JP2000340760A - Nonvolatile semiconductor memory and drive method therefor - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory and drive method therefor

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JP2000340760A
JP2000340760A JP15185799A JP15185799A JP2000340760A JP 2000340760 A JP2000340760 A JP 2000340760A JP 15185799 A JP15185799 A JP 15185799A JP 15185799 A JP15185799 A JP 15185799A JP 2000340760 A JP2000340760 A JP 2000340760A
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thin film
gate
ferroelectric
memory
semiconductor
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Kenji Katori
健二 香取
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Sony Corp
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B51/00Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory transistors
    • H10B51/20Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory transistors characterised by the three-dimensional arrangements, e.g. with cells on different height levels

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  • Semiconductor Memories (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an NAND type nonvolatile semiconductor memory of high integration, high-speed, and low power consumption and moreover having little disturbance. SOLUTION: A memory cell comprises a ferroelectric gate type dual-gate thin-film transistor, wherein a thin transistor is provided on both surfaces of a ferroelectric thin film 1, a plurality of the memory cells are connected in series to constitute a memory block, and a plurality of memory blocks are arranged to form a memory cell array. Related to the ferroelectrics gate type dual-gate thin-film transistor on one surface of the ferroelectric thin film 1, gate electrodes Wu2-Wu5 are provided via a gate insulating film 2, semiconductor thin-film 3, and a gate insulating film 4, and on the other surface, gate electrodes Wd1-Wd5 are provided via a gate insulating film 5, semiconductor thin film 6, and a gate insulating film 7.

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】この発明は、強誘電体を用い
た不揮発性半導体メモリおよびその駆動方法に関する。
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory using a ferroelectric and a method of driving the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体メモリは、強誘電体薄膜の高速
な分極反転とその残留分極とを利用する高速書き換えが
可能な不揮発性メモリである。この強誘電体メモリに
は、強誘電体キャパシタを用いるタイプ(FeRAM
型)と強誘電体をトランジスタのゲート部分に接続する
タイプ(強誘電体ゲート型)とがある。このうち、強誘
電体ゲート型は、セル面積および非破壊読み出しの点で
優れている。この強誘電体ゲート型不揮発性メモリとし
ては、MFS(Metal-Ferroelectrics-Semiconductor)
型、MFIS(Metal-Ferroelectrics-Insulator-Semic
onductor) 型およびMFMIS(Metal-Ferroelectrics
-Metal-Insulator-Semiconductor) 型が知られている。
2. Description of the Related Art A ferroelectric memory is a non-volatile memory capable of high-speed rewriting utilizing high-speed polarization reversal of a ferroelectric thin film and its residual polarization. This ferroelectric memory is of a type using a ferroelectric capacitor (FeRAM).
Type) and a type (ferroelectric gate type) in which a ferroelectric is connected to the gate portion of a transistor. Among them, the ferroelectric gate type is excellent in terms of cell area and nondestructive readout. As this ferroelectric gate type nonvolatile memory, MFS (Metal-Ferroelectrics-Semiconductor)
Type, MFIS (Metal-Ferroelectrics-Insulator-Semic
onductor) type and MFMIS (Metal-Ferroelectrics)
-Metal-Insulator-Semiconductor) type is known.

【0003】強誘電体ゲート型不揮発性メモリには上述
のようにセル面積および非破壊読み出しの点で優れてい
るという利点があるが、強誘電体の分極反転の際に、1
トランジスタ型では単純マトリックス駆動となるため、
選択されたメモリセルの強誘電体を分極させる際に非選
択メモリセルセルの強誘電体まで影響を受けてしまうデ
ィスターブの問題がある。すなわち、図10は1トラン
ジスタ型の強誘電体ゲート型不揮発性メモリのメモリセ
ルアレイの一部を示す。MC11´、MC12´、MC
21´、MC22´は強誘電体ゲート型トランジスタに
より構成されたメモリセル、B1a´、B1b´、B2
a´、B2b´はビット線、W1´、W2´はワード線
を示す。この例では、単純マトリックス書き込みとなる
ため、強誘電体ゲート型トランジスタのゲートには−V
w /3(ただし、Vw は強誘電体の分極反転に必要な電
圧)のディスターブ電圧が、他のメモリセルに書き込み
を行う毎に印加される。この場合には、フローティング
ゲートに電荷を注入するフラッシュメモリと比較して低
電圧、短時間でデータを書き込むことができるが、この
ことが逆にディスターブに弱い原因となる。さらに、デ
ィスターブ電圧を−Vw /3に抑えるため、非選択メモ
リセルのトランジスタも導通させてチャネルを形成する
必要がある。このため、強誘電体によるしきい値電圧の
変動幅にも大きな制限を生じることから、強誘電体に要
求される特性の幅が狭い。また、メモリセルのトランジ
スタ毎にソース領域およびドレイン領域への配線接続が
必要となるため、NAND型に比較してセル面積が増大
すると同時に、強誘電体の微細加工が必要となり、強誘
電体特性が劣化するとともに、SBTなどの反応性イオ
ンエッチング(RIE)のようなドライエッチングが困
難な強誘電体材料の使用が困難となる。
As described above, the ferroelectric gate type nonvolatile memory has the advantage of being excellent in cell area and non-destructive readout.
Since the transistor type is driven by a simple matrix,
When the ferroelectric of the selected memory cell is polarized, there is a problem of disturbance that the ferroelectric of the non-selected memory cell is affected. That is, FIG. 10 shows a part of a memory cell array of a one-transistor ferroelectric gate nonvolatile memory. MC11 ', MC12', MC
21 ′, MC22 ′ are memory cells composed of ferroelectric gate type transistors, B1a ′, B1b ′, B2
a 'and B2b' indicate bit lines, and W1 'and W2' indicate word lines. In this example, since simple matrix writing is performed, -V is applied to the gate of the ferroelectric gate type transistor.
w / 3 (however, V w voltage required for polarization inversion of the ferroelectric) disturb voltage is applied to every write to other memory cells. In this case, data can be written at a lower voltage and in a shorter time as compared with a flash memory in which electric charges are injected into a floating gate, but this causes a weakness in disturb. Furthermore, in order to suppress the disturb voltage -V w / 3, it is necessary to transistors of non-selected memory cell is also made conductive to form a channel. For this reason, the fluctuation width of the threshold voltage due to the ferroelectric material is greatly restricted, and the range of characteristics required for the ferroelectric material is narrow. Further, since wiring connection to the source region and the drain region is required for each transistor of the memory cell, the cell area is increased as compared with the NAND type, and at the same time, fine processing of the ferroelectric is required, and the ferroelectric characteristics are increased. And it becomes difficult to use a ferroelectric material which is difficult to dry-etch such as reactive ion etching (RIE) such as SBT.

【0004】上述のディスターブの問題は、メモリセル
に選択トランジスタを追加することにより解決すること
ができるが、この場合には、セル面積が大きくなってし
まうため、高集積化が難しくなるという問題が新たに生
じる。
The above-mentioned disturb problem can be solved by adding a selection transistor to the memory cell. However, in this case, the cell area becomes large, so that high integration becomes difficult. Newly arise.

【0005】一方、不揮発性メモリとしてはフラッシュ
メモリが知られている。フラッシュメモリでは、フロー
ティングゲートに対して電子の注入および引き出しを行
うことで、情報記憶を行っている。このフラッシュメモ
リでは、強誘電体の分極反転に比較して、電子の注入は
より大きな電圧を必要とし、また時間もかかるが、この
ことが逆にディスターブの問題を低減している。このフ
ラッシュメモリでは、セル面積が小さく、高集積化が可
能な方式として複数個のトランジスタを直列に配置した
NAND型が開発されている。
On the other hand, a flash memory is known as a nonvolatile memory. In a flash memory, information is stored by injecting and extracting electrons from and to a floating gate. In this flash memory, the injection of electrons requires a larger voltage and takes longer time than the polarization inversion of the ferroelectric, but this reduces the disturb problem. In this flash memory, a NAND type in which a plurality of transistors are arranged in series has been developed as a method in which a cell area is small and high integration is possible.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】強誘電体ゲート型不揮
発性メモリは、基本構造がフラッシュメモリと似ている
ため、NAND型を採用した場合にはセル面積が小さく
なることが期待されるが、上述のようにディスターブの
問題があり、分極を反転させずにトランジスタをオン/
オフさせることが困難であること、またゲート電圧印加
およびトランジスタのしきい値電圧の変動方向がフラッ
シュメモリとは逆であるため、これまで強誘電体ゲート
型不揮発性メモリにおいてNAND型のセル配置は困難
であった。
Since the basic structure of a ferroelectric gate type nonvolatile memory is similar to that of a flash memory, the cell area is expected to be small when a NAND type is adopted. As described above, there is a problem of disturbance, and the transistor is turned on / off without inverting the polarization.
Since it is difficult to turn off the gate voltage and the fluctuation direction of the gate voltage and the threshold voltage of the transistor is opposite to that of the flash memory, the NAND type cell arrangement in the ferroelectric gate type nonvolatile memory has been It was difficult.

【0007】特開平5−136377号公報および特開
平5−136378号公報にはNAND型不揮発性半導
体メモリが提案されているが、これらのNAND型不揮
発性半導体メモリは構造が極めて複雑で実現が困難と考
えられる。
Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-136377 and 5-136378 propose NAND-type nonvolatile semiconductor memories. However, these NAND-type nonvolatile semiconductor memories have extremely complicated structures and are difficult to realize. it is conceivable that.

【0008】したがって、この発明の目的は、高集積、
高速、低消費電力でしかもディスターブの少ないNAN
D型不揮発性半導体メモリを実現することができる不揮
発性半導体メモリおよびその駆動方法を提供することに
ある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly integrated
NAN with high speed, low power consumption and little disturbance
An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory capable of realizing a D-type nonvolatile semiconductor memory and a driving method thereof.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の第1の発明による不揮発性半導体メモリ
は、強誘電体薄膜の両面に設けられた薄膜トランジスタ
によりメモリセルが構成され、このメモリセルが複数個
直列接続されてメモリブロックが構成され、このメモリ
ブロックが複数個配置されてメモリセルアレイが構成さ
れていることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a nonvolatile semiconductor memory according to a first aspect of the present invention comprises a memory cell comprising thin film transistors provided on both sides of a ferroelectric thin film. A plurality of memory cells are connected in series to form a memory block, and a plurality of memory blocks are arranged to form a memory cell array.

【0010】この発明の第1の発明において、典型的に
は、メモリセルが複数個直列接続されるとともに、この
直列接続部の少なくとも一端に選択トランジスタが接続
されてメモリブロックが構成される。メモリブロックを
構成するメモリセルの数は基本的には任意であり、メモ
リセルの数が多いほど高集積となるが、メモリセルのト
ランジスタを電流が流れるパスが長くなり、電圧降下が
生じるため、不揮発性半導体メモリの用途などに応じて
最適な数に選ばれる。また、メモリブロックの一端は、
典型的には、選択トランジスタを介して、ビット線に接
続される。
In the first aspect of the present invention, typically, a plurality of memory cells are connected in series, and a select transistor is connected to at least one end of the series connection to form a memory block. The number of memory cells that constitute a memory block is basically arbitrary, and the higher the number of memory cells, the higher the integration.However, the path through which current flows through the transistors of the memory cells becomes longer, and a voltage drop occurs. The optimal number is selected according to the use of the nonvolatile semiconductor memory. Also, one end of the memory block
Typically, it is connected to a bit line via a selection transistor.

【0011】この発明の第1の発明において、典型的に
は、強誘電体薄膜の一方の面上に第1のゲート絶縁膜、
第1の半導体薄膜および第2のゲート絶縁膜を介して第
1のゲート電極が設けられ、第1のゲート電極の両側の
部分における第1の半導体薄膜にソース領域またはドレ
イン領域を構成する第1の半導体領域が設けられている
とともに、強誘電体薄膜の他方の面上に第3のゲート絶
縁膜、第2の半導体薄膜および第4のゲート絶縁膜を介
して第2のゲート電極が設けられ、第2のゲート電極の
両側の部分における第2の半導体薄膜にソース領域また
はドレイン領域を構成する第2の半導体領域が設けられ
ており、第1の半導体薄膜に設けられた第1の半導体領
域、第1のゲート電極および第1のゲート電極と対向す
る部分の強誘電体薄膜によりメモリセルを構成する第1
の強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジスタが
構成されているとともに、第2の半導体薄膜に設けられ
た第2の半導体領域、第2のゲート電極および第2のゲ
ート電極と対向する部分の強誘電体薄膜によりメモリセ
ルを構成する第2の強誘電体ゲート型デュアルゲート薄
膜トランジスタが構成されている。ここで、強誘電体薄
膜は少なくとも複数個のメモリセル、典型的にはメモリ
セルアレイの全体にわたって連続膜状に設けられる。
In the first aspect of the present invention, typically, a first gate insulating film is provided on one surface of the ferroelectric thin film.
A first gate electrode is provided via a first semiconductor thin film and a second gate insulating film, and a first semiconductor film forming a source region or a drain region in the first semiconductor thin film on both sides of the first gate electrode is provided. And a second gate electrode is provided on the other surface of the ferroelectric thin film via a third gate insulating film, a second semiconductor thin film and a fourth gate insulating film. A second semiconductor region forming a source region or a drain region is provided in the second semiconductor thin film on both sides of the second gate electrode, and the first semiconductor region provided in the first semiconductor thin film is provided. A first gate electrode and a first ferroelectric thin film in a portion facing the first gate electrode, the first ferroelectric thin film constituting a memory cell;
Of the ferroelectric gate type dual-gate thin film transistor, and the second semiconductor region provided in the second semiconductor thin film, the second gate electrode, and the portion of the ferroelectric material facing the second gate electrode A second ferroelectric gate type dual gate thin film transistor that forms a memory cell by the thin film is formed. Here, the ferroelectric thin film is provided in a continuous film shape over at least a plurality of memory cells, typically the entire memory cell array.

【0012】集積度の向上を図る観点からは、上記のよ
うなこの発明の第1の発明による不揮発性半導体メモリ
をそれらの第1のゲート電極または第2のゲート電極を
共用して積層することにより、積層型の超高集積不揮発
性半導体メモリを構成することができる。
From the viewpoint of improving the degree of integration, the nonvolatile semiconductor memory according to the first aspect of the present invention as described above is stacked by sharing the first gate electrode or the second gate electrode. Accordingly, a stacked ultra-high integration nonvolatile semiconductor memory can be configured.

【0013】また、この発明の第2の発明は、強誘電体
薄膜の一方の面上に第1のゲート絶縁膜、第1の半導体
薄膜および第2のゲート絶縁膜を介して第1のゲート電
極が設けられ、第1のゲート電極の両側の部分における
第1の半導体薄膜にソース領域またはドレイン領域を構
成する第1の半導体領域が設けられているとともに、強
誘電体薄膜の他方の面上に第3のゲート絶縁膜、第2の
半導体薄膜および第4のゲート絶縁膜を介して第2のゲ
ート電極が設けられ、第2のゲート電極の両側の部分に
おける第2の半導体薄膜にソース領域またはドレイン領
域を構成する第2の半導体領域が設けられ、第1の半導
体薄膜に設けられた第1の半導体領域、第1のゲート電
極および第1のゲート電極と対向する部分の強誘電体薄
膜により第1のメモリセルを構成する第1の強誘電体ゲ
ート型デュアルゲート薄膜トランジスタが構成されてい
るとともに、第2の半導体薄膜に設けられた第2の半導
体領域、第2のゲート電極および第2のゲート電極と対
向する部分の強誘電体薄膜により第2のメモリセルを構
成する第2の強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トラ
ンジスタが構成され、第1のメモリセルが複数個直列接
続されて第1のメモリブロックが構成されるとともに、
第2のメモリセルが複数個直列接続されて第2のメモリ
ブロックが構成され、第1のメモリブロックおよび第2
のメモリブロックが複数個配置されてメモリセルアレイ
が構成されている不揮発性半導体メモリの駆動方法であ
って、書き込み時には、ビット線に接続された選択トラ
ンジスタによって選択された第1のメモリブロックの直
列接続された第1のメモリセルを構成する第1の強誘電
体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジスタを第1のゲ
ート電極によって導通させ、第2のメモリブロックと選
択されたワード線との交点にある第2のメモリセルを構
成する第2の強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トラ
ンジスタのゲート部分に接続された強誘電体の分極を反
転させることによりデータを書き込み、読み出し時に
は、ビット線に接続された選択トランジスタによって選
択された第1のメモリブロックの選択されたメモリセル
以外のメモリセルを構成する第1の強誘電体ゲート型デ
ュアルゲート薄膜トランジスタを第1のゲート電極によ
り導通させ、そのときのビット線電流の値から、選択さ
れたメモリセルを構成する第1の強誘電体ゲート型デュ
アルゲート薄膜トランジスタのゲート部分に接続された
強誘電体の分極方向を読み取ることによりデータを読み
だすことを特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, a first gate insulating film, a first semiconductor thin film and a second gate insulating film are provided on one surface of a ferroelectric thin film via a first gate insulating film. An electrode is provided, a first semiconductor thin film constituting a source region or a drain region is provided in the first semiconductor thin film on both sides of the first gate electrode, and the first semiconductor thin film is formed on the other surface of the ferroelectric thin film. Is provided with a third gate insulating film, a second semiconductor thin film, and a fourth gate insulating film via a second gate electrode, and a source region is formed in the second semiconductor thin film on both sides of the second gate electrode. Alternatively, a second semiconductor region constituting a drain region is provided, and the first semiconductor region provided on the first semiconductor thin film, the first gate electrode, and a portion of the ferroelectric thin film opposed to the first gate electrode The first menu A first ferroelectric gate dual-gate thin film transistor forming a recell is formed, and is opposed to a second semiconductor region, a second gate electrode, and a second gate electrode provided in a second semiconductor thin film. A second ferroelectric gate type dual-gate thin film transistor forming a second memory cell is formed by the ferroelectric thin film of the portion to be formed, and a plurality of first memory cells are connected in series to form a first memory block. As well as
A plurality of second memory cells are connected in series to form a second memory block, and the first memory block and the second
Is a method of driving a nonvolatile semiconductor memory in which a memory cell array is configured by arranging a plurality of memory blocks, and when writing, serially connecting first memory blocks selected by a selection transistor connected to a bit line. The first ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting the first memory cell is made conductive by the first gate electrode, and the second ferroelectric gate type dual gate thin film transistor at the intersection of the second memory block and the selected word line is turned on. Data is written by inverting the polarization of the ferroelectric connected to the gate portion of the second ferroelectric gate dual gate thin film transistor constituting the memory cell, and at the time of reading, data is selected by the select transistor connected to the bit line. Memory cells other than the selected memory cells of the first memory block The first ferroelectric gate dual gate thin film transistor to be formed is made conductive by the first gate electrode, and the first ferroelectric gate dual transistor constituting the selected memory cell is determined from the value of the bit line current at that time. The data is read by reading the polarization direction of the ferroelectric connected to the gate portion of the gate thin film transistor.

【0014】なお、特開平7−161854号公報、特
開平8−335645号公報、特開平7−183401
号公報には、半導体薄膜の両面にゲート電極を設置し、
これらのゲート電極の少なくとも一方が強誘電体と接続
された強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジス
タが提案されているが、これらはNAND型不揮発性メ
モリへの応用を目的としたものではない。また、特開平
10−12887号公報には、デュアルゲートトランジ
スタのバイアス印加のために強誘電体を用いた例が記載
されているが、この強誘電体は記憶保持のためではな
く、バイアス印加のためであるので、この発明とは基本
的に異なるものである。
Incidentally, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 7-161854, Hei 8-335645, Hei 7-183401
In the publication, gate electrodes are installed on both sides of the semiconductor thin film,
Ferroelectric gate type dual gate thin film transistors in which at least one of these gate electrodes is connected to a ferroelectric have been proposed, but they are not intended for application to a NAND type nonvolatile memory. Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-12887 discloses an example in which a ferroelectric substance is used for applying a bias to a dual gate transistor. However, this ferroelectric substance is not used for holding data but for applying a bias. This is basically different from the present invention.

【0015】上述のように構成されたこの発明において
は、強誘電体薄膜の両面に設けられた薄膜トランジス
タ、すなわち強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トラ
ンジスタによりメモリセルが構成されているので、強誘
電体薄膜の一方の面上の強誘電体ゲート型デュアルゲー
ト薄膜トランジスタのゲート電極に印加するゲート電圧
を変化させることにより、強誘電体の分極方向を変化さ
せずに、強誘電体薄膜の他方の面上の強誘電体ゲート型
デュアルゲート薄膜トランジスタをオン/オフさせるこ
とが可能となる。このため、ディスターブを抑えなが
ら、メモリセルのNAND型配列が可能となる。このN
AND型配列では、メモリセル一つずつにおいてソース
領域/ドレイン領域に対する配線コンタクトをとる必要
がないため、配線のスペースが不要となり、セル面積の
低減を図ることができる。また、強誘電体の分極反転は
高速である上、分極反転に必要な電圧は、フラッシュメ
モリにおけるフローティングゲートへの電子の注入に必
要な電圧に比べてかなり低い。
In the present invention constructed as described above, the thin film transistor provided on both sides of the ferroelectric thin film, that is, the memory cell is constituted by the ferroelectric gate type dual gate thin film transistor. By changing the gate voltage applied to the gate electrode of the ferroelectric gate type dual gate thin film transistor on one surface of the ferroelectric thin film, the ferroelectric thin film on the other surface is not changed without changing the polarization direction. The ferroelectric gate type dual gate thin film transistor can be turned on / off. Therefore, it is possible to arrange the memory cells in a NAND type while suppressing disturbance. This N
In the AND type array, since it is not necessary to make a wiring contact with the source region / drain region for each memory cell, a wiring space is not required, and the cell area can be reduced. Further, the polarization inversion of the ferroelectric is fast, and the voltage required for the polarization inversion is considerably lower than the voltage required for injecting electrons into the floating gate in the flash memory.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding portions are denoted by the same reference numerals.

【0017】図1は、この発明の第1の実施形態による
NAND型不揮発性半導体メモリのメモリセルアレイの
回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a memory cell array of a NAND type nonvolatile semiconductor memory according to a first embodiment of the present invention.

【0018】この第1の実施形態によるNAND型不揮
発性半導体メモリにおいては、強誘電体ゲートを構成す
る強誘電体薄膜の両面に設けられた強誘電体ゲート型デ
ュアルゲート薄膜トランジスタにより構成されたメモリ
セルがn個直列接続されてそれぞれメモリブロックが構
成され、この強誘電体薄膜の両面に設けられた一対のメ
モリブロックが複数個配置されてメモリセルアレイが構
成されている。
In the NAND type nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment, a memory cell constituted by a ferroelectric gate type dual gate thin film transistor provided on both sides of a ferroelectric thin film constituting a ferroelectric gate Are connected in series to form memory blocks, and a plurality of memory blocks provided on both sides of the ferroelectric thin film are arranged to form a memory cell array.

【0019】すなわち、図1に示すように、強誘電体薄
膜の一方の面上にn個のメモリセルMCui(ただし、
i=1〜n)が直列接続されてメモリブロックが構成さ
れ、強誘電体薄膜の他方の面上にn個のメモリセルMC
di(ただし、i=1〜n)が直列接続されてメモリブ
ロックが構成されている。強誘電体薄膜の一方の面上の
メモリブロックの一端は選択トランジスタSTu1を介
してソース線(図示せず)と接続され、他端は選択トラ
ンジスタSTu2を介してビット線Buと接続されてい
る。また、強誘電体薄膜の他方の面上のメモリブロック
の一端は選択トランジスタSTd1を介してソース線と
接続され、他端は選択トランジスタSTd2を介してビ
ット線Bdと接続されている。ここで、選択トランジス
タSTu1、STu2、STd1、STd2は、強誘電
体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジスタではなく、
通常の単一のゲート電極を有する薄膜トランジスタによ
り構成されている。
That is, as shown in FIG. 1, n memory cells MCui (however,
i = 1 to n) are connected in series to form a memory block, and n memory cells MC on the other surface of the ferroelectric thin film
di (where i = 1 to n) are connected in series to form a memory block. One end of the memory block on one surface of the ferroelectric thin film is connected to a source line (not shown) via a selection transistor STu1, and the other end is connected to a bit line Bu via a selection transistor STu2. One end of the memory block on the other surface of the ferroelectric thin film is connected to a source line via a selection transistor STd1, and the other end is connected to a bit line Bd via a selection transistor STd2. Here, the select transistors STu1, STu2, STd1, STd2 are not ferroelectric gate type dual gate thin film transistors,
It is composed of a normal thin film transistor having a single gate electrode.

【0020】強誘電体薄膜の一方の面上の全てのメモリ
ブロックの対応する段のメモリセルを構成する強誘電体
ゲート型デュアルゲート薄膜トランジスタのゲート電極
は、ワード線Wuiにより構成されている。同様に、強
誘電体薄膜の他方の面上の全てのメモリブロックの対応
する段のメモリセルを構成する強誘電体ゲート型デュア
ルゲート薄膜トランジスタのゲート電極は、ワード線W
diにより構成されている。また、強誘電体薄膜の一方
の面上の全てのメモリブロックの選択トランジスタST
u1、STu2のゲート電極はそれぞれ選択線WSu
1、WSu2により構成され、同様に、強誘電体薄膜の
他方の面上の全てのメモリブロックの選択トランジスタ
STd1、STd2のゲート電極はそれぞれ選択線WS
d1、WSd2により構成されている。
The gate electrode of the ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting the memory cell at the corresponding stage of all the memory blocks on one surface of the ferroelectric thin film is constituted by a word line Wui. Similarly, the gate electrode of the ferroelectric gate type dual-gate thin film transistor forming the memory cell at the corresponding stage of all the memory blocks on the other surface of the ferroelectric thin film is connected to the word line W
di. Also, the selection transistors ST of all the memory blocks on one surface of the ferroelectric thin film
The gate electrodes of u1 and STu2 are connected to select line WSu, respectively.
1 and WSu2. Similarly, the gate electrodes of the select transistors STd1 and STd2 of all the memory blocks on the other surface of the ferroelectric thin film are respectively connected to select lines WS
d1 and WSd2.

【0021】次に、この第1の実施形態によるNAND
型不揮発性半導体メモリの具体的な構造例について説明
する。
Next, the NAND according to the first embodiment will be described.
A specific example of the structure of the nonvolatile semiconductor memory will be described.

【0022】図2はメモリセルアレイの一部を示す平面
図、図3は図2のIII−III線に沿っての断面図、
図4は図2のIV−IV線に沿っての断面図、図5は図
2のV−V線に沿っての断面図である。
FIG. 2 is a plan view showing a part of the memory cell array, FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 2, and FIG. 5 is a sectional view taken along the line VV of FIG.

【0023】図2、図3、図4および図5に示すよう
に、強誘電体薄膜1の一方の面上にゲート絶縁膜2、半
導体薄膜3およびゲート絶縁膜4を介してワード線Wu
iが互いに平行に延在して設けられ、強誘電体薄膜1の
他方の面上にゲート絶縁膜5、半導体薄膜6およびゲー
ト絶縁膜7を介してワード線Wdiがワード線Wuiと
平行にかつ互いに平行に延在して設けられている。隣接
するワード線Wuiの間の部分の半導体薄膜3には、メ
モリセルMCuiを構成する強誘電体ゲート型デュアル
ゲート薄膜トランジスタのソース領域/ドレイン領域を
構成するn+ 型領域8が設けられている。このn+ 型領
域8以外の部分の半導体薄膜3はp型である。また、隣
接するワード線Wdiの間の部分の半導体薄膜6には、
メモリセルMCdiを構成する強誘電体ゲート型デュア
ルゲート薄膜トランジスタのソース領域/ドレイン領域
を構成するn+ 型領域9が設けられている。このn+
領域9以外の部分の半導体薄膜6はp型である。ここ
で、メモリセルMCuiを構成する強誘電体ゲート型デ
ュアルゲート薄膜トランジスタのチャネル領域とn+
領域9とが互いに対応した位置に設けられ、メモリセル
MCdiを構成する強誘電体ゲート型デュアルゲート薄
膜トランジスタのチャネル領域とn+ 型領域8とが互い
に対応した位置に設けられている。
As shown in FIGS. 2, 3, 4 and 5, a word line Wu is formed on one surface of a ferroelectric thin film 1 via a gate insulating film 2, a semiconductor thin film 3 and a gate insulating film 4.
i are provided extending in parallel with each other, and the word line Wdi is formed on the other surface of the ferroelectric thin film 1 in parallel with the word line Wui via the gate insulating film 5, the semiconductor thin film 6, and the gate insulating film 7. They are provided so as to extend in parallel with each other. The semiconductor thin film 3 in the portion between the adjacent word lines Wui is provided with an n + -type region 8 constituting a source region / drain region of a ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting the memory cell MCui. The semiconductor thin film 3 other than the n + -type region 8 is p-type. Further, the semiconductor thin film 6 in a portion between the adjacent word lines Wdi includes:
An n + -type region 9 is provided which constitutes a source region / drain region of a ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting a memory cell MCdi. The portion of the semiconductor thin film 6 other than the n + -type region 9 is p-type. Here, the channel region and the n + -type region 9 of the ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting the memory cell MCii are provided at positions corresponding to each other, and the ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting the memory cell MCdi Channel region and n + type region 8 are provided at positions corresponding to each other.

【0024】強誘電体薄膜1は、例えばSBT、PZT
などの強誘電体からなる。ゲート絶縁膜2、4、5、7
は、例えばSiO2 、SiN、CeO2 、Al2 3
Ta2 5 などの絶縁体からなる。半導体薄膜3、6
は、例えば多結晶Si薄膜である。ワード線Wui、W
diは、例えば多結晶Si、Ta、Wなどからなる。選
択線WSu1、WSu2、WSd1、WSd2も同様に
例えば多結晶Si、Ta、Wなどからなる。
The ferroelectric thin film 1 is made of, for example, SBT, PZT
And other ferroelectric materials. Gate insulating films 2, 4, 5, 7
Is, for example, SiO 2 , SiN, CeO 2 , Al 2 O 3 ,
It is made of an insulator such as Ta 2 O 5 . Semiconductor thin films 3, 6
Is, for example, a polycrystalline Si thin film. Word lines Wui, W
di is made of, for example, polycrystalline Si, Ta, W, or the like. Similarly, the selection lines WSu1, WSu2, WSd1, WSd2 are also made of, for example, polycrystalline Si, Ta, W, or the like.

【0025】この第1の実施形態によるNAND型不揮
発性半導体メモリの一例では、ゲート絶縁膜2、4、
5、7は膜厚が10nmのCeO2 膜からなり、強誘電
体薄膜1は膜厚が60nmのSBT膜からなる。このS
BTは、抗電界Ec が6×104 V/cm、残留分極P
r が7μC/cm2 、比誘電率が200である。また、
強誘電体抗電圧Vc は0.36V、強誘電体反転電圧2
c は0.72V、セル反転電圧は2.5Vである。強
誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジスタのしき
い値電圧Vthの変動幅は±2.4Vである。
In one example of the NAND type nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment, the gate insulating films 2, 4,.
Reference numerals 5 and 7 are made of a CeO 2 film having a thickness of 10 nm, and the ferroelectric thin film 1 is made of an SBT film having a thickness of 60 nm. This S
BT has a coercive electric field E c of 6 × 10 4 V / cm and a remanent polarization P
r is 7 μC / cm 2 and the relative dielectric constant is 200. Also,
Ferroelectric anti voltage V c is 0.36V, ferroelectric inversion voltage 2
The V c 0.72V, the cell reversal voltage is 2.5V. The variation width of the threshold voltage Vth of the ferroelectric gate type dual gate thin film transistor is ± 2.4 V.

【0026】次に、上述のように構成されたこの第1の
実施形態によるNAND型不揮発性半導体メモリの製造
方法の一例を図3に示す断面図に相当する断面図である
図6および図7を参照して説明する。
Next, an example of a method of manufacturing the NAND-type nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment having the above-described structure is a cross-sectional view corresponding to the cross-sectional view shown in FIG. 3 and FIGS. This will be described with reference to FIG.

【0027】まず、図6Aに示すように、支持基板10
上に多結晶Si、Ta、Wなどを成膜した後、この膜を
エッチングにより所定形状にパターニングしてワード線
Wdiを形成する。
First, as shown in FIG.
After polycrystalline Si, Ta, W, or the like is formed thereon, the film is patterned into a predetermined shape by etching to form a word line Wdi.

【0028】次に、図6Bに示すように、ワード線Wd
i間の凹部を平坦化膜11で埋め込み、表面を平坦化す
る。
Next, as shown in FIG. 6B, the word line Wd
The concave portion between i is buried with the flattening film 11 to flatten the surface.

【0029】次に、図6Cに示すように、このようにし
て平坦化された表面にSiO2 、SiN、CeO2 、A
2 3 、Ta2 5 などからなるゲート絶縁膜7およ
び半導体薄膜6を順次成膜する。
Next, as shown in FIG. 6C, SiO 2 , SiN, CeO 2 , A
A gate insulating film 7 and a semiconductor thin film 6 made of l 2 O 3 , Ta 2 O 5 or the like are sequentially formed.

【0030】次に、図7Aに示すように、半導体薄膜6
にn型不純物を例えばレジストパターン(図示せず)を
マスクとして選択的にイオン注入し、n+ 型領域9を形
成する。
Next, as shown in FIG.
Then, an n-type impurity is selectively implanted using, for example, a resist pattern (not shown) as a mask to form an n + -type region 9.

【0031】次に、図7Bに示すように、半導体薄膜6
上にゲート絶縁膜5、強誘電体薄膜1、ゲート絶縁膜
2、半導体薄膜3およびゲート絶縁膜4を順次成膜した
後、ゲート絶縁膜4上にワード線Wdiと同様にしてワ
ード線Wuiを形成する。
Next, as shown in FIG.
After a gate insulating film 5, a ferroelectric thin film 1, a gate insulating film 2, a semiconductor thin film 3, and a gate insulating film 4 are sequentially formed thereon, a word line Wui is formed on the gate insulating film 4 in the same manner as the word line Wdi. Form.

【0032】この後、支持基板10および平坦化膜11
を除去する。これによって、図2、図3、図4および図
5に示すように、目的とするNAND型不揮発性半導体
メモリが製造される。
Thereafter, the supporting substrate 10 and the planarizing film 11
Is removed. Thereby, as shown in FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, and FIG. 5, the intended NAND nonvolatile semiconductor memory is manufactured.

【0033】次に、この第1の実施形態によるNAND
型不揮発性半導体メモリの消去、書き込みおよび読み出
しを行う方法について説明する。
Next, the NAND according to the first embodiment will be described.
A method for erasing, writing, and reading a nonvolatile semiconductor memory will be described.

【0034】まず、消去については、後述のように書き
込みはトランジスタからの電圧を用いたアクティブ書き
込みであるため、特別の消去過程は必要なく、重ね書き
が可能である。
First, as for erasing, as described later, writing is active writing using a voltage from a transistor, so that a special erasing process is not required and overwriting can be performed.

【0035】書き込みは、メモリブロック内の1番目の
ワード線からn番目のワード線まで順に行う。例えば、
ワード線Wu1からワード線Wunまで順に行う。ま
た、同じワード線に接続されたメモリセルであっても独
立に書き込みを行うことが可能である。強誘電体の分極
反転に必要な電圧をVw (例えば、2.5V)とする。
ここで、図8に示すように、強誘電体の分極方向がメモ
リセルを構成する強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜
トランジスタのしきい値電圧を増加させる方向である状
態をデータ「0」とし、しきい値電圧を減少させる方向
にある状態をデータ「1」とする。
Writing is performed in order from the first word line to the n-th word line in the memory block. For example,
The processing is performed in order from the word line Wu1 to the word line Wun. In addition, writing can be performed independently even for memory cells connected to the same word line. The voltage required for the polarization reversal of the ferroelectric is V w (for example, 2.5 V).
Here, as shown in FIG. 8, a state where the polarization direction of the ferroelectric is a direction in which the threshold voltage of the ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting the memory cell is increased is defined as data “0”. A state in which the threshold voltage is reduced is defined as data “1”.

【0036】一例として、メモリセルMCu1にデータ
「1」を書き込む場合を考える。この場合、選択線WS
u1にしきい値電圧以上の電圧を印加して選択トランジ
スタSTu1をオンとするとともに、選択線WSd1は
0Vとして選択トランジスタSTd1をオフとする。一
方、ワード線Wd1〜Wdnには全てメモリセルMCd
i(i=1〜n)を構成するトランジスタをオンとする
ために必要な電圧VthE(図8参照)を印加する。そし
て、選択線WSd2にしきい値電圧以上の電圧を印加し
て選択トランジスタSTd2をオンとすることにより、
ビット線BdにVw を印加する。これによって、メモリ
セルMCu1では、このメモリセルMCu1を構成する
トランジスタのチャネル領域に対応する位置にあるn+
型領域9にVw が印加されることにより強誘電体の分極
反転が生じ、トランジスタのしきい値電圧が下がってデ
ータ「1」が書き込まれる。メモリセルMCu1にデー
タ「0」を書き込む場合には、ビット線Buに−Vw
印加する。このようにしてメモリセルMCu1に任意の
データを書き込むことができる。
As an example, consider the case where data "1" is written to memory cell MCu1. In this case, the selection line WS
A voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to u1 to turn on the select transistor STu1, and the select line WSd1 is set to 0 V to turn off the select transistor STd1. On the other hand, all the memory cells MCd are connected to the word lines Wd1 to Wdn.
A voltage V th E (see FIG. 8) necessary to turn on a transistor constituting i (i = 1 to n) is applied. Then, by applying a voltage higher than the threshold voltage to the selection line WSd2 to turn on the selection transistor STd2,
Applying a V w to the bit line Bd. Thereby, in memory cell MCu1, n + at a position corresponding to the channel region of the transistor constituting memory cell MCu1
When Vw is applied to the mold region 9, polarization inversion of the ferroelectric occurs, and the threshold voltage of the transistor is lowered, so that data "1" is written. When writing data “0” to the memory cell MCu1, −V w is applied to the bit line Bu. Thus, arbitrary data can be written to the memory cell MCu1.

【0037】次に、メモリセルMCd1にデータ「1」
を書き込む場合を考える。この場合は、選択線WSu1
を0Vとして選択トランジスタSTu1をオフとすると
ともに、選択線WSd1にしきい値電圧以上の電圧を印
加して選択トランジスタSTd1をオンとする。一方、
ワード線Wu2〜Wunには全てメモリセルMCui
(i=2〜n)を構成するトランジスタをオンとするた
めに必要な電圧VthEを印加する。このとき、先に書き
込みを行ったワード線Wu1上のメモリセルMCu1に
は反転電圧を印加しないようにするため、ワード線Wu
1に−Vthを印加してメモリセルMCu1を構成するト
ランジスタをオフとする。そして、選択線WSu2にし
きい値電圧以上の電圧を印加して選択トランジスタST
u2をオンとすることにより、ビット線BuにVw を印
加する。これによって、メモリセルMCd1では、この
メモリセルMCd1を構成するトランジスタのチャネル
領域に対応する位置にあるn+ 型領域8にVw が印加さ
れることにより強誘電体の分極反転が生じ、トランジス
タのしきい値電圧が下がってデータ「1」が書き込まれ
る。メモリセルMCd1にデータ「0」を書き込む場合
には、ビット線Buに−Vw を印加する。このようにし
てメモリセルMCd1に任意のデータを書き込むことが
できる。
Next, data "1" is stored in the memory cell MCd1.
Consider writing. In this case, the selection line WSu1
To 0V to turn off the selection transistor STu1, and apply a voltage higher than the threshold voltage to the selection line WSd1 to turn on the selection transistor STd1. on the other hand,
All the memory cells MCui are connected to the word lines Wu2 to Wun.
A voltage V th E required to turn on a transistor constituting (i = 2 to n) is applied. At this time, the word line Wu1 is applied to prevent the inversion voltage from being applied to the memory cell MCu1 on the previously written word line Wu1.
By applying a -V th to 1 to turn off the transistor constituting the memory cell MCU 1. Then, a voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the selection line WSu2 to select the selection transistor ST.
By turning on the u2, applying a V w to the bit line Bu. Thus, in the memory cell MCD1, polarization inversion of the ferroelectric by V w is applied to the channel region to the n + -type region 8 at the corresponding position of the transistor occurs constituting the memory cell MCD1, transistor The threshold voltage drops, and data “1” is written. When writing data "0" into the memory cell MCd1 applies a -V w to the bit line Bu. Thus, arbitrary data can be written to the memory cell MCd1.

【0038】以下同様にしてビット線単位に先に書き込
みを行ったトランジスタをオフとしてデータが変わらな
いようにしながらワード線Wun、Wdnまで順に書き
込みを行う。
In the same manner, writing is performed sequentially to the word lines Wun and Wdn while turning off the transistor which has been previously written for each bit line so that the data does not change.

【0039】以上のようにして書き込みを行うことによ
り、ランダム書き込みはできないが、ディスターブの少
ない書き込みを行うことが可能となる。
By performing writing as described above, random writing cannot be performed, but writing with less disturbance can be performed.

【0040】他のブロックに書き込みを行う場合には選
択トランジスタSTu2、STd2をオフとして、ディ
スターブを完全に防止する。
When writing to another block, the selection transistors STu2 and STd2 are turned off to completely prevent disturbance.

【0041】読み出しは次のようにして行う。例えば、
ビット線Buと接続されたメモリブロックのメモリセル
のデータを読み出す場合には、選択線WSu1、WSu
2にしきい値電圧以上の電圧を印加して選択トランジス
タSTu1、STu2をオンとする。例えば、メモリセ
ルMCu1のデータを読み出す場合には、ワード線Wu
2〜WunにVthEを印加してメモリセルMCu2〜M
Cunを構成するトランジスタをオンとする。そして、
ビット線Buに所定の読み出し電圧を印加し、ソース−
ドレイン間の電流、すなわちビット線Buに流れる電流
を調べる。電流が流れる場合はメモリセルMCu1のデ
ータは「1」であり、電流が流れない場合はメモリセル
MCu1のデータは「0」である。次に、メモリセルM
Cdnのデータを読み出す場合には、ワード線Wd1、
Wd3〜Wdn−1にVthEを印加してメモリセルMC
d1、MCd3〜MCdn−1を構成するトランジスタ
をオンとする。そして、ビット線Bdに所定の読み出し
電圧を印加し、ソース−ドレイン間の電流、すなわちビ
ット線Bdに流れる電流を調べる。電流が流れる場合は
メモリセルMCdnのデータは「1」であり、電流が流
れない場合はメモリセルMCdnのデータは「0」であ
る。
Reading is performed as follows. For example,
When reading data from the memory cells of the memory block connected to the bit line Bu, the selection lines WSu1 and WSu
2, a voltage higher than the threshold voltage is applied to turn on the selection transistors STu1 and STu2. For example, when reading data from the memory cell MCu1, the word line Wu
Vth E is applied to memory cells MCu2-Mun
The transistors constituting Cun are turned on. And
A predetermined read voltage is applied to the bit line Bu, and the source-
The current between the drains, that is, the current flowing through the bit line Bu is examined. When the current flows, the data of the memory cell MCu1 is “1”. When the current does not flow, the data of the memory cell MCu1 is “0”. Next, the memory cell M
When reading the data of Cdn, the word lines Wd1,
The memory cell MC by applying a V th E to Wd3~Wdn-1
d1, the transistors constituting MCd3 to MCdn-1 are turned on. Then, a predetermined read voltage is applied to the bit line Bd, and a current between the source and the drain, that is, a current flowing through the bit line Bd is checked. When a current flows, the data of the memory cell MCdn is “1”, and when no current flows, the data of the memory cell MCdn is “0”.

【0042】以下同様にしてそれぞれのメモリセルのデ
ータを読み出すことができる。このように、読み出し時
にはランダムアクセスが可能である。
Thereafter, data of each memory cell can be read out in the same manner. Thus, random access is possible at the time of reading.

【0043】以上のように、この第1の実施形態によれ
ば、強誘電体薄膜1の両面に設けられた強誘電体ゲート
型デュアルゲート薄膜トランジスタによりメモリセルを
構成し、このメモリセルを複数個直列接続してメモリブ
ロックを構成し、このメモリブロックを複数個配置して
いることにより、高集積、高速、低消費電力でしかも、
強誘電体ゲート型メモリの欠点とされたディスターブの
問題が少ないNAND型不揮発性半導体メモリを実現す
ることができる。また、強誘電体薄膜3をメモリセル毎
に微細加工する必要がないので、NAND型不揮発性半
導体メモリの製造も容易である。次に、この発明の第2
の実施形態によるNAND型不揮発性半導体メモリにつ
いて説明する。図9はこのNAND型不揮発性半導体メ
モリを示す断面図で、図3に相当する断面図である。
As described above, according to the first embodiment, a memory cell is constituted by the ferroelectric gate type dual gate thin film transistors provided on both sides of the ferroelectric thin film 1, and a plurality of the memory cells are provided. A memory block is configured by connecting in series, and by arranging a plurality of memory blocks, high integration, high speed, low power consumption, and
It is possible to realize a NAND type nonvolatile semiconductor memory which has less disturbance problem which is a drawback of the ferroelectric gate type memory. Further, since it is not necessary to finely process the ferroelectric thin film 3 for each memory cell, it is easy to manufacture a NAND nonvolatile semiconductor memory. Next, the second embodiment of the present invention
A NAND-type nonvolatile semiconductor memory according to the embodiment will be described. FIG. 9 is a sectional view showing this NAND type nonvolatile semiconductor memory, and is a sectional view corresponding to FIG.

【0044】図9に示すように、この第2の実施形態に
よるNAND型不揮発性半導体メモリは、第1の実施形
態によるNAND型不揮発性半導体メモリを3層積層す
ることにより構成されている。より具体的には、この第
2の実施形態によるNAND型不揮発性半導体メモリ
は、図3に示すNAND型不揮発性半導体メモリ(第1
層目)上に上下を逆さまにして同様なNAND型不揮発
性半導体メモリ(第2層目)を積層し、その上に第1層
目のNAND型不揮発性半導体メモリと上下を同じくし
て同じNAND型不揮発性半導体メモリ(第3層目の)
を積層したものである。各層間には層間絶縁膜は不要で
ある。第1層目のNAND型不揮発性半導体メモリと第
2層目のNAND型不揮発性半導体メモリとでワード線
Wuiが共用されている。また、第2層目のNAND型
不揮発性半導体メモリと第3層目のNAND型不揮発性
半導体メモリとでワード線Wdiが共用されている。
As shown in FIG. 9, the NAND nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment is configured by stacking three layers of the NAND nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment. More specifically, the NAND nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment is the same as the NAND nonvolatile semiconductor memory shown in FIG.
A similar NAND-type nonvolatile semiconductor memory (second layer) is stacked upside down on the (layer), and the same NAND-type nonvolatile semiconductor memory as the first-layer NAND nonvolatile semiconductor memory is stacked on top of it. -Type nonvolatile semiconductor memory (third layer)
Are laminated. No interlayer insulating film is required between each layer. The word line Wui is shared between the first-layer NAND nonvolatile semiconductor memory and the second-layer NAND nonvolatile semiconductor memory. The word line Wdi is shared by the second-layer NAND nonvolatile semiconductor memory and the third-layer NAND nonvolatile semiconductor memory.

【0045】この第2の実施形態によれば、第1の実施
形態と同様な利点を得ることができるほか、積層化によ
り、集積度の飛躍的な向上を図ることができるという利
点をも得ることができる。
According to the second embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and further, there is an advantage that the degree of integration can be greatly improved by stacking. be able to.

【0046】以上、この発明の実施形態について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical concept of the present invention are possible.

【0047】例えば、上述の実施形態で挙げた数値、構
造、形状、材料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎ
ず、必要に応じて、これと異なる数値、構造、形状、材
料、プロセスなどを用いることが可能である。
For example, the numerical values, structures, shapes, materials, processes, and the like described in the above embodiments are merely examples, and different numerical values, structures, shapes, materials, processes, and the like may be used as necessary. Is possible.

【0048】また、上述の実施形態で説明したNAND
型不揮発性半導体メモリの製造方法は一例に過ぎず、こ
れと異なる製造方法を用いてもよい。
Further, the NAND described in the above embodiment
The method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory is only an example, and a different manufacturing method may be used.

【0049】また、上述の第2の実施形態においては、
第1の実施形態によるNAND型不揮発性半導体メモリ
を3層積層しているが、積層数は基本的に任意であり、
2層あるいは4層以上とすることが可能である。
Further, in the above-described second embodiment,
Although the NAND type nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment is stacked in three layers, the number of stacked layers is basically arbitrary.
It is possible to have two or four or more layers.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、強誘電体薄膜の両面に設けられた薄膜トランジスタ
によりメモリセルが構成され、このメモリセルが複数個
直列接続されてメモリブロックが構成され、このメモリ
ブロックが複数個配置されてメモリセルアレイが構成さ
れていることにより、高集積、高速、低消費電力でしか
もディスターブが少ないNAND型不揮発性半導体メモ
リを実現することができる。
As described above, according to the present invention, a memory cell is constituted by thin film transistors provided on both sides of a ferroelectric thin film, and a plurality of memory cells are connected in series to constitute a memory block. Since a memory cell array is configured by arranging a plurality of memory blocks, a NAND nonvolatile semiconductor memory with high integration, high speed, low power consumption, and low disturbance can be realized.

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

【図1】この発明の第1の実施形態によるNAND型不
揮発性半導体メモリを示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a NAND nonvolatile semiconductor memory according to a first embodiment of the present invention;

【図2】この発明の第1の実施形態によるNAND型不
揮発性半導体メモリのメモリセルアレイの一部の構造例
を示す平面図である。
FIG. 2 is a plan view showing a partial structural example of a memory cell array of the NAND nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention;

【図3】図2のIII−III線に沿っての断面図であ
る。
FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 2;

【図4】図2のIV−IV線に沿っての断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 2;

【図5】図2のV−V線に沿っての断面図である。FIG. 5 is a sectional view taken along the line VV in FIG. 2;

【図6】この発明の第1の実施形態によるNAND型不
揮発性半導体メモリの製造方法の一例を説明するための
断面図である。
FIG. 6 is a sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the NAND nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention;

【図7】この発明の第1の実施形態によるNAND型不
揮発性半導体メモリの製造方法の一例を説明するための
断面図である。
FIG. 7 is a sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the NAND-type nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention;

【図8】この発明の第1の実施形態によるNAND型不
揮発性半導体メモリのメモリセルを構成する強誘電体型
デュアルゲート薄膜トランジスタのゲート電圧−ドレイ
ン電流特性を示す略線図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing gate voltage-drain current characteristics of a ferroelectric dual gate thin film transistor constituting a memory cell of the NAND nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention;

【図9】この発明の第2の実施形態によるNAND型不
揮発性半導体メモリを示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing a NAND-type nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention;

【図10】1トランジスタ型の強誘電体ゲート型不揮発
性メモリを示す回路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram showing a one-transistor ferroelectric gate nonvolatile memory.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

MCu1〜MCun、MCd1〜MCdn・・・メモリ
セル、STu1、STu2、STd1、STd2・・・
選択トランジスタ、Wu1〜Wun、Wd1〜Wdn・
・・ワード線、WSu1、WSu2、WSd1、WSd
2・・・選択線、Bu、Bd・・・ビット線、1・・・
強誘電体薄膜、2、4、5、7・・・ゲート絶縁膜、
3、6・・・半導体薄膜、8、9・・・n+ 型領域
MCu1-MCun, MCd1-MCdn... Memory cells, STu1, STu2, STd1, STd2.
Select transistors, Wu1-Wun, Wd1-Wdn.
..Word lines, WSu1, WSu2, WSd1, and WSd
2 ... Selection line, Bu, Bd ... Bit line, 1 ...
Ferroelectric thin film, 2, 4, 5, 7,... Gate insulating film,
3,6 ... semiconductor thin film, 8,9 ··· n + -type region

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/788 H01L 29/78 371 29/792 Fターム(参考) 5B025 AA07 AC01 AD03 AE00 AE05 AE06 AE08 5F001 AA17 AB02 AB20 AD12 AD41 AD51 AD52 AD53 AD70 AE02 AE08 AF10 5F083 EP22 EP28 EP33 EP34 EP49 EP76 FR06 FR10 GA01 GA05 GA09 GA11 GA30 HA02 JA01 JA02 JA03 JA06 JA14 JA15 JA17 JA19 JA39 KA01 LA16──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01L 29/788 H01L 29/78 371 29/792 F term (Reference) 5B025 AA07 AC01 AD03 AE00 AE05 AE06 AE08 5F001 AA17 AB02 AB20 AD12 AD41 AD51 AD52 AD53 AD70 AE02 AE08 AF10 5F083 EP22 EP28 EP33 EP34 EP49 EP76 FR06 FR10 GA01 GA05 GA09 GA11 GA30 HA02 JA01 JA02 JA03 JA06 JA14 JA15 JA17 JA19 JA39 KA01 LA16

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 強誘電体薄膜の両面に設けられた薄膜ト
ランジスタによりメモリセルが構成され、このメモリセ
ルが複数個直列接続されてメモリブロックが構成され、
このメモリブロックが複数個配置されてメモリセルアレ
イが構成されていることを特徴とする不揮発性半導体メ
モリ。
1. A memory cell is constituted by thin film transistors provided on both sides of a ferroelectric thin film, and a plurality of memory cells are connected in series to constitute a memory block.
A nonvolatile semiconductor memory comprising a plurality of memory blocks arranged to form a memory cell array.
【請求項2】 上記メモリセルが複数個直列接続される
とともに、この直列接続部の一端に選択トランジスタが
接続されてメモリブロックが構成されていることを特徴
とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ。
2. The non-volatile semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the memory cells are connected in series, and a selection transistor is connected to one end of the series connection to form a memory block. memory.
【請求項3】 上記メモリブロックの一端はビット線に
接続されていることを特徴とする請求項1記載の不揮発
性半導体メモリ。
3. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein one end of said memory block is connected to a bit line.
【請求項4】 上記強誘電体薄膜の一方の面上に第1の
ゲート絶縁膜、第1の半導体薄膜および第2のゲート絶
縁膜を介して第1のゲート電極が設けられ、上記第1の
ゲート電極の両側の部分における上記第1の半導体薄膜
にソース領域またはドレイン領域を構成する第1の半導
体領域が設けられているとともに、上記強誘電体薄膜の
他方の面上に第3のゲート絶縁膜、第2の半導体薄膜お
よび第4のゲート絶縁膜を介して第2のゲート電極が設
けられ、上記第2のゲート電極の両側の部分における上
記第2の半導体薄膜にソース領域またはドレイン領域を
構成する第2の半導体領域が設けられており、 上記第1の半導体薄膜に設けられた上記第1の半導体領
域、上記第1のゲート電極および上記第1のゲート電極
と対向する部分の上記強誘電体薄膜により上記メモリセ
ルを構成する第1の強誘電体ゲート型デュアルゲート薄
膜トランジスタが構成されているとともに、上記第2の
半導体薄膜に設けられた上記第2の半導体領域、上記第
2のゲート電極および上記第2のゲート電極と対向する
部分の上記強誘電体薄膜により上記メモリセルを構成す
る第2の強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジ
スタが構成されていることを特徴とする請求項1記載の
不揮発性半導体メモリ。
4. A first gate electrode is provided on one surface of the ferroelectric thin film via a first gate insulating film, a first semiconductor thin film, and a second gate insulating film. A first semiconductor region constituting a source region or a drain region is provided in the first semiconductor thin film on both sides of the gate electrode of the first embodiment, and a third gate is provided on the other surface of the ferroelectric thin film. A second gate electrode is provided via an insulating film, a second semiconductor thin film, and a fourth gate insulating film, and a source region or a drain region is provided in the second semiconductor thin film on both sides of the second gate electrode. And a first semiconductor region provided in the first semiconductor thin film, the first gate electrode, and a portion of the portion facing the first gate electrode. Forcing A first ferroelectric gate type dual-gate thin film transistor constituting the memory cell by the body thin film, the second semiconductor region provided on the second semiconductor thin film, and the second gate electrode The second ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting the memory cell is constituted by a portion of the ferroelectric thin film opposed to the second gate electrode. Non-volatile semiconductor memory.
【請求項5】 複数の上記不揮発性半導体メモリをそれ
らの上記第1のゲート電極または上記第2のゲート電極
を共用して積層することにより構成されていることを特
徴とする請求項4記載の不揮発性半導体メモリ。
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein said plurality of nonvolatile semiconductor memories are laminated by sharing said first gate electrode or said second gate electrode. Non-volatile semiconductor memory.
【請求項6】 上記薄膜トランジスタは多結晶Si薄膜
を用いた薄膜トランジスタであることを特徴とする請求
項1記載の不揮発性半導体メモリ。
6. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein said thin film transistor is a thin film transistor using a polycrystalline Si thin film.
【請求項7】 強誘電体薄膜の一方の面上に第1のゲー
ト絶縁膜、第1の半導体薄膜および第2のゲート絶縁膜
を介して第1のゲート電極が設けられ、上記第1のゲー
ト電極の両側の部分における上記第1の半導体薄膜にソ
ース領域またはドレイン領域を構成する第1の半導体領
域が設けられているとともに、上記強誘電体薄膜の他方
の面上に第3のゲート絶縁膜、第2の半導体薄膜および
第4のゲート絶縁膜を介して第2のゲート電極が設けら
れ、上記第2のゲート電極の両側の部分における上記第
2の半導体薄膜にソース領域またはドレイン領域を構成
する第2の半導体領域が設けられ、 上記第1の半導体薄膜に設けられた上記第1の半導体領
域、上記第1のゲート電極および上記第1のゲート電極
と対向する部分の上記強誘電体薄膜により第1のメモリ
セルを構成する第1の強誘電体ゲート型デュアルゲート
薄膜トランジスタが構成されているとともに、上記第2
の半導体薄膜に設けられた上記第2の半導体領域、上記
第2のゲート電極および上記第2のゲート電極と対向す
る部分の上記強誘電体薄膜により第2のメモリセルを構
成する第2の強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トラ
ンジスタが構成され、 上記第1のメモリセルが複数個直列接続されて第1のメ
モリブロックが構成されるとともに、上記第2のメモリ
セルが複数個直列接続されて第2のメモリブロックが構
成され、上記第1のメモリブロックおよび上記第2のメ
モリブロックが複数個配置されてメモリセルアレイが構
成されている不揮発性半導体メモリの駆動方法であっ
て、 書き込み時には、ビット線に接続された選択トランジス
タによって選択された上記第1のメモリブロックの直列
接続された上記第1のメモリセルを構成する上記第1の
強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジスタを上
記第1のゲート電極によって導通させ、上記第2のメモ
リブロックと選択されたワード線との交点にある上記第
2のメモリセルを構成する上記第2の強誘電体ゲート型
デュアルゲート薄膜トランジスタのゲート部分に接続さ
れた強誘電体の分極を反転させることによりデータを書
き込み、 読み出し時には、ビット線に接続された選択トランジス
タによって選択された第1のメモリブロックの選択され
たメモリセル以外のメモリセルを構成する上記第1の強
誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジスタを上記
第1のゲート電極により導通させ、そのときのビット線
電流の値から、選択された上記メモリセルを構成する上
記第1の強誘電体ゲート型デュアルゲート薄膜トランジ
スタのゲート部分に接続された強誘電体の分極方向を読
み取ることによりデータを読み出すことを特徴とする不
揮発性半導体メモリの駆動方法。
7. A first gate electrode is provided on one surface of a ferroelectric thin film via a first gate insulating film, a first semiconductor thin film, and a second gate insulating film. A first semiconductor region constituting a source region or a drain region is provided in the first semiconductor thin film on both sides of the gate electrode, and a third gate insulating film is provided on the other surface of the ferroelectric thin film. A second gate electrode is provided via a film, a second semiconductor thin film, and a fourth gate insulating film, and a source region or a drain region is formed in the second semiconductor thin film on both sides of the second gate electrode. A first semiconductor region provided on the first semiconductor thin film, a first gate electrode, and a portion of the ferroelectric which is opposed to the first gate electrode. Thin film Ri together with the first ferroelectric gate type dual gate thin film transistors forming the first memory cell is constituted, the second
The second semiconductor region, the second gate electrode, and the portion of the ferroelectric thin film facing the second gate electrode, the second ferroelectric thin film forming the second memory cell. A dielectric gate type dual gate thin film transistor is configured, a plurality of the first memory cells are connected in series to form a first memory block, and a plurality of the second memory cells are connected in series to form a second memory cell. And a plurality of the first memory blocks and the plurality of the second memory blocks are arranged to constitute a memory cell array. When configuring the first memory cells connected in series of the first memory block selected by the connected selection transistors The first ferroelectric gate type dual gate thin film transistor is turned on by the first gate electrode, and the second memory cell constituting the second memory cell at the intersection of the second memory block and the selected word line is formed. The first memory selected by the selection transistor connected to the bit line at the time of writing and reading data by inverting the polarization of the ferroelectric connected to the gate portion of the ferroelectric gate dual gate thin film transistor of No. 2 The first ferroelectric gate type dual-gate thin film transistor constituting a memory cell other than the memory cell selected in the block is made conductive by the first gate electrode, and the first ferroelectric gate dual gate thin film transistor is selected from the value of the bit line current at that time. The first ferroelectric gate type dual gate thin film transistor constituting the memory cell Method for driving the nonvolatile semiconductor memory characterized by reading data by reading the polarization direction of the connected ferroelectric gate portion of the data.
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