JP2001093286A - 強誘電体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents

強誘電体記憶装置及びその製造方法

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JP2001093286A JP26740499A JP26740499A JP2001093286A JP 2001093286 A JP2001093286 A JP 2001093286A JP 26740499 A JP26740499 A JP 26740499A JP 26740499 A JP26740499 A JP 26740499A JP 2001093286 A JP2001093286 A JP 2001093286A
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capacitor
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Junichi Yamada
淳一 山田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低い電源電圧でも動作可能な、許容される電
源電圧の範囲が広い強誘電体記憶装置を提供することを
目的とする。 【解決手段】 本発明の強誘電体記憶装置は、強誘電体
薄膜が第1の容量電極及び第2の容量電極で挟まれて成
る強誘電体キャパシタに所定の電圧を印加することで残
留分極を生じさせ、該残留分極によってデータを蓄積す
る強誘電体記憶装置であって、前記第1の容量電極と前
記第2の容量電極間に印加される、外部から所定の電圧
範囲で供給される外部電源電圧をその電圧範囲のうちの
最小電圧に降圧した降圧電圧が、前記強誘電体の分極が
十分に残留する範囲の最小値となるように前記強誘電体
薄膜が形成された構成である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性半導体記
憶装置に関し、特に強誘電体材料を用いた強誘電体記憶
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】強誘電体キャパシタは印加電圧と、それ
によって生じる正負電荷の変位である分極との間にヒス
テリシス特性を持つことが知られている。強誘電体キャ
パシタに所定の電圧を印加して十分に分極を起こさせた
後に印加電圧を0Vにしてもヒステリシス特性によって
分極が残留する。この性質を利用して不揮発性記憶装置
を構成することができる。
【0003】メモリセルの構成として、2つのセルトラ
ンジスタと2つの強誘電体キャパシタとからなる2トラ
ンジスタ−2キャパシタ型と、1つのセルトランジスタ
と1つの強誘電体キャパシタとからなる1トランジスタ
−1キャパシタ型とがある。2トランジスタ−2キャパ
シタ型メモリセルは、プロセスのバラツキの影響を受け
にくい等の利点を有する。一方、1トランジスタ−1キ
ャパシタ型メモリセルは、高集積化に適しているという
利点がある。
【0004】どちらも基本的な原理は同じであり、強誘
電体キャパシタに電圧を印加することにより、データの
読み出しおよび書き込みを行う。それには強誘電体キャ
パシタに残留した分極が反転し始める印加電圧、つまり
ヒステリシス曲線が分極ゼロの直線と交わる点における
電圧値である抗電圧よりも高い電圧を印加して反転した
分極が残留するようにする必要がある。
【0005】しかし、また、強誘電体キャパシタは分極
反転を繰り返すと、疲労やインプリントと呼ばれる劣化
を起こすことが知られている。この疲労やインプリント
は印加電圧が高いほど顕著に進行する。このような劣化
が進行すると、センスアンプに入力される信号電圧が低
下してしまい、読み出しや書き込みの正常な動作ができ
なくなってしまう。つまり、印加電圧が高いほど強誘電
体キャパシタの繰り返し動作可能な回数が低下してしま
う。
【0006】したがって、強誘電体記憶装置を構成する
上では、強誘電体キャパシタの分極反転が十分に可能
で、かつ劣化を最低限に抑えるような印加電圧とするこ
とが重要である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】これを実現する構成と
して、印加電圧を適当な値に制御する構成が考えられて
いる。具体的には、外部電源電圧を降圧回路によって降
圧して印加電圧を生成し、プレート線の駆動に用いる。
ワード線はトランジスタを動作させる必要があるので、
ワード線の駆動には、プレート線の駆動に用いた印加電
圧よりも高い電圧を用いる。このように構成することに
よって、読み出し、および書き込みが十分に行え、かつ
強誘電体キャパシタの劣化が少なく繰り返し動作が可能
な回数が多い強誘電体記憶装置を提供することができ
る。
【0008】強誘電体記憶装置は、構造的に不揮発の性
質を持っているEEPROMやフラッシュメモリよりも
低電圧動作が可能であるなどの特徴があるために、IC
カード用の不揮発性記憶装置としての応用が期待されて
いる。ICカードは、電源電圧範囲が非常に広いことが
要求され、例えば接触型ICカードでは5Vと3Vの両
方の電源電圧で動作することが必要であり、非接触型I
Cカードではさらに低い電源電圧での動作を要求され
る。
【0009】しかしながら、上記したような従来の強誘
電体記憶装置では、電源電圧を下げると強誘電体キャパ
シタに十分な電圧を印加できなくなる場合があり、強誘
電体キャパシタには十分な残留分極が起きなくなってし
まうという問題点があった。これは、電源電圧を大幅に
小さくすることを考慮していない構成が原因であった。
【0010】本発明は上記したような従来技術の有する
問題を解決するためになされたものであり、低い電源電
圧でも動作可能な、許容される電源電圧の範囲が広い強
誘電体記憶装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の強誘電体記憶装置は、強誘電体薄膜が第1の容
量電極及び第2の容量電極で挟まれて成る強誘電体キャ
パシタに所定の電圧を印加することで残留分極を生じさ
せ、該残留分極によってデータを蓄積する強誘電体記憶
装置であって、前記第1の容量電極と前記第2の容量電
極間に印加される、外部から所定の電圧範囲で供給され
る外部電源電圧を降圧した降圧電圧よりも、前記強誘電
体の抗電圧が小さくなるように前記強誘電体薄膜が形成
された構成である。
【0012】なお、前記第1の容量電極と前記第2の容
量電極間に印加される前記降圧電圧が、前記強誘電体の
分極が十分に残留する最小値となるように、強誘電体薄
膜が形成された構成としてもよい。
【0013】また、前記降圧電圧は、所定の一定電圧と
してもよい。
【0014】さらに、前記降圧電圧は、前記外部電源電
圧の所定の電圧範囲のうちの最小電圧としてもよい。
【0015】一方、本発明の強誘電体記憶装置の製造方
法は、強誘電体薄膜が第1の容量電極及び第2の容量電
極で挟まれて成る強誘電体キャパシタに所定の電圧を印
加することで残留分極を生じさせ、該残留分極によって
データを蓄積する強誘電体記憶装置の製造方法であっ
て、前記第1の容量電極と前記第2の容量電極間に印加
される、外部から所定の電圧範囲で供給される外部電源
電圧を降圧した降圧電圧よりも、前記強誘電体の抗電圧
が小さくなるように前記強誘電体薄膜を形成する強誘電
体記憶装置の製造方法である。
【0016】なお、前記第1の容量電極と前記第2の容
量電極間に印加される前記降圧電圧で、前記強誘電体の
分極が十分に残留するように、前記強誘電体薄膜を形成
してもよい。
【0017】したがって、外部電源電圧を変動範囲の最
小値に降圧した降圧電圧を強誘電体キャパシタへの印加
電圧とし、強誘電体キャパシタの抗電圧が、前記強誘電
体の分極が十分に残留する最小値となるように強誘電体
薄膜を構成することで、広い外部電源電圧範囲で動作可
能であり、また、データ蓄積に十分な分極が残留し、さ
らに、繰り返し動作による劣化の少ない強誘電体記憶装
置を実現できる。
【0018】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、
図面を参照して詳細に説明する。 (第1の実施の形態)図1は本発明の第1の実施の形態
の強誘電体記憶装置のメモリセルアレイ構成を示す概略
構成図である。第1の実施の形態の強誘電体記憶装置
は、メモリセルが2トランジスタ2キャパシタ型であ
る。
【0019】図2は第1の実施の形態の強誘電体記憶装
置の電圧供給構成を示すブロック図である。
【0020】図3は、印加電圧によってヒステリシス特
性が飽和しない強誘電体キャパシタのP(分極)−V
(印加電圧)曲線である。
【0021】図4は、印加電圧によってヒステリシス特
性が飽和する強誘電体キャパシタのP−V曲線である。
【0022】図1において、第1の実施の形態の強誘電
体記憶装置は、ビット線BL0、BL1と、データを蓄
積するメモリセルMC1〜MNnと、ワード線WL1の
電位を制御するワード線駆動回路WLDと、プレート線
PL1の電位を制御するプレート線駆動回路PLDとを
有する。図1では簡略化のため特に示していないが、こ
れらは縦横方向に繰り返し接続されメモリセルアレイを
構成する。
【0023】さらに、第1の実施の形態の強誘電体記憶
装置は、ビット線BL0、BL1をGNDレベルにプリ
チャージするプリチャージ回路PCと、ビット線BL
0、BL1の電位差を増幅するセンスアンプSAとを有
する構成である。
【0024】ビット線BL0、BL1は対を成してお
り、Y選択信号YSWに従って入出力線IO0、IO1
に対してデータの入出力を行う。BL0、BL1はそれ
ぞれ寄生容量CB0、CB1を持つ。
【0025】メモリセルMC1は、強誘電体膜を電極で
挟んだ構造を持つ強誘電体キャパシタFC11、FC1
2と、2つのセルトランジスタとを有する構成である。
強誘電体キャパシタFC11の一方の端子はプレート線
PL1に接続されており、他方の端子はセルトランジス
タTC11のソース端子に接続されている。強誘電体キ
ャパシタFC12の一方の端子はプレート線PL1に接
続されており、他方の端子はセルトランジスタTC12
のソース端子に接続されている。図1では特に示してい
ないが、MC2〜MCnはMC1と同様に構成されてい
る。
【0026】セルトランジスタTC11、TC12のゲ
ート端子はワード線WL1に接続されている。また、セ
ルトランジスタTC11のドレイン端子はビット線BL
0に接続されており、セルトランジスタTC12のドレ
イン端子はビット線BL1に接続されている。
【0027】ワード線駆動回路WLDは、2つのトラン
ジスタを有する構成であり、ワード線印加電圧制御信号
WLCにより制御されてVbootレベルまたはGND
レベルをワード線WL1に供給する。
【0028】プレート線駆動回路PLDは、2つのトラ
ンジスタを有する構成であり、プレート線印加電圧制御
信号PLCにより制御されてVintレベルまたはGN
Dレベルをプレート線PL1に供給する。
【0029】プリチャージ回路PCは、2つのトランジ
スタを有する構成であり、ビット線プリチャージ信号P
BLにより制御されてBL0、BL1を初期状態である
GNDレベルにプリチャージする。
【0030】センスアンプSAは、4つのトランジスタ
を有する構成であり、センスアンプ活性化信号SAPに
より制御されて活性化されると、ビット線BL0、BL
1のの電位差を増幅する。増幅された電位差は、Y選択
信号YSWにより制御されて入出力信号IO0、IO1
に出力される。
【0031】図2において、メモリセルアレイ103に
供給される電圧レベルは、降圧回路101と昇圧回路1
02により生成される構成である。
【0032】外部から供給される外部電源電圧Vdd
は、周辺回路104に供給されるとともに、降圧回路1
01によってVddの変動範囲の最小値である電圧Vi
ntに降圧される。
【0033】昇圧回路102は、電圧Vintをセルト
ランジスタTC11、TC12を動作させるのに必要な
昇圧電圧Vbootに昇圧する。
【0034】VintとVbootはメモリセルアレイ
103に供給される。
【0035】強誘電体キャパシタFC11、FC12
は、強誘電体膜を2つの電極で挟んだ構成である。印加
電圧Vintで、残留分極によってデータが蓄積できる
ようにP(分極)−V(印加電圧)ヒステリシス曲線が
十分に飽和し、かつ繰り返し動作による劣化が最低限と
なるように、強誘電体膜は所定の膜厚に形成されてい
る。一例として外部電源電圧Vddの変動範囲の最小
値、すなわち印加電圧Vintが3Vとすると、強誘電
体キャパシタFC11、FC12は図3に示すように、
抗電圧を印加電圧よりも小さくして、印加電圧が3Vで
P−Vヒステリシス曲線が十分に飽和するような膜厚に
構成されている。膜厚をそれよりも厚く構成した場合に
は、図4に示すように印加電圧が3Vで十分飽和せず、
残留分極によるデータの蓄積ができない。
【0036】図5は図1に示した強誘電体記憶装置の動
作の様子を示すタイミングチャートである。
【0037】第1の実施の形態の強誘電体記憶装置の読
み出し動作について説明する。
【0038】ここでは、信号の電圧変動において高電位
をHレベルと、低電位をLレベルと呼ぶことにする。外
部電源電圧Vddが変動しても、降圧回路101と昇圧
回路102とによって、電圧Vintと電圧Vboot
は一定に保たれているので、HレベルとLレベルは、常
に所定の電圧レベルである。
【0039】図5において、ビット線プリチャージ信号
PBLが、Hレベルの間にビット線BL0、BL1はL
レベルにプリチャージされている。ビット線プリチャー
ジ信号PBLがLレベルに遷移した後に、ワード線WL
1がLレベルからHレベルに遷移したことでメモリセル
MC1が選択される。次に、プレート線PL1がLレベ
ルからHレベルに遷移すると、強誘電体キャパシタFC
11、FC12の状態がビット線BL0、BL1にそれ
ぞれ読み出される。この状態では、ビット線BL0とビ
ット線BL1との電位差は小さい。続いて、センスアン
プ活性化信号SAPがLレベルからHレベルに遷移する
ことでセンスアンプSAが活性化され、ビット線BL0
とビット線BL1との電位差が増幅される。その後に、
Y選択信号YSWがLレベルからHレベルに遷移する
と、ビット線BL0、BL1の電位差が、データとして
入出力信号IO0、IO1の電位差として出力される。
【0040】その後に、プレート線PL1がLレベルに
遷移すると、ビット線BL0、BL1のレベルが強誘電
体キャパシタFC11、FC12にそれぞれ蓄積され、
元の分極の状態に戻る。続いて、ビット線プリチャージ
信号PBLがHレベルに遷移すると、ビット線BL0、
BL1はLレベルにディスチャージされる。最後に、ワ
ード線WL1がLレベルに遷移することで、メモリセル
MC1の選択が開放されて、読み出しサイクルが終了す
る。
【0041】書き込み動作は、Y選択信号YSWがHレ
ベルに遷移したときに、入出力信号IO0、IO1の状
態がビット線BL0、BL1にそれぞれ流れ込む。続い
て、プレート線PL1がLレベルに遷移したときに、ビ
ット線BL0、BL1に流れ込んだ状態が強誘電体キャ
パシタFC11、FC12に蓄積される。それ以外の動
作は読み出し動作と同様であるため、説明は省略する。
【0042】したがって、強誘電体キャパシタFC1
1、FC12への印加電圧Vintを外部電源電圧Vd
dの変動範囲の最小値とすることで、広い外部電源電圧
Vddの範囲で動作する可能となり、用途の広い強誘電
体記憶装置が実現できる。
【0043】また、強誘電体キャパシタFC11、FC
12の抗電圧が外部電源電圧Vddの最小値である印加
電圧Vintよりも小さくなるように強誘電体を構成す
ることで、印加電圧Vintでデータ蓄積に十分な残留
分極を得られ、安定した読み出しと書き込みが可能とな
る。 (第2の実施の形態)図6は第2の実施の形態の強誘電
体記憶装置のメモリセル構成を示す概略構成図である。
第2の実施の形態の強誘電体記憶装置は、メモリセルが
1トランジスタ1キャパシタ型である。
【0044】図6において、第2の実施の形態の強誘電
体記憶装置は、ビット線BL0、BL1と、ビット線B
L0、BL1のどちらか一方に交互に接続され、データ
を蓄積するメモリセルMC21〜MC2nと、ビット線
BL0、BL1の読み出し時に、読み出しデータが0か
1かを判断する基準とするための電圧であり、データが
0の場合と1の場合の中間値である参照電圧を、ビット
線BL1、BL0にそれぞれ供給する参照電圧発生回路
DMC1、DMC2と、ワード線WL1の電位を制御す
るワード線駆動回路WLDと、プレート線PL1の電位
を制御するプレート線駆動回路PLDとを有する。図6
では簡略化のため特に示していないが、これらは縦横方
向に繰り返し接続されメモリセルアレイを構成する。
【0045】さらに、第2の実施の形態の強誘電体記憶
装置は、ビット線BL0、BL1をGNDレベルにプリ
チャージするプリチャージ回路PCと、ビット線BL
0、BL1の電位差を増幅するセンスアンプSAとを有
する構成である。
【0046】ビット線BL0、BL1は対を成してお
り、Y選択信号YSWに従って入出力線IO0、IO1
に対してデータの入出力を行う。BL0、BL1はそれ
ぞれ寄生容量CB0、CB1を持つ。
【0047】メモリセルMC21は、強誘電体膜を電極
で挟んだ構造を持つ強誘電体キャパシタFC1と、セル
トランジスタTC1とを有する構成である。強誘電体キ
ャパシタFC1の一方の端子はプレート線PL1に接続
されており、他方の端子はセルトランジスタTC1のソ
ース端子に接続されている。
【0048】セルトランジスタTC1のゲート端子はワ
ード線WL1に接続されている。また、セルトランジス
タTC1のドレイン端子はビット線BL0に接続されて
いる。
【0049】ワード線駆動回路WLDと、プレート線駆
動回路PLDと、プリチャージ回路PCとセンスアンプ
SAは、第1の実施の形態と同様の構成である。
【0050】電圧供給の構成も第1の実施の形態と同様
であるため、説明は省略する。
【0051】強誘電体キャパシタFC1は、強誘電体膜
を2つの電極で挟んだ構成である。印加電圧Vintで
P−Vヒステリシス曲線が十分に飽和し、かつ繰り返し
動作による劣化が最低限となるように、強誘電体膜は所
定の膜厚に形成されている。図7は第2の実施の形態の
強誘電体記憶装置の読み出し動作を示すタイミング図で
ある。
【0052】第2の実施の形態の強誘電体記憶装置の読
み出し動作は、WL1がLレベルからHレベルに遷移す
ることでメモリセルMC21が選択されるときに、参照
電圧発生回路DMC1用のワード線DWL1がLレベル
からHレベルに遷移することで参照電圧発生回路DMC
1も選択される。プレート線PL1がLレベルからHレ
ベルに遷移することで、ビット線BL0に強誘電体キャ
パシタの状態が読み出されるときに、プレート線DPL
がLレベルからHレベルに遷移することで、ビット線B
L1に参照電圧が読み出される。参照電圧はビット線の
HレベルとLレベルの中間電位である。それ以外の動作
は第1の実施の形態の強誘電体記憶装置の動作と同様で
あるため、説明は省略する。
【0053】図7において、第2の実施の形態の強誘電
体記憶装置の書き込み動作は、Y選択信号YSWがHレ
ベルに遷移したときに、入出力信号IO0の状態がビッ
ト線BL0に流れ込む。続いて、プレート線PL1がL
レベルに遷移したときに、ビット線BL0に流れ込んだ
状態が強誘電体キャパシタFC1に蓄積される。それ以
外の動作は読み出し動作と同様であるため、説明は省略
する。
【0054】したがって、第2の実施の形態の強誘電体
記憶装置は第1の実施の形態の強誘電体記憶装置と同様
の効果を生じる。
【0055】なお、強誘電体の抗電圧を変更するための
方法としては、膜厚を変更する方法以外に、PZTまた
はSBTの選択、組成比の変更、添加物の導入、電極材
料の変更などによる方法などがある。
【0056】また、外部から供給される外部電源電圧V
ddは、周辺回路104に供給されるとともに、Vdd
の変動範囲の最小値である電圧Vbootと電圧Vbo
otよりもセルトランジスタTC11、TC12を動作
させる電圧分だけ低い電圧Vintとの2つの電圧に降
圧される構成としてもよい。
【0057】よって、昇圧回路の代わりに降圧回路で構
成でき強誘電体記憶装置の消費電力を低減できる。
【0058】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、以下のよ
うな効果を有する。
【0059】外部電源電圧を変動範囲の最小値に降圧し
た降圧電圧を強誘電体キャパシタへの印加電圧とし、強
誘電体キャパシタの抗電圧が、前記強誘電体の分極が十
分に残留する最小値となるように強誘電体薄膜を構成す
ることで、広い外部電源電圧範囲で動作可能であり、ま
た、データ蓄積に十分な分極が残留し、さらに、繰り返
し動作による劣化が少なくなる。よって、幅広い用途で
安定して動作し、繰り返し動作回数の多い強誘電体記憶
装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の強誘電体記憶装置
のメモリセルアレイ構成を示す概略構成図である。
【図2】第1の実施の形態の強誘電体記憶装置の電圧供
給構成を示すブロック図である。
【図3】印加電圧によってヒステリシス特性が飽和しな
い強誘電体キャパシタのP(分極)−V(印加電圧)曲
線である。
【図4】印加電圧によってヒステリシス特性が飽和する
強誘電体キャパシタのP−V曲線である。
【図5】図1に示した強誘電体記憶装置の動作の様子を
示すタイミングチャートである。
【図6】第2の実施の形態の強誘電体記憶装置のメモリ
セル構成を示す概略構成図である。
【図7】第2の実施の形態の強誘電体記憶装置の読み出
し動作を示すタイミング図である。
【符号の説明】
101 降圧回路 102 昇圧回路 103 メモリセルアレイ 104 周辺回路 BL0、BL1 ビット線 CB0、CB1 寄生容量 DMC1、DMC2 参照電圧発生回路 DPL プレート線 FC11、FC12 強誘電体キャパシタ IO0、IO1 入出力線 MC1〜MCn メモリセル MC21〜MC2n メモリセル PBL ビット線プリチャージ信号 PC プリチャージ回路 PL1 プレート線 PLD プレート線駆動回路 PLC プレート線印加電圧制御信号 SA センスアンプ SAP センスアンプ活性化信号 TC11、TC12 セルトランジスタ WL1 ワード線 WLC ワード線印加電圧制御信号 WLD ワード線駆動回路 YSW Y選択信号

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 強誘電体薄膜が第1の容量電極及び第2
    の容量電極で挟まれて成る強誘電体キャパシタに所定の
    電圧を印加することで残留分極を生じさせ、該残留分極
    によってデータを蓄積する強誘電体記憶装置であって、 前記第1の容量電極と前記第2の容量電極間に印加され
    る、外部から所定の電圧範囲で供給される外部電源電圧
    を降圧した降圧電圧よりも、前記強誘電体の抗電圧が小
    さくなるように前記強誘電体薄膜が形成された強誘電体
    記憶装置。
  2. 【請求項2】 前記第1の容量電極と前記第2の容量電
    極間に印加される前記降圧電圧が、前記強誘電体の分極
    が十分に残留する範囲の最小値となるように、強誘電体
    薄膜が形成された請求項1記載の強誘電体記憶装置。
  3. 【請求項3】 前記降圧電圧は、 所定の一定電圧である請求項1または2記載の強誘電体
    記憶装置。
  4. 【請求項4】 前記降圧電圧は、 前記外部電源電圧の所定の電圧範囲のうちの最小電圧で
    ある請求項3記載の強誘電体記憶装置。
  5. 【請求項5】 強誘電体薄膜が第1の容量電極及び第2
    の容量電極で挟まれて成る強誘電体キャパシタに所定の
    電圧を印加することで残留分極を生じさせ、該残留分極
    によってデータを蓄積する強誘電体記憶装置の製造方法
    であって、 前記第1の容量電極と前記第2の容量電極間に印加され
    る、外部から所定の電圧範囲で供給される外部電源電圧
    を降圧した降圧電圧よりも、前記強誘電体の抗電圧が小
    さくなるように前記強誘電体薄膜を形成する強誘電体記
    憶装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第1の容量電極と前記第2の容量電
    極間に印加される前記降圧電圧で、前記強誘電体の分極
    が十分に残留する範囲の最小値となるように、前記強誘
    電体薄膜を形成する請求項5記載の強誘電体記憶装置の
    製造方法。
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