an asymmetric ferroelectric capacitor in which the center of ferroelectric hysteresis is shifted from 0 V will be described. Such asymmetric ferroelectric capacitors are often observed when using epitaxial ferroelectric films (eg, K. Abe, S. et al.
Komatsu, N. Yanase, K. Sano and T. Kawakubo: 'As
ymmetric Ferroelectricity and Anomalous Current Co
nduction in Heteroepitaxial BaTiO 3 Thin Films', J
apan Journal of Applied Physics, Vol. 36, Part 1, N
o.9B, pp.5846-53 (1997)).

【0076】非対称キャパシタにおいては、図11
(a)に示すように、片方の分極状態が安定で、他方の
分極状態は準安定であるため、不揮発性メモリとしては
使用することができない。しかしながら、図11(b)
に示すように、ヒステリシスの中心のずれに相当する電
圧Vfを印加することにより、通常の強誘電体キャパシ
タと同様に、2方向の分極を安定に保持することができ
る。したがって、本発明の回路は、静的に記憶を保持す
るSRAM(Static Random Access Memory)としての利用が
可能である。
In an asymmetric capacitor, FIG.
As shown in (a), one polarization state is stable and the other polarization state is metastable, so that it cannot be used as a nonvolatile memory. However, FIG.
As shown in (2), by applying the voltage Vf corresponding to the shift of the center of the hysteresis, the polarization in two directions can be stably held in the same manner as a normal ferroelectric capacitor. Therefore, the circuit of the present invention can be used as an SRAM (Static Random Access Memory) that statically holds a memory.

【0077】すなわち、記憶を保持するだけのスタンバ
イ時には、トランジスタQM0からQ MNをすべてオンにし
て、ビット線などを通じてキャパシタCM0からCMNに常
にヒステリシスの中心のずれに相当する電圧Vfを印加
することによって安定に記憶を保持する。一方、読み出
し・書込み時にはトランジスタQM0からQMNのすべてを
一旦オフにし、上述した通常の強誘電体キャパシタを使
用したときと同様のシークエンスにより読み出し・書込
みを行なうことができる。なお、図11(a)および図
11(b)に示したような、中心電圧が正にシフトした
強誘電体キャパシタでは読み出し電圧を負電圧に、逆に
中心電圧が負にシフトした強誘電体キャパシタでは読み
出し電圧を正電圧にすることが回路動作上有利である。
In other words, the standby
At the time, transistor QM0To Q MNTurn on all
The capacitor C through the bit lineM0To CMNAlways
The voltage V corresponding to the shift of the center of the hysteresisfApply
To keep the memory stable. Meanwhile, read
When writing, the transistor QM0To QMNAll of
Turn off once and use the normal ferroelectric capacitor described above.
Read / write by the same sequence as when using
Can do it. FIG. 11A and FIG.
The center voltage has shifted positively as shown in FIG.
In a ferroelectric capacitor, the read voltage is set to a negative voltage,
For ferroelectric capacitors with center voltage shifted to negative,
It is advantageous in terms of circuit operation to make the output voltage a positive voltage.

【0078】次に、記憶用キャパシタとして常誘電体キ
ャパシタを使用した場合について説明する。図12は、
図15(a)に示す回路において、記憶用キャパシタC
Mとして強誘電体キャパシタの代わりに、非線形の蓄積
容量を持つ常誘電体キャパシタを使用した場合の回路例
である。図12に示した回路において、記憶セル列の第
1番目のキャパシタCM0を例にとり読み出し動作を説明
する。トランジスタQ R/Wをオンに、トランジスタQM0
をオフにし、ビット線BLにより参照用キャパシタC
REFにプリチャージ電圧VPを印加してプリチャージを行
なう。次に、ビット線BLの電位をプレート電極PEと
同電位に戻し、トランジスタQR/Wをオフにし、トラン
ジスタQM0をオンにして読み出し動作を行なう。このと
きのストレージノードNの動作線図が図13(a)お
よび図13(b)に示されているが、強誘電体を使用し
た記憶用キャパシタと基本的に類似の動作をすることが
理解できる。予め記憶用キャパシタの“1”または
“0”の記憶に対応する分極状態に応じて、異なったス
トレージノードNの電圧VG 1ないしVG 0が得られるこ
とが分かる。ストレージノードNにゲート電極を接続
した読み出し用トランジスタQREADにより記憶状態の判
別を行なう。
Next, a paraelectric key is used as a storage capacitor.
A case where a capacitor is used will be described. FIG.
In the circuit shown in FIG.
MNon-linear accumulation as a ferroelectric capacitor instead
Circuit example when a paraelectric capacitor with capacitance is used
It is. In the circuit shown in FIG.
1st capacitor CM0The read operation is explained using an example.
I do. Transistor Q R / WIs turned on and the transistor QM0
Is turned off, and the reference capacitor C is connected by the bit line BL.
REFPrecharge voltage VPTo apply precharge
Now. Next, the potential of the bit line BL is set to the plate electrode PE.
Return to the same potential, transistor QR / WTurn off and run
Jista QM0Is turned on to perform a read operation. This and
Storage node NSThe operation diagram of FIG.
And FIG. 13 (b), where a ferroelectric
Behaves essentially the same as a storage capacitor
It can be understood. The storage capacitor "1" or
Depending on the polarization state corresponding to the storage of “0”, different
Storage node NSVoltage VG 1Or VG 0Can be obtained
I understand. Storage node NSConnect the gate electrode to
Read transistor QREADThe memory status judgment
Do another.

【0079】NAND型メモリセル列の第1番目のキャ
パシタCM0のメモリ内容を読み出した後は、同じシーク
エンスを繰り返すことによって、順にキャパシタCM1
M2,…CMk,…CMNのメモリ内容を読み出すことがで
きる。すなわち、キャパシタCMkのメモリ内容を読み出
す場合は、トランジスタQR/WおよびトラジスタQM0
らQMk=1までをすべてオンにし、QMkをオフにし、ビッ
ト線BLにより参照用キャパシタCREFにプリチャージ
電圧VPを印加してプリチャージを行なう。次にトラン
ジスタQR/Wをオフにし、トランジスタQMkをオンにし
て読み出し動作を行なう。
After reading out the memory contents of the first capacitor C M0 of the NAND type memory cell column, the same sequence is repeated, whereby the capacitors C M1 , C M0,.
C M2 ,... C Mk ,. That is, when reading the memory contents of the capacitor C Mk , all of the transistors Q R / W and transistors Q M0 to Q Mk = 1 are turned on, Q Mk is turned off, and the bit line BL precharges the reference capacitor C REF . applying a charge voltage V P performs precharging. Next, the transistor QR / W is turned off and the transistor QMk is turned on to perform a read operation.

【0080】ただし、常誘電体キャパシタを使用したN
AND型セル列の問題点として、キャパシタCMkのメモ
リ内容を読み出す場合は、既に読み出された手前のCM0
からCMk-1までのキャパシタの容量が寄生容量として加
わることがあげられる。この寄生容量が多くなりすぎる
と読み出し動作に支障をきたすため、多数の記憶セルを
有するNANDセル列を利用するためには、できるだけ
寄生容量を減らす必要がある。
Note that N using a paraelectric capacitor
As a problem of the AND-type cell column, when reading the memory content of the capacitor C Mk , the read C M0 of the capacitor C Mk has already been read.
To C Mk−1 are added as parasitic capacitance. If the parasitic capacitance becomes too large, the read operation is hindered. Therefore, in order to use a NAND cell array having a large number of storage cells, it is necessary to reduce the parasitic capacitance as much as possible.

【0081】通常の酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を
使用したキャパシタにおいては、バイアス電圧に拘わら
ず常に誘電率は一定であるため、NAND型セル列の各
記憶用キャパシタをメモリセルとして使用したときの蓄
積容量と、メモリセルの手前側の寄生キャパシタとして
働いたときの寄生容量は同一である。したがって、すべ
ての記憶用キャパシタと参照用キャパシタの容量とを同
一に設定した場合、読み出し時の参照用キャパシタと寄
生キャパシタを加えた総容量は、読み出す記憶用キャパ
シタの位置に比例して増加することになる。すなわち、
k番目のキャパシタを読み出すときの読み出し側のキャ
パシタの総容量は、参照用キャパシタ容量のk倍にな
り、総容量の増加にほぼ反比例して読み出し電圧は減少
するため、読み出し用トランジスタが動作しなくなる。
In a normal capacitor using a silicon oxide film or a silicon nitride film, the dielectric constant is always constant irrespective of the bias voltage, so that each storage capacitor in the NAND cell row is used as a memory cell. The storage capacitance and the parasitic capacitance when acting as a parasitic capacitor on the front side of the memory cell are the same. Therefore, when the capacities of all the storage capacitors and the reference capacitors are set to be the same, the total capacity including the reference capacitors and the parasitic capacitors at the time of reading increases in proportion to the position of the storage capacitors to be read. become. That is,
When reading the k-th capacitor, the total capacitance of the read-side capacitor becomes k times the reference capacitor capacitance, and the read voltage decreases almost in inverse proportion to the increase in the total capacitance, so that the read transistor does not operate. .

【0082】この問題を軽減する1つの方法は、非線形
な容量を持つ誘電体膜を使用することである。酸化シリ
コン膜や窒化シリコン膜は電子分極性であるために誘電
率は一定であるが、ペロブスカイト型酸化物強誘電体の
ようなイオン分極性の誘電体は誘電率のバイアス電圧依
存性があり、非線形な容量特性をもつキャパシタを作成
することができる。図14にエピタキシャルBSTO常
誘電体膜で測定された非線形性の大きな常誘電体キャパ
シタの大きな特性を示すが、±数Vのバイアス電圧を加
えることで静電容量は急減し、数分の1以下になる。し
たがって、電荷を蓄積するときは、0V付近の容量が大
きい領域を有効に使用し、寄生キャパシタとして作用す
るときには、プリチャージによりバイアス電圧を印加
し、容量の小さいところを使用するという使い分けが可
能となる。このような非線形容量キャパシタを使用する
ことで、多くの常誘電体キャパシタメモリセルを含むN
AND型メモリセル列の利用が可能になる。なお、動作
電圧範囲内において、ピークの静電容量値が、最低の静
電容量値の2倍以上であることが望ましい。
One way to alleviate this problem is to use a dielectric film with a non-linear capacitance. The dielectric constant of a silicon oxide film or a silicon nitride film is constant because it is electronically polarizable, but an ionic polarizable dielectric such as a perovskite oxide ferroelectric has a bias voltage dependence of the dielectric constant, A capacitor having a non-linear capacitance characteristic can be created. FIG. 14 shows a large characteristic of a paraelectric capacitor having a large non-linearity measured by an epitaxial BSTO paraelectric film. become. Therefore, it is possible to effectively use a region having a large capacitance near 0 V when storing electric charges, and to apply a bias voltage by precharging and use a small capacitance region when acting as a parasitic capacitor. Become. By using such a non-linear capacitance capacitor, the N cell including many paraelectric capacitor memory cells can be used.
The use of an AND type memory cell column becomes possible. It is desirable that the peak capacitance value be at least twice the minimum capacitance value within the operating voltage range.

【0083】書き込み動作においては、強誘電体のキャ
パシタと同様である。トランジスタQR/WおよびQM0
らQMkをオンにして、ビット線BLにより記憶用キャパ
シタCMkに書き込み電圧Vを直接印加して書き込み動
作を行なう。なお、前述したように、参照用キャパシタ
の誘電体膜は、常誘電体であっても強誘電体であっても
構わない。強誘電体膜であっても読み出し動作の前にプ
リチャージにより予め一方向に分極をしておけば、常誘
電体膜と同じように読み出し動作を行なうことができ
る。記憶用キャパシタが強誘電体キャパシタである場合
は参照用キャパシタも強誘電体キャパシタに、記憶用キ
ャパシタが常誘電体キャパシタの場合は参照用キャパシ
タも常誘電体キャパシタにすれば、記憶用キャパシタと
参照用キャパシタを同一のプロセスで作成可能になり、
プロセスの簡略化と製造歩留まりの向上を図ることがで
き、非常に大きなメリットがある。
The write operation is the same as that of a ferroelectric capacitor. Transistor Q from the R / W and Q M0 turns on the Q Mk, the storage capacitor C Mk to the write voltage V A applied directly by a bit line BL writing operation. As described above, the dielectric film of the reference capacitor may be a paraelectric or a ferroelectric. Even if the ferroelectric film is polarized in one direction in advance by precharging before the read operation, the read operation can be performed in the same manner as the paraelectric film. If the storage capacitor is a ferroelectric capacitor, the reference capacitor is also a ferroelectric capacitor, and if the storage capacitor is a paraelectric capacitor, the reference capacitor is also a paraelectric capacitor, and the storage capacitor is referred to as a ferroelectric capacitor. Capacitors can be created in the same process,
The simplification of the process and the improvement of the manufacturing yield can be achieved, and there is a great advantage.

【0084】また、前述したように、NAND型記憶セ
ル列において、参照用キャパシタから遠いメモリを選択
すると、参照用キャパシタと選択された記憶用キャパシ
タの間に存在する記憶用キャパシタの常誘電成分が、読
み出しモードに応じて、参照用キャパシタの容量に足し
合わせられたり、あるいは選択された記憶用キャパシタ
の容量に足し合わされるため、記憶の読み出し動作に影
響する場合が考えられる。この場合には、各位置の記憶
用キャパシタの容量を読み出しモードに応じて、参照用
キャパシタの容量と記憶用キャパシタの常誘電成分から
なる寄生容量の和に対してなるべく1:1に近くなるよ
うに調節することにより解決することができる。具体的
には、参照用キャパシタに近い記憶用キャパシタの残留
分極量より、参照用キャパシタからより遠い記憶用キャ
パシタの残留分極量を、読み出しモードに応じて、徐々
に大きくするかまたは徐々に小さくすることである。
Further, as described above, when a memory far from the reference capacitor is selected in the NAND type memory cell column, the paraelectric component of the storage capacitor existing between the reference capacitor and the selected storage capacitor is changed. Depending on the read mode, the data may be added to the capacitance of the reference capacitor or added to the capacitance of the selected storage capacitor, which may affect the storage read operation. In this case, the capacitance of the storage capacitor at each position is made as close as possible to 1: 1 with respect to the sum of the capacitance of the reference capacitor and the parasitic capacitance of the paraelectric component of the storage capacitor according to the read mode. It can be solved by adjusting to. Specifically, the remanent polarization amount of the storage capacitor farther from the reference capacitor is gradually increased or gradually reduced depending on the read mode, than the remanent polarization amount of the storage capacitor close to the reference capacitor. That is.

【0085】なお、記憶用の強誘電体キャパシタとし
て、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系、SBT(チタ
ン酸ストロンチウム・ビスマス)系、エピタキシャルB
STO(チタン酸バリウム・ストリンチウム)系の強誘
電体幕からなる薄膜キャパシタを使用することが可能で
あるが、特に安定性や膜厚などの点でエピタキシャルB
STO系のキャパシタが優れている。
The ferroelectric capacitors for storage include PZT (lead zirconate titanate), SBT (strontium bismuth titanate), and epitaxial B
It is possible to use a thin film capacitor made of a ferroelectric curtain of STO (barium titanate / stringentium) type.
STO type capacitors are excellent.

【0086】また、記憶用の常誘電体キャパシタとし
て、酸化シリコンや酸化タンタルなどの誘電膜を使用す
ることも可能であるが、容量の絶対値や非線形性の大き
さの点から考えると、エピタキシャルBSTO系の常誘
電体キャパシタが特に優れている。また、参照用のキャ
パシタとして、酸化シリコン、酸化タンタル、BSTO
を使用した常誘電体キャパシタや、上述の強誘電体キャ
パシタを使用することができる。
It is also possible to use a dielectric film such as silicon oxide or tantalum oxide as the storage paraelectric capacitor. However, considering the absolute value of the capacitance and the magnitude of the nonlinearity, it is possible to use a dielectric film. BSTO-based paraelectric capacitors are particularly excellent. As a reference capacitor, silicon oxide, tantalum oxide, BSTO
And a ferroelectric capacitor described above.

【0087】以上で本発明の基本的事項は理解できたで
あろう。次に、図面を参照して、本発明の第1ないし第
12の実施の形態を説明する。以下の図面の記載におい
て、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し
ている。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平
面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは
異なることに留意すべきである。したがって、具体的な
厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものであ
る。また図面相互間において互いの寸法の関係や比率が
異なる部分が含まれていることは勿論である。
The basic matter of the present invention has been understood above. Next, first to twelfth embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. It goes without saying that the drawings include portions having different dimensional relationships and ratios.

【0088】(第1実施形態)図16は、本発明の第1
実施形態に係る半導体記憶装置の主要部分の回路構成を
示す図である。図16に示すように、本発明の第1実施
形態に係る半導体記憶装置は、直列接続された複数個の
記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM1 5と、こ
の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそ
れぞれに並列接続された制御用トランジスタとからなる
記憶セル列(記憶セルチェーン)と、この記憶セルチェ
ーンの端部に位置する記憶用キャパシタCM15に接続し
た参照用キャパシタCREFと、記憶用キャパシタCM15
参照用キャパシタCREFとの接続点(接続ノード)に接
続したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQ
READと、記憶セルチェーンの他方の端部に位置する記憶
用キャパシタCM0に接続された選択トランジスタ(ブロ
ック選択トランジスタ)Qを少なくとも具備したメモ
リセルブロックを基本ユニットとして構成している。
(First Embodiment) FIG. 16 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of a main part of the semiconductor memory device according to the embodiment. As shown in FIG. 16, the semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention, capacitor C M0 for a plurality of memories connected in series, C M1, C M2, ..., and C M1 5, for the storage A storage cell array (storage cell chain) including control transistors connected in parallel to the capacitors C M0 , C M1 , C M2 ,..., C M15 , and a storage capacitor located at an end of the storage cell chain. C M15 and reference capacitor C REF which is connected to the read transistor Q having a gate electrode connected to a connection point of the reference capacitor C REF and the storage capacitor C M15 (connection node)
And READ, constitute selection transistors connected with the memory capacitor C M0 is positioned at the other end of the storage cell chain (block select transistor) Q S at least provided with a memory cell block as the basic unit.

【0089】各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2
…,CM15は、それぞれ第1の電極、この第1の電極に
対向して配置された第2の電極、およびこれらの第1、
第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備
している。また、参照用キャパシタCREFは、記憶用キ
ャパシタCM15の第1の電極に電気的に結合した第3の
電極、この第3の電極に対向して配置された第4の電
極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体
薄膜とを少なくとも具備している。なお、図8(a)お
よび図8(b)とは記憶用キャパシタCM0,CM1
M2,…,CM15の配列順が逆になっているが、単なる
順番の問題にすぎないことに留意されたい。そして、本
第1実施形態の半導体記憶装置は、このメモリセルブロ
ックを複数個マトリックス状に配置しているが、図16
ではそのうちブロック[A]として2つ、ブロック
[B]として2つの計4つのみを示している。ブロック
[A]の上段カラム(column)のブロック選択トランジ
スタQは、ビット線BL0に接続され、ブロック
[A]の下段カラムのブロック選択トランジスタQ
ビット線BL1に接続されている。また、ブロック
[B]上段カラムのブロック選択トランジスタQは、
ビット線BL0に、下段カラムのブロック選択トランジ
スタQはビット線BL1に接続されている。
Each of the storage capacitors C M0 , C M1 , C M2 ,
.., CM15 are a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a first electrode,
A ferroelectric thin film sandwiched between the second electrodes. The reference capacitor C REF includes a third electrode electrically coupled to the first electrode of the storage capacitor C M15, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode, and a third electrode. At least a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. 8A and 8B correspond to the storage capacitors C M0 , C M1 ,
Note that the order of the arrangement of C M2 ,..., C M15 is reversed, but is merely a matter of order. In the semiconductor memory device according to the first embodiment, a plurality of memory cell blocks are arranged in a matrix.
Only two blocks [A] and two blocks [B] are shown. Block selection transistor Q S of the upper column (column) of the block [A] is connected to the bit line BL0, the block select transistors Q S of the lower column of the block [A] is connected to the bit line BL1. Further, the block selection transistor Q S of the block [B] the upper column,
The bit line BL0, the block select transistors Q S of the lower column is connected to the bit line BL1.

【0090】ブロック[A]の記憶用キャパシタCM0
M1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制
御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線WL0
,WL1,WL2,…,WL15が接続されて
いる。同様にブロック[B]の記憶用キャパシタCM0
M1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制
御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線WL0
,WL1,WL2 ,…,WL15が接続されて
いる。ブロック[A]のブロック選択トランジスタQ
の各ゲート電極には、ブロック選択トランジスタのワー
ド線BSが、ブロック[B]のブロック選択トランジ
スタQの各ゲート電極には、ブロック選択トランジス
タのワード線BSが接続されている。ブロック[A]
の参照用キャパシタCREFには、ゲート電極に参照用キ
ャパシタ制御トランジスタQREFのワード線WRが接
続された制御トランジスタQREFが、ブロック[B]の
参照用キャパシタCREFには、ゲート電極に参照用キャ
パシタ制御トランジスタのワード線WRが接続された
制御用トランジスタQREFが接続されている。
The storage capacitor C of the block [A]M0,
CM1, CM2, ..., CM15Are connected in parallel to
Each gate electrode of the control transistor has a word line WL0
A, WL1A, WL2A, ..., WL15AIs connected
I have. Similarly, the storage capacitor C of the block [B]M0,
CM1, CM2, ..., CM15Are connected in parallel to
Each gate electrode of the control transistor has a word line WL0
B, WL1B, WL2 B, ..., WL15BIs connected
I have. Block selection transistor Q of block [A]S
Each gate electrode of the
Do line BSAIs the block selection transition of block [B].
Star QSEach gate electrode has a block select transistor
Word line BSBIs connected. Block [A]
Reference capacitor CREFHas a reference key on the gate electrode.
Capacitor control transistor QREFWord line WRAContact
Connected control transistor QREFIs the block [B]
Reference capacitor CREFHas a reference capacitor on the gate electrode.
Word line WR of the transistor for transistor controlBWas connected
Control transistor QREFIs connected.

【0091】各メモリセルブロックの読み出し用トラン
ジスタQREADの一方の主電極には、読み出し用電源線V
,VLが、他方の主電極には読み出し出力線SL
,SLが接続されている。この実施形態において
は、読み出しトランジスタQRE ADに交互に接続される2
組の読み出し出力線SLおよびSLが設けられてい
る。さらに、ブロック[A]の参照用キャパシタ制御ト
ランジスタとブロック[B]の参照用キャパシタ制御ト
ランジスタとの接続点には、プレート線PLが接続され
ている。図16において、記憶用キャパシタCM0
M1,CM2,…,CM1 5のそれぞれに並列接続された制
御用トランジスタ、読み出し用トランジスタQR EAD、ブ
ロック選択トランジスタQ、および参照用キャパシタ
制御トランジスタQREFは、nMOSFETで示されて
いるが、pMOSFETで構成することも可能である。
One main electrode of the read transistor Q READ of each memory cell block has a read power supply line V
L A and V L B are provided on the other main electrode, and the read output line SL is provided on the other main electrode.
A, is connected SL B. In this embodiment, 2 are alternately connected to the read transistor Q RE AD
A set of read output lines SL A and SL B is provided. Further, a plate line PL is connected to a connection point between the reference capacitor control transistor of the block [A] and the reference capacitor control transistor of the block [B]. In FIG. 16, the storage capacitors C M0 ,
C M1, C M2, ..., each parallel-connected control transistor, the read transistor Q R EAD, block select transistors Q S, and the reference capacitor control transistor Q REF of C M1 5 is indicated by nMOSFET However, it is also possible to use a pMOSFET.

【0092】図17は周辺回路を含めた接続図を示して
いる。ブロック[A]の各ワード線WL0,WL
,WL2,…,WL15は、ローデコーダA4
02に、ブロック[B]の各ワード線WL0,WL1
,WL2,…,WL15はローデコーダB401
に、各ビット線BL0,BL1,…はカラムデコーダ4
11に接続されている。
FIG. 17 shows a connection diagram including peripheral circuits. Each word line WL0 A , WL of block [A]
1 A, WL2 A, ..., WL15 A , the row decoder A4
02, each word line WL0 B , WL1 of block [B]
B, WL2 B, ..., WL15 B is the row decoder B401
, Each bit line BL0, BL1,.
11 is connected.

【0093】図16および図17に示す構成において、
ブロック[A]内のBLx(x=0,1)とWLy
(y=0,1,2,…,15)の交点で指定される所
望の記憶セルを選択するには、ワード線BSを“1
(ハイレベル)”としてブロック選択トランジスタQ
をオンに、WLyのみを“0(ローレベル)”とし
て、記憶用キャパシタCMyに接続された制御用トランジ
スタをオフにし、それ以外のWLを“1”にし、電位
一定{例えば(1/2)VG}のプレート線PLに対し
て、BLxに電位を加えることで達成される。読み出し
時には、参照用キャパシタ制御トランジスタのワード線
WRをオフに、書き込み時にはワード線WRをオン
にする。同様に、ブロック[B]内のBLx(x=0,
1)とWLy(y=0,1,2,…,15)の交点で
指定される所望の記憶セルを選択するには、ワード線B
を“1”としてブロック選択トランジスタQをオ
ンに、WLyのみを“0”として、記憶用キャパシタ
Myに接続された制御用トランジスタをオフに、それ以
外のWLを“1”にし、電位一定{例えば(1/2)
}のプレート線PLに対して、BLxに電位を加え
ることで達成される。読み出し時には、参照用キャパシ
タ制御トランジスタのワード線WRを“0”に、書き
込み時にはワード線WRを“1”にする。
In the configuration shown in FIGS. 16 and 17,
BLx (x = 0, 1) and WLy in block [A]
A (y = 0,1,2, ..., 15) to select the desired memory cell specified by the intersection of the word line BS A "1
Block selected as the (high level) "transistor Q S
Is turned on, only WLy A is set to “0 (low level)”, the control transistor connected to the storage capacitor C My is turned off, the other WL A is set to “1”, and the potential is kept constant {for example, (1) / 2) to the plate line PL V G}, it is achieved by adding a potential to BLx. At the time of reading, off the word line WR A reference capacitor control transistor to turn on the word line WR A at the time of writing. Similarly, BLx (x = 0, x = 0) in block [B]
1) and WLy B (y = 0, 1, 2,..., 15) to select a desired memory cell specified by the word line B
Turn on the block selection transistors Q S as the S B "1", only WLy B "0" as to clear the connected control transistor in the storage capacitor C My, the other WL B "1" And constant potential {for example (1/2)
To the plate line PL of V G}, is achieved by adding a potential to BLx. At the time of reading, the word line WR B of the reference capacitor control transistor "0", when writing to "1" to the word line WR B.

【0094】図18には、さらに「プリチャージ読み出
し方式」を採用した場合の読み出し/書き込みシークエ
ンスを示す。すなわち、プリチャージ読み出し方式にお
いては、WLy,WLyを選択する前に参照用キャ
パシタCREFのキャパシタに逆電圧を加え、WLy
WLyを選択した後に正電圧を加えることにより、記
憶用キャパシタCMyに2倍程度の電圧を実質的に加えて
反転させるものである。
FIG. 18 shows a read / write sequence when the “precharge read method” is further employed. That is, in the precharge read method, before selecting WLy A and WLy B , a reverse voltage is applied to the capacitor of the reference capacitor C REF to select WLy A and WLy A.
By applying a positive voltage after selecting WLy B , a voltage approximately twice that of the storage capacitor C My is substantially applied and the storage capacitor C My is inverted.

【0095】図19(a)は、メモリセルブロックを示
す平面図で、簡略化のために、図19(b)に示す断面
図におけるA−A’線のレベルよりも下層のみを示す。
図19(a)において、nソース/ドレイン領域2
1,22とポリシリコンゲート電極となるワード線BS
とで、ブロック[B]のブロック選択トランジスタQ
が構成されている。ここで、「nソース/ドレイン
領域」とは、MOSFETのソース領域もしくはドレイ
ン領域の何れかの意である。通常、MOSFETのソー
ス領域およびドレイン領域は、ゲート電極を中心にして
対称に形成されているので、何れをMOSFETのソー
ス領域と呼ぶか、MOSFETのドレイン領域と呼ぶか
は、単なる呼び方の問題にすぎない。nソース/ドレ
イン領域21は、「ビット線接続部」として機能する。
同様に、nソース/ドレイン領域22,23とポリシ
リコンゲート電極となるワード線WL0とで、ブロッ
ク[B]の記憶用キャパシタCM0に並列接続された制御
用トランジスタが構成されている。さらに、nソース
/ドレイン領域23,24とワード線WL1とで、記
憶用キャパシタCM1に並列接続された制御用トランジス
タが、nソース/ドレイン領域24,25とワード線
WL2とで、記憶用キャパシタCM2に並列接続された
制御用トランジスタが、…、nソース/ドレイン領域
26(図示せず),27とワード線WL15とで、記
憶用キャパシタCM15に並列接続された制御用トランジ
スタが形成されている。nソース/ドレイン領域2
3,25,…,26には、各記憶用キャパシタCM0,C
M1,CM2,…,CM15の第1の電極もしくは第2電極と
して機能する下部電極42,43,…,44が接続され
ている。またnソース/ドレイン領域31,32とポ
リシリコンゲート電極531、ないしは領域32,33
とゲート電極532とで読み出し用トランジスタQRE AD
が形成されている。nソース/ドレイン領域31は、
列(ロー)方向に沿って形成されて読み出し出力線SL
を兼ねており、nソース/ドレイン領域32も列
(ロー)方向に形成されて読み出し用電源線VLを兼
ねている。そして、nソース/ドレイン領域28,2
9とワード線WRとで、参照用キャパシタ制御トラン
ジスタが形成されている。nソース/ドレイン領域2
9は、「プレート線接続部」として機能し、プレート線
PLが接続されている。このプレート線PLは、参照用
キャパシタCREFの第4の電極として機能する下部電極
45を兼ねている。主としてブロック[B]について説
明するが、ブロック[A]もブロック[B]と同様の構
成を備えている。
FIG. 19A shows a memory cell block.
FIG. 19B is a plan view showing a section shown in FIG.
Only the layer below the level of line A-A 'in the figure is shown.
In FIG. 19A, n+Source / drain region 2
Word lines BS serving as polysilicon gate electrodes 1 and 22
BAnd the block selection transistor Q of the block [B]
SIs configured. Here, "n+Source / drain
"Region" means the source region or drain of the MOSFET
Any meaning of the application area. Usually, MOSFET saw
The source and drain regions are centered on the gate electrode.
Since it is formed symmetrically,
Or MOSFET drain region
Is just a matter of name. n+Source / Dre
The in region 21 functions as a “bit line connection unit”.
Similarly, n+Source / drain regions 22 and 23 and policy
Word line WL0 serving as a recon gate electrodeBAnd the block
[B] storage capacitor CM0Control connected in parallel
Transistors are configured. Furthermore, n+Source
/ Drain regions 23, 24 and word line WL1BAnd
Storage capacitor CM1Control transistors connected in parallel
Is n+Source / drain regions 24, 25 and word line
WL2BAnd the storage capacitor CM2Connected in parallel
The control transistors are ..., n+Source / drain regions
26 (not shown), 27 and word line WL15BAnd
Storage capacitor CM15Control transistors connected in parallel to
A star is formed. n+Source / drain region 2
, 26, each storage capacitor CM0, C
M1, CM2, ..., CM15The first electrode or the second electrode
, 44 are connected.
ing. And n+The source / drain regions 31 and 32 are
The silicon gate electrode 531 or the regions 32 and 33
And the gate electrode 532, the read transistor QRE AD
Are formed. n+The source / drain region 31
The readout output line SL formed along the column (row) direction
BAnd n+Source / drain regions 32 are also columns
(Power supply line VL)BCum
I'm sleeping. And n+Source / drain regions 28, 2
9 and word line WRBWith the reference capacitor control transformer
A resistor is formed. n+Source / drain region 2
9 functions as a "plate line connection part",
PL is connected. This plate line PL is for reference.
Capacitor CREFLower electrode functioning as a fourth electrode
Also serves as 45. Mainly on block [B]
As will be described, block [A] has the same structure as block [B].
It is equipped with

【0096】図19(a)に示すように、ビット線接続
部とプレート線接続部に挟まれた1個のブロック[A]
又はブロック[B]内に、それぞれブロック選択トラン
ジスタQ、n個の記憶用キャパシタCM0,CM1
M2,CM3,…,CM15およびこれらに並列接続された
n個の制御用トランジスタ、読み出しトランジスタQ
READ、参照用キャパシタCREF、および参照用キャパシ
タ制御トランジスタが含まれる。記憶セルの寸法は4F
2,ブロックあたりのコンタクト部を含めた記憶セル以
外の領域は28F2であるから、メモリセル1個当り
(4+28/n)F2になる。第1の実施の形態では強
誘電体キャパシタとして20μC/cmの残留分極を
有するものを使用したため、16個の記憶セルを直列に
接続しても安定に動作することが分かった。したがっ
て、1個当たり5.8F2の寸法になった。
As shown in FIG. 19A, one block [A] sandwiched between the bit line connection portion and the plate line connection portion
Or in the block [B], respectively block select transistors Q S, n pieces of the memory capacitor C M0, C M1,
C M2 , C M3 ,..., C M15 and n control transistors connected in parallel to them, readout transistor Q
READ , a reference capacitor C REF , and a reference capacitor control transistor. Storage cell size is 4F
2, a region other than the memory cell including the contact portion per block since it is 28F 2, it becomes 1 per memory cell (4 + 28 / n) F 2. In the first embodiment, since a ferroelectric capacitor having a residual polarization of 20 μC / cm 2 was used, it was found that stable operation was achieved even when 16 memory cells were connected in series. Therefore, the size was 5.8F 2 per piece.

【0097】図19(b)は図19(a)に示す平面図
のB−B’方向に沿った断面図である。図19(b)に
示すように、本発明の第1実施形態に係る半導体記憶装
置は、半導体基板11上にpウェル12を形成し、この
pウェル12の表面に、nソース/ドレイン領域2
1,22,23,…,30を設けている。そして、pウ
ェル12の表面のゲート酸化膜の上に、ポリシリコンゲ
ート電極となるワード線BS,WL0,WL1
WL2,…,WL15,WRおよびWRを有し
ている。なお、図19(b)の断面図には、ポリシリコ
ンゲート電極532の配線部の断面も露出している。図
19(b)では、単層のポリシリコンゲート電極を示し
ているが、単層のポリシリコンゲート電極の代わりに、
ポリシリコンゲート層とWゲート層等とからなる2層構
造でもよい。Wゲート層の他にTi,Mo,Co等の高
融点金属、あるいはWSi,TiSi,MoS
,CoSi等の高融点金属のシリサイドなどを用
いても良い。
FIG. 19B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the plan view shown in FIG. 19A. As shown in FIG. 19B, in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, a p-well 12 is formed on a semiconductor substrate 11, and n + source / drain regions are formed on the surface of the p-well 12. 2
, 30 are provided. Then, p on the gate oxide film on the surface of the well 12, a polysilicon gate electrode word lines BS B, WL0 B, WL1 B ,
WL2 B, ..., have WL15 B, WR B and WR A. The cross section of the wiring portion of the polysilicon gate electrode 532 is also exposed in the cross-sectional view of FIG. FIG. 19B shows a single-layer polysilicon gate electrode, but instead of the single-layer polysilicon gate electrode,
A two-layer structure including a polysilicon gate layer and a W gate layer may be used. In addition to the W gate layer, a refractory metal such as Ti, Mo, or Co, or WSi 2 , TiSi 2 , MoS
Silicide of a high melting point metal such as i 2 or CoSi 2 may be used.

【0098】nソース/ドレイン領域21,22とワ
ード線BSとで、ブロック選択トランジスタQが構
成されている。nソース/ドレイン領域22,23と
ワード線WL0とで、記憶用キャパシタCM0に並列接
続された制御用トランジスタが構成されている。さら
に、nソース/ドレイン領域23,24とワード線W
L1とで、記憶用キャパシタCM1に並列接続された制
御用トランジスタが、n ソース/ドレイン領域24,
25とワード線WL2とで、記憶用キャパシタCM2
並列接続された制御用トランジスタが、…、nソース
/ドレイン領域26(図示せず),27とワード線WL
15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接続された
制御用トランジスタが形成されている。そして、n
ース/ドレイン領域28,29とワード線WRとで、
参照用キャパシタ制御トランジスタが形成されている。
ワード線BS,WL0,WL1,WL2,…,
WL15,WRおよびWRの上には酸化膜(Si
2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si3N4
膜)等からなる第1の層間絶縁膜13が形成され、この
第1の層間絶縁膜13の上に、各記憶用キャパシタ
M0,CM1,CM2,CM3 ,…,CM15の第1の電極
もしくは第2の電極として機能する下部電極42,4
3,…,および45が形成されている。さらに、第1の
層間絶縁膜13の上には、プレート線PLを兼ねた、参
照用キャパシタCREFの第4の電極として機能する下部
電極45も形成されている。下部電極42,43,…,
および45は、第1の層間絶縁膜13中に設けられたコ
ンタクトホールを埋め込むように形成されたコンタクト
プラグ73,75,80により、nソース/ドレイン
領域23,25,…,29と接続している。これらのコ
ンタクトプラグは、不純物の添加した多結晶シリコン
(ドープドポリシリコン)、高融点金属や高融点金属の
シリサイド等で構成すればよい。下部電極42は、記憶
用キャパシタCM0の第1の電極および記憶用キャパシタ
M1の第2の電極として機能する。下部電極43は、記
憶用キャパシタCM2の第1の電極および記憶用キャパシ
タCM3の第2の電極として機能する。…下部電極44
は、記憶用キャパシタCM14の第1の電極および記憶用
キャパシタCM15の第2の電極として機能する。下部電
極42,43,…,44,45は膜厚10nmの(T
i,Al)Nからなる下部バリア金属層と、膜厚20n
mのSrRuO3からなる下部電極との2層構造で構成
すればよい。そして、この下部電極42,43,…,4
4の上に、例えば、厚さ25nmのBaリッチ組成のB
STO薄膜等の強誘電体薄膜51,52,…,53を形
成し、パターニングすればよい。また、参照用キャパシ
タCREFの下部電極45の上には、厚さ25nmのSr
リッチ組成のBSTO薄膜等の常誘電体薄膜54を形成
すればよい。なお、参照用キャパシタCREF用の常誘電
体薄膜54としては、酸化シリコン(SiO2)、酸化
タンタル(Ta5)等を用いても良く、強誘電体薄
膜を使用することができる。強誘電体薄膜51,52,
…,53、常誘電体薄膜54が形成されていない第1の
層間絶縁膜13の上には、酸化膜(SiO2膜),PS
G膜,BPSG膜,窒化膜(SI膜)等からなる
第2の層間絶縁膜14が形成され、この第2の層間絶縁
膜14の上には、上部電極61,62,…,63が形成
されている。上部電極61は、記憶用キャパシタCM0
第2の電極として機能する。上部電極62は、記憶用キ
ャパシタCM1の第1の電極および記憶用キャパシタCM2
の第2の電極として機能する。…上部電極63は、記憶
用キャパシタCM15の第1の電極および参照用キャパシ
タCREFの第3の電極として機能する。上部電極61,
62,…,63は、厚さ20nmのSrRuO3膜から
なる上部電極と、さらにこの上に形成された膜厚10n
mの(Ti,Al)Nの上部バリア金属層の2層構造で
形成すればよい上部電極61,62,…,63,64
は、第1の層間絶縁膜13および第2の層間絶縁膜14
を貫通して設けられたコンタクトホールを埋め込むよう
に形成されたコンタクトプラグ72,74,77,79
により、nソース/ドレイン領域22,24,…,2
7,28と接続されている。これらのコンタクトプラグ
72,74,77,79は、ドープドポリシリコン、高
融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよ
い。さらに、上部電極63は、第1の層間絶縁膜13お
よび第2の層間絶縁膜14を貫通して設けられたコンタ
クトプラグ78を介して、読み出し用トランジスタQ
READのポリシリコンゲート電極の配線部532と接続し
ている。ポリシリコンゲート電極の配線部532は、コ
ンタクトプラグ78を設けるために、デバイス部のポリ
シリコンゲート電極より太くパターニングされている。
上部電極61,62,…,63の上には、酸化膜(Si
2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si
膜)等からなる第3の層間絶縁膜15が形成され、この
第3の層間絶縁膜15の上には、ビット線16が形成さ
れている。ビット線16とnソース/ドレイン領域2
1とは、第1ないし第3の層間絶縁膜13,14,15
を貫通したビット線コンタクトプラグ71により互いに
接続されている。ビット線コンタクトプラグ71は、ド
ープドポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサ
イド等で構成すればよい。図示を省略しているが、さら
にビット線16の上には、酸化膜(SiO2膜),PS
G膜,BPSG膜,窒化膜(Si膜)、あるいは
ポリイミド膜などのパッシベーション膜を形成すること
が好ましい。主としてブロック[B]について説明した
が、ブロック[A]も同様の構成を有しており、このよ
うな回路構成により、非常に高集積化された不揮発性メ
モリの動作が確認できた。
N+Source / drain regions 21 and 22
Lead wire BSBAnd the block selection transistor QSBut
Has been established. n+Source / drain regions 22 and 23
Word line WL0BAnd the storage capacitor CM0Parallel connection
A continuous control transistor is configured. Further
And n+Source / drain regions 23, 24 and word line W
L1BAnd the storage capacitor CM1Connected in parallel to
Your transistor is n +Source / drain regions 24,
25 and word line WL2BAnd the storage capacitor CM2To
The control transistors connected in parallel are..., N+Source
/ Drain regions 26 (not shown), 27 and word line WL
FifteenBAnd the storage capacitor CM15Connected in parallel
A control transistor is formed. And n+Seo
Source / drain regions 28 and 29 and word line WRBAnd
A reference capacitor control transistor is formed.
Word line BSB, WL0B, WL1B, WL2B,…,
WL15B, WRBAnd WRAAn oxide film (Si
OTwoFilm), PSG film, BPSG film, nitride film (Si3N4
A first interlayer insulating film 13 made of a film or the like is formed.
Each storage capacitor is provided on the first interlayer insulating film 13.
CM0, CM1, CM2, CM3 3, ..., CM15First electrode of
Alternatively, lower electrodes 42 and 4 functioning as second electrodes
3,... And 45 are formed. In addition, the first
On the interlayer insulating film 13, a reference
Illumination capacitor CREFLower part functioning as the fourth electrode of
An electrode 45 is also formed. , Lower electrodes 42, 43,.
And 45 are components provided in the first interlayer insulating film 13.
Contact formed to fill contact hole
By the plugs 73, 75 and 80, n+Source / drain
, 29 are connected. These
Contact plug is made of polycrystalline silicon with impurities
(Doped polysilicon), high melting point metal or high melting point metal
What is necessary is just to comprise with silicide etc. The lower electrode 42 is
Capacitor CM0First electrode and storage capacitor
CM1Function as a second electrode. The lower electrode 43 is
Storage capacitor CM2First electrode and storage capacity
TA CM3Function as a second electrode. ... Lower electrode 44
Is the storage capacitor CM14First electrode for storage
Capacitor CM15Function as a second electrode. Lower part
The poles 42, 43,..., 44, 45 have a film thickness of 10 nm (T
i, Al) N lower barrier metal layer and 20 n film thickness
m of SrRuOThreeComposed of a two-layer structure with a lower electrode made of
do it. Then, the lower electrodes 42, 43,.
4, for example, a B-rich composition B having a thickness of 25 nm
Forming ferroelectric thin films 51, 52,...
Formed and patterned. Also, the reference capacity
TA CREFOf Sr having a thickness of 25 nm
Forming a paraelectric thin film 54 such as a BSTO thin film having a rich composition
do it. The reference capacitor CREFParaelectric for
As the body thin film 54, silicon oxide (SiO 2)Two), Oxidation
Tantalum (Ta2OFive) May be used.
A membrane can be used. Ferroelectric thin films 51, 52,
, 53, the first in which the paraelectric thin film 54 is not formed
An oxide film (SiO 2) is formed on the interlayer insulating film 13.TwoMembrane), PS
G film, BPSG film, nitride film (SI3N4Film) etc.
A second interlayer insulating film 14 is formed, and the second interlayer insulating film 14 is formed.
, 63 are formed on the film 14.
Have been. The upper electrode 61 is connected to the storage capacitor CM0of
Functions as a second electrode. The upper electrode 62 is
Japashita CM1First electrode and storage capacitor CM2
Function as a second electrode. ... The upper electrode 63 is a memory
Capacitor CM15First electrode and reference capacity
TA CREFFunction as a third electrode. Upper electrode 61,
62,..., 63 are SrRuO having a thickness of 20 nm.ThreeFrom the membrane
Upper electrode and a film thickness of 10 n formed thereon.
m (Ti, Al) N upper barrier metal layer with a two-layer structure
, 63, 64 which may be formed.
Are a first interlayer insulating film 13 and a second interlayer insulating film 14
To fill the contact hole provided through
Contact plugs 72, 74, 77, 79 formed in
Gives n+Source / drain regions 22, 24, ..., 2
7 and 28. These contact plugs
72, 74, 77, 79 are doped polysilicon, high
It should be composed of high melting point metal or high melting point metal silicide, etc.
No. Further, the upper electrode 63 is formed on the first interlayer insulating film 13 and
And a contour provided through second interlayer insulating film 14.
The read transistor Q is connected via the
READConnected to the wiring portion 532 of the polysilicon gate electrode.
ing. The wiring portion 532 of the polysilicon gate electrode is
In order to provide the contact plug 78,
It is patterned thicker than the silicon gate electrode.
An oxide film (Si) is formed on the upper electrodes 61, 62,.
OTwoFilm), PSG film, BPSG film, nitride film (Si3N4
A third interlayer insulating film 15 made of a film or the like is formed.
On the third interlayer insulating film 15, a bit line 16 is formed.
Have been. Bit line 16 and n+Source / drain region 2
1 means first to third interlayer insulating films 13, 14, 15
Bit line contact plugs 71 penetrating through
It is connected. The bit line contact plug 71 is
Doped polysilicon, high melting point metal or high melting point metal silicator
What is necessary is just to comprise with an id etc. Although illustration is omitted,
An oxide film (SiO 2) is formed on the bit line 16.TwoMembrane), PS
G film, BPSG film, nitride film (Si3N4Membrane) or
Forming a passivation film such as a polyimide film
Is preferred. Mainly explained about block [B]
However, the block [A] has a similar configuration.
With such a circuit configuration, a highly integrated nonvolatile memory
The operation of the moly was confirmed.

【0099】(第2実施形態)図20は、本発明の第2
実施形態に係る半導体記憶装置の主要部分の回路構成を
示し、図21は図17と同様に周辺回路まで含めた主要
構成を示す図である。この第2実施形態は、第1実施形
態に示したプレート線を使用せず、隣接するビット線の
間に動作電圧を印加する構造を備えている。
(Second Embodiment) FIG. 20 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 21 shows a circuit configuration of a main part of the semiconductor memory device according to the embodiment, and FIG. 21 is a diagram showing a main configuration including peripheral circuits as in FIG. The second embodiment has a structure in which an operating voltage is applied between adjacent bit lines without using the plate line shown in the first embodiment.

【0100】図20に示すように、第2実施形態に係る
半導体記憶装置は、直列接続された複数個の記憶用キャ
パシタCM0,CM1,CM2,…,CM15と、この記憶用キ
ャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並
列接続された制御用トランジスタとからなる記憶セル列
(記憶セルチェーン)と、この記憶セルチェーンの一方
の端部に接続した「参照セルと選択トランジスタ(ブロ
ック選択トランジスタ)Qとの直列回路」と、記憶セ
ルチェーンの他方の端部に接続したゲート電極を有する
読み出し用トランジスタQREADとを具備したサブブロッ
クを基本ユニットとして構成している。ここで、「参照
セル」は、既に定義したように、参照用キャパシタC
REFと参照用キャパシタ制御トランジスタとの並列回路
からなる。記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,C
M15は、それぞれ第1の電極、この第1の電極に対向し
て配置された第2の電極、およびこれらの第1、第2の
電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備してい
る。参照用キャパシタCREFは、第3の電極、この第3
の電極に対向して配置された第4の電極、およびこれら
の第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくと
も具備している。上記「参照セルと選択トランジスタ
(ブロック選択トランジスタ)Qとの直列回路」は、
2通りの組み合わせがあり、参照用キャパシタCREF
第3の電極が記憶用キャパシタCM0の第1の電極に接続
される場合と、ブロック選択トランジスタQが記憶用
キャパシタCM0の第1の電極に接続される場合とがあ
る。
[0100] As shown in FIG. 20, the semiconductor memory device according to the second embodiment, the capacitor C M0 for a plurality of memories connected in series, C M1, C M2, ..., and C M15, the storage capacitor A memory cell array (memory cell chain) composed of control transistors connected in parallel to each of C M0 , C M1 , C M2 ,..., C M15 , and a “reference” the cell and selection transistor series circuit (block select transistor) Q S ", the sub-blocks and a read transistor Q rEAD having a gate electrode connected to the other end of the memory cell chain constructed as a basic unit ing. Here, the “reference cell” is, as already defined, a reference capacitor C
It comprises a parallel circuit of REF and a reference capacitor control transistor. The storage capacitors C M0 , C M1 , C M2 ,..., C
M15 includes at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. I have. The reference capacitor C REF is connected to a third electrode,
And a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. The "reference cell and the selection transistor series circuit (block select transistor) Q S" is
There are two combinations, and when the third electrode of the reference capacitor C REF is connected to the first electrode of the memory capacitor C M0, block selection transistor Q S is the first storage capacitor C M0 It may be connected to an electrode.

【0101】そして、この第2実施形態に係る半導体装
置は、このメモリセルブロックを複数個マトリックス状
に配置しているが、1個の読み出しトランジスタQREAD
を中心にして、右にサブブロック[A]、左にサブブロ
ック[B]の2個のサブブロックに別れている。図20
ではそのうちサブブロック[A]として2つ、サブブロ
ック[B]として2つの計4つのみを示している。図2
0の1段目とカラムのサブブロック[A]、および2段
目のカラムのサブブロック[B]は、参照用キャパシタ
REFの第3の電極が記憶用キャパシタCM0の第1の電
極に接続されている。一方、2段目のカラムのサブブロ
ック[A]、および1段目のカラムのサブブロック
[B]は、ブロック選択トランジスタQが記憶用キャ
パシタCM0の第1の電極に接続されている。1段目のカ
ラムのサブブロック[B]の参照用キャパシタCREF
第4の電極はビット線BL0に接続されている。2段目
のカラムのサブブロック[A]の参照用キャパシタC
REFの第4の電極、および1段目のカラムのサブブロッ
ク[A]のブロック選択トランジスタQはビット線B
L1に接続されている。さらに、2段目のカラムのサブ
ブロック[B]の参照用キャパシタCREFの第4の電極
は、ビット線BL2に接続されている。
In the semiconductor device according to the second embodiment, a plurality of the memory cell blocks are arranged in a matrix, but one read transistor Q READ is provided.
Is divided into two sub-blocks, a sub-block [A] on the right and a sub-block [B] on the left. FIG.
In FIG. 3, only two sub-blocks [A] and two sub-blocks [B] are shown. FIG.
In the first sub-block [A] and the second sub-block [B], the third electrode of the reference capacitor C REF is connected to the first electrode of the storage capacitor C M0 . It is connected. On the other hand, the column of the second stage sub-block [A], and the sub-block [B] of the first stage of the column, block selection transistor Q S is connected to a first electrode of the memory capacitor C M0. The fourth electrode of the reference capacitor CREF of the sub-block [B] of the first column is connected to the bit line BL0. Reference capacitor C of sub-block [A] of the second column
The the REF 4 electrodes, and block selecting transistors Q S of the first stage of the column sub-block [A] is the bit line B
L1. Further, the fourth electrode of the reference capacitor C REF in the sub-block [B] of the second column is connected to the bit line BL2.

【0102】サブブロック[A]の1段目のカラムのブ
ロック選択トランジスタQのゲート電極、および2段
目のカラムの参照用キャパシタ制御トランジスタのゲー
ト電極には、それぞれワード線WR0が接続されてい
る。また、サブブロック[A]の1段目のカラムの参照
用キャパシタ制御トランジスタのゲート電極、および2
段目のカラムのブロック選択トランジスタQには、そ
れぞれワード線WR1 が接続されている。一方、サブ
ブロック[B]の1段目のカラムの参照用キャパシタ制
御トランジスタのゲート電極、および2段目のカラムの
ブロック選択トランジスタQには、それぞれワード線
WR0が接続されている。そして、サブブロック
[B]の1段目のカラムのブロック選択トランジスタQ
のゲート電極、および2段目のカラムの参照用キャパ
シタ制御トランジスタのゲート電極には、それぞれワー
ド線WR1が接続されている。
The block of the first column of the sub-block [A]
Lock selection transistor QSGate electrode and two stages
The gate of the reference capacitor control transistor in the eye column
Are connected to the word line WR0, respectively.AIs connected
You. Also, referencing the first column of the sub-block [A]
Gate electrode of capacitor control transistor for
Block select transistor Q of the second columnSIn the
Each word line WR1 AIs connected. Meanwhile, sub
Reference capacitor system for the first column of block [B]
The gate electrode of the control transistor and the second stage column
Block select transistor QSEach has a word line
WR0BIs connected. And the sub-block
Block select transistor Q in the first column of [B]
SGate electrode and reference capacity of the second column
Each of the gate electrodes of the
Wire WR1BIs connected.

【0103】サブブロック[A]の記憶用キャパシタC
M0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続され
た制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線W
L0 ,WL1,WL2,…,WL15が接続さ
れている。同様にサブブロック[B]の記憶用キャパシ
タCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続
された制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード
線WL0,WL1,WL2,…,WL15が接
続されている。サブブロック[A]とサブブロック
[B]との中央に位置した読み出し用トランジスタQ
READの一方の主電極には、読み出し用電源線VLが、他
方の主電極には読み出し出力線SLが接続されている。
この実施形態においては、読み出し出力線SLを2組用
意し、それぞれをカラム毎に交互に接続している。図2
0において、記憶用キャパシタCM0,C M1,CM2,…,
M15のそれぞれに並列接続された制御用トランジス
タ、読み出し用トランジスタQREAD、ブロック選択トラ
ンジスタQ、および参照用キャパシタ制御トランジス
タは、nMOSFETで示されているが、pMOSFE
Tで構成することも可能である。
Storage capacitor C of sub-block [A]
M0, CM1, CM2, ..., CM15Are connected in parallel to each
Each gate electrode of the control transistor has a word line W
L0 A, WL1A, WL2A, ..., WL15AIs connected
Have been. Similarly, the storage capacity of the sub-block [B]
TA CM0, CM1, CM2, ..., CM15Connected in parallel to each
A word is applied to each gate electrode of the
Line WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15BContact
Has been continued. Sub-block [A] and sub-block
Read transistor Q located at the center of [B]
READThe read power line VL is connected to one of the main electrodes.
The read output line SL is connected to the other main electrode.
In this embodiment, two sets of read output lines SL are used.
In other words, they are connected alternately for each column. FIG.
0, the storage capacitor CM0, C M1, CM2,…,
CM15Control transistors connected in parallel to each other
Data, readout transistor QREAD, Block selection tiger
Transistor QSAnd reference capacitor control transistors
Are shown as nMOSFETs, but pMOSFE
It is also possible to configure with T.

【0104】図22には、第2実施形態に係る半導体記
憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示す。本発
明の第2の実施の形態に係る半導体記憶内では、図20
および図21に示した回路構成において隣接するビット
数BLxおよびBLx+1の間に動作電圧を印加する構
造をとる。このため、1本のワード線がカラム毎にブロ
ック選択トランジスタQと参照用キャパシタ制御トラ
ンジスタを交互に駆動する構造になっている。
FIG. 22 shows a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the second embodiment. In the semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention, FIG.
In the circuit configuration shown in FIG. 21, an operation voltage is applied between adjacent bit numbers BLx and BLx + 1. Therefore, it has a structure in which one word line is driven alternately reference capacitor control transistor and block select transistors Q S for each column.

【0105】一例として、サブブロック[A]のビット
線とワード線WL1との交点に位置する2段目のカラ
ムの記憶用キャパシタCM1を選択するときを考える。サ
ブブロック[A]のワード線WR0およびWR1
を、“1”として、2段目のカラムのサブブロック
[A]の参照用キャパシタ制御トランジスタおよびブロ
ック選択トランジスタQ、を導通状態(オン)とす
る。同時に、サブブロック[B]のワード線WR0
“1”とし、2段目のカラムのサブブロック[B]のブ
ロック選択トランジスタQをオンとする。このときサ
ブブロック[B]のワード線WR1のみは“0”とす
る。即ち、2段目のカラムのサブブロック[B]の参照
用キャパシタ制御トランジスタのみを遮断状態(オフ)
とし、この参照用キャパシタCREFを選択する。この状
態は図8(a)に示した等価回路でブロック選択トラン
ジスタQがオンの場合に相当する。次にWL1のみ
を“0”、それ以外のWLを“1”とし、2段目のカ
ラムの記憶用キャパシタCM1を選択する。この状態は図
1または図7(a)ないし図7(c)に示した等価回路
で、記憶用キャパシタCMと並列に接続された制御用ト
ランジスタがオフの場合に相当する。すなわち、第1の
電極、第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に
挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備した記憶用キ
ャパシタCMと、記憶用キャパシタCMの第1の電極に接
続された第3の電極、この第3の電極に対向して配置さ
れた第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟
まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備した参照用キャパ
シタCREFと、記憶用キャパシタCMの第1の電極および
参照用キャパシタCREFの第3の電極に接続されたゲー
ト電極を有する読み出し用トランジスタQREADをとから
なる等価回路が実現されたことになる。この状態で、ビ
ット線BL1およびBL2間に読み出し/書き込み電圧
を印加すればよい。すなわち、ビット線BL1を“1”
とし、ビット線BL2を“0”とすれば、記憶用キャパ
シタCM1と参照用キャパシタCREF間に“1”の電圧を
印加することができる。
[0105] As an example, consider a case of selecting a memory capacitor C M1 of the second stage of the column located at the intersection between the bit line and the word line WL1 A sub-block [A]. Word lines WR0 A and WR1 of sub-block [A]
The A, as "1", the reference capacitor control transistors and block selection transistor Q S of the column of the second stage sub-block [A], and a conductive state (ON). At the same time, the word line WR0 B sub-block [B] is set to "1", and on the block selection transistors Q S of the column of the second stage sub-block [B]. At this time, only the word line WR1 B of the sub-block [B] is set to “0”. That is, only the reference capacitor control transistor in the sub-block [B] of the second column is cut off (off).
And the reference capacitor C REF is selected. This state is the equivalent circuit shown in FIG. 8 (a) block selection transistor Q S corresponds to the case on. Then only WL1 A "0", and WL of the A "1" otherwise, selects the memory capacitor C M1 of the column in the second stage. This state is equivalent circuit shown in FIG. 1 or FIGS. 7 (a) through FIG. 7 (c), the connected control transistor in parallel with the storage capacitor C M is equivalent to the case of off. That is, the first electrode, the second electrode, and the first of these, a storage capacitor C M for a ferroelectric thin film sandwiched between the at least comprising the second electrode, the first storage capacitor C M At least a third electrode connected to the third electrode, a fourth electrode facing the third electrode, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. a reference capacitor C REF, the first electrode and the equivalent circuit composed of a capital the read transistor Q rEAD having a third gate electrode connected to the electrode of the reference capacitor C REF of the memory capacitor C M is realized It will be. In this state, a read / write voltage may be applied between the bit lines BL1 and BL2. That is, the bit line BL1 is set to “1”.
If the bit line BL2 is set to "0", a voltage of "1" can be applied between the storage capacitor CM1 and the reference capacitor CREF .

【0106】このとき、ビット線BL0−BL1間、お
よびビット線BL2−BL3間にも電圧が印加される
が、ワード線WR1が“0”であるので1段目と3段
目のカラムのサブブロック[B]のブロック選択トラン
ジスタQがオフ状態であり、1段目と3段目のカラム
の記憶用キャパシタCM1には電圧が加わらない。即ち対
象としているカラムの上下のカラムのブロック選択トラ
ンジスタQがオフとなるので、ビット線に印加した電
圧はこれらの隣接するカラムのブロックには加わらな
い。
[0106] At this time, between the bit lines BL0-BL1, and although a voltage is also applied between the bit lines BL2-BL3, the word line WR1 B is the first and third stages of the column because it is "0" block selection transistor Q S of the sub-block [B] is in the oFF state, no voltage applied to the storage capacitor C M1 of the column of the first and third stages. That is, the block select transistors Q S of the upper and lower columns in the column as an object is turned off, the voltage applied to the bit line is not applied to the blocks of these adjacent column.

【0107】また、サブブロック[B]の記憶セルを選
択するときは、サブブロック[A]の参照用キャパシタ
を選択し、図1又は図7(a)ないし図7(c)に示し
た等価回路で、記憶用キャパシタCMと並列に接続され
た制御用トランジスタがオフの場合を実現することはも
ちろんである。
When selecting the storage cell of the sub-block [B], the reference capacitor of the sub-block [A] is selected, and the equivalent circuit shown in FIG. 1 or FIGS. 7 (a) to 7 (c) is selected. in the circuit, connected control transistor in parallel with the storage capacitor C M that is of course to achieve the case of off.

【0108】本発明の第2実施形態に係る半導体記憶装
置では、隣接する2本のビット線間に電圧を印加するこ
とができるので、実質的に±VCの電圧をセルに印加で
きるという利点がある。また、書き込み動作も参照用キ
ャパシタCREFを介して行なう。その他は、ほぼ第1の
実施の形態に係る半導体記憶装置と同様である。
[0108] In the semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention, advantage since it is possible to apply a voltage between two adjacent bit lines, a voltage can be applied substantially ± V C to the cell There is. The write operation is also performed via the reference capacitor CREF . Others are almost the same as the semiconductor memory device according to the first embodiment.

【0109】図23(a)は、メモリセルブロックを示
す平面図で、簡略化のために、図23(b)におけるA
−A’平面のレベルよりも下層のみを示す。図23
(a)において、1段目のカラムのnソース/ドレイ
ン領域281,21とワード線WR0とで、サブブロ
ック[B]の参照用キャパシタ制御トランジスタが形成
されている。nソース/ドレイン領域281は、ビッ
ト線BL0への接続部としても機能する。nソース/
ドレイン領域21には、参照用キャパシタCREFの第4
の電極として機能する下部電極66が接続されている。
そして、nソース/ドレイン領域21,22とポリシ
リコンゲート電極となるワード線WL1とで、ブロッ
ク選択トランジスタQS1が構成されている。同様に、
ソース/ドレイン領域22,23とポリシリコンゲ
ート電極となるワード線WL0とで、記憶用キャパシ
タCM0に並列接続された制御用トランジスタが構成され
ている。さらに、nソース/ドレイン領域23,24
とワード線WL1とで、記憶用キャパシタCM1に並列
接続された制御用トランジスタが形成され、nソース
/ドレイン領域26(図示せず),27とワード線WL
15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接続された
制御用トランジスタが形成されている。nソース/ド
レイン領域23,25には、各記憶用キャパシタCM0
M1,CM2,…,CM15の第1の電極もしくは第2電極
として機能する下部電極42,43,…,44が接続さ
れている。またnソース/ドレイン領域31,32と
ポリシリコンゲート電極531とで読み出し用トランジ
スタQREADが形成されている。nソース/ドレイン領
域31,32は、ワード線に平行に形成されており、読
み出し用電源線VLを兼ねている。2段目のカラムのブ
ロック選択トランジスタQ のnソース/ドレイン
領域282と、3段目のカラムの参照用キャパシタ制御
トランジスタのnソース/ドレイン領域283とは接
続電極(図示せず)によって互いに接続されている。主
としてブロック[B]について説明したが、ブロック
[A]も同様の構成を有している。
FIG. 23A is a plan view showing a memory cell block. For simplification, A in FIG.
Only the layer below the level of the -A 'plane is shown. FIG.
In (a), the n + source / drain regions 281 and 21 of the first column and the word line WR0 B form a reference capacitor control transistor of the sub-block [B]. The n + source / drain region 281 also functions as a connection to the bit line BL0. n + source /
The fourth region of the reference capacitor C REF is provided in the drain region 21.
The lower electrode 66 functioning as an electrode is connected.
Then, in the n + source / drain regions 21 and 22 and the polysilicon gate electrode to become the word lines WL1 B, the block select transistors Q S1 is formed. Similarly,
In the n + source / drain regions 22 and 23 and the polysilicon gate electrode to become the word line WL0 B, parallel to the storage capacitor C M0 connected control transistor is configured. Further, n + source / drain regions 23 and 24
And word line WL1 B , form a control transistor connected in parallel to storage capacitor C M1 . N + source / drain regions 26 (not shown), 27 and word line WL
In the 15 B, parallel to the storage capacitor C M15 connected control transistor is formed. Each of the n + source / drain regions 23 and 25 has a storage capacitor C M0 ,
C M1, C M2, ..., the lower electrode 43 functions as a first electrode or the second electrode of the C M15, ..., 44 are connected. The n + source / drain regions 31 and 32 and the polysilicon gate electrode 531 form a read transistor Q READ . The n + source / drain regions 31 and 32 are formed in parallel with the word lines, and also serve as the read power supply lines VL. And n + source / drain region 282 of the block select transistor Q S 0 of the column of the second stage, the connection electrode and the n + source / drain region 283 of the reference capacitor control transistor of the third-stage column (not shown) Are connected to each other. Although mainly the block [B] has been described, the block [A] has a similar configuration.

【0110】図23(a)に示すように、各カラムのサ
ブブロック[A]又はサブブロック[B]内に、それぞ
れブロック選択トランジスタQ、n個の記憶用キャパ
シタCM0,CM1,CM2,…,CM15およびこれらに並列
接続されたn個の制御用トランジスタ、読み出しトラン
ジスタQREAD、参照用キャパシタCREF、および参照用
キャパシタ制御トランジスタが含まれる。1個の記憶セ
ルの寸法は4F2,サブブロックあたりのコンタクト部
を含めた記憶セル以外の領域は16F2であるから、メ
モリセル1個当たり(4+16/n)F2になる。第2
の実施の形態に係る半導体記憶装置では、強誘電体キャ
パシタとして20μC/cmの残留分極を有するもの
を使用したため、16個の記憶セルを直列に接続しても
安定に動作することが分かった。したがって、1個当た
り5.0F2の寸法になった。
As shown in FIG. 23A, a block selection transistor Q S and n storage capacitors C M0 , C M1 , C are provided in a sub-block [A] or a sub-block [B] of each column, respectively. M2 ,..., C M15 and n control transistors connected in parallel to them, a read transistor Q READ , a reference capacitor C REF , and a reference capacitor control transistor. The size of one memory cell is 4F 2 , and the area other than the memory cell including the contact portion per sub-block is 16F 2 , so that one memory cell has (4 + 16 / n) F 2 . Second
In the semiconductor memory device according to the first embodiment, since a ferroelectric capacitor having a remanent polarization of 20 μC / cm 2 was used, it was found that stable operation was achieved even when 16 memory cells were connected in series. . Therefore, the size of each piece was 5.0 F 2 .

【0111】図23(b)は、図23(a)に示す平面
図のB−B’方向に沿った断面図である。図23(b)
に示すように、本発明の第2実施形態に係る半導体記憶
装置は、半導体基板11上にpウェル12を形成し、こ
のpウェル12の表面に、n ソース/ドレイン領域2
81,21,22,23,…,27を設けている。そし
て、pウェル12の表面のゲート酸化膜の上に、ポリシ
リコンゲート電極となるワード線WR0,WR1
WL0,WL1,WL2,…,WL15 を有し
ている。なお、図23(b)の断面図には、読み出し用
トランジスタQ READを構成するポリシリコンゲート電極
531の配線部の断面も露出している。ここで、これら
のポリシリコンゲート電極の代わりに、W,Ti,M
o,Co等の高融点金属、あるいはWSi,TiSi
,MoSi,CoSi等の高融点金属のシリサイ
ドなどを用いても良い。
FIG. 23B is a plan view showing the plane shown in FIG.
It is sectional drawing along the B-B 'direction of the figure. FIG. 23 (b)
As shown in FIG. 7, a semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention
The device forms a p-well 12 on a semiconductor substrate 11 and
N surface of the p-well 12 +Source / drain region 2
81, 21, 22, 23,..., 27 are provided. Soshi
Then, a policy is formed on the gate oxide film on the surface of the p-well 12.
Word line WR0 serving as a recon gate electrodeB, WR1B,
WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15 BHas
ing. Note that the cross-sectional view of FIG.
Transistor Q READPolysilicon gate electrode
The cross section of the wiring portion 531 is also exposed. Where these
W, Ti, M instead of the polysilicon gate electrode
o, Co or other high melting point metal or WSi2, TiSi
2, MoSi2, CoSi2Of high melting point metals such as
May be used.

【0112】nソース/ドレイン領域281,21と
ワード線WR0とで、サブブロック[B]の参照用キ
ャパシタ制御トランジスタが形成されている。また、n
ソース/ドレイン領域21,22とワード線WR1
とで、ブロック選択トランジスタQS1が構成されてい
る。nソース/ドレイン領域22,23とワード線W
L0とで、記憶用キャパシタCM0に並列接続された制
御用トランジスタが構成されている。さらに、nソー
ス/ドレイン領域23,24とワード線WL1 とで、
記憶用キャパシタCM1に並列接続された制御用トランジ
スタが、nソース/ドレイン領域24,25とワード
線WL2とで、記憶用キャパシタCM2に並列接続され
た制御用トランジスタが、…、nソース/ドレイン領
域26(図示せず),27とワード線WL15とで、
記憶用キャパシタCM15に並列接続された制御用トラン
ジスタが形成されている。またB−B’方向の断面上に
は露出しないnソース/ドレイン領域31,32とポ
リシリコンゲート電極531とで読み出し用トランジス
タQREADが形成されている。ワード線WR0,WR1
,WL0,WL1,WL2,…,WL15
ポリシリコンゲート電極531の上には酸化膜(SiO
2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si
膜)等からなる第1の層間絶縁膜13が形成され、こ
の第1の層間絶縁膜13の上に、参照用キャパシタC
REFの第4の電極として機能する下部電極66、および
各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,C
M15の第1の電極もしくは第2の電極として機能する下
部電極42,43,…,44が形成されている。下部電
極66,42,43,…,44は、第1の層間絶縁膜1
3中に設けられたコンタクトホールを埋め込むように形
成されたコンタクトプラグ83,73,75により、n
ソース/ドレイン領域21,23,25と接続してい
る。これらのコンタクトプラグは、ドープポリシリコ
ン、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すれ
ばよい。下部電極66は参照用キャパシタCREFの第3
の電極として機能し、下部電極42は記憶用キャパシタ
M0の第2の電極および記憶用キャパシタCM1の第1の
電極として機能する。下部電極43は、記憶用キャパシ
タCM2の第2の電極および記憶用キャパシタCM3の第1
の電極として機能する。下部電極44は、記憶用キャパ
シタCM14の第2の電極および記憶用キャパシタCM15
第1の電極として機能する。そして、この下部電極4
2,43,…,44の上に、Baリッチ組成のBSTO
薄膜等の強誘電体薄膜51,52,…,53を形成し、
パターニングすればよい。また、参照用キャパシタC
REFの下部電極66の上には、常誘電体薄膜55を形成
すればよい。なお、参照用キャパシタCREFの常誘電体
薄膜55を形成すればよい。なお、参照用キャパシタC
REF用の常誘電体薄膜を使用することもできる。常誘電
体薄膜55、強誘電体薄膜51,52,…,53が形成
されていない第1の層間絶縁膜13の上には、酸化膜
(SiO2膜)等からなる第2の層間絶縁膜14が形成
され、この第2の層間絶縁膜14の上には、上部電極6
5,61,62,…,63が形成されている。上部電極
65は、参照用キャパシタCREFの第4の電極として機
能する。上部電極61は、記憶用キャパシタCM0の第
1の電極として機能する。上部電極62は、記憶用キャ
パシタCM1の第2の電極および記憶用キャパシタCM2
第1の電極として機能する。上部電極63は、記憶用キ
ャパシタCM15の第2の電極として機能する。上部電極
65,61,62,…,63は、第1の層間絶縁膜13
および第2の層間絶縁膜14を貫通して設けられたコン
タクトホールを埋め込むように形成され、コンタクトプ
ラグ82,72,74,77により、nソース/ドレ
イン領域281,22,24,…,27と接続してい
る。これらのコンタクトプラグ82,72,74,77
は、ドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金属の
シリサイド等で構成すればよい。さらに、上部電極63
は、第1の層間絶縁膜13および第2の層間絶縁膜14
を貫通して設けられたコンタクトプラグ78を介して、
読み出し用トランジスタQREADのポリシリコンゲート電
極の配線部531と接続している。上部電極65,6
1,62,…,63の上には、酸化膜(SiO2膜)等
からなる第3の層間絶縁膜15が形成され、この第3の
層間絶縁膜15の上には、ビット線16が形成されてい
る。ビット線16と上部電極65は第3の層間絶縁層1
5を貫通したビット線コンタクトプラグ84により互い
に接続されている。ビット線コンタクトプラグ84は、
ドープポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサ
イド等で構成すればよい。図示を省略しているが、さら
にビット線16の上には、酸化膜(SiO2膜),PS
G膜,BPSG膜,窒化膜(Si膜),あるいは
ポリイミド膜などのパッシベーション膜を形成すること
が好ましい。
N+Source / drain regions 281, 21
Word line WR0BAnd the reference key for sub-block [B].
A capacitor control transistor is formed. Also, n
+Source / drain regions 21, 22 and word line WR1B
And the block selection transistor QS1Is composed of
You. n+Source / drain regions 22 and 23 and word line W
L0BAnd the storage capacitor CM0Connected in parallel to
A control transistor is configured. Furthermore, n+Saw
/ Drain regions 23, 24 and word line WL1 BAnd
Storage capacitor CM1Control transistors connected in parallel to
Star is n+Source / drain regions 24, 25 and word
Line WL2BAnd the storage capacitor CM2Connected in parallel
, N+Source / drain area
Regions 26 (not shown), 27 and word line WL15BAnd
Storage capacitor CM15Control transformer connected in parallel to
A resistor is formed. Also, on the cross section in the B-B 'direction
Is not exposed+The source / drain regions 31 and 32 are
Read transistor with the silicon gate electrode 531
TA QREADAre formed. Word line WR0B, WR1
B, WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15B,
An oxide film (SiO 2) is formed on the polysilicon gate electrode 531.
TwoFilm), PSG film, BPSG film, nitride film (Si3N
4A first interlayer insulating film 13 made of a film or the like is formed.
Of the reference capacitor C on the first interlayer insulating film 13 of FIG.
REFA lower electrode 66 functioning as a fourth electrode of
Each storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., C
M15Function as the first or second electrode of
, 44 are formed. Lower part
The poles 66, 42, 43,..., 44 are the first interlayer insulating film 1
3 so as to fill the contact hole provided in
By the formed contact plugs 83, 73, 75, n
+Connected to source / drain regions 21, 23, 25
You. These contact plugs are
Made of high melting point metal or high melting point metal silicide
I just need. The lower electrode 66 is a reference capacitor CREFThe third
And the lower electrode 42 is a storage capacitor.
CM0Second electrode and storage capacitor CM1The first of
Functions as an electrode. The lower electrode 43 is a storage capacitor.
TA CM2Second electrode and storage capacitor CM3First
Functions as an electrode. The lower electrode 44 is a storage capacitor.
Sita CM14Second electrode and storage capacitor CM15of
It functions as a first electrode. And this lower electrode 4
BSTO of Ba-rich composition
Forming ferroelectric thin films 51, 52,...
What is necessary is just to pattern. Also, the reference capacitor C
REFA paraelectric thin film 55 is formed on the lower electrode 66 of FIG.
do it. The reference capacitor CREFParaelectric
What is necessary is just to form the thin film 55. The reference capacitor C
REFA paraelectric thin film can be used. Paraelectric
The body thin film 55 and the ferroelectric thin films 51, 52,..., 53 are formed.
An oxide film is formed on the unprocessed first interlayer insulating film 13.
(SiOTwoA second interlayer insulating film 14 made of a film or the like is formed.
The upper electrode 6 is formed on the second interlayer insulating film 14.
5, 61, 62,..., 63 are formed. Upper electrode
65 is a reference capacitor CREFMachine as the fourth electrode
Works. The upper electrode 61 is connected to the storage capacitor CM0No.
It functions as one electrode. The upper electrode 62 is
Pasita CM1Second electrode and storage capacitor CM2of
It functions as a first electrode. The upper electrode 63 is
Japashita CM15Function as a second electrode. Upper electrode
, 63 are the first interlayer insulating film 13.
And a capacitor provided through second interlayer insulating film 14.
Formed to fill tact holes
By the lugs 82, 72, 74, 77, n+Source / Dre
, 27, 22, 24,..., 27
You. These contact plugs 82, 72, 74, 77
Of doped polysilicon, refractory metals and refractory metals
What is necessary is just to comprise with silicide etc. Further, the upper electrode 63
Are a first interlayer insulating film 13 and a second interlayer insulating film 14
Through a contact plug 78 provided through
Read transistor QREADPolysilicon gate voltage
It is connected to the wiring part 531 of the pole. Upper electrodes 65, 6
, 63, an oxide film (SiO 2)TwoMembrane)
A third interlayer insulating film 15 made of
On the interlayer insulating film 15, a bit line 16 is formed.
You. The bit line 16 and the upper electrode 65 are connected to the third interlayer insulating layer 1.
5 through bit line contact plugs 84
It is connected to the. The bit line contact plug 84
Doped polysilicon, refractory metal or silicide of refractory metal
What is necessary is just to comprise with an id etc. Although illustration is omitted,
An oxide film (SiO 2) is formed on the bit line 16.TwoMembrane), PS
G film, BPSG film, nitride film (Si3N4Membrane), or
Forming a passivation film such as a polyimide film
Is preferred.

【0113】図23(a)に示す平面図に対応した断面
図である図23(b)に示すような回路構成により、非
常に高集積化された不揮発性メモリの動作が確認でき
た。
With the circuit configuration shown in FIG. 23B, which is a cross-sectional view corresponding to the plan view shown in FIG. 23A, the operation of a highly integrated nonvolatile memory has been confirmed.

【0114】(第3の実施の形態)図24は、本発明の
第3実施形態に係る半導体記憶装置の主要部分の回路構
成を示し、図25は周辺回路を含めた半導体記憶装置の
主要部分を詳細に示す図である。第3実施形態に係る半
導体記憶装置においては1対のドライブ線(DLおよ
びDL)に挟まれた1個のブロックが、1個の読み出
しトランジスタを中心にして2個のサブブロックに分か
れている。
(Third Embodiment) FIG. 24 shows a circuit configuration of a main part of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 25 shows a main part of the semiconductor memory device including peripheral circuits. It is a figure which shows in detail. In the semiconductor memory device according to the third embodiment, one block sandwiched between a pair of drive lines (DL A and DL B ) is divided into two sub blocks centering on one read transistor. I have.

【0115】図24に示すように、本発明の第3実施形
態に係る半導体記憶装置は、直列接続された複数個の記
憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,C
M15と、この記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2
M3,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用ト
ランジスタとからなる記憶セル列(記憶セルチェーン)
と、この記憶セルチェーンの端部に位置する記憶用キャ
パシタCM15に接続した参照セルと、参照セルに接続し
たゲート電極を有する読み出し用トランジスタQ
READと、記憶セルチェーンの他方の端部に位置する記憶
用キャパシタCM0に接続された(ブロック選択トランジ
スタ)Qを少なくとも具備したメモリセルブロックを
基本ユニットとして構成している。ここで、「参照セ
ル」は、参照用キャパシタC REFと参照用キャパシタ制
御トランジスタとの並列回路からなる。各記憶用キャパ
シタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15は、それぞれ
第1の電極、この第1の電極に対向して配置された第2
の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強
誘電体薄膜とを少なくとも具備している。
As shown in FIG. 24, a third embodiment of the present invention
The semiconductor memory device according to the embodiment includes a plurality of serially connected storage devices.
Storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., C
M15And the storage capacitor CM0, CM1, CM2,
CM3, ..., CM15Control tors connected in parallel to
A memory cell array composed of transistors (memory cell chain)
And the storage cap located at the end of the storage cell chain.
Pasita CM15And the reference cell connected to
Readout transistor Q having a broken gate electrode
READAnd the storage located at the other end of the storage cell chain
Capacitor CM0Connected to the block selection
Star) QSA memory cell block having at least
It is configured as a basic unit. Here, "Reference
Is the reference capacitor C REFAnd reference capacitor system
It consists of a parallel circuit with a control transistor. Each storage capacity
Sita CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Respectively
A first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode;
Electrode, and the strength sandwiched between the first and second electrodes.
At least a dielectric thin film.

【0116】また、参照用キャパシタCREFは、記憶用
キャパシタCM15の第1の電極に電気的に結合した第3
の電極、この第3の電極に対向して配置された第4の電
極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体
薄膜とを少なくとも具備している。そして、本発明の半
導体記憶装置は、このメモリセルブロックを複数個マト
リックス状に配置しているが、FIG.24ではそのう
ちサブブロック[A]として4つ、サブブロック[B]
として4つの計8つのみを示している。2段目のカラム
のサブブロック[A]のブロック選択トランジスタ
、および1段目のカラムのサブブロック[B]のブ
ロック選択トランジスタQは、ビット線BL0に接続
されている。同様に、2段目のカラムのサブブロック
[A]のブロック選択トランジスタQ、および2段目
のカラムのサブブロック[B]のブロック選択トランジ
スタQはビット線BL1に接続されている。さらに、
3段目および4段目のカラムの、各2つのブロック選択
トランジスタQは、それぞれビット線BL2およびビ
ット線BL3に接続されている。サブブロック[A]の
ブロック選択トランジスタQの記憶セルに接続されて
いない方の主電極はドライブ線DLに、サブブロック
[B]のブロック選択トランジスタQの記憶セルに接
続されていない方の主電極はドライブ線DLに接続さ
れている。
The reference capacitor C REF is connected to the third electrode electrically connected to the first electrode of the storage capacitor C M15 .
, A fourth electrode disposed opposite to the third electrode, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. In the semiconductor memory device of the present invention, a plurality of the memory cell blocks are arranged in a matrix. 24, four sub-blocks [A] and four sub-blocks [B]
, And only four totals of eight are shown. Block selection transistor Q S of the block selection transistors Q S, and the first stage of the column subblock [B] of the second stage of the column sub-block [A] is connected to the bit line BL0. Similarly, the block select transistors Q S of the block selection transistor Q S of the column of the second stage sub-block [A], and the second stage of the column subblock [B] is connected to the bit line BL1. further,
Of the third-stage and fourth-stage column, each two block selection transistors Q S are respectively connected to the bit line BL2 and bit line BL3. The main electrodes of which is not connected to the memory cell block selection transistors Q S of the sub-block [A] is the drive line DL A, which is not connected to the memory cell block selection transistors Q S of the sub-block [B] the main electrodes are connected to the drive line DL B.

【0117】サブブロック[A]の記憶用キャパシタC
M0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続され
た制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線W
L0 ,WL1,WL2,…,WL15が接続さ
れている。同様にサブブロック[B]の記憶用キャパシ
タCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続
された制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード
線WL0,WL1,WL2,…,WL15が接
続されている。サブブロック[A]の参照用キャパシタ
制御トランジスタのゲート電極には、ワード線WR
接続され、サブブロック[B]の参照用キャパシタ制御
トランジスタのゲート電極には、ワード線WRが接続
されている。1段目と3段目のカラムの読み出し用トラ
ンジスタQREAD の一方の主電極には、読み出し用電源
線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLが接
続されている。一方、2段目と4段目のカラムの読み出
し用トランジスタQREAD の一方の主電極には、読み出
し用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線S
が接続されている。図24において、記憶用キャパ
シタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15それぞれに並
列接続された制御用トランジスタ、読み出し用トランジ
スタQREAD ,QREAD 、ブロック選択トランジスタQ
、および参照用キャパシタ制御トランジスタは、nM
OSFETで示されているが、pMOSFETで構成す
ることも可能である。
The storage capacitor C of the sub-block [A]
M0, CM1, CM2, ..., CM15Are connected in parallel to each
Each gate electrode of the control transistor has a word line W
L0 A, WL1A, WL2A, ..., WL15AIs connected
Have been. Similarly, the storage capacity of the sub-block [B]
TA CM0, CM1, CM2, ..., CM15Connected in parallel to each
A word is applied to each gate electrode of the
Line WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15BContact
Has been continued. Reference capacitor of sub-block [A]
The word line WR is connected to the gate electrode of the control transistor.ABut
Connected, reference capacitor control of sub-block [B]
The gate electrode of the transistor has a word line WRBIs connected
Have been. Readout traverse for the first and third columns
Transistor QREAD BOne main electrode has a power supply for reading
The line VL is connected to the read output line SL on the other main electrode.AContact
Has been continued. On the other hand, reading the second and fourth columns
Transistor QREAD AOne main electrode
Power supply line VL, and the read output line S on the other main electrode.
LBIs connected. In FIG. 24, the storage capacity
Sita CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Average for each
Column-connected control transistor, read transistor
Star QREAD A, QREAD B, Block select transistor Q
S, And the reference capacitor control transistor are nM
Although shown by OSFET, it is constituted by pMOSFET.
It is also possible.

【0118】図26には、本発明の第3実施形態に係る
半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示
す。本発明の第3実施形態に係る半導体記憶装置では、
ビット数BLxは特定のカラムに沿ったブロックを選択
する役割を行ない、読み出し/書き込み電圧の印加は隣
接2本のドライブ線DLおよびDLを通じて行な
う。なお、反対側に隣接するブロックにも電圧が加わる
が、ワード線WR、もしくはワード線WRを“0”
として、そのブロック内の参照用キャパシタ制御トラン
ジスタを、オフにしておけば問題は生じない。
FIG. 26 shows a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. In the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention,
The bit number BLx serves to select a block along a specific column, and the application of the read / write voltage is performed through two adjacent drive lines DL A and DL B. A voltage is also applied to the block adjacent on the opposite side, but the word line WR A or the word line WR B is set to “0”.
If the reference capacitor control transistor in the block is turned off, no problem occurs.

【0119】また、サブブロック[A]の記憶セルを選
択するときはサブブロック[B]の参照用キャパシタを
選択し、サブブロック[B]の記憶セルを選択するとき
はサブブロック[A]の参照用キャパシタを選択する。
When selecting the memory cell of the sub-block [A], the reference capacitor of the sub-block [B] is selected, and when selecting the memory cell of the sub-block [B], the memory of the sub-block [A] is selected. Select a reference capacitor.

【0120】第3実施形態では2本のドライブ線DL
およびDLの間に電圧を印加することができるので、
実質的に±VCの電圧をセルに印加できるという利点が
ある。その他はほぼ第1実施形態と同様である。
In the third embodiment, two drive lines DL A
And a voltage can be applied between DL B and
There is an advantage that a voltage of substantially ± V C can be applied to the cell. Others are almost the same as the first embodiment.

【0121】例えば、図24に示す回路構成において、
サブブロック[A]内のBL1とWL1の交点で指定
される2段目のカラムの記憶セルCM1を選択するには、
ビット線BL1を“1”とし、サブブロック[A]およ
びサブブロック[B]のブロック選択トランジスタQ
を共にオンにする。次に、ワード線WRを“1”と
し、サブブロック[A]の参照用キャパシタCREFを選
択する。そして、サブブロック[A]のWL1のみを
“0”とし、それ以外のWLのみを“1”とすれば2
段目のカラムの記憶セルCM1が選択できる。そして、記
憶セルCM1を選択した状態で、2本のドライブ線DL
およびDLの間に電圧を印加すれば読み出し出力線S
に信号を読み出すことができる。
For example, in the circuit configuration shown in FIG.
Subblock To select memory cell C M1 of the column of the second stage specified by the intersection of BL1 and WL1 A in [A] is
The bit line BL1 is set to "1", the block selection transistors Q S of the sub-blocks [A] and the sub-block [B]
Turn on both. Then, a "1" to the word line WR A, selects the reference capacitor C REF of the sub-block [A]. Then, only WL1 A sub-block [A] to "0", if only the "1" other WL A 2
The storage cell C M1 in the second column can be selected. Then, with the memory cell C M1 selected, the two drive lines DL A
If a voltage is applied between DL and DL B, the read output line S
A signal can be read to LA.

【0122】図27(a)は、メモリセルブロックを示
す平面図で、簡略化のために、図27(b)のA−A’
面のレベルよりも下層のみを示す。図27(a)におい
て、nソース/ドレイン領域321,22とポリシリ
コンゲート電極331とで、サブブロック[B]のブロ
ック選択トランジスタQが構成されている。nソー
ス/ドレイン領域321は、ドライブ線との接続部とし
て機能する。さらに、nソース/ドレイン領域22,
23とポリシリコンゲート電極となるワード線WL0
とで、サブブロック[B]の記憶用キャパシタCM0に並
列接続された制御用トランジスタが構成されている。さ
らに、nソース/ドレイン領域23,24とワード線
WL1とで、記憶用キャパシタCM1に並列接続された
制御用トランジスタが、nソース/ドレイン領域2
4,25とワード線WL2とで、記憶用キャパシタC
M2に並列接続された制御用トランジスタが、…、n
ース/ドレイン領域26(図示されず),322とワー
ド線WL15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接
続された制御用トランジスタが形成されている。n
ース/ドレイン領域23,25には、各記憶用キャパシ
タCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15の第1の電極も
しくは第2電極として機能する下部電極42,43,
…,44が接続されている。そして、nソース/ドレ
イン領域322,323とワード線WRとで、参照用
キャパシタ制御トランジスタが形成されている。またn
ソース/ドレイン領域324,325とポリシリコン
ゲート電極332とで読み出し用トランジスタQREAD
形成されている。nソース/ドレイン領域325には
読み出し用電源線VLが接続されている。ポリシリコン
ゲート電極334は、2段目のカラムの読み出し用キャ
パシタ制御トランジスタQRE ADに対応する。また、ポリ
シリコンゲート電極333は、2段目のカラムのブロッ
ク選択トランジスタQに、ポリシリコンゲート電極3
35は、3段目のカラムのブロック選択トランジスタQ
に、ポリシリコンゲート電極337は、4段目のカラ
ムのブロック選択トランジスタQに対応する。なお、
サブブロック[A]についても同様である。
FIG. 27A is a plan view showing a memory cell block. For simplification, AA ′ in FIG. 27B is used.
Only the layers below the plane level are shown. In FIG. 27 (a), the in the n + source / drain regions 321,22 and the polysilicon gate electrode 331, the block select transistors Q S of the sub-block [B] is formed. The n + source / drain region 321 functions as a connection with a drive line. Further, n + source / drain regions 22,
23 and a word line WL0 B serving as a polysilicon gate electrode
Thus, a control transistor connected in parallel to the storage capacitor CM0 of the sub-block [B] is configured. Further, a control transistor connected in parallel to the storage capacitor C M1 by the n + source / drain regions 23 and 24 and the word line WL1 B is connected to the n + source / drain region 2
4, 25 and the word line WL2 B , the storage capacitor C
Parallel-connected control transistor in M2 is, ..., n + source / drain regions 26 (not shown), between 322 and word line WL15 B, parallel-connected control transistor in the storage capacitor C M15 is formed Have been. n + source / drain regions 23 and 25, each of the memory capacitor C M0, C M1, C M2 , C M3, ..., the lower electrodes 42 and 43 functioning as the first electrode or the second electrode of the C M15,
, 44 are connected. Then, in the n + source / drain regions 322 and 323 and the word line WR B, reference capacitor control transistor are formed. And n
The + source / drain regions 324 and 325 and the polysilicon gate electrode 332 form a read transistor Q READ . The read power line VL is connected to the n + source / drain region 325. Polysilicon gate electrode 334 corresponds to the read capacitor control transistors in a column of the second stage Q RE AD. Further, the polysilicon gate electrode 333, the block selection transistor Q S column of the second stage, the polysilicon gate electrode 3
35 is a block select transistor Q of the third stage column
To S, the polysilicon gate electrode 337 corresponds to the block select transistor Q S column of the fourth stage. In addition,
The same applies to the sub-block [A].

【0123】図27(a)に示すように、1個のサブブ
ロック[B]内に、それぞれブロック選択トランジスタ
、n個の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2
M3,…,CM15およびこれらに並列接続されたn個の
制御用トランジスタ、読み出しトランジスタQ READ
参照用キャパシタCREF、および参照用キャパシタ制御
トランジスタが含まれる。記憶セルの寸法は4F2、ブ
ロックあたりのコンタクト部を含めた記憶セル以外の領
域は22F2であるから、メモリセル1個当り(4+2
2/n)F2になる。第3の実施の形態では強誘電体キ
ャパシタとして20μC/cmの残留分極を有するも
のを使用したため、16個の記憶セルを直列に接続して
も安定に動作することが分かった。したがって、1個当
たり5.4F 2の寸法になった。
As shown in FIG. 27A, one sub-block
Each block select transistor in lock [B]
QS, N storage capacitors CM0, CM1, CM2,
CM3, ..., CM15And n connected in parallel to these
Control transistor, read transistor QB READ,
Reference capacitor CREF, And reference capacitor control
A transistor is included. Storage cell size is 4FTwo,
Areas other than storage cells, including contact parts per lock
The area is 22FTwoTherefore, (4 + 2)
2 / n) FTwobecome. In the third embodiment, a ferroelectric key is used.
20μC / cm as capacitor2Also has a remanent polarization of
Since 16 storage cells were connected in series,
Was also found to work stably. Therefore, one
5.4F TwoIt became the size of.

【0124】図27(b)は、図27(a)に示すサブ
ブロック[B]の平面図のB−B’方向に沿った断面図
である。図27(b)に示すように、本発明の第3実施
形態に係る半導体記憶装置は、半導体基板11上にpウ
ェル12を形成し、このpウェル12の表面に、n
ース/ドレイン領域321,22,23,…,322,
323を設けている。そして、pウェル12の表面のゲ
ート酸化膜の上に、ポリシリコンゲート電極331、ワ
ード線WL0,WL1,WL2,…,WL1
、およびポリシリコンゲート電極332を有してい
る。また、nソース/ドレイン領域321に接続し
て、ドライブ線DLが紙面に垂直方向に伸延してい
る。
FIG. 27B is a sectional view taken along the line BB ′ of the plan view of the sub-block [B] shown in FIG. 27A. As shown in FIG. 27B, in the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, a p-well 12 is formed on a semiconductor substrate 11, and n + source / drain regions are formed on the surface of the p-well 12. 321, 22, 23, ..., 322
323 are provided. Then, a polysilicon gate electrode 331 and word lines WL0 B , WL1 B , WL2 B ,..., WL1 are formed on the gate oxide film on the surface of the p-well 12.
5 B , and a polysilicon gate electrode 332. Further, connected to the n + source / drain regions 321, the drive line DL B are extended in the vertical direction to the paper surface.

【0125】nソース/ドレイン領域321,22と
ポリシリコンゲート電極331とで、ブロック選択トラ
ンジスタQが構成されている。また、nソース/ド
レイン領域22,23とワード線WL0とで、記憶用
キャパシタCM0に並列接続された制御用トランジスタが
構成されている。さらに、nソース/ドレイン領域2
3,24とワード線WL1とで、記憶用キャパシタC
M1に並列接続された制御用トランジスタが、nソース
/ドレイン領域24,25とワード線WL2とで、記
憶用キャパシタCM2に並列接続された制御用トランジス
タが、…、nソース/ドレイン領域26(図示せ
ず),322とワード線WL15とで、記憶用キャパ
シタCM15に並列接続された制御用トランジスタが形成
されている。そして、nソース/ドレイン領域32
2,323とワード線WRとで、参照用キャパシタ制
御トランジスタが形成されている。またB−B’方向の
断面上には露出しないので図示を省略したnソース/
ドレイン領域324,325(図27(a)参照)とポ
リシリコンゲート電極332とで読み出し用トランジス
タQREADが形成されている。ポリシリコンゲート電極3
31、ワード線WL0,WL1,WL2,…,W
L15,WR、ポリシリコンゲート電極332の上
には酸化膜(SiO2膜)等からなる第1の層間絶縁膜
13が形成され、この第1の層間絶縁膜13の上に、記
憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15
第1の電極もしくは第2の電極として機能する下部電極
42,43,…,44、参照用キャパシタCREFの第4
の電極として機能する下部電極351が形成されてい
る。下部電極42,43,…,44,351は、第1の
層間絶縁膜13中に設けられたコンタクトホールを埋め
込むように形成されたコンタクトプラグ73,75,3
42により、nソース/ドレイン領域23,25,
…,323と接続している。さらに、下部電極351
は、第1の層間絶縁膜13を貫通して設けられたコンタ
クトプラグ343を介して、読み出し用トランジスタQ
READのポリシリコンゲート電極332と接続している。
これらのコンタクトプラグは、ドープポリシリコン、高
融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよ
い。下部電極42は、記憶用キャパシタCM0の第1の電
極および記憶用キャパシタCM1の第2の電極として機能
する。下部電極43は、記憶用キャパシタC M2の第1の
電極および記憶用キャパシタCM3の第2の電極として機
能する。…下部電極44は、記憶用キャパシタCM14
第1の電極および記憶用キャパシタCM 15の第2の電極
として機能する。そして、この下部電極42,43,
…,44の上に、所定の強誘電体薄膜51,52,…,
53を形成し、パターニングすればよい。また、参照用
キャパシタCREFの下部電極351の上には、常誘電体
薄膜352を形成すればよい。なお、参照用キャパシタ
REF用の常誘電体薄膜352の代わりに、強誘電体薄
膜を使用することもできる。強誘電体薄膜51,52,
…,53、および常誘電体薄膜352の形成されていな
い第1の層間絶縁膜13の上には、酸化膜(SiO
2膜)等からなる第2の層間絶縁膜14が形成され、こ
の第2の層間絶縁膜14の上には、上部電極372,6
2,…,353が形成されている。上部電極372は、
記憶用キャパシタCM0の第2の電極として機能する。上
部電極62は、記憶用キャパシタCM1の第1の電極およ
び記憶用キャパシタCM2の第2の電極として機能する。
…上部電極353は、記憶用キャパシタCM15の第1の
電極および参照用キャパシタCREFの第3の電極として
機能する。上部電極372,62,…,353は、第1
の層間絶縁膜13および第2の層間絶縁膜14を貫通し
て設けられたコンタクトホールを埋め込むように形成さ
れたコンタクトプラグ72,74,341により、n
ソース/ドレイン領域22,24,…,322と接続し
ている。これらのコンタクトプラグ72,74,341
は、ドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金属の
シリサイド等で構成すればよい。さらに、上部電極37
2,62,…,353、読み出し出力線SL 、および
読み出し出力線SLの上には、酸化膜(SiO2膜)
等からなる第3の層間絶縁膜15が形成され、この第3
の層間絶縁膜15の上には、ビット線が形成されてい
る。なお、図示を省略しているが、ビット線の上には、
酸化膜(SiO2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜
(Si膜),あるいはポリイミド膜などのパッシ
ベーション膜を形成することが好ましいことは勿論であ
る。主としてサブブロック[B]について説明したがサ
ブブロック[A]も同様の構成を有する。このような回
路構成により、非常に高集積化された不揮発性メモリの
動作が確認できた。
N+Source / drain regions 321, 22
Block select transistor with polysilicon gate electrode 331
Transistor QSIs configured. Also, n+Source / de
Rain regions 22, 23 and word line WL0BAnd for storage
Capacitor CM0The control transistor connected in parallel to
It is configured. Furthermore, n+Source / drain region 2
3, 24 and word line WL1BAnd the storage capacitor C
M1The control transistor connected in parallel to+Source
/ Drain regions 24, 25 and word line WL2BAnd
Storage capacitor CM2Control transistors connected in parallel
Ta, ..., n+Source / drain regions 26 (not shown)
), 322 and word line WL15BAnd the storage capacity
Sita CM15A control transistor connected in parallel is formed
Have been. And n+Source / drain region 32
2,323 and word line WRBWith the reference capacitor system
A control transistor is formed. Also, in the B-B 'direction
N not shown because it is not exposed on the cross section+Source/
The drain regions 324 and 325 (see FIG.
Read transistor with the silicon gate electrode 332
TA QREADAre formed. Polysilicon gate electrode 3
31, word line WL0B, WL1B, WL2B, ..., W
L15B, WRBAbove the polysilicon gate electrode 332
Has an oxide film (SiOTwoFirst interlayer insulating film made of a film or the like
13 is formed on the first interlayer insulating film 13.
Storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15of
Lower electrode functioning as first electrode or second electrode
42, 43,..., 44, reference capacitor CREF4th of
A lower electrode 351 functioning as an electrode is formed.
You. The lower electrodes 42, 43,...
Fill the contact hole provided in the interlayer insulating film 13
Contact plugs 73, 75, 3
According to 42, n+Source / drain regions 23, 25,
, 323 are connected. Further, the lower electrode 351
Is a contour provided through the first interlayer insulating film 13.
The read transistor Q is connected via the
READOf polysilicon gate electrode 332.
These contact plugs are made of doped polysilicon, high
It should be composed of high melting point metal or high melting point metal silicide, etc.
No. The lower electrode 42 is connected to the storage capacitor CM0The first
Pole and storage capacitor CM1Function as the second electrode of
I do. The lower electrode 43 is connected to the storage capacitor C M2The first of
Electrode and storage capacitor CM3Machine as the second electrode
Works. ... The lower electrode 44 is a storage capacitor CM14of
First electrode and storage capacitor CM 15Second electrode
Function as The lower electrodes 42, 43,
, 44, predetermined ferroelectric thin films 51, 52,.
53 may be formed and patterned. Also for reference
Capacitor CREFOn the lower electrode 351 of
What is necessary is just to form the thin film 352. Note that the reference capacitor
CREFFerroelectric thin film instead of the paraelectric thin film 352 for
A membrane can also be used. Ferroelectric thin films 51, 52,
, 53 and the paraelectric thin film 352 are not formed.
An oxide film (SiO 2) is formed on the first interlayer insulating film 13.
TwoA second interlayer insulating film 14 made of a film or the like is formed.
The upper electrodes 372, 6
, 353 are formed. The upper electrode 372 is
Storage capacitor CM0Function as a second electrode. Up
The unit electrode 62 is connected to the storage capacitor CM1First electrode and
And storage capacitor CM2Function as a second electrode.
... The upper electrode 353 is a storage capacitor CM15The first of
Electrode and reference capacitor CREFAs the third electrode of
Function. , 353 are the first electrodes.
Through the first interlayer insulating film 13 and the second interlayer insulating film 14.
Formed to fill the contact hole provided by
The contact plugs 72, 74, 341+
Connected to the source / drain regions 22, 24,.
ing. These contact plugs 72, 74, 341
Of doped polysilicon, refractory metals and refractory metals
What is necessary is just to comprise with silicide etc. Further, the upper electrode 37
, 353, readout output line SL B,and
Read output line SLAAn oxide film (SiO 2)Twofilm)
A third interlayer insulating film 15 made of
A bit line is formed on interlayer insulating film 15 of FIG.
You. Although not shown in the figure, a bit line has
Oxide film (SiOTwoFilm), PSG film, BPSG film, nitride film
(Si3N4Film) or passivation such as polyimide film
Of course, it is preferable to form a passivation film.
You. Although the sub-block [B] has been mainly described,
Block [A] also has a similar configuration. Such times
Circuit configuration enables the use of highly integrated non-volatile memory.
Operation was confirmed.

【0126】(第4実施例)図28は、本発明の第4の
実施例に係る記憶用強誘電体キャパシタを使用した半導
体記憶装置の主要部分の回路構成を示す図である。図2
8に示すように、本発明の第4実施形態に係る半導体記
憶装置は、直列接続された複数個の選択用MOSトラン
ジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15と、これら
選択用トランジスタの共通主電極毎に接続された複数個
の記憶用強誘電体キャパシタCM0,C M1,CM2,CM3
…,CM15とからなるNAND型記憶セル列と、この記
憶セル列の端部に位置する選択用トランジスタQM0の主
電極に接続した参照用キャパシタCREFと、選択用トラ
ンジスタQM0と参照用キャパシタCREFとの接続点であ
るストレージノードNに接続したゲート電極を有する
読み出し用トランジスタQ READと、ストレージノードN
に接続したR/W制御用トランジスタQR/Wを少なく
とも具備したメモリセルブロックを基本ユニットとして
構成している。
(Fourth Embodiment) FIG. 28 shows a fourth embodiment of the present invention.
Semiconductor using a ferroelectric capacitor for storage according to an embodiment
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of a main part of the body storage device. FIG.
As shown in FIG. 8, the semiconductor memory according to the fourth embodiment of the present invention
The storage device includes a plurality of selection MOS transistors connected in series.
Jista QM0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15And these
Multiple connected for each common main electrode of the selection transistor
Ferroelectric capacitor C for storageM0, C M1, CM2, CM3,
…, CM15And a NAND-type memory cell string
Selection transistor Q located at the end of the memory cell rowM0Lord of
Reference capacitor C connected to the electrodeREFAnd the tiger for selection
Transistor QM0And reference capacitor CREFConnection point with
Storage node NSHaving a gate electrode connected to
Read transistor Q READAnd the storage node N
SR / W control transistor Q connected toR / WLess
As a basic unit
Make up.

【0127】各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,C
M3,…,CM15は、それぞれ選択用トランジスタの共通
主電極に接続された第1の電極、この第1の電極に対向
して設置され、プレート電極に接続された第2の電極、
およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄
膜とを少なくとも具備している。また、参照用キャパシ
タCREFは、ストレージノードNに接続した第3の電
極、この第3の電極に対向して設置され、プレート電極
PLに接続された第4の電極、およびこれらの第3、第
4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備して
いる。また、R/W制御用トランジスタQR/Wの一方の
主電極はストレージノードNに、他方の主電極はビッ
ト線BLに接続されている。
Each storage capacitor C M0 , C M1 , C M2 , C
M3 ,..., C M15 are a first electrode connected to the common main electrode of the selection transistor, a second electrode provided opposite to the first electrode and connected to the plate electrode,
And a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. Also, reference capacitor C REF, the third electrode connected to the storage node N S, is disposed to face the third electrode, a fourth electrode connected to the plate electrode PL, and the third of these And a dielectric thin film sandwiched between the fourth electrodes. Further, one main electrode of the R / W control transistor Q R / W to the storage node N S, the other main electrode connected to the bit line BL.

【0128】そしてこのNAND型記憶セル列を複数個
マトリックス状に配置しているが、1個の参照用キャパ
シタCREF、この読み出し用トランジスタQREAD、およ
び制御用トランジスタQR/Wを中心として、右にサブブ
ロック[A]、左にサブブロック[B]、の2個のサブ
ブロックに別れている。図28ではそのうちブロック
[A]として2つ、サブブロック[B]として2つの計
4つのみを示している。
A plurality of the NAND type memory cell columns are arranged in a matrix. With one reference capacitor C REF , readout transistor Q READ , and control transistor Q R / W at the center, It is divided into two sub-blocks, a sub-block [A] on the right and a sub-block [B] on the left. FIG. 28 shows only two blocks [A] and two sub-blocks [B].

【0129】サブブロック[A]の選択用トランジスタ
M0,QM1,QM2,QM3,…,QM1 5の各ゲート電極に
は、ワード線WL0,WL1,WL2,WL
,…,WL15が接続されている。同様に、サブ
ブロック[B]の選択用トランジスタQM0,QM1
M2,QM3,…,QM15の各ゲートには、ワード線WL
,WL1,WL2,WL3,…,WL15
が接続されている。各メモリセルブロックの読み出し用
トランジスタQREADの一方の主電極には、読み出し用電
源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLが接
続されている。各メモリセルブロックのR/W制御用ト
ランジスタQR/Wのゲート電極には、R/W制御用トラ
ンジスタのワード線RLが接続されている。
[0129] selecting transistor Q M0 sub-block [A], Q M1, Q M2, Q M3, ..., each gate electrode of Q M1 5, the word line WL0 A, WL1 A, WL2 A , WL
3 A, ..., WL15 A is connected. Similarly, the selection transistors Q M0 , Q M1 ,
Q M2, Q M3, ..., to the gates of Q M15, the word line WL
0 B, WL1 B, WL2 B , WL3 B, ..., WL15 B
Is connected. A read power supply line VL is connected to one main electrode of the read transistor Q READ of each memory cell block, and a read output line SL is connected to the other main electrode. The word line RL of the R / W control transistor is connected to the gate electrode of the R / W control transistor QR / W of each memory cell block.

【0130】図29には周辺回路の接続図を示す。サブ
ブロック[A]の各ワード線WL0A,WL1A,WL
2A,WL3A,…,WL15Aは、ローデコーダA
に、サブブロック[B]の各ワード線WL0B,WL1
B,WL2B,WL3B,…,WL15Bは、ローデコ
ーダBに、各ビット線BL0,BL1,…はカラムデコ
ーダに接続されている。
FIG. 29 is a connection diagram of a peripheral circuit. Each word line WL0A, WL1A, WL of sub-block [A]
, WL15A are row decoders A
The word lines WL0B, WL1 of the sub-block [B]
, WL15B are connected to a row decoder B, and each bit line BL0, BL1,... Is connected to a column decoder.

【0131】図28および図29に示す回路構成におい
て、サブブロック[A]内のBLx(x=0,1)とW
LyA(y=0,1,2,…,15)の交点で示される
所望の記憶セルを選択するには、WL0AからWLyA
までのワード線を全て“1(ハイレベル)”としてQM0
からQMyまでの選択用トランジスタをすべてオンに、ワ
ード線WLy+1Aを“0(ローレベル)”として選択
用トランジスタQmy+1をオフにし、電位一定(例え
ば1/VCC)のプレート線PLに対して、BLxに電
位を加えることで達成され。同様に、サブブロック
[B]内のBLx(x=0,1)とWLyB(y=0,
1,2,…,15)の交点で示される所望の記憶セルを
選択するには、WL0BからWLyBまでのワード線を
全て“1(ハイレベル)”としてQM0からQMyまでの選
択用トランジスタをすべてオンに、ワード線WLy+1
Bを“0(ローレベル)”として選択用トランジスタQ
my+1をオフにし、電位一定(例えば1/2V)の
プレート線PLに対して、BLxに電位を加えることで
達成される。
In the circuit configurations shown in FIGS. 28 and 29, BLx (x = 0, 1) and W
To select a desired storage cell indicated by the intersection of LyA (y = 0, 1, 2,..., 15), WL0A to WLyA
All word lines up to Q M0 are set to “1 (high level)”.
Turn on all the selection transistors to Q My from off the selection transistor Qmy + 1 word lines WLy + 1A as "0 (low level)", to the plate line PL potential constant (e.g. 1 / V C C) , BLx by applying a potential. Similarly, BLx (x = 0, 1) and WLyB (y = 0,
To select a desired memory cell indicated by the intersection of (1, 2,..., 15), all word lines from WL0B to WLyB are set to “1 (high level)” and transistors for selection from Q M0 to Q My are selected. Are turned on and the word line WLy + 1
B is set to “0 (low level)” and the selection transistor Q
This is achieved by turning off my + 1 and applying a potential to BLx with respect to a plate line PL having a constant potential (eg, 1/2 V G ).

【0132】図30には、「プリチャージ併用読み出し
/直接書き込み方式」を採用した場合の読み出し/書き
込みシークエンスを示す。まず、プリチャージ併用読み
出し方式においては、WL0からWLyまで、ない
しはWL0からWLyまでを選択する前に、R/W
制御用トランジスタQR/Wをオンにし、電位一定のプレ
ート線PLに対して参照用キャパシタCREFに逆電圧を
加えてプリチャージを行なう。その後、R/W制御用ト
ランジスタQR/Wをオフにし、WL0からWLy
でないしはWL0からWLyまでを選択した後、正
電圧を加えることにより、記憶用キャパシタCMyに実質
的に2倍程度の電圧を加えて反転させるものである。
FIG. 30 shows a read / write sequence when the "read / direct write method with precharge" is employed. First, in the precharge combined readout method, before selecting WL0 A to WLy A or WL0 B to WLy B , R / W
The control transistor QR / W is turned on, and a reverse voltage is applied to the reference capacitor CREF with respect to the plate line PL having a constant potential to perform precharge. Then, turn off the R / W control transistor Q R / W, WL0 After selecting from up WLy A or WL0 B to WLy B from A, by applying a positive voltage, substantially in the storage capacitor C My The voltage is inverted by applying about twice the voltage.

【0133】次に、記憶用キャパシタCMyに対する書込
みは、まず、R/W制御用トランジスタQR/Wをオンに
し、ビット線BLに書き込み電圧を印加し、WL0
らWLyまでないしはWL0からWLyまでを選
択することにより、記憶用キャパシタCMyに直接電圧を
加えて反転させるものである。
Next, when writing to the storage capacitor C My , first, the R / W control transistor QR / W is turned on, a write voltage is applied to the bit line BL, and WL0 A to WLy A or WL0 B by selecting to WLy B from those for inverting the addition of voltage directly to the memory capacitor C My.

【0134】図31(a)は、本発明の第4実施形態の
平面図で、見やすくするために、図31(b)に示す断
面図におけるA−A’のレベルよりも下層のみを示す。
ビット線に接続された1個のブロック内に、16個の記
憶セルを持つサブブロックが2個、読み出しトランジス
タQREAD、および制御用トランジスタQR/Wが含まれ
る。記憶セルの寸法は4F2、ブロックあたりの記憶セ
ル以外の領域は26F2であるから、メモリセル1個当
たり(4+26/32)F2になる。本実施形態では強
誘電体キャパシタとして20μC/cm の残留分極を
持つものを使用したため、32個の記憶セルを直列に接
続しても安定に動作することが分かった。したがって、
1個当たり4.8F2の寸法になった。
FIG. 31A shows a fourth embodiment of the present invention.
In the plan view, for easy viewing, the cut-off shown in FIG.
Only the layer below the level A-A 'in the plan view is shown.
In one block connected to a bit line, 16
Two sub-blocks with memory cells, read transistor
TA QREADAnd control transistor QR / WContains
You. Storage cell size is 4FTwoMemory blocks per block
26F is the area other thanTwoTherefore, one memory cell
(4 + 26/32) FTwobecome. In the present embodiment,
20μC / cm as dielectric capacitor 2The remanent polarization of
Used, the 32 memory cells were connected in series.
It turned out that it operates stably even if it continues. Therefore,
4.8F per pieceTwoIt became the size of.

【0135】また、図31(b)は、図31(a)の平
面図のB−B’に沿った断面図である。シリコン基盤上
に、nMOS型のトランジスタから形成されている。各
選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,Q
M15の主電極領域には下部電極LE、上部電極TEおよ
び強誘電体膜からなるキャパシタCM0,CM1,CM2,C
M3,…,CM15が形成されている。また、NANDセル
メモリ列の端部の選択用トランジスタQM0のもう1つの
主電極上には、同様に参照用キャパシタCREFが形成さ
れている。このような回路構成により、非常に高集積化
された不揮発性メモリの動作が確認できた。
FIG. 31B is a plan view of FIG.
It is sectional drawing along B-B 'of a front view. On silicon substrate
Are formed from nMOS transistors. each
Selection transistor QM0, QM1, QM2, QM3, ..., Q
M15The lower electrode LE, upper electrode TE and
C made of ferroelectric filmM0, CM1, CM2, C
M3, ..., CM15Are formed. Also, a NAND cell
Selection transistor Q at the end of the memory columnM0Another of
On the main electrode, a reference capacitor CREFFormed
Have been. Very high integration with such a circuit configuration
The operation of the nonvolatile memory performed was confirmed.

【0136】(第5実施形態)図32は、本発明の第5
実施形態に係る常誘電体記憶用キャパシタを使用した半
導体記憶装置の主要部分の回路構成を示し、図33は周
辺回路をも含めた半導体記憶装置の主要部分を詳細に示
す図である。図32に示すように、本発明の第5実施形
態に係る半導体記憶装置は、直列接続された複数個の選
択用MOSトランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,
M15と、これら選択用トランジスタの共通主電極毎に
接続された複数個の記憶用強誘電体キャパシタCM0,C
M1,CM2,CM3,…,CM15とからなるNAND型記憶
セル列と、この記憶セル列の端部に位置する選択用トラ
ンジスタQM0の主電極に接続した参照用キャパシタC
REFと、選択用トランジスタQM0と参照用キャパシタC
REFとの接続点であるストレージノードNに接続した
ゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADと、
ストレージノードNに接続した2個のR/W制御用ト
ランジスタQR/W1およびQR/W2を少なくとも具備するメ
モリセルブロックを基本ユニットとして構成している。
(Fifth Embodiment) FIG. 32 shows a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 33 shows a circuit configuration of a main part of a semiconductor storage device using a paraelectric storage capacitor according to the embodiment, and FIG. 33 is a diagram showing a main part of the semiconductor storage device including peripheral circuits in detail. As shown in FIG. 32, the semiconductor memory device according to the fifth embodiment of the present invention includes a plurality of selection MOS transistors Q M0 , Q M1 , Q M2 , Q M3,.
Q M15 and a plurality of storage ferroelectric capacitors C M0 , C M0 connected to each common main electrode of these selection transistors.
M1, C M2, C M3, ..., a NAND-type memory cell column consisting of C M15 Prefecture, reference capacitor C connected to the main electrode of the selection transistor Q M0 located at the end of the storage cell train
REF , selection transistor Q M0 and reference capacitor C
A read transistor Q READ having a gate electrode connected to the storage node N S is the connecting point between the REF,
Two of the R / W control transistor Q R / W1 and Q memory cell blocks characterized by at least R / W2 connected to the storage node N S is constructed as a basic unit.

【0137】各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,C
M3,…,CM15は、それぞれ選択用トランジスタの共通
主電極に接続された第1の電極、この第1の電極に対向
して設置され、プレート電極に接続された第2の電極、
およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄
膜とを少なくとも具備している。また、参照用キャパシ
タCREFは、ストレージノードNSに接続した第3の電
極、この第3の電極に対向して設置され、ビット線BL
に接続された第4の電極、およびこれらの第3、第4の
電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備してい
る。また、第1のR/W制御用トランジスタQR/W1の一
方の主電極はストレージノードNに、他方の主電極は
ビット線BLに接続されている。第2のR/W制御用ト
ランジスタQR/W2の一方の主電極はストレージノードN
に、他方の主電極はプレート電極PEに接続されてい
る。
Each storage capacitor C M0 , C M1 , C M2 , C
M3 ,..., C M15 are a first electrode connected to the common main electrode of the selection transistor, a second electrode provided opposite to the first electrode and connected to the plate electrode,
And a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. Further, the reference capacitor C REF is provided on a third electrode connected to the storage node NS, and opposed to the third electrode.
And a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. Further, one main electrode of the first R / W control transistor Q R / W1 in the storage node N S, the other main electrode connected to the bit line BL. One main electrode of the second R / W control transistor QR / W2 is a storage node N
At S , the other main electrode is connected to the plate electrode PE.

【0138】このNAND型記憶セル列を複数個マトリ
ックス状に配置しているが、1個の参照用キャパシタC
REF、読み出し用トランジスタQREAD、および2個のR
/W制御用トランジスタQR/W1およびQR/W2を中心とし
て、右にサブブロック[A]、左にサブブロック
[B]、の2個のサブブロックに別れている。図32で
はそのうちブロック[A]として2つ、サブブロック
[B]として2つの計4つのみを示している。
Although a plurality of NAND type memory cell columns are arranged in a matrix, one reference capacitor C
REF , a read transistor Q READ , and two Rs
The sub-block is divided into two sub-blocks, the sub-block [A] on the right and the sub-block [B] on the left, centering on the / W control transistors QR / W1 and QR / W2 . FIG. 32 shows only two blocks [A] and two sub-blocks [B].

【0139】サブブロック[A]の選択用トランジスタ
M0,QM1,QM2,QM3,…,QM1 5の各ゲート電極に
は、ワード線WL0,WL1,WL2,WL
,…,WL15が接続されている。同様に、サブ
ブロック[B]の選択用トランジスタQM0,QM1
M2,QM3,…,QM15の各ゲート電極には、ワード線
WL0 ,WL1,WL2,WL3,…,WL1
が接続されている。各メモリセルブロックの読み出
し用トランジスタQREADの一方の主電極には、読み出し
用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SL
またはSLが接続されている。各メモリセルブロッ
クの2個のR/W制御用トランジスタQR/W1およびQ
R/W2のゲート電極には、R/W制御用トランジスタのワ
ード線RLおよびRLが接続されている。FIG.
32において、選択用トランジスタQM0,Q M1,QM2
M3,…,QM15、読み出し用トランジスタQREAD、お
よぴ2個のR/W制御用トランジスタQR/W1およびQ
R/W2は、nMOSFETで示されているが、pMOSF
ETで構成することも可能である。
Transistor for selecting sub-block [A]
QM0, QM1, QM2, QM3, ..., QM1 FiveFor each gate electrode
Is the word line WL0A, WL1A, WL2A, WL
3A, ..., WL15AIs connected. Similarly, sub
Selection transistor Q of block [B]M0, QM1,
QM2, QM3, ..., QM15Each gate electrode has a word line
WL0 B, WL1B, WL2B, WL3B, ..., WL1
5BIs connected. Read each memory cell block
Transistor QREADOne main electrode
Power supply line VL and a read output line SL on the other main electrode.
AOr SLBIs connected. Each memory cell block
Two R / W control transistors QR / W1And Q
R / W2Of the R / W control transistor is
Lead wire RL1And RL2Is connected. FIG.
32, the selection transistor QM0, Q M1, QM2,
QM3, ..., QM15, Read transistor QREAD,
ぴ Two R / W control transistors QR / W1And Q
R / W2Is shown as nMOSFET, but pMOSF
It is also possible to configure with ET.

【0140】図33には、周辺回路の接続図を示す。サ
ブブロック[A]の各ワード線WL0,WL1,W
L2,WL3,…,WL15Aは、ローデコーダA
にサブブロック[B]の各ワード線WL0,WL
,WL2,WL3,…,WL15はローデコ
ーダBに、各ビット線BL0,BL1,……はカラムデ
コーダに接続されている。
FIG. 33 shows a connection diagram of the peripheral circuit. Each word line WL0 A , WL1 A , W of the sub-block [A]
L2 A, WL3 A, ..., WL 15A , the row decoder A
Each of the word lines WL0 B and WL of the sub-block [B].
1 B, WL2 B, WL3 B , ..., WL15 B to row decoder B, the bit lines BL0, BL1, ...... are connected to the column decoder.

【0141】図32および図33に示す回路構成におい
て、サブブロック[A]内のBLx(x=0,1)とW
Ly(y=0,1,2,…,15)の交点で示される
所望の記憶セルを選択するには、WL0からWLy
までのワード線を全て“1(ハイレベル)”としてQM0
からQMyまでの選択用のトランジスタを全てオンに、ワ
ード線WLy+1を“0(ローレベル)”として選択
用トランジスタQmy +1をオフにして、電位一定(例
えば1/2V)のプレート線PLに対して、BLxに
電位を加えることで達成される。
In the circuit configurations shown in FIGS. 32 and 33, BLx (x = 0, 1) and W
To select a desired memory cell indicated by the intersection of Ly A (y = 0, 1, 2,..., 15), WL0 A to WLy A
All word lines up to Q M0 are set to “1 (high level)”.
To Q My , all the selection transistors are turned on, the word line WLy + 1 A is set to “0 (low level)”, the selection transistor Q my +1 is turned off, and the potential of the plate line is fixed (for example, V V G ). This is achieved by applying a potential to BLx with respect to PL.

【0142】図34にはさらに「プリチャージ読み出し
/直接書き込み方式」を採用した場合の読み出し/書き
込みシークエンスを示す。すなわち、プリチャージ読み
出し方式においては、WLyないしWLyを選択す
る前に、第2のR/W制御用トランジスタQR/W2をオン
にし、電位一定のプレート線PLに対して参照用キャパ
シタCREFおよび選択するセルの手前のWL0からW
Ly−1まで、ないしはWL0からWLy−1
でに電圧を加えてプリチャージを行なう。その後、R/
W制御用トランジスタQR/Wをオフにし、WLyない
しWLyを選択することにより、記憶用キャパシタC
Myの電荷を読みだすものである。記憶用キャパシタCMy
への書き込みは、まず、第1のR/W制御用トランジス
タQR/W1がビット線BLに書き込み電圧を供給するため
にオンされて、WL0からWLy−1まで、ないし
はWL0からWLy−1までを選択する。したがっ
て、記憶用キャパシタCMyに電圧を直接印加することに
より反転させる。
FIG. 34 shows a read / write sequence when the “precharge read / direct write method” is further employed. That is, in the precharge read method, before selecting WLy A or WLy B , the second R / W control transistor QR / W2 is turned on, and the reference capacitor C REF and WL0 A to W before the cell to be selected
Precharge is performed by applying a voltage to Ly-1 A or from WL0 B to WLy-1 B. Then, R /
By turning off the W control transistor QR / W and selecting WLy A or WLy B , the storage capacitor C
It reads out the charge of My . Storage capacitor C My
First, the first R / W control transistor QR / W1 is turned on to supply a write voltage to the bit line BL, and the first R / W control transistor QR / W1 is turned on from WL0 A to WLy-1 A or from WL0 B to WLy. to select up to -1 B. Therefore, the voltage is inverted by directly applying a voltage to the storage capacitor C My .

【0143】図35(a)は、本発明の第5実施形態の
平面図で、見やすくするために、図35(b)に示す断
面図におけるA−A’のレベルよりも下層のみを示す。
ビット線に接続された1個のブロック内に、8個の記憶
セルを持つサブブロックが2個、読み出しトランジスタ
READ、および2個のR/W制御用のトランジスタQ
R/W1およびQR/W2が含まれる。記憶セルの寸法は4
2、ブロックあたりの記憶セル以外の領域は22F2
あるから、メモリセル1個当たり(4+22/16)F
2になる。本実施例では常誘電体キャパシタとして20
mF/cmの容量を持ち、かつ非線形の強いものを使
用したために、16個の記憶セルを直列に接続しても安
定に動作することが分かった。したがって、1個当たり
5.4F2の寸法になった。
FIG. 35 (a) shows a fifth embodiment of the present invention.
In the plan view, for ease of viewing, the cutoff shown in FIG.
Only the layer below the level A-A 'in the plan view is shown.
Eight memories are stored in one block connected to a bit line.
Two sub-blocks with cells, read transistors
QREAD, And two transistors Q for R / W control
R / W1And QR / W2Is included. Storage cell size is 4
FTwoThe area other than the memory cell per block is 22FTwoso
Therefore, (4 + 22/16) F per memory cell
Twobecome. In this embodiment, a paraelectric capacitor of 20
mF / cm2Use a strong non-linear
Therefore, it is safe to connect 16 memory cells in series.
It turned out to work. Therefore, per one
5.4FTwoIt became the size of.

【0144】また、図35(b)は図35(a)の平面
図のB−B’に沿った断面図である。シリコン基板上
に、nMOS型のトランジスタから形成されている。各
選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,Q
M15の主電極領域には下部電極LE、上部電極TEおよ
び強誘電体膜よりなる記憶用キャパシタCM0,CM1,C
M2,CM3,…,CM15が形成されている。また、NAN
Dセルメモリ列の端部の選択用トランジスタQM0のもう
1つの主電極上には同様に参照用キャパシタCREFが形
成されている。このような回路構成により、非常に高集
積化された半導体メモリの動作が確認できた。
FIG. 35B is a sectional view taken along the line BB 'of the plan view of FIG. 35A. It is formed from an nMOS type transistor on a silicon substrate. Each of the selection transistors Q M0 , Q M1 , Q M2 , Q M3 ,.
In the main electrode region of M15 , storage capacitors C M0 , C M1 , C composed of a lower electrode LE, an upper electrode TE and a ferroelectric film are provided.
M2 , CM3 , ..., CM15 are formed. Also, NAN
A reference capacitor C REF is similarly formed on another main electrode of the selection transistor Q M0 at the end of the D cell memory column. With such a circuit configuration, the operation of a very highly integrated semiconductor memory was confirmed.

【0145】(第6実施形態)図36(a)ないし
(d)は、本発明の第6実施形態に係るChain型半
導体記憶装置の工程順模式断面図である。各図におい
て、符号1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不
純物拡散層、3は素子間分離絶縁膜、4はゲート酸化
膜、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャル成長
層、7,8,9は絶縁膜、11および15はバリア金
属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上部電
極、23は内部配線、24はヴィアプラグである。
(Sixth Embodiment) FIGS. 36A to 36D are schematic sectional views of a Chain type semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention in the order of steps. In each figure, reference numeral 1 denotes a first conductivity type semiconductor substrate, 2 denotes a second conductivity type impurity diffusion layer, 3 denotes an element isolation insulating film, 4 denotes a gate oxide film, 5 denotes a word line, and 6 denotes a single crystal Si epitaxial growth layer. , 7, 8, and 9 are insulating films, 11 and 15 are barrier metals, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 23 is an internal wiring, and 24 is a via plug.

【0146】まず、図36(a)においては、既知の工
程によりメモリセルのトランジスタ部を形成した後、単
結晶Si層6の選択エピタキシャル成長を行ない、化学
的機械的研磨(CMP)法により平坦化したところであ
る。このとき、ワード線5の絶縁膜として酸化シリコン
膜を用いた。また、Si基板上の電極にRIE工程で生
じた表面の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使
用したエッチングの後、そのまま真空中でCVD室に搬
送し、1mTorrの圧力のSiHガスとドナーとし
て加えた0.1mTorrのAsHガスを使用して7
50℃で選択エピタキシャル成長を行なった。
First, in FIG. 36A, after a transistor portion of a memory cell is formed by a known process, a single crystal Si layer 6 is selectively epitaxially grown, and flattened by a chemical mechanical polishing (CMP) method. I just did it. At this time, a silicon oxide film was used as an insulating film of the word line 5. Further, in order to remove a damaged layer on the surface of the electrode on the Si substrate caused by the RIE process, after etching using hydrogen fluoride vapor, the substrate is directly transferred to a CVD chamber in a vacuum, and is subjected to SiH 4 gas at a pressure of 1 mTorr and SiH 4 gas. Using 0.1 mTorr of AsH 3 gas added as a donor, 7
Selective epitaxial growth was performed at 50 ° C.

【0147】次に、図36(b)に示すように、単結晶
Si層6にCMP(Chemical and Mechanical Polishin
g)工程で生じた表面の損傷層を取り除くため、フッ化
水素蒸気を使用したエッチングの後、バリアメタル11
として反応性スパッタ法により600℃でTiNを積層
し、引き続き下部電極12としてスパッタ法により60
0℃でSrTiO3(SROと以降略称する)膜を積層
し、引き続きBaTiO3(以下、BTOと略記する)
強誘電体薄膜13をスパッタ法により600℃で40n
mの厚さに積層し、引き続き上部電極14としてスパッ
タ法により600℃でSrTiO3(SROと以降略称
する)膜を積層し、引き続きバリアメタル15として反
応性スパッタ法により600℃でTiNを積層したとこ
ろである。このとき、単結晶Si層6の上には、バリア
メタル11、下部電極12、強誘電体薄膜13、上部電
極14の全てがエピタキシャル成長を生じて単結晶にな
った。
Next, as shown in FIG. 36 (b), the single crystal Si layer 6 is provided with a CMP (Chemical and Mechanical Polishing).
g) After etching using hydrogen fluoride vapor, the barrier metal 11
TiN is deposited at 600 ° C. by the reactive sputtering method,
At 0 ° C., a SrTiO 3 (hereinafter abbreviated as “SRO”) film is laminated, and subsequently BaTiO 3 (hereinafter abbreviated as “BTO”) is deposited.
The ferroelectric thin film 13 is sputtered at 600 ° C. for 40 n.
m, a SrTiO 3 (hereinafter abbreviated as “SRO”) film was deposited at 600 ° C. by sputtering as the upper electrode 14, and TiN was deposited at 600 ° C. by reactive sputtering as a barrier metal 15. By the way. At this time, all of the barrier metal 11, the lower electrode 12, the ferroelectric thin film 13, and the upper electrode 14 were epitaxially grown on the single-crystal Si layer 6 to be single-crystal.

【0148】次に、図36(c)に示すように、既知の
リソグラフィーおよびRIE(Reactive Ion Etching)
法により、バリアメタル11、下部電極12、強誘電体
膜13、上部電極14、バリアメタル15、および単結
晶Si層6のパターニングを行った。次に、TEOSを
原料ガスとして使用したプラズマCVD法により酸化シ
リコン絶縁膜7をコンフォーマルに成膜し、異方性エッ
チングによりキャパシタの絶縁膜側壁を形成した。次
に,CVD(Chemical Vapour Deposition)法によりタ
ングステン(W)からなるヴィアプラグ24を埋め込
み、バリアメタル15をストッパーとして用いたCMP
法により平坦化を行った。
Next, as shown in FIG. 36C, known lithography and RIE (Reactive Ion Etching)
The barrier metal 11, the lower electrode 12, the ferroelectric film 13, the upper electrode 14, the barrier metal 15, and the single crystal Si layer 6 were patterned by the method. Next, a silicon oxide insulating film 7 was conformally formed by a plasma CVD method using TEOS as a source gas, and an insulating film side wall of the capacitor was formed by anisotropic etching. Next, a via plug 24 made of tungsten (W) is buried by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and the CMP using the barrier metal 15 as a stopper is performed.
Flattening was performed by the method.

【0149】次に、図36(d)に示すように、スパッ
タ法によりWからなる内部配線23を形成し、既知のリ
ソグラフィーおよびRIE法により、強誘電体膜13、
上部電極14、バリアメタル15、および内部配線23
のパターニングを行った。次にTEOSを原料ガスとし
て使用したプラズマCVD法により酸化シリコン絶縁膜
8を埋め込み、内部配線23をストッパーとして用いた
CMP法により平坦化を行なった。さらに層間絶縁膜9
を作成した。
Next, as shown in FIG. 36D, an internal wiring 23 made of W is formed by sputtering, and the ferroelectric film 13 is formed by known lithography and RIE.
Upper electrode 14, barrier metal 15, and internal wiring 23
Was patterned. Next, the silicon oxide insulating film 8 was buried by a plasma CVD method using TEOS as a source gas, and flattened by a CMP method using the internal wiring 23 as a stopper. Furthermore, interlayer insulating film 9
It was created.

【0150】このような工程で作成した後、X線回折装
置により膜方位を測定したところ、TiNバリア膜、S
RO電極膜、BTO誘電体膜すべてが(001)方位に
エピタキシャル成長していることが確かめられ、またB
TO膜の膜厚方向の格子定数は0.434nmと大きく
伸びていた。また、形成した強誘電体薄膜キャパシタの
誘電特性を測定したところ、残留分極量として0.42
C/mと大きな値が得られ、強誘電体キャパシタとし
て機能することが確めることができた。
After the film was formed in such a process, the film orientation was measured by an X-ray diffraction apparatus.
It was confirmed that the RO electrode film and the BTO dielectric film were all epitaxially grown in the (001) direction.
The lattice constant of the TO film in the thickness direction was as large as 0.434 nm. When the dielectric characteristics of the formed ferroelectric thin film capacitor were measured, the residual polarization amount was 0.42.
A large value of C / m 2 was obtained, and it was confirmed that the film functioned as a ferroelectric capacitor.

【0151】(第7実施形態)図37(a)ないし
(c)および図38(d)(e)は、本発明の第7実施
形態に係るChain型半導体記憶装置の工程順模式断
面図である。符号1は第1導電型半導体基板、2は第2
導電型不純物拡散層、5はワード線、6は単結晶Siエ
ピタキシャル成長層、7,8,9,10は絶縁膜、11
は下部バリア金属膜、12は下部電極、13は誘電体薄
膜、14は上部電極、15は上部バリア金属膜、20は
プレート電極、21は単結晶Si成長用ノード、22は
キャパシタのコンタクト部、23は内部配線である。
(Seventh Embodiment) FIGS. 37A to 37C and FIGS. 38D and 38E are schematic sectional views of a Chain type semiconductor memory device according to a seventh embodiment of the present invention in the order of steps. is there. Reference numeral 1 denotes a first conductivity type semiconductor substrate, and 2 denotes a second conductivity type semiconductor substrate.
Conductivity type impurity diffusion layer, 5 is a word line, 6 is a single crystal Si epitaxial growth layer, 7, 8, 9, and 10 are insulating films, 11
Is a lower barrier metal film, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 15 is an upper barrier metal film, 20 is a plate electrode, 21 is a single crystal Si growth node, 22 is a capacitor contact part, 23 is an internal wiring.

【0152】まず、図37(a)に示すように、第1導
電型のSi(100)基板1の表面に深さ0.1μm程
度の第2導電型の不純物拡散層からなるプレート電極2
0を形成した後、下部バリア金属層11として膜厚10
nmの(Ti,Al)N、下部電極12として膜厚20
nmのSROを、基板温度600℃でRFあるいはDC
スパッタ法により大気中に出さずに連続してエピタキシ
ャル成長した。次に、リソグラフィーおよびRIEなど
によるエッチングにより基板1に達するまでパターニン
グを行ない、素子間分離絶縁膜3をTEOSガスを原料
としたプラズマCVD法等により埋め込み、下部電極を
ストッパとしてCMP法などにより平坦化した。次に、
下部電極表面の平坦化により生じた損傷層をウェットエ
ッチングなどにより取り除いた後、誘電体膜13として
厚さ20nmのBaTiO3薄膜、上部電極14として
厚さ20nmのSRO膜、さらに上部バリア金属層15
として膜厚10nmの(Ti,Al)Nを、基板温度6
00℃でREあるいはDCスパッタ法により大気中に出
さずに連続してエピタキシャル成長し、さらに、第1の
絶縁膜7をTEOSガスを原料としたプラズマCVD法
等により形成した。
First, as shown in FIG. 37A, a plate electrode 2 made of a second conductivity type impurity diffusion layer having a depth of about 0.1 μm is formed on the surface of a first conductivity type Si (100) substrate 1.
After the formation of the lower barrier metal layer 11,
(Ti, Al) N having a thickness of 20 nm as the lower electrode 12.
nm SRO, RF or DC at substrate temperature 600 ° C
It was epitaxially grown continuously by sputtering without being exposed to the atmosphere. Then, patterning is performed by etching such as lithography and RIE until the substrate 1 is reached, the element isolation insulating film 3 is buried by plasma CVD using TEOS gas as a raw material, and planarized by CMP using the lower electrode as a stopper. did. next,
After removing the damaged layer caused by flattening the lower electrode surface by wet etching or the like, a BaTiO 3 thin film having a thickness of 20 nm as the dielectric film 13, an SRO film having a thickness of 20 nm as the upper electrode 14, and an upper barrier metal layer 15.
(Ti, Al) N with a film thickness of 10 nm
The epitaxial growth was carried out continuously at 00 ° C. by RE or DC sputtering without being exposed to the air, and the first insulating film 7 was formed by plasma CVD using TEOS gas as a raw material.

【0153】次に、図37(b)に示すように、単結晶
Si成長用ノード21をリソグラフィーおよびRIEな
どによるエッチングにより形成した。次に第2の絶縁膜
8をコンフォーマルに形成した。次に、第1の絶縁膜7
を残して、異方性RIEにより第2の絶縁膜8を除去す
ることにより、単結晶Si成長用ノードの側壁部分にも
絶縁膜をセルフアラインにより残した。次に、Si表面
の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使用したエ
ッチングの後、そのまま真空中でCVD室に搬送し、1
mTorrの圧力のSiHガスとドナーとして加えた
0.1mTorrのAsHガスを使用して750℃
で、単結晶Si成長用ノード21から選択エピタキシャ
ル成長により単結晶Si層6を形成した。次に、第1の
絶縁膜7を停止層とし、CMP法(化学的機械的研磨
法)により平坦化した。
Next, as shown in FIG. 37B, a single crystal Si growth node 21 was formed by lithography and etching by RIE or the like. Next, a second insulating film 8 was formed conformally. Next, the first insulating film 7
And the second insulating film 8 was removed by anisotropic RIE, so that the insulating film was also left on the side wall of the single crystal Si growth node by self-alignment. Next, in order to remove the damaged layer on the Si surface, after etching using hydrogen fluoride vapor, the wafer is directly transported to a CVD chamber in a vacuum and
750 ° C. using SiH 4 gas at a pressure of mTorr and AsH 3 gas at a pressure of 0.1 mTorr added as a donor.
Thus, the single crystal Si layer 6 was formed from the single crystal Si growth node 21 by selective epitaxial growth. Next, the first insulating film 7 was used as a stop layer, and flattened by a CMP method (chemical mechanical polishing).

【0154】次に、図37(c)に示すように、フォト
リソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチング
を用いてキャパシタのパターニングを行なって上部電極
へのコンタクトホール26を形成し、さらにフォトリソ
グラフィー法とRIE法などのプラズマエッチングを用
いてキャパシタのパターニングを行なって上部電極への
コンタクトホール27を形成し、絶縁膜9をコンフォー
マルに形成した。次に第1の絶縁膜7を残して、異方性
RIEにより絶縁膜9を除去することにより、側壁部分
の絶縁膜をセルフアラインにより残した。次にCVD法
によりタングステン(W)からなるヴィアプラグ24お
よび25を埋め込み、第1の絶縁膜7をストッパとして
用いたCMP法により平坦化を行った。
Next, as shown in FIG. 37 (c), the capacitor is patterned by using photolithography and plasma etching such as RIE to form a contact hole 26 to the upper electrode. Then, the capacitor was patterned using plasma etching such as RIE to form a contact hole 27 to the upper electrode, and the insulating film 9 was formed conformally. Next, by removing the insulating film 9 by anisotropic RIE while leaving the first insulating film 7, the insulating film on the side wall portion was left by self-alignment. Next, via plugs 24 and 25 made of tungsten (W) were buried by a CVD method, and planarization was performed by a CMP method using the first insulating film 7 as a stopper.

【0155】次に、図38(d)に示すように、公知の
プロセスを使用して、不純物拡散層2、ゲート酸化膜
(図示せず)、ワード線5からなるトランジスタを形成
した。
Next, as shown in FIG. 38D, a transistor including the impurity diffusion layer 2, the gate oxide film (not shown), and the word line 5 was formed using a known process.

【0156】次に、図38(e)に示すように、例えば
N+型不純物を含んだポリSi膜を約200nm程度の
膜厚で堆積し、フォトリソグラフィー法とRIE法など
のプラズマエッチングを用いてパターニングを行なって
ヴィアプラグ24ないし25とトランジスタの主電極を
接続する内部配線23を形成した。
Next, as shown in FIG. 38 (e), for example, a poly-Si film containing an N + type impurity is deposited to a thickness of about 200 nm, and photolithography and plasma etching such as RIE are used. By patterning, an internal wiring 23 connecting the via plugs 24 to 25 and the main electrode of the transistor was formed.

【0157】このような工程により、強誘電体膜を使用
したキャパシタとトランジスタからなるChain型メ
モリセルを作成することができ、FRAMとしての動作
が確認された。
By such a process, a Chain type memory cell comprising a capacitor and a transistor using a ferroelectric film could be formed, and the operation as an FRAM was confirmed.

【0158】(第8実施形態)次に、本発明の第8実施
形態に係る半導体記憶装置について、図39(a)ない
し(c)および図40(d)(e)に示す工程順模式断
面図を用いて説明する。各図において、符号1は第1導
電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、3は素
子間分離絶縁層、4はゲート酸化膜、5はワード線、6
は単結晶Siエピタキシャル成長層、7,8は絶縁膜、
11および15はバリア金属、12は下部電極、13は
誘電体薄膜、14は上部電極、20はプレート電極、3
0はコンタクトプラグ、31は第1の貼り合せ層、32
は第2のSi(100)基板、33は貼り合せ層であ
る。
(Eighth Embodiment) Next, a semiconductor memory device according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 39 (a) to 39 (c) and FIGS. 40 (d) and 40 (e). This will be described with reference to the drawings. In each figure, reference numeral 1 denotes a first conductivity type semiconductor substrate, 2 denotes a second conductivity type impurity diffusion layer, 3 denotes an element isolation insulating layer, 4 denotes a gate oxide film, 5 denotes a word line, 6
Is a single crystal Si epitaxial growth layer, 7 and 8 are insulating films,
11 and 15 are barrier metals, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 20 is a plate electrode, 3
0 is a contact plug, 31 is a first bonding layer, 32
Denotes a second Si (100) substrate, and 33 denotes a bonding layer.

【0159】まず、図39(a)に示すように、第1の
Si(100)基板1に、公知のプロセスを使用して、
不純物拡散層2、ゲート酸化膜4、ワード線5からなる
トランジスタや、素子間分離絶縁膜3、およびキャパシ
タとのコンタクトプラグ30を形成し、化学的機械的研
磨(CMP)等の方法により平坦化した。次に、表面に
第1の貼り合せ層31としてAl膜を全面に形成した。
First, as shown in FIG. 39A, a first Si (100) substrate 1 is formed by using a known process.
A transistor including an impurity diffusion layer 2, a gate oxide film 4, and a word line 5, a device isolation insulating film 3, and a contact plug 30 with a capacitor are formed and planarized by a method such as chemical mechanical polishing (CMP). did. Next, an Al film was formed as a first bonding layer 31 on the entire surface.

【0160】次に、図39(b)に示すように、第2の
Si(100)基板32に、下部バリア金属層11とし
て膜厚10nm(Ti,Al)N、下部電極12として
膜厚20nmのSrRuO3、誘電体膜13としてBa
のモル分率70%で厚さ20nmのBSTO薄膜、上部
電極14として厚さ20nmのSrRuO3膜、さらに
上部バリア金属層15として膜厚10nmの(Ti,A
l)Nを、基板温度600℃でRFあるいはDCスパッ
タ法により大気中に出さずに連続してエピタキシャル成
長した。次に、表面に第2の貼り合せ層33としてAl
膜を全面に形成した。
Next, as shown in FIG. 39B, a 10 nm (Ti, Al) N film as the lower barrier metal layer 11 and a 20 nm film thickness as the lower electrode 12 are formed on the second Si (100) substrate 32. SrRuO 3 , Ba as the dielectric film 13
A BSTO thin film having a molar fraction of 70% and a thickness of 20 nm, an SrRuO 3 film having a thickness of 20 nm as the upper electrode 14, and a 10 nm thick (Ti, A) film as the upper barrier metal layer 15.
1) N was continuously epitaxially grown at a substrate temperature of 600 ° C. by RF or DC sputtering without being exposed to the air. Next, Al is used as a second bonding layer 33 on the surface.
A film was formed on the entire surface.

【0161】次に、図39(c)に示すように、第1の
貼り合せ層と第2の貼り合せ層を、真空度3×10−8
Torr以上の超高真空中でArガスのスパッタリング
により表面に生成された酸化層を除去してAlの新生面
を出し、そのまま大気中に晒さずに第1の貼り合せ層と
第2の貼り合せ層を突き合わせ、400℃で30分間加
圧して接合した。
Next, as shown in FIG. 39C, the first bonding layer and the second bonding layer were formed at a degree of vacuum of 3 × 10 −8.
The first bonding layer and the second bonding layer are exposed without removing the oxide layer generated on the surface by sputtering of Ar gas in an ultra-high vacuum of Torr or more without exposing it to the atmosphere. Were joined together by pressing at 400 ° C. for 30 minutes.

【0162】次に、図40(d)に示すように、貼り合
わせた第2の基板を裏面からCMP等により研磨してキ
ャパシタ層およびSi層を0.2μm程度残した。その
後、第1の基板により位置合せを行ない、各メモリセル
毎にキャパシタをパターニングした。この際のエッチン
グ条件として、酸化物層をエッチング停止層として使用
すると良い。次に絶縁膜7をコンフォーマルに形成し
た。次に異方性RIEにより絶縁膜7を除去することに
より、キャパシタ側壁部分の絶縁膜をセルフアラインに
より残した。次に、例えばN型不純物を含んだポリS
i膜を約200nm程度の膜厚で埋め込み、Si層32
をストッパとして用いたCMP法により平坦化を行な
い、ヴィアプラグ24を形成した。
Next, as shown in FIG. 40D, the bonded second substrate was polished from the back surface by CMP or the like to leave a capacitor layer and a Si layer of about 0.2 μm. Thereafter, alignment was performed using the first substrate, and the capacitor was patterned for each memory cell. As an etching condition at this time, it is preferable to use an oxide layer as an etching stop layer. Next, an insulating film 7 was formed conformally. Next, by removing the insulating film 7 by anisotropic RIE, the insulating film on the side wall of the capacitor was left by self-alignment. Next, for example, poly S containing N + type impurities
An i film is buried to a thickness of about 200 nm, and a Si layer 32 is formed.
The via plug 24 was formed by planarization by a CMP method using as a stopper.

【0163】次に、図30(e)に示すように、スパッ
タ法によりTiNからなる内部配線23を形成し、既知
のリソグラフィーおよびRIE法により、強誘電体膜1
3、上部電極14、バリアメタル15、および内部配線
23のパターニングを行なった。次に、TEOSを原料
ガスとして使用したプラズマCVD法により酸化シリコ
ン絶縁膜8を埋め込み、内部配線23をストッパとして
用いたCMP法により平坦化を行ない、さらに、層間絶
縁膜9を作成した。
Next, as shown in FIG. 30E, an internal wiring 23 made of TiN is formed by sputtering, and the ferroelectric film 1 is formed by known lithography and RIE.
3. Patterning of the upper electrode 14, the barrier metal 15, and the internal wiring 23 was performed. Next, the silicon oxide insulating film 8 was buried by a plasma CVD method using TEOS as a source gas, planarized by a CMP method using the internal wiring 23 as a stopper, and an interlayer insulating film 9 was formed.

【0164】このような工程により、強誘電体膜を使用
したキャパシタとトランジスタからなるメモリセルを歩
留まり良く作成することができ、FRAMとしての動作
が確認された。
Through these steps, a memory cell including a capacitor and a transistor using a ferroelectric film can be formed with a high yield, and the operation as an FRAM has been confirmed.

【0165】(第9実施形態)図41(a)ないし
(c)は、本発明の第9実施形態に係る半導体記憶装置
におけるNAND型セルの工程順模式断面図である。各
図において、符号1は第1導電型半導体基板、2は第2
導電型不純物拡散層、3は素子間分離絶縁膜、4はゲー
ト酸化膜、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャ
ル成長層、7,8,9は絶縁膜、11および14はバリ
ア金属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上
部電極、20はプレート電極である。
(Ninth Embodiment) FIGS. 41A to 41C are schematic sectional views in the order of steps of a NAND cell in a semiconductor memory device according to a ninth embodiment of the present invention. In each figure, reference numeral 1 denotes a first conductivity type semiconductor substrate, and reference numeral 2 denotes a second semiconductor substrate.
Conductivity type impurity diffusion layer, 3 is an element isolation insulating film, 4 is a gate oxide film, 5 is a word line, 6 is a single crystal Si epitaxial growth layer, 7, 8, and 9 are insulating films, 11 and 14 are barrier metals, 12 Is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, and 20 is a plate electrode.

【0166】図41(a)は、既知の工程によりメモリ
セルのトランジスタ部を形成した後、単結晶Si層6の
選択エピタキシャル成長を行ない、化学的機械的研磨
(CMP)法により平坦化したところである。このと
き、ワード線5の絶縁膜として酸化シリコン膜を用い
た。また、Si基板上の電極にRIE工程で生じた表面
の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使用したエ
ッチングの後、そのまま真空中でCVD室に搬送し、1
mTorrの圧力のSiHガスとドナーとして加えた
0.1mTorrのAsHガスを使用して750℃で
選択エピタキシャル成長を行った。
FIG. 41 (a) shows a state where a transistor portion of a memory cell is formed by a known process, and then a single crystal Si layer 6 is selectively epitaxially grown and flattened by a chemical mechanical polishing (CMP) method. . At this time, a silicon oxide film was used as an insulating film of the word line 5. Further, in order to remove a damaged layer on the surface of the electrode on the Si substrate caused by the RIE process, after etching using hydrogen fluoride vapor, the substrate is directly transferred to a CVD chamber in a vacuum, and
Selective epitaxial growth was performed at 750 ° C. using SiH 4 gas at a pressure of mTorr and AsH 3 gas at a pressure of 0.1 mTorr added as a donor.

【0167】次に、図41(b)に示すように、単結晶
Si層6にCMP工程で生じた表面の損傷層を取り除く
ため、フッ化水素蒸気を使用したエッチングの後、バリ
アメタル11として反応性スパッタ法により600℃で
TiNを積層し、引き続き下部電極12としてスパッタ
法により600℃でSrTiO3(SROと以降略称す
る)膜を積層し、引き続きBaTiO3(BTOと以降
略称する)強誘電体薄膜13をスパッタ法により600
℃で40nmの厚さに積層し、引き続き上部電極14と
してスパッタ法により600℃でSrTiO3(以下、
SROと略記する)膜を積層し、引き続きバリアメタル
15として反応性スパッタ法により600℃でTiNを
積層したところである。このとき、単結晶Si層6の上
には、バリアメタル11、下部電極12、強誘電体薄膜
13、上部電極14の全てがエピタキシャル成長を生じ
て単結晶になったが、ワード線5の絶縁膜の上には全て
多結晶として成長した。
Next, as shown in FIG. 41B, in order to remove a damaged layer on the surface of the single crystal Si layer 6 generated by the CMP process, after etching using hydrogen fluoride vapor, the barrier metal 11 is formed. by reactive sputtering TiN stacked at 600 ° C., subsequently (abbreviated hereinafter as SRO) SrTiO 3 at 600 ° C. by sputtering as the lower electrode 12 film is laminated, (abbreviated BTO and beyond) continue BaTiO 3 ferroelectric The body thin film 13 is formed by sputtering
At a temperature of 600 ° C. by sputtering to form SrTiO 3 (hereinafter, referred to as the upper electrode 14).
(Abbreviated as SRO), and then TiN was deposited as a barrier metal 15 at 600 ° C. by a reactive sputtering method. At this time, all of the barrier metal 11, the lower electrode 12, the ferroelectric thin film 13, and the upper electrode 14 were epitaxially grown on the single-crystal Si layer 6 to be single-crystal. All grew as polycrystals on the top.

【0168】次に、図41(c)に示すように、既知の
リソグラフィーおよびRIE法により、バリアメタル1
1、下部電極12、強誘電体膜13、上部電極14、バ
リアメタル15、および単結晶Si層6のパターニング
を行った。このとき絶縁膜をストッパーとして使用し
た。パターニングした溝内にTEOSを原料ガスとして
使用したプラズマCVD法により酸化シリコン絶縁膜7
を埋め込み、バリアメタル15をストッパーとして用い
たCMP法により平坦化を行なった。その後スパッタ法
によりプレート電極20としてTiNを積層し、さらに
層間絶縁膜8を作成した。
Next, as shown in FIG. 41C, the barrier metal 1 is formed by known lithography and RIE.
1. Patterning of the lower electrode 12, the ferroelectric film 13, the upper electrode 14, the barrier metal 15, and the single crystal Si layer 6 was performed. At this time, the insulating film was used as a stopper. Silicon oxide insulating film 7 is formed in the patterned groove by plasma CVD using TEOS as a source gas.
Was planarized by a CMP method using the barrier metal 15 as a stopper. Thereafter, TiN was laminated as a plate electrode 20 by a sputtering method, and an interlayer insulating film 8 was further formed.

【0169】このような工程で作成した後、X線回折装
置により膜方位を測定したところ、TiNバリア膜、S
RO電極膜、BTO誘電体膜すべてが(001)方位に
エピタキシャル成長していることが確かめられ、またB
TO膜の膜厚方向の格子定数は0.434nmと大きく
伸びていた。また、形成した強誘電体薄膜キャパシタの
誘電特性を測定したところ、残留分極量として0.42
C/mと大きな値が得られ、強誘電体キャパシタとし
て機能することが確かめられた。
After the film was formed in such a process, the film orientation was measured by an X-ray diffraction apparatus.
It was confirmed that the RO electrode film and the BTO dielectric film were all epitaxially grown in the (001) direction.
The lattice constant of the TO film in the thickness direction was as large as 0.434 nm. When the dielectric characteristics of the formed ferroelectric thin film capacitor were measured, the residual polarization amount was 0.42.
A large value of C / m 2 was obtained, and it was confirmed that the capacitor functioned as a ferroelectric capacitor.

【0170】(第10実施形態)図42(a)ないし
(c)および図43(d)ないし(f)は、本発明の第
10実施形態に係る半導体記憶装置におけるNAND型
セルの工程順模式断面図である。記憶用キャパシタとし
て、常誘電体キャパシタを作成した。各図において、符
号1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡
散層、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャル成
長層、7,8,9,10は絶縁膜、11は下部バリア金
属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上部電
極、15は上部バリア金属膜、20はプレート電極、2
1は単結晶Si成長用ノード、22はキャパシタのコン
タクト部、23は内部配線である。
(Tenth Embodiment) FIGS. 42 (a) to (c) and FIGS. 43 (d) to (f) are schematic diagrams showing the order of steps of a NAND cell in a semiconductor memory device according to a tenth embodiment of the present invention. It is sectional drawing. A paraelectric capacitor was prepared as a storage capacitor. In each figure, reference numeral 1 denotes a first conductivity type semiconductor substrate, 2 denotes a second conductivity type impurity diffusion layer, 5 denotes a word line, 6 denotes a single crystal Si epitaxial growth layer, 7, 8, 9, and 10 denotes an insulating film, and 11 denotes an insulating film. Lower barrier metal, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 15 is an upper barrier metal film, 20 is a plate electrode, 2
1 is a single crystal Si growth node, 22 is a contact portion of a capacitor, and 23 is an internal wiring.

【0171】まず、図42(a)に示すように、第1導
電型のSi(100)基板1の表面に深さ0.1μm程
度の第2導電型の不純物拡散層からなるプレート電極2
0を形成した後、下部バリア金属層11として膜厚10
nmの(Ti,Al)N、下部電極12として膜厚20
nmのSRO、誘電体膜13として厚さ20nmの(B
0.2Sr0.8)TiO3薄膜、上部電極14とし
て厚さ20nmのSRO膜、さらに上部バリア金属層1
5として膜厚10nmの(Ti,Al)Nを、基板温度
600℃でRFあるいはDCスパッタ法により大気中に
出さずに連続してエピタキシャル成長し、さらに第1の
絶縁膜7をTEOSガスを原料としたプラズマCVD法
等により形成した。
First, as shown in FIG. 42A, a plate electrode 2 made of a second conductivity type impurity diffusion layer having a depth of about 0.1 μm is formed on the surface of a first conductivity type Si (100) substrate 1.
After the formation of the lower barrier metal layer 11,
(Ti, Al) N having a thickness of 20 nm as the lower electrode 12.
SRO having a thickness of 20 nm and (B
a 0.2 Sr 0.8 ) TiO 3 thin film, SRO film having a thickness of 20 nm as upper electrode 14, and upper barrier metal layer 1
5, a 10 nm-thick (Ti, Al) N is epitaxially grown continuously at a substrate temperature of 600 ° C. by RF or DC sputtering without being exposed to the air, and the first insulating film 7 is formed using TEOS gas as a raw material. It was formed by a plasma CVD method or the like.

【0172】次に、図42(b)に示すように、単結晶
Si成長用ノード21をリソグラフィーおよびRIEな
どによるエッチングにより形成した。次に第2の絶縁膜
8をコンフォーマルに形成した。
Next, as shown in FIG. 42B, a single crystal Si growth node 21 was formed by lithography and etching by RIE or the like. Next, a second insulating film 8 was formed conformally.

【0173】次に、図42(c)に示すように、第1の
絶縁膜7を残して、異方性RIEにより第2の絶縁膜8
を除去することにより、単結晶Si成長用ノードの側壁
部分にも絶縁膜をセルフアラインにより残した。次に、
Si表面の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使
用したエッチングの後、そのまま真空中でCVD室に搬
送し、1mTorrの圧力のSiHガスとドナーとし
て加えた0.1mTorrのAsHガスを使用して7
50℃で、単結晶Si成長用ノード21から選択エピタ
キシャル成長により単結晶Si層6を形成した。次に絶
縁膜を停止層とし、CMP法(化学的機械的研磨法)に
より平坦化した。
Next, as shown in FIG. 42C, the second insulating film 8 is formed by anisotropic RIE while leaving the first insulating film 7.
, The insulating film was also left on the side wall portion of the single crystal Si growth node by self-alignment. next,
In order to remove the damaged layer on the Si surface, after etching using hydrogen fluoride vapor, the wafer was directly transported to a CVD chamber in a vacuum, and SiH 4 gas at a pressure of 1 mTorr and AsH 3 gas at a pressure of 0.1 mTorr added as a donor were used. Use 7
At 50 ° C., single-crystal Si layer 6 was formed by selective epitaxial growth from single-crystal Si growth node 21. Next, the insulating film was used as a stop layer, and flattened by a CMP method (chemical mechanical polishing).

【0174】次に、図43(d)に示すように、フォト
リソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチング
を用いてキャパシタのパターニングを行ない、絶縁膜を
埋込み、CMPにより平坦化してキャパシタ分離用絶縁
膜9を形成した。
Next, as shown in FIG. 43D, the capacitor is patterned by using photolithography and plasma etching such as RIE, and the insulating film is buried and planarized by CMP to form a capacitor insulating film. 9 was formed.

【0175】次に、図43(e)に示すように、公知の
プロセスを使用して、不純物拡散層2、ゲート酸化膜
(図示せず)、ワード線5からなるトランジスタを形成
した。
Next, as shown in FIG. 43E, a transistor including an impurity diffusion layer 2, a gate oxide film (not shown), and a word line 5 was formed using a known process.

【0176】次に、図43(f)に示すように、フォト
リソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチング
を用いて、キャパシタのコンタクト部22を開孔した。
このときのエッチング条件として、上部バリア金属層1
5ないし上部電極14のいずれかをストッパーとして用
いて選択的にストップさせると良い。次に、全面に例え
ばN型不純物を含んだポリSi膜を約200nm程度
の膜厚で堆積し、全面をCMPおよびRIEなどの方法
でエッチングすることによりコンタクト部22とトラン
ジスタの主電極を接続する内部配線23を形成した。さ
らに層間絶縁膜10を形成した。
Next, as shown in FIG. 43 (f), the contact portion 22 of the capacitor was opened by photolithography and plasma etching such as RIE.
At this time, the upper barrier metal layer 1 was used as an etching condition.
It is preferable to selectively stop using any one of the fifth to upper electrodes 14 as a stopper. Next, a poly-Si film containing, for example, N + -type impurities is deposited on the entire surface to a thickness of about 200 nm, and the entire surface is etched by a method such as CMP and RIE to connect the contact portion 22 to the main electrode of the transistor. The internal wiring 23 was formed. Further, an interlayer insulating film 10 was formed.

【0177】このような工程により、強誘電体膜を使用
したキャパシタとトランジスタからなるNAND型メモ
リセルを作成することができ、NAND型FRAMとし
ての動作が確認された。
Through these steps, a NAND memory cell comprising a capacitor and a transistor using a ferroelectric film could be formed, and the operation as a NAND FRAM was confirmed.

【0178】(第11実施形態)本発明の第11実施形
態に係る半導体記憶装置について、工程順模式断面図で
ある図44(a)−(c)および図45(d)(e)を
用いて説明する。符号1は第1導電型半導体基板、2は
第2導電型不純物拡散層、3は素子間分離絶縁層、4は
ゲート酸化膜、5はワード線、6は単結晶Siエピタキ
シャル成長層、7,8は絶縁膜、11および14はバリ
ア金属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上
部電極、20はプレート電極、30はコンタクトプラ
グ、31は第1の貼り合せ層、32は第2のSi(10
0)基板、33は第2の貼り合せ層である。
(Eleventh Embodiment) A semiconductor memory device according to an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 44A to 44C and FIGS. Will be explained. Reference numeral 1 denotes a first conductivity type semiconductor substrate, 2 denotes a second conductivity type impurity diffusion layer, 3 denotes an element isolation insulating layer, 4 denotes a gate oxide film, 5 denotes a word line, 6 denotes a single crystal Si epitaxial growth layer, and 7, 8 Is an insulating film, 11 and 14 are barrier metals, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 20 is a plate electrode, 30 is a contact plug, 31 is a first bonding layer, and 32 is a second bonding layer. Si (10
0) Substrate 33 is a second bonding layer.

【0179】まず、図44(a)に示すように、第1の
Si(100)基板1に、公知のプロセスを使用して、
不純物拡散層2、ゲート酸化膜4、ワード線5からなる
トランジスタや、素子間分離絶縁膜3、およびキャパシ
タとのコンタクトプラグ30を形成し、化学的機械的研
磨(CMP)等の方法により平坦化した。次に、表面に
第1の貼り合せ層31としてAl膜を全面に形成した。
First, as shown in FIG. 44A, a first Si (100) substrate 1 is formed by using a known process.
A transistor including an impurity diffusion layer 2, a gate oxide film 4, and a word line 5, a device isolation insulating film 3, and a contact plug 30 with a capacitor are formed and planarized by a method such as chemical mechanical polishing (CMP). did. Next, an Al film was formed as a first bonding layer 31 on the entire surface.

【0180】次に、図44(b)に示すように、第2の
Si(100)基板32に、下部バリア金属層11とし
て膜厚10nm(Ti,Al)N、下部電極12として
膜厚20nmのSrRuO3、誘電体膜13としてBa
のモル分率70%で厚さ20nmのBSTO薄膜、上部
電極14として厚さ20nmのSrRuO3膜、さらに
上部バリア金属層15として膜厚10nmの(Ti,A
l)Nを、基板温度600℃でRFあるいはDCスパッ
タ法により大気中に出さずに連続してエピタキシャル成
長した。次に、表面に第2の貼り合せ層33としてAl
膜を全面に形成した。
Next, as shown in FIG. 44B, a 10 nm (Ti, Al) N film as the lower barrier metal layer 11 and a 20 nm film thickness as the lower electrode 12 are formed on the second Si (100) substrate 32. SrRuO 3 , Ba as the dielectric film 13
A BSTO thin film having a molar fraction of 70% and a thickness of 20 nm, an SrRuO 3 film having a thickness of 20 nm as the upper electrode 14, and a 10 nm thick (Ti, A) film as the upper barrier metal layer 15.
1) N was continuously epitaxially grown at a substrate temperature of 600 ° C. by RF or DC sputtering without being exposed to the air. Next, Al is used as a second bonding layer 33 on the surface.
A film was formed on the entire surface.

【0181】次に、図44(c)に示すように、第1の
貼り合せ層と第2の貼り合せ層を、真空度3×10−8
Torr以上の超高真空中でArガスのスパッタリング
により表面に生成された酸化層を除去してAlの新生面
を出し、そのまま大気中に晒さずに第1の貼り合せ層と
第2の貼り合せ層を突き合わせて、400℃で30分間
加圧して接合した。
Next, as shown in FIG. 44C, the first bonding layer and the second bonding layer were formed at a degree of vacuum of 3 × 10 −8.
The first bonding layer and the second bonding layer are exposed without removing the oxide layer generated on the surface by sputtering of Ar gas in an ultra-high vacuum of Torr or more without exposing it to the atmosphere. Were joined together by pressing at 400 ° C. for 30 minutes.

【0182】次に、図45(d)に示すように、貼り合
わせた第2の基盤を裏面からCMP等により研磨してキ
ャパシタ層およびSi層を0.2μm程度残した。その
後、第1の基板により位置合せを行ない、各メモリセル
ごとにキャパシタをパターニングした。この際のエッチ
ング条件として、酸化物層をエッチング停止層として使
用すると良い。さらにTEOSガスを原料としたプラズ
マCVD法により絶縁膜7を埋め込んだ後、再びCMP
法等により平坦化した。
Next, as shown in FIG. 45 (d), the bonded second substrate was polished from the back surface by CMP or the like to leave a capacitor layer and a Si layer of about 0.2 μm. Thereafter, alignment was performed using the first substrate, and the capacitor was patterned for each memory cell. As an etching condition at this time, it is preferable to use an oxide layer as an etching stop layer. Further, after the insulating film 7 is buried by a plasma CVD method using TEOS gas as a raw material, CMP is performed again.
It was flattened by a method or the like.

【0183】最後に、図45(e)に示すように、プレ
ート電極20としてTi/TiN/Al層を形成した
後、絶縁層8を被せた。
Finally, as shown in FIG. 45E, after forming a Ti / TiN / Al layer as the plate electrode 20, the insulating layer 8 was covered.

【0184】このような工程により、強誘電体膜を使用
したキャパシタとトランジスタからなるメモリセルを歩
留まり良く作成することができ、FRAMとしての動作
が確認された。
Through these steps, a memory cell including a capacitor and a transistor using a ferroelectric film could be formed with a high yield, and the operation as an FRAM was confirmed.

【0185】(第12実施形態)図46(a)(b)お
よび図47(c)(d)は、本発明の第12実施形態に
係るNAND型セルの工程順模式断面図である。1は第
1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、3
は素子間分離絶縁層、4はゲート酸化膜、5はワード
線、6は単結晶Si層、7,8,9は絶縁膜、11は第
1のバリア金属、12は第1の電極、13は誘電体薄
膜、14は第2の電極、15は第2のバリア金属層、2
0はプレート電極、30はコンタクトプラグ、31は第
1の貼り合せ層、32は第2のSi(100)基板、3
3は第2の貼り合せ層である。
(Twelfth Embodiment) FIGS. 46 (a), (b) and FIGS. 47 (c), (d) are step-by-step schematic sectional views of a NAND cell according to a twelfth embodiment of the present invention. 1 is a first conductivity type semiconductor substrate, 2 is a second conductivity type impurity diffusion layer, 3
Is an element isolation insulating layer, 4 is a gate oxide film, 5 is a word line, 6 is a single crystal Si layer, 7, 8, and 9 are insulating films, 11 is a first barrier metal, 12 is a first electrode, 13 Is a dielectric thin film, 14 is a second electrode, 15 is a second barrier metal layer, 2
0 is a plate electrode, 30 is a contact plug, 31 is a first bonding layer, 32 is a second Si (100) substrate, 3
3 is a second bonding layer.

【0186】まず、図46(a)に示すように、第1導
電型のSi(100)基板1の第1の表面に、第1のバ
リア金属11として膜厚10nmの(Ti,Al)N
膜、第1の電極12として膜厚20nmのSRO、強誘
電体膜13としてBaのモル分率70%で厚さ20nm
のBSTO薄膜、第2の電極14として厚さ20nmの
SRO膜、第2のバリア金属層15として膜厚10nm
のTiN膜を、それぞれRFあるいはDCスパッタ法に
より基板温度600℃でエピタキシャル成長させた。さ
らに、プレート電極20として室温で200nmのTi
N膜を形成した。次に第1の貼り合せ用絶縁膜31とし
てBPSGを例えば500nm程度成膜した後、例えば
CMP法などにより平坦化した。
First, as shown in FIG. 46A, a 10 nm-thick (Ti, Al) N film as a first barrier metal 11 is formed on a first surface of a first conductivity type Si (100) substrate 1.
SRO having a thickness of 20 nm as the film and the first electrode 12 and a thickness of 20 nm as the ferroelectric film 13 with a molar fraction of Ba of 70%.
A 20 nm thick SRO film as the second electrode 14 and a 10 nm thick film as the second barrier metal layer 15
Was epitaxially grown at a substrate temperature of 600 ° C. by RF or DC sputtering, respectively. Further, 200 nm Ti at room temperature is used as the plate electrode 20.
An N film was formed. Next, BPSG was formed to a thickness of, for example, about 500 nm as the first bonding insulating film 31, and then planarized by, for example, a CMP method.

【0187】次に、第2のSi基板32を用意し、表面
に第2の貼り合せ層33としてBPSG層を作成した平
坦化した。次に、第1の貼り合せ用絶縁膜31と第2の
貼り合せ層33を突き合わせて接着した。接着には、公
知の方法、例えば900℃程度の熱処理により行った。
Next, a second Si substrate 32 was prepared, and a BPSG layer was formed as a second bonding layer 33 on the surface and flattened. Next, the first bonding insulating film 31 and the second bonding layer 33 were bonded to each other. The bonding was performed by a known method, for example, a heat treatment at about 900 ° C.

【0188】次に、図46(b)に示すように、第1の
Si基板1の第2の表面から研磨していくものとして、
図示説明を控える。セル領域周辺の研磨停止層などを利
用して、例えば10nm程度の厚さの薄膜シリコン層を
形成する。この他のスマートカット等の接着、研磨によ
るSOIの形成方法を用いても良い。
Next, as shown in FIG. 46 (b), assuming that the second surface of the first Si substrate 1 is polished,
The illustration is omitted. A thin silicon layer having a thickness of, for example, about 10 nm is formed using a polishing stopper layer around the cell region. Other SOI forming methods such as smart cut bonding and polishing may be used.

【0189】次に、通常のフォトリソグラフィー法とR
IE法などのプラズマエッチングを用いて、素子分離の
ための溝を開口した。このときのエッチング条件とし
て、キャパシタの誘電膜13をストッパーとして用いて
選択的に停止させると良い。次に、埋め込み絶縁膜7を
成膜し、CMPにより平坦化した。さらに、RIEなど
により埋め込み絶縁膜7を選択的に浅くエッチングした
後、第2導電型の単結晶シリコン層6を形成し、再び平
坦化したるこのときの単結晶シリコン層の形成方法とし
て、アモルファスシリコン層をコンフォーマルに形成し
た後にRTPなどの熱処理により側壁部分より結晶化し
て単結晶とする方法、選択成長CVD法などにより単結
晶シリコンを選択的に埋め込む方法などが挙げられる。
Next, the ordinary photolithography method and R
Grooves for element isolation were opened using plasma etching such as the IE method. As an etching condition at this time, it is preferable to selectively stop using the dielectric film 13 of the capacitor as a stopper. Next, a buried insulating film 7 was formed and planarized by CMP. Further, after the buried insulating film 7 is selectively etched shallowly by RIE or the like, a second-conductivity-type single-crystal silicon layer 6 is formed and planarized again. A method of forming a silicon layer conformally and then crystallizing from a side wall portion by a heat treatment such as RTP to form a single crystal, a method of selectively embedding single crystal silicon by a selective growth CVD method, and the like are given.

【0190】次に、図47(c)に示すように、素子間
を分離するための第2の溝をリソグラフィーおよびRI
Eなどによるエッチングにより形成した。このとき、キ
ャパシタの誘電膜5をエッチング停止層として使用する
と良い。次に、埋め込み絶縁膜8を成膜し、CMPなど
により平坦化した。
Next, as shown in FIG. 47C, a second groove for separating the elements is formed by lithography and RI.
It was formed by etching using E or the like. At this time, it is preferable to use the dielectric film 5 of the capacitor as an etching stop layer. Next, a buried insulating film 8 was formed and planarized by CMP or the like.

【0191】最後に、図47(d)に示すように、公知
のプロセスを使用して、第2導電型の不純物拡散層2、
ゲート酸化膜4、ワード線5からなるトランジスタや、
層間絶縁膜9を形成した。
Finally, as shown in FIG. 47 (d), the second conductivity type impurity diffusion layer 2,
A transistor including a gate oxide film 4 and a word line 5,
An interlayer insulating film 9 was formed.

【0192】このような工程により、強誘電体膜を使用
したキャパシタとトランジスタからなるメモリセルを歩
留まり良く作成することができ、FRAMとしての動作
が確認された。
Through these steps, a memory cell including a capacitor and a transistor using a ferroelectric film can be formed with high yield, and the operation as an FRAM has been confirmed.

【0193】(その他の実施の形態)上記のように、本
発明は第1ないし第12実施形態によって記載したが、
この開示の一部である説明および図面がこの発明を限定
するものであると理解すべきではない。この開示から当
業者には様々な代替的な実施形態、実施例および運用技
術が明らかとなろう。
(Other Embodiments) As described above, the present invention has been described with reference to the first to twelfth embodiments.
It is not to be understood that the description and drawings which are a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.

【0194】既に述べた第1ないし第12実施形態の説
明においては、pウェル中にnMOSFETを形成した
が、p基板中にnMOSFETを形成してもよい。ま
た、nMOSFETの代わりに、pMOSFETを用い
て構成しても良い。pMOSFETを用いる場合は、図
18、図22あるいは図26に示した読み出し/書き込
みシークエンスは、適宜極性を反転すればよい。
In the above description of the first to twelfth embodiments, the nMOSFET is formed in the p well, but the nMOSFET may be formed in the p substrate. Further, a pMOSFET may be used instead of the nMOSFET. When a pMOSFET is used, the polarity of the read / write sequence shown in FIG. 18, FIG. 22, or FIG.

【0195】また、既に述べた第1ないし第123実施
形態に係る半導体記憶装置をSOI基板上に形成しても
よいことは勿論である。さらに、図27(b)におい
て、ビット線は、B−B’方向の断面上には露出しない
ので図示を省略したが、ビット線が、B−B’方向の断
面上に露出するような平面レイアウトでも良いことは勿
論である。逆に、図19(b)および図23(b)にお
いて、断面上にビット線が露出しないような平面レイア
ウトを採用することも可能である。
Further, it goes without saying that the semiconductor memory devices according to the first to 123rd embodiments described above may be formed on an SOI substrate. Further, in FIG. 27B, the bit lines are not shown on the cross section in the BB 'direction and therefore are not shown in the drawing. However, the plane is such that the bit lines are exposed on the cross section in the BB' direction. Of course, a layout may be used. Conversely, in FIGS. 19B and 23B, it is also possible to adopt a planar layout such that the bit lines are not exposed on the cross section.

【0196】このように、本発明はここでは記載されて
いない様々な実施形態等を包含するということを理解す
べきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な
特許請求の範囲にかかる発明と指定事項によってのみ限
定されるものである。
As described above, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like which are not described herein. Accordingly, the present invention is limited only by the invention and the specified items as set forth in the reasonable claims from this disclosure.

【0197】以上詳述した実施形態によれば、最小寸法
fによるスケーリングが可能となり小さなメモリセル構
成を有した半導体記憶素子が提供できる。特に、本発明
の上記実施形態によれば、強誘電体分極の安定な保持が
可能であり、しかも超高集積化した半導体記憶素子が提
供できる。また、本発明によれば、製造プロセスが容易
な超高集積化した半導体記憶素子の実現が可能になり、
工業的価値は極めて大きい。
According to the embodiment described in detail above, it is possible to provide a semiconductor memory element having a small memory cell configuration, which can be scaled by the minimum dimension f. In particular, according to the above embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory element capable of stably maintaining ferroelectric polarization and having an ultra-high integration. Further, according to the present invention, it is possible to realize an ultra-highly integrated semiconductor storage element that is easy to manufacture.
The industrial value is extremely large.

【0198】[0198]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、最
初寸法fによるスケーリングが可能となり、小さなメモ
リセル構成を有した半導体記憶素子を提供できる。ま
た、プロセスが容易であるにも拘わらず、小さなメモリ
セルを溝成することができ、強誘電体分極の安定な保持
や、スケーリングが可能になるという特徴を有する超高
集積化した半導体記憶素子の実現が可能になり、本発明
の工業的価値は極めて大きい。
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory device having a small memory cell configuration, which can be scaled by the first dimension f. In addition, an ultra-high-integrated semiconductor memory device having the feature that a small memory cell can be formed in a groove, and the ferroelectric polarization can be stably maintained and scaling can be performed despite the ease of the process. Can be realized, and the industrial value of the present invention is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の基本的な構成を説明するためのメモリ
セルの等価回路図。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for describing a basic configuration of the present invention.

【図2】本発明の半導体記憶装置の(a)記憶“1”、
(b)記憶“0”における読み出し動作をそれぞれ説明
する模式図。
FIG. 2 shows (a) storage “1” of the semiconductor storage device of the present invention;
FIG. 3B is a schematic diagram illustrating a read operation in storage “0”.

【図3】本発明の半導体記憶装置の(a)記憶“1”、
(b)記憶“0”における読み出し/書き込み動作をそ
れぞれ説明する模式図。
FIG. 3 shows (a) storage “1” of the semiconductor storage device of the present invention;
FIG. 3B is a schematic diagram illustrating a read / write operation in storage “0”.

【図4】参照用キャパシタCREFが強誘電体薄膜の場合
の本発明のメモリセルの等価回路図。
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the memory cell of the present invention when the reference capacitor C REF is a ferroelectric thin film.

【図5】図4の回路の直列電圧印加の読み出し動作によ
る(a)記憶“1”、(b)記憶“0”の読み出し動作
をそれぞれ説明する模式図。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a read operation of (a) storage “1” and (b) storage “0” by a read operation of serial voltage application in the circuit of FIG. 4;

【図6】参照用強誘電体キャパシタのプリチャージモー
ドにおける(a)記憶“1”、(b)記憶“0”の読み
出し動作をそれぞれ示す模式図。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a read operation of (a) storage “1” and (b) storage “0” in a precharge mode of a reference ferroelectric capacitor.

【図7】本発明のそれぞれ基本的な構成(a)(b)
(c)を説明するためのメモリセルの等価回路図。
FIGS. 7A and 7B show basic configurations (a) and (b) of the present invention, respectively.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining (c).

【図8】本発明の半導体記憶装置をより高集積化するた
めの具体的な構成(a)(b)をそれぞれ示す回路図。
FIGS. 8A and 8B are circuit diagrams respectively showing specific configurations (a) and (b) for further increasing the integration of the semiconductor memory device of the present invention.

【図9】参照用キャパシタCREFが強誘電体薄膜により
形成された場合の高集積化に適した本発明の具体的な構
成(a)(b)をそれぞれ示す回路図。
FIG. 9 is a circuit diagram showing a specific configuration (a) or (b) of the present invention suitable for high integration when the reference capacitor C REF is formed of a ferroelectric thin film.

【図10】スケーラブルNAND−FRAMによる本発
明の基本構成を説明するためのメモリセルの等価回路
図。
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for describing a basic configuration of the present invention using a scalable NAND-FRAM.

【図11】非対称な強誘電体ヒステリシスを持つ強誘電
体キャパシタの分極状態(a)(b)をそれぞれ説明す
る模式図。
FIGS. 11A and 11B are schematic diagrams illustrating polarization states (a) and (b) of a ferroelectric capacitor having asymmetric ferroelectric hysteresis.

【図12】図10の回路において、常誘電体キャパシタ
を使用した場合の基本的な構成を説明するためのメモリ
セルの等価回路図。
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for describing a basic configuration in the case where a paraelectric capacitor is used in the circuit of FIG. 10;

【図13】常誘電体キャパシタを使用した場合の読み出
し動作(a)(b)をそれぞれ説明する模式図。
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a read operation (a) and a read operation (b) when a paraelectric capacitor is used.

【図14】非線形な容量特性を持つ常誘電体キャパシタ
の分極状態を説明する模式図。
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a polarization state of a paraelectric capacitor having a non-linear capacitance characteristic.

【図15】本発明の幾つかの回路構成(a)ないし
(d)を説明するためのメモリセルのそれぞれ等価回路
図。
FIG. 15 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining several circuit configurations (a) to (d) of the present invention.

【図16】本発明の第1実施形態に係る半導体記憶装置
の主要部の回路構成図。
FIG. 16 is a circuit configuration diagram of a main part of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.

【図17】第1実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回
路を含む主要部の回路構成図。
FIG. 17 is a circuit configuration diagram of a main part including peripheral circuits of the semiconductor memory device according to the first embodiment;

【図18】第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出
し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
FIG. 18 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the first embodiment.

【図19】第1実施形態に係る半導体記憶装置の(a)
平面図および(b)断面図。
FIG. 19A shows the semiconductor memory device according to the first embodiment;
Plan view and (b) sectional view.

【図20】本発明の第2実施形態に係る半導体記憶装置
の主要部の回路構成図。
FIG. 20 is a circuit configuration diagram of a main part of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.

【図21】第2実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回
路を含む主要部の回路構成図。
FIG. 21 is a circuit configuration diagram of a main part including peripheral circuits of the semiconductor memory device according to the second embodiment.

【図22】第2の実施の形態に係る半導体記憶装置の読
み出し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
FIG. 22 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the second embodiment.

【図23】第2実施形態に係る半導体記憶装置の(a)
平面図および(b)断面図。
FIG. 23A illustrates a semiconductor memory device according to a second embodiment;
Plan view and (b) sectional view.

【図24】本発明の第3実施形態に係る半導体記憶装置
の主要部の回路構成図。
FIG. 24 is a circuit configuration diagram of a main part of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.

【図25】第3実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回
路を含む主要部の回路構成図。
FIG. 25 is a circuit configuration diagram of main parts including peripheral circuits of the semiconductor memory device according to the third embodiment.

【図26】第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出
し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
FIG. 26 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the third embodiment.

【図27】第3実施形態に係る半導体記憶装置の(a)
平面図および(b)断面図。
FIG. 27A illustrates a semiconductor memory device according to a third embodiment;
Plan view and (b) sectional view.

【図28】本発明の第4実施形態に係る半導体記憶装置
の主要部の回路構成図。
FIG. 28 is a circuit configuration diagram of a main part of a semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図29】第4実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回
路を含む主要部の回路構成図。
FIG. 29 is a circuit configuration diagram of main parts including peripheral circuits of a semiconductor memory device according to a fourth embodiment.

【図30】第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出
し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
FIG. 30 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the fourth embodiment.

【図31】第4実施形態に係る半導体記憶装置の(a)
平面図および(b)断面図。
FIG. 31A shows a semiconductor memory device according to a fourth embodiment;
Plan view and (b) sectional view.

【図32】本発明の第5実施形態に係る半導体記憶装置
の主要部の回路構成図。
FIG. 32 is a circuit configuration diagram of a main part of a semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図33】第5実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回
路を含む主要部の回路構成図。
FIG. 33 is a circuit configuration diagram of a main part including peripheral circuits of a semiconductor memory device according to a fifth embodiment.

【図34】第5実施形態に係る半導体記憶装置の読み出
し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
FIG. 34 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the fifth embodiment.

【図35】第5実施形態に係る半導体記憶装置の(a)
平面図および(b)断面図。
FIG. 35A shows a semiconductor memory device according to a fifth embodiment;
Plan view and (b) sectional view.

【図36】本発明の第6実施形態に係る半導体記憶装置
のメモリセルの(a)−(d)工程順模式断面図。
FIG. 36 is a schematic sectional view of a memory cell of a semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention in the order of (a)-(d) steps.

【図37】本発明の第7実施形態に係る半導体記憶装置
のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
FIG. 37 is a schematic sectional view of a memory cell of a semiconductor memory device according to a seventh embodiment in the order of (a)-(c) steps.

【図38】第7実施形態における図37の続きの工程
(d)(e)を示す断面図。
FIG. 38 is a sectional view showing steps (d) and (e) subsequent to FIG. 37 in the seventh embodiment;

【図39】本発明の第8実施形態に係る半導体記憶装置
のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
FIG. 39 is a schematic sectional view of a memory cell of a semiconductor memory device according to an eighth embodiment of the present invention in the order of (a)-(c) steps.

【図40】第7実施形態における図39の続きの工程
(d)(e)を示す断面図。
FIG. 40 is a sectional view showing steps (d) and (e) subsequent to FIG. 39 in the seventh embodiment;

【図41】本発明の第9実施形態に係る半導体記憶装置
のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
FIG. 41 is a schematic sectional view of a memory cell of a semiconductor memory device according to a ninth embodiment in the order of (a)-(c) steps.

【図42】本発明の第10実施形態に係る半導体記憶装
置のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
FIG. 42 is a schematic sectional view of the memory cell of the semiconductor memory device according to the tenth embodiment in the order of (a)-(c) steps.

【図43】第10実施形態における図42の続きの工程
(d)−(f)を示す断面図。
FIG. 43 is a sectional view showing steps (d) to (f) subsequent to FIG. 42 in the tenth embodiment;

【図44】本発明の第11実施形態に係る半導体記憶装
置のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
FIG. 44 is a schematic sectional view of a memory cell of a semiconductor memory device according to an eleventh embodiment in the order of (a)-(c) steps.

【図45】第11実施形態における図44の続きの工程
(d)(e)を示す断面図。
FIG. 45 is a sectional view showing steps (d) and (e) subsequent to FIG. 44 in the eleventh embodiment;

【図46】本発明の第12実施形態に係る半導体記憶装
置のメモリセルの工程(a)(b)順模式断面図。
FIG. 46 is a schematic cross-sectional view showing steps (a) and (b) of a memory cell of a semiconductor memory device according to a twelfth embodiment of the present invention.

【図47】第12実施形態における図46の続きの工程
(d)(e)を示す断面図。
FIG. 47 is a sectional view showing steps (d) and (e) subsequent to FIG. 46 in the twelfth embodiment;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

M0〜CMN 記憶用キャパシタ CREF 参照用キャパシタ QREAD 読み出し用トランジスタ QM0〜QMN 選択用MOSトランジスタ Q 制御用トランジスタ Q ブロック選択トランジスタC M0 -C MN memory capacitor C REF reference capacitor Q READ read transistor Q M0 to Q MN selecting MOS transistor Q C control transistor Q S block selection transistor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/8247 29/788 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01L 21/8247 29/788 29/792

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1の電極と、この第1の電極に対向して
配置された第2の電極と、前記第1および第2の電極に
挟まれる強誘電体薄膜と、を少なくとも備える記憶用キ
ャパシタと、 前記第1の電極に接続された第3の電極と、この第3の
電極に対向して配置された第4の電極と、前記第3およ
び第4の電極に挟まれる誘電体薄膜と、を少なくとも備
える参照用キャパシタと、 前記第1および第3の電極に接続されたゲート電極を有
する読み出し用トランジスタと、 前記記憶用キャパシタの前記第1の電極,前記参照用キ
ャパシタの前記第3の電極,前記読み出し用トランジス
タの前記ゲート電極の3つの接続点であるストレージノ
ードの電位を調整するために設けられた制御用トランジ
スタと、 を少なくとも備えるメモリセルを、複数個マトリックス
状に配置したことを特徴とする半導体記憶装置。
1. A memory comprising at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. A capacitor, a third electrode connected to the first electrode, a fourth electrode arranged opposite to the third electrode, and a dielectric sandwiched between the third and fourth electrodes. A reference capacitor comprising at least a thin film; a read transistor having a gate electrode connected to the first and third electrodes; a first electrode of the storage capacitor; And a control transistor provided to adjust the potential of a storage node, which is a connection point of the three electrodes and the gate electrode of the read transistor. A semiconductor memory device characterized by being arranged in a matrix.
【請求項2】前記制御用トランジスタは、前記記憶用キ
ャパシタの前記第1の電極と前記第2の電極との間に接
続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体
記憶装置。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein said control transistor is connected between said first electrode and said second electrode of said storage capacitor.
【請求項3】前記制御用トランジスタは、前記参照用キ
ャパシタの前記第3の電極と前記第4の電極との間に接
続されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体
記憶装置。
3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein said control transistor is connected between said third electrode and said fourth electrode of said reference capacitor.
【請求項4】前記制御用トランジスタは、前記参照用キ
ャパシタの前記第3の電極と前記第4の電極との間に接
続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体
記憶装置。
4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein said control transistor is connected between said third electrode and said fourth electrode of said reference capacitor.
【請求項5】前記参照用キャパシタに読み出し電圧に相
当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む
電荷量が、前記記憶用キャパシタに読み出し電圧に相当
する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電
荷量の、1/4以上4倍以内であることを特徴とする請
求項1に記載の半導体記憶装置。
5. A charge amount including a domain-inverted component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the reference capacitor is obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the storage capacitor. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charge amount is not less than 1/4 and not more than 4 times the charge amount including the polarization inversion component.
【請求項6】第1の電極,この第1の電極に対向して配
置された第2の電極,これら第1および第2の電極に挟
まれた強誘電体膜膜を少なくとも具備する記憶用キャパ
シタと、これら第1および第2の電極間に接続された制
御用トランジスタとからなる記憶セルが複数個直列接続
された記憶セル列と、 この記憶セル列の端部に位置する前記記憶用キャパシタ
の第1の電極に電気的に結合された第3の電極,この第
3の電極に対向して配置された第4の電極,これら第3
および第4の電極に挟まれた誘電体薄膜を少なくとも具
備する参照用キャパシタと、 前記第1および第3の電極に電気的に結合されたゲート
電極を有する読み出し用トランジスタと、 を少なくとも備えるメモリセルブロックを、複数個マト
リックス状に配置したことを特徴とする半導体記憶装
置。
6. A storage device including at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric film sandwiched between the first and second electrodes. A storage cell array in which a plurality of storage cells each including a capacitor and a control transistor connected between the first and second electrodes are connected in series; and the storage capacitor located at an end of the storage cell array A third electrode electrically coupled to the first electrode, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode,
And a readout transistor having a gate electrode electrically coupled to the first and third electrodes; and a memory cell having at least a readout transistor having a gate electrode electrically coupled to the first and third electrodes. A semiconductor memory device comprising a plurality of blocks arranged in a matrix.
【請求項7】前記記憶セル列の前記第1の電極と前記第
2の電極との間に接続された制御用トランジスタを第1
の制御用トランジスタとし、 前記参照用キャパシタの前記第3の電極と前記第4の電
極との間に第2の制御用トランジスタが設けられている
ことを特徴とする請求項6に記載の半導体記憶装置。
7. A control transistor connected between the first electrode and the second electrode of the memory cell column is a first transistor.
7. The semiconductor memory according to claim 6, wherein a second control transistor is provided between the third electrode and the fourth electrode of the reference capacitor. 8. apparatus.
【請求項8】前記参照用キャパシタに読み出し電圧に相
当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む
電荷量が、前記記憶用キャパシタに読み出し電圧に相当
する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電
荷量の、1/4以上4倍以内であることを特徴とする請
求項6に記載の半導体記憶装置。
8. An electric charge including a domain-inverted component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the reference capacitor is obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the storage capacitor. 7. The semiconductor memory device according to claim 6, wherein the charge amount is not less than 1/4 and not more than 4 times the electric charge including the polarization inversion component.
【請求項9】前記参照用キャパシタの誘電体薄膜が常誘
電体薄膜であることを特徴とする請求項6に記載の半導
体記憶装置。
9. The semiconductor memory device according to claim 6, wherein the dielectric thin film of the reference capacitor is a paraelectric thin film.
【請求項10】前記参照用キャパシタの誘電体薄膜が強
誘電体薄膜であることを特徴とする請求項6に記載の半
導体記憶装置。
10. The semiconductor memory device according to claim 6, wherein the dielectric thin film of the reference capacitor is a ferroelectric thin film.
【請求項11】直列接続された複数の選択用MOSトラ
ンジスタと、これら選択用MOSトランジスタの共通主
電極毎に接続された蓄積電極と対向したプレート電極に
挟まれた誘電体膜からなる記憶用キャパシタと、よりな
るNAND型記憶セル列と、 前記記憶セル列の端部に位置する選択用トランジスタの
主電極に電気的に結合された参照用キャパシタと、 前記選択用MOSトランジスタの主電極と前記参照用キ
ャパシタの電極の接続部に電気的に結合されたゲート電
極を有する読み出し用トランジスタと、 を少なくとも備えるメモリセルブロックを、複数個マト
リックス状に配置したことを特徴とする半導体記憶装
置。
11. A storage capacitor comprising a plurality of selection MOS transistors connected in series, and a dielectric film sandwiched between plate electrodes facing storage electrodes connected to respective common main electrodes of the selection MOS transistors. And a reference capacitor electrically coupled to a main electrode of a selection transistor located at an end of the storage cell column; and a main electrode of the selection MOS transistor and the reference. A read-out transistor having a gate electrode electrically coupled to a connection portion of an electrode of a storage capacitor; and a plurality of memory cell blocks including at least a read-out transistor arranged in a matrix.
【請求項12】前記選択用MOSトランジスタの主電
極,前記参照用キャパシタの一方の電極,前記読み出し
用トランジスタのゲート電極の3つの接続点であるスト
レージノードの電位を<背資するための制御用トランジ
スタをさらに備えることを特徴とする請求項11に記載
の半導体記憶装置。
12. A control transistor for supporting a potential of a storage node, which is a connection point between a main electrode of the selection MOS transistor, one electrode of the reference capacitor, and a gate electrode of the read transistor. The semiconductor memory device according to claim 11, further comprising:
【請求項13】前記参照用キャパシタに読み出し電圧に
相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含
む電荷量が、前記記憶用キャパシタの読み出し電圧に相
当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む
電荷量の1/4以上4倍以内であることを特徴とする請
求項11に記載の半導体記憶装置。
13. A charge amount including a domain-inverted component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the reference capacitor is obtained when a voltage corresponding to a read voltage of the storage capacitor is applied. 12. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the charge amount is not less than 1/4 and not more than 4 times the electric charge including the polarization inversion component.
【請求項14】前記記憶用キャパシタの誘電体膜が強誘
電体膜であることを特徴とする請求項11に記載の半導
体記憶装置。
14. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the dielectric film of said storage capacitor is a ferroelectric film.
【請求項15】記憶用キャパシタの誘電体膜が常誘電体
膜であり、動作電圧範囲内における記憶用キャパシタの
最大容量値が最小容量値の2倍以上である非線形キャパ
シタであることを特徴とする請求項11に記載の半導体
記憶装置
15. The storage capacitor according to claim 1, wherein the dielectric film of the storage capacitor is a paraelectric film, and the storage capacitor has a non-linear capacitor having a maximum capacitance of at least twice the minimum capacitance within an operating voltage range. 12. The semiconductor memory device according to claim 11,
【請求項16】前記参照用キャパシタの誘電体膜が強誘
電体膜であることを特徴とする請求項11に記載の半導
体記憶装置。
16. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the dielectric film of said reference capacitor is a ferroelectric film.
【請求項17】前記参照用キャパシタの誘電体膜が常誘
電体膜であることを特徴とする請求項11に記載の半導
体記憶装置。
17. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the dielectric film of said reference capacitor is a paraelectric film.
【請求項18】前記参照用キャパシタに読み出し電圧に
相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含
む電荷量が、前記記憶用キャパシタに読み出し電圧に相
当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む
電荷量の、1/4以上4倍以内であることを特徴とする
請求項11に記載の半導体記憶装置。
18. An electric charge including a domain-inverted component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the reference capacitor is obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the storage capacitor. 12. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the charge amount is not less than 1/4 and not more than 4 times the charge amount including the polarization inversion component.
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