JP2001308291A - Semiconductor storage device, its drive method and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor storage device, its drive method and its manufacturing method

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JP2001308291A
JP2001308291A JP2001031215A JP2001031215A JP2001308291A JP 2001308291 A JP2001308291 A JP 2001308291A JP 2001031215 A JP2001031215 A JP 2001031215A JP 2001031215 A JP2001031215 A JP 2001031215A JP 2001308291 A JP2001308291 A JP 2001308291A
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JP
Japan
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gate electrode
ferroelectric film
polarization
data
voltage
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Application number
JP2001031215A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuhiro Shimada
恭博 嶋田
Takehisa Kato
剛久 加藤
Takayoshi Yamada
隆善 山田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor storage device high in reading precision of data by utilizing the polarization state of a ferroelectric substance film, its drive method and its manufacturing method. SOLUTION: When the data in response to the polarization state are read from the ferroelectric substance film 22 generating upward polarization or downward remaining polarization, bias is applied on a control gate electrode 23 to be read, for instance, a state where the downward remaining polarization exists is made data '1', and another state where the remaining polarization hardly exists from the state where the upward remaining polarization exists is made data '0'. Particularly, the reading precision is improved since reading current during the data '0' is nearly constant by making the state where the remaining polarization hardly exists the data '0'. In addition, the reading precision is further improved by previously inducing input to one data (for instance, the data '1').

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、電界効果型トラン
ジスタのチャネル領域のポテンシャルを、強誘電体薄膜
のヒステリシス特性を利用して変化させる構造を有する
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 having a structure in which a potential of a channel region of a field effect transistor is changed by utilizing a hysteresis characteristic of a ferroelectric thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、ゲート中に強誘電体薄膜から
なる不揮発性の記憶部を含む電界効果型トランジスタで
あって、例えばMFISFET,MFSFET,MFM
ISFETなどと呼ばれる電界効果型トランジスタ(以
下、この明細書においては、「強誘電体FET」とい
う)を備えた半導体記憶装置が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a field effect transistor including a nonvolatile storage portion made of a ferroelectric thin film in a gate, for example, MFISFET, MFSFET, MFM
2. Description of the Related Art A semiconductor memory device including a field-effect transistor called an ISFET (hereinafter, referred to as a “ferroelectric FET”) is known.

【0003】図8は、従来のMFISFET型の強誘電
体FETの断面図である。同図に示すように、従来の強
誘電体FETは、シリコン基板101の上に設けられた
シリコン酸化膜102と、シリコン酸化膜102の上に
設けられたジルコン−チタン酸鉛(PZT)またはタン
タル酸ビスマスストロンチウム(SBT)などの金属酸
化物からなる強誘電体膜103と、Ptなどの導体材料
からなるゲート電極104と、シリコン基板101内に
おけるゲート電極104の両側方にそれぞれ設けられた
ソース領域105及びドレイン領域106とを備えてい
る。そして、シリコン基板101のうちシリコン酸化膜
102の下方に位置する領域がチャネル領域となってい
る。
FIG. 8 is a sectional view of a conventional MFISFET type ferroelectric FET. As shown in FIG. 1, a conventional ferroelectric FET includes a silicon oxide film 102 provided on a silicon substrate 101 and a zircon-lead titanate (PZT) or tantalum provided on the silicon oxide film 102. Ferroelectric film 103 made of a metal oxide such as bismuth strontium oxide (SBT), gate electrode 104 made of a conductive material such as Pt, and source regions provided on both sides of gate electrode 104 in silicon substrate 101 105 and a drain region 106. A region of the silicon substrate 101 located below the silicon oxide film 102 is a channel region.

【0004】図8に示す構造において、強誘電体膜10
3中には、ゲート電極−シリコン基板間に印加される電
圧の極性に応じて、上向き(上方が正極となるダイポー
ルモーメントが生じている状態)または下向き(下方が
正極となるダイポールモーメントが生じている状態)の
分極が生じ、電圧の印加を停止した後も分極が残留する
というヒステリシス特性を有している。そして、ゲート
電極104に電圧が印加されていない状態では、この相
異なる2種類の残留分極の状態に対応して、強誘電体F
ETのチャネル領域107は、そのポテンシャルの深さ
が相異なる2つの状態にある。一方、強誘電体FETの
ソース−ドレイン間の抵抗値は、チャネル領域107の
ポテンシャルの深さに応じて変化する。したがって、強
誘電体膜103の2種類の残留分極状態に応じて、ソー
ス−ドレイン間の抵抗は高い値と低い値とのいずれかに
定まり、このソース−ドレイン間の抵抗が相異なる2種
類の値のいずれかを示す状態は、強誘電体膜103の残
留分極の状態が保持される限り保持(記憶)される。し
たがって、強誘電体FETを用いて不揮発性メモリデバ
イスを構成することができる。
[0006] In the structure shown in FIG.
In 3, depending on the polarity of the voltage applied between the gate electrode and the silicon substrate, an upward (a state in which a dipole moment in which the upper side is a positive electrode is generated) or a downward direction (a dipole moment in which the lower side is a positive electrode is generated) Polarization occurs, and the polarization remains even after the application of the voltage is stopped. When no voltage is applied to the gate electrode 104, the ferroelectric substance F corresponds to the two different types of remanent polarization.
The channel region 107 of the ET is in two states having different potential depths. On the other hand, the resistance value between the source and the drain of the ferroelectric FET changes according to the potential depth of the channel region 107. Therefore, the resistance between the source and the drain is determined to be either a high value or a low value in accordance with the two types of remanent polarization states of the ferroelectric film 103, and the two types of resistances differing between the source and the drain. The state indicating any of the values is retained (stored) as long as the state of the remanent polarization of the ferroelectric film 103 is retained. Therefore, a nonvolatile memory device can be configured using the ferroelectric FET.

【0005】ここで、従来の強誘電体FETを用いた不
揮発性メモリデバイスにおいては、たとえば強誘電体膜
103中に下向きの残留分極が生じている状態をデータ
“1”に、強誘電体膜103中に上向きの残留分極が生
じている状態をデータ“0”にそれぞれ対応させてい
る。強誘電体膜103中に下向きの残留分極を生じさせ
るには、たとえばシリコン基板101の裏面部を接地電
位として、ゲート電極104に正の電圧を印加した後、
ゲート電極104の電圧を接地電位に戻す。また、強誘
電体膜103中に上向きの残留分極を生じさせるには、
たとえばシリコン基板101の裏面部を接地電位とし
て、ゲート電極104に負の電圧を印加した後、ゲート
電極104の電圧を接地電位に戻す。
Here, in a conventional nonvolatile memory device using a ferroelectric FET, for example, a state in which downward remanent polarization occurs in the ferroelectric film 103 is set to data “1”, The state in which upward remanent polarization occurs in 103 is associated with data “0”. In order to cause downward remanent polarization in the ferroelectric film 103, for example, a positive voltage is applied to the gate electrode 104 with the back surface of the silicon substrate 101 as a ground potential.
The voltage of the gate electrode 104 is returned to the ground potential. In order to cause upward remanent polarization in the ferroelectric film 103,
For example, after a negative voltage is applied to the gate electrode 104 with the back surface of the silicon substrate 101 set to the ground potential, the voltage of the gate electrode 104 is returned to the ground potential.

【0006】図9(a),(b),(c)は、それぞれ
順に、強誘電体膜103中における残留分極が下向き,
上向き及びほぼ0の時のゲート電極104,強誘電体膜
103,シリコン酸化膜102及びチャネル領域107
を通過する断面におけるエネルギーバンド状態を示すエ
ネルギーバンド図である。図9(a)〜(c)において
は、シリコン基板101をP型基板とし、ソース領域1
05およびドレイン領域106をN型半導体領域として
いる。図9(a),(b)中の矢印は強誘電体の分極の
方向を表す。
FIGS. 9 (a), 9 (b) and 9 (c) respectively show that the remanent polarization in the ferroelectric film 103 is downward,
The gate electrode 104, the ferroelectric film 103, the silicon oxide film 102, and the channel region 107 in the upward and substantially zero positions.
FIG. 3 is an energy band diagram showing an energy band state in a cross section passing through the hologram. 9A to 9C, the silicon substrate 101 is a P-type substrate and the source region 1
05 and the drain region 106 are N-type semiconductor regions. The arrows in FIGS. 9A and 9B indicate the direction of polarization of the ferroelectric.

【0007】図9(a)に示す状態を得るには、シリコ
ン基板101に対してゲート電極104に正の電圧を印
加する。このゲート電極104とシリコン基板101と
の間の強誘電体膜103およびシリコン酸化膜102に
は、ゲート電極104とシリコン基板101との間に印
加された電位差がある比率で配分される。このとき、強
誘電体膜103に配分される電位差が強誘電体膜103
の分極反転電圧より大きくなるようにゲート電極104
に電圧を印加すれば、強誘電体膜3の分極は下向きにな
る。そして、印加電圧を除去してゲート電極104を接
地電圧に戻すと、図9(a)に示すように、下向きの残
留分極が生じる。残留分極が下向き(データ“1”の状
態)のときには、強誘電体膜103の下端部に誘起され
た正極と上端部に誘起された負極との間に生じる電界に
よって、強誘電体膜103,シリコン酸化膜102及び
チャネル領域107のエネルギーバンドが図9(a)に
示すように曲げられる。このとき、チャネル領域107
のシリコン酸化膜102との界面付近の領域が負イオン
化して空乏層が基板深くまでひろがり、チャネル領域1
07のシリコン酸化膜102との界面付近の領域のポテ
ンシャルが接地電位よりも低くなる。つまり、いわゆる
反転層が形成される。
To obtain the state shown in FIG. 9A, a positive voltage is applied to the gate electrode 104 with respect to the silicon substrate 101. The potential difference applied between the gate electrode 104 and the silicon substrate 101 is distributed at a certain ratio to the ferroelectric film 103 and the silicon oxide film 102 between the gate electrode 104 and the silicon substrate 101. At this time, the potential difference distributed to the ferroelectric film 103 is
Gate electrode 104 so as to be higher than the polarization inversion voltage of
, The polarization of the ferroelectric film 3 becomes downward. Then, when the applied voltage is removed to return the gate electrode 104 to the ground voltage, downward remanent polarization occurs as shown in FIG. When the remanent polarization is downward (state of data “1”), the electric field generated between the positive electrode induced at the lower end of the ferroelectric film 103 and the negative electrode induced at the upper end thereof causes the ferroelectric film 103, The energy bands of the silicon oxide film 102 and the channel region 107 are bent as shown in FIG. At this time, the channel region 107
The region near the interface with the silicon oxide film 102 becomes negatively ionized, and the depletion layer spreads deep into the substrate, and the channel region 1
07 in the region near the interface with the silicon oxide film 102 becomes lower than the ground potential. That is, a so-called inversion layer is formed.

【0008】一方、図9(b)に示す状態を得るには、
シリコン基板101に対してゲート電極104に強誘電
体膜103に配分される電位差が強誘電体の分極反転電
圧より大きくなるような負の電圧を印加する。この場合
は、電圧の印加を停止してゲート電極104を接地電位
に戻すと、図9(b)に示すように、強誘電体膜103
に下向きの残留分極が生じる。残留分極が上向き(デー
タ“0”の状態)のときには、強誘電体膜103の下端
部に誘起された負極と上端部に誘起された正極とによっ
て生じる電界によって、強誘電体膜103及びシリコン
酸化膜102及びチャネル領域107のエネルギーバン
ドが曲げられるが、チャネル領域107のシリコン酸化
膜102との界面付近の領域には多数キャリアである正
孔が蓄積されるので、空乏層は形成されず、チャネル領
域107のポテンシャルが接地電位にほぼ等しくなる。
On the other hand, in order to obtain the state shown in FIG.
A negative voltage is applied to the silicon substrate 101 so that the potential difference distributed to the ferroelectric film 103 is larger than the polarization inversion voltage of the ferroelectric, to the gate electrode 104. In this case, when the application of the voltage is stopped and the gate electrode 104 is returned to the ground potential, as shown in FIG.
Downward remanent polarization occurs. When the remanent polarization is upward (state of data “0”), the ferroelectric film 103 and the silicon oxide are generated by the electric field generated by the negative electrode induced at the lower end of the ferroelectric film 103 and the positive electrode induced at the upper end. Although the energy bands of the film 102 and the channel region 107 are bent, holes serving as majority carriers are accumulated in a region of the channel region 107 near the interface with the silicon oxide film 102, so that a depletion layer is not formed, The potential of the region 107 becomes substantially equal to the ground potential.

【0009】このように、残留分極の向きによってチャ
ネル領域107の界面付近の領域のポテンシャルが相異
なるので、N型半導体領域であるソース領域105とド
レイン領域106との間に電位差を与えると、残留分極
の向きによって流れる電流値が相異なることになる。す
なわち、チャネル領域107のポテンシャルが接地電位
よりも低くなったデータ“1”の状態においては、チャ
ネル領域107に反転層が形成されることから、ソース
−ドレイン間は低抵抗状態(ON状態)にあり大きな電
流が流れる。一方、チャネル領域107のポテンシャル
が接地電位であるデータ“0”の状態においては、チャ
ネル領域には反転層が形成されないことから、ソース−
ドレイン間は高抵抗状態(OFF状態)にあり電流はほ
とんど流れない。このようにして、ソース−ドレイン間
の電流値を測定すれば、その電流値の大小によって強誘
電体FETがデータ“1”の状態にあるかデータ“0”
の状態にあるかを知ることができる。
As described above, since the potential of the region near the interface of the channel region 107 differs depending on the direction of the remanent polarization, when a potential difference is given between the source region 105 and the drain region 106 which are N-type semiconductor regions, the residual The current value flowing differs depending on the direction of polarization. That is, in the state of data “1” in which the potential of the channel region 107 is lower than the ground potential, an inversion layer is formed in the channel region 107, so that the source-drain is in a low resistance state (ON state). A large current flows. On the other hand, in the state of data “0” where the potential of the channel region 107 is the ground potential, since no inversion layer is formed in the channel region,
There is a high resistance state (OFF state) between the drains and almost no current flows. When the current value between the source and the drain is measured in this manner, whether the ferroelectric FET is in the state of data "1" or the data "0" depends on the magnitude of the current value.
It can know whether it is in the state of.

【0010】このように、一つの強誘電体FETのデー
タ状態を読み出すにおいては、基本的には、ソース−ド
レイン間に電位差を与えるのみでゲート電極104にバ
イアスを印加する必要はない。すなわち、強誘電体FE
TのON状態はMOSトランジスタのデプレッション状
態に相当することによる。
As described above, in reading the data state of one ferroelectric FET, basically, it is not necessary to apply a bias to the gate electrode 104 only by applying a potential difference between the source and the drain. That is, the ferroelectric FE
The ON state of T corresponds to the depletion state of the MOS transistor.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の強誘電体FETにおいては、以下のような不具合が
あった。
However, the conventional ferroelectric FET has the following disadvantages.

【0012】図10は、本発明の発明者達が調べた強誘
電体FETのゲート電極104への印加電圧Vgとソー
ス−ドレイン間の電流Idsとの関係を示す特性図であ
る。同図に示すように、ゲート電極104への印加電圧
を0にしてデータを読み出す際に、データ“1”の状態
とデータ“0”の状態とにおける電流差ΔI1が小さ
い。これは、図9(a)に示すように、ゲート電極10
4に電圧が印加されていない状態では、チャネル領域1
07に弱い反転層しか形成されないためと考えられる。
その結果、強誘電体膜103の分極状態が経時的に変化
したときなど、データ“1”の状態とデータ“0”の状
態とを確実に区別して読み出すことが困難となるおそれ
があった。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the voltage Vg applied to the gate electrode 104 of the ferroelectric FET and the current Ids between the source and drain of the ferroelectric FET examined by the inventors of the present invention. As shown in the drawing, when data is read by setting the voltage applied to the gate electrode 104 to 0, the current difference ΔI1 between the state of data “1” and the state of data “0” is small. This is because, as shown in FIG.
In the state where no voltage is applied to channel region 4, channel region 1
It is considered that only a weak inversion layer is formed at 07.
As a result, when the polarization state of the ferroelectric film 103 changes over time, it may be difficult to reliably distinguish and read the state of data “1” and the state of data “0”.

【0013】また、上記とは別の不具合として、データ
“1”あるいはデータ“0”のいずれを保持しても、こ
れらを長期間保存すると、保持されたデータに対応する
分極の方向にヒステリシス曲線が偏っていくインプリン
トという現象が現れることがあった。これは、長期間1
つの分極状態にあった強誘電体膜103において、保持
されているデータに対応する分極を反転させるための抗
電圧が減少してその分極状態が生じやすくなる一方、そ
の分極とは逆極性の分極を反転させるための抗電圧が増
大して逆極性の分極が生じにくくなるためである。この
インプリント現象の結果、長期間あるデータに保持され
ていた強誘電体FETの強誘電体膜103の残留分極値
は初期の残留分極値とは異なることになるので、長期間
あるデータを保持した後に読み出されたデータの信号レ
ベル(読み出し電流値)は初期の信号レベル(読み出し
電流値)とは異なっているおそれがあった。
[0013] Another problem is that, regardless of whether data "1" or data "0" is held, if these are stored for a long period of time, a hysteresis curve is generated in the direction of polarization corresponding to the held data. Is sometimes imprinted. This is a long term 1
In the ferroelectric film 103 in one polarization state, the coercive voltage for inverting the polarization corresponding to the held data is reduced and the polarization state is likely to occur, while the polarization having the opposite polarity to the polarization is generated. This is because the coercive voltage for inverting is increased and polarization of the opposite polarity is less likely to occur. As a result of this imprint phenomenon, the remanent polarization value of the ferroelectric film 103 of the ferroelectric FET, which has been held for a certain period of time for a long time, is different from the initial remanent polarization value. The signal level (read current value) of the data read after the read operation may be different from the initial signal level (read current value).

【0014】本発明の目的は、電界効果型トランジスタ
のチャネル領域のポテンシャルを、強誘電体薄膜のヒス
テリシス特性を利用して変化させる構造を有しながら、
高い読み出し精度を維持しうる半導体記憶装置,その駆
動方法及びその製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a structure in which the potential of a channel region of a field effect transistor is changed by utilizing the hysteresis characteristics of a ferroelectric thin film.
An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of maintaining high readout accuracy, a driving method thereof, and a manufacturing method thereof.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体記憶装置
は、半導体基板と、上記半導体基板上に設けられた強誘
電体膜及びゲート電極と、上記半導体基板内においてゲ
ート電極の両側方に設けられたソース領域及びドレイン
領域とを有する電界効果トランジスタを備え、上記強誘
電体膜は、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する
正の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第1の分極
と、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する負の電
圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第2の分極とを生じ
うるものであり、上記強誘電体膜に電圧が印加されてい
ないときに上記第1及び第2の分極のうちいずれか一方
が残留している状態を第1論理値とし、上記第1及び第
2の分極のうち他方が残留している状態から分極がほぼ
残留していない状態までを第2論理値として、上記第1
論理値及び第2論理値のうちいずれか一方の論理値のデ
ータが上記強誘電体膜に記憶されている。
According to the present invention, there is provided a semiconductor memory device comprising: a semiconductor substrate; a ferroelectric film and a gate electrode provided on the semiconductor substrate; and a semiconductor substrate provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. A field effect transistor having a source region and a drain region, wherein the ferroelectric film has a first polarization generated in the ferroelectric film in response to a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate; A second polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate, wherein the first polarization occurs when no voltage is applied to the ferroelectric film. A state in which one of the first and second polarizations remains as a first logical value, and a state in which substantially no polarization remains from the state in which the other of the first and second polarizations remains. The in the second logical value, the first
Data of one of the logical value and the second logical value is stored in the ferroelectric film.

【0016】これにより、強誘電体膜に書き込まれた第
2論理値が弱いときや分極がほとんど残留していないと
きにも、第1論理値と第2論理値とを区別してデータの
読み出しを行なうことが可能になる。
Thus, even when the second logical value written in the ferroelectric film is weak or the polarization hardly remains, data reading can be performed by distinguishing between the first logical value and the second logical value. It is possible to do.

【0017】上記強誘電体膜中のデータを読み出すとき
には、上記ゲート電極にバイアス電圧を印加するように
構成されていることにより、強誘電体膜に第1論理値の
データが記憶されているときの読み出し電流値と、強誘
電体膜に第2論理値のデータが記憶されている時の読み
出し電流値との差を大きくすることが可能になり、読み
出し精度の向上を図ることができる。
When data in the ferroelectric film is read, a bias voltage is applied to the gate electrode, so that data of the first logical value is stored in the ferroelectric film. And the read current value when the data of the second logical value is stored in the ferroelectric film can be increased, and the read accuracy can be improved.

【0018】上記バイアス電圧の印加を伴う読み出し動
作の繰り返しにより、上記強誘電体膜において、上記他
方の分極が0に向かって弱くなるというディスターブ現
象が引き起こされる場合にも、データの読み出し時にお
いて、上記一方の分極が書き込まれた時の電流値にほぼ
等しい電流が上記ソース領域−ドレイン領域間に流れる
状態を第1論理値とし、他方の分極が書き込まれた時に
おける上記ソース領域−ドレイン領域間の電流値から上
記他方の分極がほぼ0になった時の電流値までの電流が
流れる状態を第2論理値とするように構成されているこ
とにより、ディスターブによる読み出し精度の悪化を回
避することができる。
[0018] Even in the case where the repetition of the read operation accompanied by the application of the bias voltage causes a disturb phenomenon in which the other polarization weakens toward 0 in the ferroelectric film, even when the data is read, A state where a current substantially equal to the current value when the one polarization is written flows between the source region and the drain region is defined as a first logical value, and the state between the source region and the drain region when the other polarization is written is defined as a first logical value. The second logical value is a state in which a current flows from the current value of the above to the current value when the other polarization becomes substantially zero, thereby avoiding the deterioration of the reading accuracy due to the disturb. Can be.

【0019】本発明の半導体記憶装置は、半導体基板
と、半導体基板上に設けられた強誘電体膜及びゲート電
極と、上記半導体基板内のゲート電極の両側方に設けら
れたソース領域及びドレイン領域とを有する電界効果ト
ランジスタを備え、上記強誘電体膜は、上記ゲート電極
から上記半導体基板に対する正の電圧に応じて上記強誘
電体膜に生じる第1の分極と、上記ゲート電極から上記
半導体基板に対する負の電圧に応じて上記強誘電体膜に
生じる第2の分極とを生じうるものであり、上記強誘電
体膜に電圧が印加されていないときに上記第1及び第2
の分極のうちいずれか一方が残留している状態を第1論
理値とし、上記強誘電体膜に分極がほぼ残留していない
状態を第2論理値として、上記第1論理値及び第2の論
理値のうちいずれか一方の論理値のデータが上記強誘電
体膜に記憶されている。
According to the semiconductor memory device of the present invention, there is provided a semiconductor substrate, a ferroelectric film and a gate electrode provided on the semiconductor substrate, and a source region and a drain region provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. A ferroelectric film, wherein the ferroelectric film has a first polarization generated in the ferroelectric film in response to a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate; And a second polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage with respect to the first and second voltages when the voltage is not applied to the ferroelectric film.
The state where one of the polarizations remains remains as the first logical value, and the state where the polarization hardly remains in the ferroelectric film is referred to as the second logical value. Data of one of the logical values is stored in the ferroelectric film.

【0020】これにより、第2論理値のデータが当初か
らディスターブによってほぼ分極が残留していない状態
に対応しているので、データの読み出し時において、第
2論理値のデータに対応する読み出し電流値がほぼ一定
になる。よって、第1論理値のデータとの区別がより明
確化されて、データの読み出し精度が顕著に向上する。
Thus, the data of the second logical value corresponds to a state in which substantially no polarization remains due to the disturb from the beginning, so that at the time of reading data, the read current value corresponding to the data of the second logical value Becomes almost constant. Therefore, the distinction from the data of the first logical value is further clarified, and the reading accuracy of the data is remarkably improved.

【0021】上記強誘電体膜には、上記第1論理値のデ
ータと上記第2論理値のデータとが、上記ゲート電極に
絶対値が相異なる電圧を印加することにより書き込まれ
ていることが好ましい。
In the ferroelectric film, the data of the first logical value and the data of the second logical value are written by applying voltages having different absolute values to the gate electrode. preferable.

【0022】上記半導体基板の上に設けられたゲート絶
縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に設けられた中間ゲート
電極とをさらに備え、上記強誘電体膜は上記中間ゲート
電極の上に設けられ、上記ゲート電極は上記強誘電体膜
の上に設けられていて、データの書き込み時には、上記
ゲート電極と上記中間ゲート電極との間に印加する電圧
によって上記強誘電体膜に上記第1又は第2の分極を残
留させることが可能に構成され、データの読み出し時に
は、上記中間ゲート電極をフローティングにして上記ゲ
ート電圧にバイアス電圧を印加することが可能に構成さ
れていることにより、MFMIS構造を有している電界
効果トランジスタをメモリセルとして備えた半導体記憶
装置において、上述の効果を発揮することができる。
The semiconductor device further includes a gate insulating film provided on the semiconductor substrate, and an intermediate gate electrode provided on the gate insulating film, wherein the ferroelectric film is provided on the intermediate gate electrode. The gate electrode is provided on the ferroelectric film, and at the time of writing data, the first or second gate electrode is applied to the ferroelectric film by a voltage applied between the gate electrode and the intermediate gate electrode. 2 and a bias voltage can be applied to the gate voltage by floating the intermediate gate electrode at the time of data reading, thereby providing an MFMIS structure. The above-described effect can be exhibited in a semiconductor memory device provided with a field effect transistor as a memory cell.

【0023】上記半導体基板の上に設けられたゲート絶
縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に設けられた第1中間ゲ
ート電極と、上記第1中間ゲート電極とは個別に設けら
れ、かつ電気的に接続された第2中間ゲート電極とをさ
らに備え、上記強誘電体膜は上記第2中間ゲート電極の
上に設けられ、上記ゲート電極は上記強誘電体膜の上に
設けられていて、データの書き込み時には、上記ゲート
電極と上記第2中間ゲート電極との間に印加する電圧に
よって上記強誘電体膜に残留分極を生じさせる一方、デ
ータの読み出し時には、上記第1及び第2中間ゲート電
極をフローティングにして上記ゲート電圧にバイアス電
圧を印加するように構成されていることにより、実質的
にMFIS構造を有している電界効果トランジスタをメ
モリセルとして備えた半導体記憶装置において、上述の
効果を発揮することができる。
The gate insulating film provided on the semiconductor substrate, the first intermediate gate electrode provided on the gate insulating film, and the first intermediate gate electrode are provided separately and electrically. And a second intermediate gate electrode connected to the ferroelectric film. The ferroelectric film is provided on the second intermediate gate electrode, and the gate electrode is provided on the ferroelectric film. At the time of writing, the voltage applied between the gate electrode and the second intermediate gate electrode causes remanent polarization in the ferroelectric film, while at the time of reading data, the first and second intermediate gate electrodes are turned off. By being configured to be floating and to apply a bias voltage to the gate voltage, a field effect transistor having a substantially MFIS structure is provided as a memory cell. In the semiconductor memory device has, it can exhibit the above-described effects.

【0024】本発明の半導体記憶装置の駆動方法は、半
導体基板上に設けられた強誘電体膜及びゲート電極と、
上記半導体基板内のゲート電極の両側方に設けられたソ
ース領域及びドレイン領域とを有し、上記強誘電体膜
は、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する正の電
圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第1の分極と、上記
ゲート電極から上記半導体基板に対する負の電圧に応じ
て上記強誘電体膜に生じる第2の分極とを生じうるよう
に構成された電界効果トランジスタを備えた半導体記憶
装置の駆動方法であって、上記強誘電体膜に電圧が印加
されていないときに上記第1及び第2の分極のうちいず
れか一方が残留している状態を第1論理値とし、上記第
1及び第2の分極のうち他方が残留している状態から分
極がほぼ残留していない状態までを第2論理値として上
記強誘電体膜にデータの読み出しを行なう方法である。
According to the method for driving a semiconductor memory device of the present invention, a ferroelectric film and a gate electrode provided on a semiconductor substrate are provided.
A source region and a drain region provided on both sides of a gate electrode in the semiconductor substrate, wherein the ferroelectric film is formed in accordance with a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate. And a second polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate. A method for driving the device, wherein a state in which one of the first and second polarizations remains when no voltage is applied to the ferroelectric film is defined as a first logical value, In this method, data is read from the ferroelectric film from a state in which the other of the first and second polarizations remains to a state in which almost no polarization remains as the second logical value.

【0025】この方法により、強誘電体膜に書き込まれ
た第2論理値が弱いときや分極がほとんど残留していな
いときにも、第1論理値と第2論理値とを区別してデー
タの読み出しを行なうことが可能になる。
According to this method, even when the second logical value written in the ferroelectric film is weak or almost no polarization remains, data reading is performed by distinguishing the first logical value from the second logical value. Can be performed.

【0026】上記強誘電体膜中のデータを読み出すとき
には、上記ゲート電極にバイアス電圧を印加することに
より、強誘電体膜に第1論理値のデータが記憶されてい
るときの読み出し電流値と、強誘電体膜に第2論理値の
データが記憶されている時の読み出し電流値との差を大
きくすることが可能になり、読み出し精度の向上を図る
ことができる。
When reading data in the ferroelectric film, a bias voltage is applied to the gate electrode to read a current value when the data of the first logical value is stored in the ferroelectric film; The difference from the read current value when the data of the second logical value is stored in the ferroelectric film can be increased, and read accuracy can be improved.

【0027】上記バイアス電圧の印加を伴う読み出し動
作の繰り返しにより、上記強誘電体膜において、上記他
方の分極が0に向かって弱くなるものである場合にも、
データの読み出し時において、上記一方の分極が書き込
まれた時の電流値にほぼ等しい電流が上記ソース領域−
ドレイン領域間に流れる状態を第1論理値とし、他方の
分極が書き込まれた時における上記ソース領域−ドレイ
ン領域間の電流値から上記他方の分極がほぼ0になった
時の電流値までの電流が流れる状態を第2論理値とする
ことにより、ディスターブによる読み出し精度の悪化を
回避することができる。
[0027] Even when the other polarization in the ferroelectric film becomes weaker toward zero by repeating the read operation accompanied by the application of the bias voltage,
At the time of data reading, a current substantially equal to the current value when the one polarization is written is applied to the source region.
The state flowing between the drain regions is defined as a first logical value, and the current from the current value between the source region and the drain region when the other polarization is written to the current value when the other polarization becomes substantially zero. By setting the state in which is flowing as the second logical value, it is possible to avoid the deterioration of the reading accuracy due to the disturbance.

【0028】上記ゲート電極に印加するバイアス電圧
は、上記強誘電体膜中のデータが第1論理値及び上記第
2論理値の時に上記ソース領域−ドレイン領域間にそれ
ぞれ流れる電流の差がほぼ最大となる値であることが好
ましい。
The bias voltage applied to the gate electrode is such that the difference between the currents flowing between the source region and the drain region when the data in the ferroelectric film has the first logical value and the second logical value is substantially maximum. It is preferable that the value be as follows.

【0029】本発明の半導体記憶装置の駆動方法は、半
導体基板上に設けられた強誘電体膜及びゲート電極と、
上記半導体基板内のゲート電極の両側方に設けられたソ
ース領域及びドレイン領域とを有し、上記強誘電体膜
は、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する正の電
圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第1の分極と、上記
ゲート電極から上記半導体基板に対する負の電圧に応じ
て上記強誘電体膜に生じる第2の分極とを生じうるよう
に構成された電界効果トランジスタを備えた半導体記憶
装置の駆動方法であって、上記強誘電体膜に電圧が印加
されていないときに上記第1及び第2の分極のうちいず
れか一方が残留している状態を第1論理値とし、上記強
誘電体膜に分極がほぼ残留していない状態を第2論理値
として上記強誘電体膜にデータを記憶させるとともに、
上記強誘電体膜中のデータを読み出すときには、上記ゲ
ート電極にバイアス電圧を印加する方法である。
According to the method for driving a semiconductor memory device of the present invention, a ferroelectric film and a gate electrode provided on a semiconductor substrate;
A source region and a drain region provided on both sides of a gate electrode in the semiconductor substrate, wherein the ferroelectric film is formed in accordance with a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate. And a second polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate. A method of driving the device, wherein a state in which one of the first and second polarizations remains when no voltage is applied to the ferroelectric film is defined as a first logical value, A state in which almost no polarization remains in the dielectric film is used as a second logical value to store data in the ferroelectric film,
When reading data from the ferroelectric film, a bias voltage is applied to the gate electrode.

【0030】この方法により、第2論理値のデータが当
初からディスターブによってほぼ分極が残留していない
状態に対応しているので、データの読み出し時におい
て、第2論理値のデータに対応する読み出し電流値がほ
ぼ一定になる。よって、第1論理値のデータとの区別が
より明確化されて、データの読み出し精度が顕著に向上
する。
According to this method, since the data of the second logical value corresponds to a state in which the polarization remains substantially due to the disturbance from the beginning, the read current corresponding to the data of the second logical value at the time of reading the data. The value becomes almost constant. Therefore, the distinction from the data of the first logical value is further clarified, and the reading accuracy of the data is remarkably improved.

【0031】その場合、上記強誘電体膜へのデータの書
き込み時において、上記第1論理値を書き込むときと上
記第2論理値を書き込むときとでは、上記ゲート電極に
印加される電圧の絶対値を相異ならせることにより、第
2論理値のデータが当初からディスターブによって分極
がほぼ残留していない状態に対応させることが容易とな
る。
In this case, when writing the data to the ferroelectric film, the absolute value of the voltage applied to the gate electrode is different between when writing the first logical value and when writing the second logical value. Are different from each other, it becomes easy to correspond to a state in which the data of the second logical value has almost no polarization remaining due to the disturbance from the beginning.

【0032】上記半導体基板の上に設けられたゲート絶
縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に設けられた中間ゲート
電極とをさらに備え、上記強誘電体膜は上記中間ゲート
電極の上に設けられ、上記ゲート電極は上記強誘電体膜
の上に設けられている場合には、データの書き込み時に
は、上記ゲート電極と上記中間ゲート電極との間に電圧
を印加する一方、データの読み出し時には、上記中間ゲ
ート電極をフローティングにして上記ゲート電圧にバイ
アス電圧を印加することにより、MFMIS構造を有し
ている電界効果トランジスタをメモリセルとして備えた
半導体記憶装置について、上述の効果を発揮することが
できる。
The semiconductor device further includes a gate insulating film provided on the semiconductor substrate, and an intermediate gate electrode provided on the gate insulating film, wherein the ferroelectric film is provided on the intermediate gate electrode. When the gate electrode is provided on the ferroelectric film, a voltage is applied between the gate electrode and the intermediate gate electrode at the time of writing data, while the voltage is applied at the time of reading data. By applying a bias voltage to the gate voltage with the intermediate gate electrode floating, the above-described effect can be exhibited in a semiconductor memory device including a field effect transistor having an MFMIS structure as a memory cell.

【0033】上記半導体基板の上に設けられたゲート絶
縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に設けられた第1中間ゲ
ート電極と、上記第1中間ゲート電極とは個別に設けら
れ、かつ電気的に接続された第2中間ゲート電極とをさ
らに備え、上記強誘電体膜は上記第2中間ゲート電極の
上に設けられ、上記ゲート電極は上記強誘電体膜の上に
設けられている場合には、データの書き込み時には、上
記ゲート電極と上記第2中間ゲート電極との間に電圧を
印加する一方、データの読み出し時には、上記第1及び
第2中間ゲート電極をフローティングにして上記ゲート
電圧にバイアス電圧を印加することにより、実質的にM
FMIS構造を有している電界効果トランジスタをメモ
リセルとして備えた半導体記憶装置について、上述の効
果を発揮することができる。
The gate insulating film provided on the semiconductor substrate, the first intermediate gate electrode provided on the gate insulating film, and the first intermediate gate electrode are provided separately and electrically. A second intermediate gate electrode connected to the ferroelectric film, wherein the ferroelectric film is provided on the second intermediate gate electrode, and the gate electrode is provided on the ferroelectric film. Applies a voltage between the gate electrode and the second intermediate gate electrode when writing data, and floats the first and second intermediate gate electrodes when reading data to bias the gate voltage. By applying a voltage, M
The above-described effect can be exhibited in a semiconductor memory device including a field effect transistor having an FMIS structure as a memory cell.

【0034】上記強誘電体膜への上記第2論理値のデー
タの書き込み時には、上記強誘電体膜に印加される電圧
が強誘電体膜の抗電圧にほぼ等しくなるように上記ゲー
ト電極にバイアス電圧を印加することにより、強誘電体
膜に分極がほぼ残留していない状態を第2論理値として
データの書き込みを行なうことができる。
When writing the data of the second logical value into the ferroelectric film, a bias is applied to the gate electrode so that the voltage applied to the ferroelectric film becomes substantially equal to the coercive voltage of the ferroelectric film. By applying a voltage, data can be written with a state in which almost no polarization remains in the ferroelectric film as the second logical value.

【0035】上記強誘電体膜にデータを書き込んだ後又
はデータを読み出す直前に、上記中間ゲート電極を一旦
接地してからフローティングにすることにより、中間電
極における不要な電荷などを除去して、読み出し精度の
向上を図ることができる。
After the data is written to the ferroelectric film or immediately before the data is read, the intermediate gate electrode is once grounded and floated, thereby removing unnecessary charges and the like in the intermediate electrode and reading. Accuracy can be improved.

【0036】上記強誘電体膜に書き込まれたデータを読
み出すときには、上記強誘電体膜に印加される電圧が強
誘電体膜の抗電圧より小さくなるように、上記ゲート電
極に電圧を印加することが好ましい。
When reading data written in the ferroelectric film, a voltage is applied to the gate electrode so that a voltage applied to the ferroelectric film is smaller than a coercive voltage of the ferroelectric film. Is preferred.

【0037】本発明の半導体記憶装置の製造方法は、半
導体基板上に設けられた強誘電体膜及びゲート電極と、
上記半導体基板内のゲート電極の両側方に設けられたソ
ース領域及びドレイン領域とを有し、上記強誘電体膜
は、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する正の電
圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第1の分極と、上記
ゲート電極から上記半導体基板に対する負の電圧に応じ
て上記強誘電体膜に生じる第2の分極とを生じうるよう
に構成された電界効果トランジスタを備えたメモリセル
を形成する工程(a)と、上記強誘電体膜にデータ読み
出しのために印加される電圧と同じ極性の電圧を印加し
た後、この電圧を解除して上記強誘電体膜中に第1の分
極を残留させる工程(b)と、上記強誘電体膜を一定時
間の間加熱することにより、上記強誘電体膜のヒステリ
シス特性を上記第1の分極を上記第2の分極に反転させ
るのに必要な抗電圧が増大する方向に偏位させて、上記
強誘電体膜のヒステリシス特性を非対称とする工程
(c)とを含んでいる。
According to the method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, a ferroelectric film and a gate electrode provided on a semiconductor substrate;
A source region and a drain region provided on both sides of a gate electrode in the semiconductor substrate, wherein the ferroelectric film is formed in accordance with a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate. Cell having a field effect transistor configured to generate a first polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage applied to the semiconductor substrate from the gate electrode. Forming a step (a), and applying a voltage having the same polarity as a voltage applied for reading data to the ferroelectric film, releasing the voltage and releasing the first voltage in the ferroelectric film. (B) leaving the polarization, and heating the ferroelectric film for a certain period of time to change the hysteresis characteristic of the ferroelectric film from the first polarization to the second polarization. Necessary coercive voltage Thereby displaced in the increasing direction, and a step (c) for the hysteresis characteristics of the ferroelectric film asymmetric.

【0038】この方法により、予め強誘電体膜中の分極
状態が第1の論理値の側にインプリントされるので、デ
ータの読み出しの際に第1論理値のデータと第2論理値
のデータとを区別することが容易になる。
According to this method, the polarization state in the ferroelectric film is imprinted in advance on the side of the first logical value, so that the data of the first logical value and the data of the second logical value are read at the time of reading data. It is easy to distinguish between

【0039】上記工程(b)の後、上記強誘電体膜に残
留している第1の分極を消去する工程をさらに含むこと
ができる。
After the step (b), the method may further include a step of erasing the first polarization remaining in the ferroelectric film.

【0040】[0040]

【発明の実施の形態】(第1の実施形態) −強誘電体FETの構造− 図1は、本発明の第1の実施形態のMFIS構造の強誘
電体FETの断面図である。同図に示すように、強誘電
体FETは、シリコン基板11の上に設けられたシリコ
ン酸化膜12と、シリコン酸化膜12の上に設けられた
ジルコン−チタン酸鉛(PZT)またはタンタル酸ビス
マスストロンチウム(SBT)などの金属酸化物からな
る強誘電体膜13と、強誘電体膜13の上に設けられた
Ptなどの導体材料からなるゲート電極14と、シリコ
ン基板11内におけるゲート電極14の両側方にそれぞ
れ設けられたソース領域15及びドレイン領域16とを
備えている。そして、シリコン基板11のうちシリコン
酸化膜12の下方に位置する領域がチャネル領域17と
なっている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment -Structure of Ferroelectric FET- FIG. 1 is a cross-sectional view of a MFIS structure ferroelectric FET according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the ferroelectric FET includes a silicon oxide film 12 provided on a silicon substrate 11 and a zircon-lead titanate (PZT) or bismuth tantalate provided on the silicon oxide film 12. A ferroelectric film 13 made of a metal oxide such as strontium (SBT), a gate electrode 14 made of a conductive material such as Pt provided on the ferroelectric film 13, and a gate electrode 14 in the silicon substrate 11. It has a source region 15 and a drain region 16 provided on both sides, respectively. A region of the silicon substrate 11 below the silicon oxide film 12 is a channel region 17.

【0041】図1に示す構造において、強誘電体膜13
中には、ゲート電極−シリコン基板間に印加される電圧
の極性に応じて、上向き(上方が正極となるダイポール
モーメントが生じている状態)または下向き(下方が正
極となるダイポールモーメントが生じている状態)の分
極が生じ、電圧の印加を停止した後も分極が残留すると
いうヒステリシス特性を有している。そして、ゲート電
極14に電圧が印加されていない状態では、この相異な
る2種類の残留分極の状態に対応して、強誘電体FET
のチャネル領域17は、そのポテンシャルの深さが相異
なる2つの状態にある。一方、強誘電体FETのソース
−ドレイン間の抵抗値は、チャネル領域17のポテンシ
ャルの深さに応じて変化する。したがって、強誘電体膜
13の2種類の残留分極状態に応じて、ソース−ドレイ
ン間の抵抗は高い値と低い値とのいずれかに定まり、こ
のソース−ドレイン間の抵抗が相異なる2種類の値のい
ずれかを示す状態は、強誘電体膜13の残留分極の状態
が保持される限り保持(記憶)される。したがって、強
誘電体FETを用いて不揮発性メモリデバイスを構成す
ることができる。たとえば、強誘電体膜13に下向きの
残留分極が生じている状態をデータ“1”(第1論理
値)とし、強誘電体膜13に上向きの残留分極が生じて
いる状態をデータ“0”(第2論理値)として、強誘電
体FETをメモリセルとして用いることができる。
In the structure shown in FIG.
Depending on the polarity of the voltage applied between the gate electrode and the silicon substrate, an upward direction (a state in which a dipole moment in which the upper side is a positive electrode is generated) or a downward direction (a dipole moment in which the lower side is a positive electrode is generated). State), and has a hysteresis characteristic that the polarization remains even after the application of the voltage is stopped. When no voltage is applied to the gate electrode 14, the ferroelectric FET corresponds to the two different types of remanent polarization.
Channel region 17 is in two states with different potential depths. On the other hand, the resistance value between the source and the drain of the ferroelectric FET changes according to the potential depth of the channel region 17. Therefore, according to the two types of remanent polarization states of the ferroelectric film 13, the resistance between the source and the drain is determined to be either a high value or a low value, and the two types of resistances between the source and the drain are different. The state indicating any of the values is retained (stored) as long as the state of the remanent polarization of the ferroelectric film 13 is retained. Therefore, a nonvolatile memory device can be configured using the ferroelectric FET. For example, a state where downward remanent polarization occurs in the ferroelectric film 13 is defined as data “1” (first logical value), and a state where upward remanent polarization occurs in the ferroelectric film 13 is defined as data “0”. As the (second logical value), a ferroelectric FET can be used as a memory cell.

【0042】しかし、すでに従来の技術について説明し
たように、ゲート電極14にバイアスを印加せずにデー
タの読み出しを行なう方法では、データ“1”の状態と
データ“0”の状態とで読み出し電流の差ΔI1が小さ
い(図10参照)。そこで、本実施形態においては、読
み出し時にゲート電極14にバイアスを印加することを
前提とする。
However, as described in the prior art, in the method of reading data without applying a bias to the gate electrode 14, the read current changes between the state of data "1" and the state of data "0". Is small (see FIG. 10). Therefore, in the present embodiment, it is assumed that a bias is applied to the gate electrode 14 at the time of reading.

【0043】−ゲートバイアスの設定方法− 図2は、本実施形態の読み出し時におけるゲートバイア
ス(ゲート電極13に印加する電圧)ΔVgの設定方法
を説明するための図である。すでに説明した図10に示
すような強誘電体FETのソース−ドレイン間電流Ids
のゲートバイアス依存特性において、データ“1”の状
態とデータ“0”の状態とにおける読み出し電流の差が
ほぼ最大値ΔI2となるゲートバイアスVgの値をΔV
gとする。ここで、本実施形態においては、読み出し時
におけるゲート電圧Vgを0からΔVgだけずれた位置
に設定している。言い換えると、読み出し信号のS/N
比を上げるためにΔVgのオフセット電圧をゲート電極
14に印加することになる。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of setting the gate bias (voltage applied to the gate electrode 13) ΔVg at the time of reading in the present embodiment. The source-drain current Ids of the ferroelectric FET as already described with reference to FIG.
Of the gate bias Vg at which the difference in read current between the state of data "1" and the state of data "0" becomes substantially the maximum value ΔI2, ΔV
g. Here, in the present embodiment, the gate voltage Vg at the time of reading is set to a position shifted from 0 by ΔVg. In other words, the S / N of the read signal
An offset voltage of ΔVg is applied to the gate electrode 14 to increase the ratio.

【0044】−ディスターブ現象− しかし、この方法によると、読み出し動作時には、強誘
電体FETのゲート電極14に必ずオフセット電圧ΔV
gが印加されることになる。たとえば正のオフセット電
圧ΔVgをゲート電極に印加すると、残留分極が下向き
(データ“1”の状態)である場合は、残留分極の方向
がゲートバイアスの電界によって誘起される分極方向に
一致するので、その分極状態はゲートバイアスによる影
響は受けない。しかし、残留分極が上向き(データ
“0”の状態)のときには、残留分極の方向とゲートバ
イアスの電界によって誘起される分極の方向とが逆にな
るので、ゲート電極へのオフセット電圧ΔVgの印加に
よって、強誘電体膜中の残留分極は少し弱くなる。さら
に、読み出し動作を繰り返すと、ゲート電極にオフセッ
ト電圧ΔVgを印加する毎に少しづつ強誘電体膜中の残
留分極が弱くなり、最終的には、図9(c)に示すよう
に、強誘電体膜中の残留分極がほぼゼロになる。このよ
うに、残留分極を弱める方向の電界を与える電圧をゲー
ト電圧に繰り返し印加することによってデータが消失し
ていく現象をディスターブ現象という。
However, according to this method, the offset voltage ΔV is always applied to the gate electrode 14 of the ferroelectric FET during the read operation.
g will be applied. For example, when a positive offset voltage ΔVg is applied to the gate electrode, if the remanent polarization is downward (the state of data “1”), the direction of the remanent polarization matches the polarization direction induced by the electric field of the gate bias. The polarization state is not affected by the gate bias. However, when the remanent polarization is upward (data "0" state), the direction of the remanent polarization is opposite to the direction of the polarization induced by the electric field of the gate bias, and therefore, the offset voltage ΔVg is applied to the gate electrode. The remanent polarization in the ferroelectric film is slightly weakened. Further, when the read operation is repeated, each time the offset voltage ΔVg is applied to the gate electrode, the residual polarization in the ferroelectric film gradually weakens, and finally, as shown in FIG. The remanent polarization in the body membrane becomes almost zero. A phenomenon in which data is lost by repeatedly applying a voltage that gives an electric field in the direction of weakening the remanent polarization to the gate voltage is called a disturb phenomenon.

【0045】図11は、このディスターブ現象を説明す
るためのヒステリシス特性図である。図11において、
縦軸は下向きの分極を正方向として表された分極の強さ
を表し、横軸はゲート電極に印加する電圧(ゲートバイ
アス)を表している。同図に示すように、初期状態で
は、下向き(データ“1”の状態)の分極状態はヒステリ
シス曲線中のA点にあり、上向き(データ“0”の状態)
の分極状態はB点にある。分極状態がA点又はB点にあ
る強誘電体膜のゲート電極114に正のゲートバイアス
を印加すると、以下のような挙動を示す。分極状態がA
点にある場合は、ゲートバイアスが抗電圧より小さくて
も、分極状態がヒステリシス曲線に沿ってA点からA’
点に移動し、その後、読み出しが終了してゲートバイア
スがゼロに戻ると、A’点にある分極状態はふたたびA
点に戻る。一方、分極状態がB点にある場合は、ゲート
バイアスが抗電圧より小さくても、分極状態がヒステリ
シス曲線に沿ってB点からB’点に移動し、その後、読
み出しが終了してゲートバイアスがゼロに戻っても、
B’点にある分極状態はB点にはもはや戻らず、B”点
に移動する。つまり、上向きの分極はゲート電極にオフ
セット電圧ΔVg(ゲートバイアス)を印加することに
よって少し小さくなる。したがって、読み出し動作を繰
り返すと、図11の点線に示すように、上向きの分極は
だんだん小さくなり、最終的にはほぼ消失する。
FIG. 11 is a hysteresis characteristic diagram for explaining the disturb phenomenon. In FIG.
The vertical axis represents the intensity of polarization expressed with the downward polarization as the positive direction, and the horizontal axis represents the voltage (gate bias) applied to the gate electrode. As shown in the figure, in the initial state, the downward polarization state (the state of data “1”) is at point A in the hysteresis curve, and the polarization state is upward (the state of data “0”).
Is at point B. When a positive gate bias is applied to the gate electrode 114 of the ferroelectric film whose polarization state is at the point A or B, the following behavior is exhibited. Polarization state is A
At the point, even if the gate bias is smaller than the coercive voltage, the polarization state changes from point A to A ′ along the hysteresis curve.
When the read operation is completed and the gate bias returns to zero, the polarization state at point A 'is changed to A
Return to the point. On the other hand, when the polarization state is at point B, even if the gate bias is smaller than the coercive voltage, the polarization state moves from point B to point B 'along the hysteresis curve. Even if it returns to zero,
The polarization state at point B 'no longer returns to point B but moves to point B ". That is, the upward polarization is slightly reduced by applying an offset voltage ΔVg (gate bias) to the gate electrode. When the read operation is repeated, the upward polarization gradually decreases and eventually disappears almost as shown by the dotted line in FIG.

【0046】そして、ディスターブ現象によって分極が
消失してゆくと、従来の強誘電体FETにおいては、デ
ータ“0”を保持していた強誘電体FETのチャネル領
域のポテンシャルは、図9(c)に示すように、データ
“1”のポテンシャルに近づくように変化するため、デ
ータ“0”の状態に対応するソース・ドレイン間電流I
dsがその初期値から次第に変化していくという読み出し
回路の設計上好ましくない現象を呈する。
When the polarization disappears due to the disturb phenomenon, in the conventional ferroelectric FET, the potential of the channel region of the ferroelectric FET holding data "0" is changed to the level shown in FIG. As shown in FIG. 7, since the potential changes so as to approach the potential of data “1”, the source-drain current I corresponding to the state of data “0” is changed.
This leads to a phenomenon that ds gradually changes from its initial value, which is undesirable in the design of the readout circuit.

【0047】−読み出し方法− 一方、本実施形態においては、強誘電体FETを読み出
す際に、強誘電体膜13に下向きの分極を与える方向の
オフセット電圧ΔVgをゲート電極14に印加するよう
にしているので、データを読み出す際におけるチャネル
領域17の表面付近におけるポテンシャルは、従来の強
誘電体FETとは、以下に説明するように異なってい
る。
-Reading Method- On the other hand, in the present embodiment, when reading out the ferroelectric FET, an offset voltage ΔVg in a direction for giving a downward polarization to the ferroelectric film 13 is applied to the gate electrode 14. Therefore, the potential near the surface of the channel region 17 when reading data is different from that of the conventional ferroelectric FET as described below.

【0048】図3(a),(b),(c)は、それぞれ
順に、強誘電体膜13中における残留分極が下向き,上
向き及びほぼ0の時のゲート電極14,強誘電体膜1
3,シリコン酸化膜12及びチャネル領域17を通過す
る断面に生じる読み出し時のエネルギーバンド状態を示
すエネルギーバンド図である。図3(a)〜(c)にお
いては、シリコン基板11をP型基板とし、ソース領域
15およびドレイン領域16をN型半導体領域としてい
る。図3(a),(b)中の矢印は強誘電体の残留分極
の方向を表す。
FIGS. 3A, 3B and 3C respectively show the gate electrode 14 and the ferroelectric film 1 when the remanent polarization in the ferroelectric film 13 is downward, upward and almost zero.
FIG. 3 is an energy band diagram showing an energy band state at the time of reading which occurs in a cross section passing through the silicon oxide film 12 and the channel region 17. 3A to 3C, the silicon substrate 11 is a P-type substrate, and the source region 15 and the drain region 16 are N-type semiconductor regions. The arrows in FIGS. 3A and 3B indicate the directions of remanent polarization of the ferroelectric.

【0049】本実施形態においても、強誘電体膜13に
分極を生じさせる手順は、従来技術と変わらないので、
ゲート電極14に電圧を印加しない状態では、ゲート電
極14,強誘電体膜13,シリコン酸化膜12及びチャ
ネル領域17を通過する断面におけるエネルギーバンド
状態は、図9(a)〜(c)に示すとおりである。
Also in the present embodiment, the procedure for causing polarization in the ferroelectric film 13 is the same as that in the prior art.
When no voltage is applied to the gate electrode 14, the energy band states in the cross section passing through the gate electrode 14, the ferroelectric film 13, the silicon oxide film 12, and the channel region 17 are shown in FIGS. It is as follows.

【0050】一方、データの読み出し時には、図1に示
す構造を有する強誘電体FETにおいて、シリコン基板
11に対してゲート電極14にオフセット電圧ΔVgを
印加する。このとき、ゲート電極14とシリコン基板1
1との間の強誘電体膜13及びシリコン酸化膜12に
は、ゲート電極14とシリコン基板11との電位差ΔV
gがある比率で配分される。
On the other hand, at the time of data reading, an offset voltage ΔVg is applied to the gate electrode 14 with respect to the silicon substrate 11 in the ferroelectric FET having the structure shown in FIG. At this time, the gate electrode 14 and the silicon substrate 1
1, the ferroelectric film 13 and the silicon oxide film 12 have a potential difference ΔV between the gate electrode 14 and the silicon substrate 11.
g is distributed in a certain ratio.

【0051】そして、図3(a)に示すように、残留分
極が下向き(データ“1”の状態)のときには、ゲート
電極14に印加されるオフセット電圧ΔVgによって分
極がさらに強まるので、強誘電体膜13の下端部に誘起
された正極によって、強誘電体膜13,シリコン酸化膜
12及びチャネル領域17のエネルギーバンドが図3
(a)に示すように曲げられる。また、チャネル領域1
7のシリコン酸化膜12との界面付近の領域が強く負イ
オン化して空乏層が基板深くまでひろがり、チャネル領
域17のシリコン酸化膜12との界面付近の領域のポテ
ンシャルが接地電位よりも低くなる。つまり、強い反転
層が形成され、強誘電体FETはオン状態の電流値を示
す。
As shown in FIG. 3A, when the remanent polarization is downward (the state of data "1"), the polarization is further strengthened by the offset voltage .DELTA.Vg applied to the gate electrode 14, so that the ferroelectric Due to the positive electrode induced at the lower end of the film 13, the energy bands of the ferroelectric film 13, the silicon oxide film 12, and the channel region 17 are changed as shown in FIG.
It is bent as shown in FIG. Channel region 1
7, the region near the interface with the silicon oxide film 12 is strongly negatively ionized and the depletion layer spreads deep into the substrate, and the potential of the region near the interface with the silicon oxide film 12 in the channel region 17 becomes lower than the ground potential. That is, a strong inversion layer is formed, and the ferroelectric FET shows a current value in an ON state.

【0052】一方、図3(b)に示すように、残留分極
が上向き(データ“0”の状態)のときには、ゲート電
極14に印加されるオフセット電圧ΔVgによって分極
が弱くなるので、強誘電体膜13に誘起される負極の強
さが減少する。そして、強誘電体膜13,シリコン酸化
膜12及びチャネル領域17のエネルギーバンドが図3
(b)に示すように曲げられ、チャネル領域17のシリ
コン酸化膜12との界面付近の領域のポテンシャルが低
くなるので、チャネル領域17に弱い反転層が形成され
る。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the remanent polarization is upward (the state of data “0”), the polarization is weakened by the offset voltage ΔVg applied to the gate electrode 14, so that the ferroelectric The strength of the negative electrode induced in the film 13 decreases. The energy bands of the ferroelectric film 13, the silicon oxide film 12, and the channel region 17 are shown in FIG.
Since the channel region 17 is bent as shown in FIG. 2B and the potential of the channel region 17 near the interface with the silicon oxide film 12 becomes low, a weak inversion layer is formed in the channel region 17.

【0053】また、図3(c)に示すように、ディスタ
ーブによって残留分極が消失したときには、ゲート電極
14に印加されるオフセット電圧ΔVgによって、強誘
電体膜13,シリコン酸化膜12及びチャネル領域17
のエネルギーバンドが図3(c)に示すように曲げられ
る。このとき、チャネル領域17のシリコン酸化膜12
表面との界面付近の領域における伝導帯端のポテンシャ
ルが下方に曲げられるので、チャネル領域17に図3
(b)に示すよりもやや強い反転層が形成される。
As shown in FIG. 3C, when the remanent polarization disappears due to the disturbance, the ferroelectric film 13, the silicon oxide film 12, and the channel region 17 are caused by the offset voltage ΔVg applied to the gate electrode 14.
Is bent as shown in FIG. 3 (c). At this time, the silicon oxide film 12 in the channel region 17
Since the potential at the conduction band edge in the region near the interface with the surface is bent downward, the channel region 17
An inversion layer that is slightly stronger than that shown in FIG.

【0054】このように、残留分極の向きによってチャ
ネル領域17の表面付近の領域のポテンシャルが相異な
るので、N型半導体領域であるソース領域15とドレイ
ン領域16との間に電位差を与えると、残留分極の向き
によって流れる電流値が相異なることになる。
As described above, since the potential of the region near the surface of the channel region 17 differs depending on the direction of the remanent polarization, when a potential difference is given between the source region 15 and the drain region 16 which are N-type semiconductor regions, The current value flowing differs depending on the direction of polarization.

【0055】すなわち、図3(a)に示す状態をデータ
“1”とすると、この状態においては、強い反転層が形
成されることから、ソース−ドレイン間は低抵抗状態に
あり、図2の点yにおける大電流が流れる。一方、図3
(b)に示す状態をデータ“0”とすると、この状態に
おいては、ソース−ドレイン間は比較的高抵抗の状態に
あることから、図2の点wにおける小さい電流が流れ
る。このようにして、ソース−ドレイン間の電流値を測
定すれば、その電流値の大小によって強誘電体FETが
データ“1”の状態にあるかデータ“0”の状態にある
かを知ることができる。
That is, assuming that the state shown in FIG. 3A is data "1", in this state, a strong inversion layer is formed, so that a low resistance state exists between the source and the drain. A large current at point y flows. On the other hand, FIG.
Assuming that the state shown in (b) is data "0", in this state, since a relatively high resistance state exists between the source and the drain, a small current flows at the point w in FIG. By measuring the current value between the source and the drain in this way, it is possible to know whether the ferroelectric FET is in the data "1" state or the data "0" state depending on the magnitude of the current value. it can.

【0056】また、図3(c)に示す状態では、強誘電
体膜13中の分極がほぼ0になり、図3(b)に示すよ
りもやや強い反転層が形成されることから、図2の点v
における中間的な電流が流れる。この電流値は、点yに
おける電流値よりも十分小さいことから、点wと点vと
における電流値を区別して検知することは比較的容易で
ある。
In the state shown in FIG. 3 (c), the polarization in the ferroelectric film 13 becomes almost 0, and an inversion layer which is slightly stronger than that shown in FIG. 3 (b) is formed. Point 2 of 2
, An intermediate current flows. Since this current value is sufficiently smaller than the current value at the point y, it is relatively easy to distinguish and detect the current values at the points w and v.

【0057】−データの論理値の設定方法− そこで、本実施形態の強誘電体FETを用いた不揮発性
メモリデバイスにおいては、ゲート電極14にオフセッ
ト電圧(ゲートバイアス)ΔVgを印加して読み出しを
行なうとともに、図11に示すヒステリシス特性のディ
スターブによる変化において、分極が上向きの状態(図
3(b)に示す状態)のときの電流値(図2の点wにお
ける電流値)からディスターブによって分極が0になっ
た状態(図3(c)に示す状態)の時の電流値(図2の
点vにおける電流値)までの範囲をデータ“0”と判定
する。具体的には、図2の点vにおける電流値以下の電
流値を示す状態をデータ“0”と判定すればよい。分極
が下向きの状態(図3(a)に示す状態)のときの電流
値(図2の点yにおける電流値)を“1”とすることは
従来とおなじである。
-Method for Setting Data Logic Value- Therefore, in the nonvolatile memory device using the ferroelectric FET of the present embodiment, reading is performed by applying an offset voltage (gate bias) ΔVg to the gate electrode 14. At the same time, in the change due to the disturbance of the hysteresis characteristic shown in FIG. 11, the polarization becomes 0 due to the disturbance from the current value (current value at point w in FIG. 2) when the polarization is upward (the state shown in FIG. 3B). The range up to the current value (the current value at point v in FIG. 2) in the state (state shown in FIG. 3 (c)) is determined as data "0". Specifically, a state indicating a current value equal to or smaller than the current value at point v in FIG. 2 may be determined as data “0”. Setting the current value (current value at the point y in FIG. 2) to “1” when the polarization is in the downward state (state shown in FIG. 3A) is the same as the conventional one.

【0058】表1は、従来の強誘電体FETと、本実施
の形態における強誘電体FETについて、その論理状態
と分極との対応をソース−ドレイン間の抵抗で比較して
示したものである。
Table 1 shows the correspondence between the logic state and the polarization of the conventional ferroelectric FET and the ferroelectric FET according to the present embodiment in terms of the resistance between the source and the drain. .

【0059】[0059]

【表1】 [Table 1]

【0060】表1の本実施形態における強誘電体FE
Tと従来の強誘電体FETとの相違点は、ディスターブ
により分極が消失した状態において、読み出しを行なう
際に、従来の強誘電体FETではチャネル領域107に
弱い反転層しか形成されない(図9(c)参照)のに対
し、本発明の強誘電体FETでは、ゲート電極14に印
加されるオフセット電圧ΔVgによって分極が生じるの
で、チャネル領域17に比較的強い反転層が形成される
(図3(c)参照)という点である。その結果、ディス
ターブにより分極が消失した状態において、従来の強誘
電体FETにおいては、図2の点zから点uに変化した
ときの電流値と、図2の点xにおける電流値とを区別し
て検知しなければならないことになる。しかし、点uと
点xとにおける電流値を区別して検知することは、実際
上困難であり、読み出したデータの論理状態が不明であ
った。それに対し、本実施形態においては、図2の点y
における電流値と点wから点vまでの範囲の電流値とを
区別して検知すればよいので、読み出したデータが2つ
の論理状態のどちらかに明確に対応付けられる。すなわ
ち、本実施形態によれば、ディスターブによって上向き
の分極が消失した状態でも確実な論理状態の判定を行う
ことができる。
Table 1 shows the ferroelectric FE in the present embodiment.
The difference between T and the conventional ferroelectric FET is that when reading is performed in a state where the polarization has disappeared due to the disturbance, only a weak inversion layer is formed in the channel region 107 in the conventional ferroelectric FET (FIG. 9 ( On the other hand, in the ferroelectric FET of the present invention, since the polarization is generated by the offset voltage ΔVg applied to the gate electrode 14, a relatively strong inversion layer is formed in the channel region 17 (FIG. c)). As a result, in a state where the polarization has disappeared due to the disturbance, in the conventional ferroelectric FET, the current value at the time of changing from the point z in FIG. 2 to the point u and the current value at the point x in FIG. It must be detected. However, it is practically difficult to distinguish and detect the current values at the points u and x, and the logical state of the read data is unknown. On the other hand, in the present embodiment, the point y in FIG.
And the current value in the range from the point w to the point v may be detected separately, so that the read data is clearly associated with one of the two logical states. That is, according to the present embodiment, it is possible to reliably determine the logical state even when the upward polarization has disappeared due to the disturbance.

【0061】なお、本実施形態においては、メモリセル
である強誘電FETにおいて、強誘電体膜13に下向き
の残留分極が生じている状態をデータ“1”とし、強誘
電体膜13に上向きの残留分極が生じている状態又は残
留分極がほぼ0の状態をデータ“0”としたが、下向き
の残留分極が生じている状態又は分極がほぼ0の状態を
データ“0”とし、上向きの残留分極が生じている場合
をデータ“1”としてもよい。
In the present embodiment, in the ferroelectric FET which is a memory cell, a state in which a downward remanent polarization occurs in the ferroelectric film 13 is defined as data “1”, A state in which remanent polarization occurs or a state in which remanent polarization is almost 0 is defined as data “0”. A state in which a downward remanent polarization occurs or a state in which polarization is substantially zero is defined as data “0”, and an upward residual state is determined. The case where the polarization occurs may be set to data “1”.

【0062】また、いずれの状態をデータ“0”又はデ
ータ“1”とするかは任意であるので、本実施形態にお
けるメモリセルである強誘電FETにおいて、強誘電体
膜13に下向きの残留分極が生じている状態をデータ
“0”とし、強誘電体膜13に上向きの残留分極が生じ
ている状態又は残留分極がほぼ0の状態をデータ“1”
としてもよいことは言うまでもない。
Further, since it is arbitrary which state is set to data “0” or data “1”, in the ferroelectric FET which is the memory cell in the present embodiment, the downward residual polarization is applied to the ferroelectric film 13. Is defined as data "0", and a state in which upward remanent polarization occurs in the ferroelectric film 13 or a state in which remanent polarization is substantially zero is data "1".
Needless to say, this may be done.

【0063】なお、シリコン酸化膜12は必ずしもなく
てもよい。
The silicon oxide film 12 is not always required.

【0064】また、表1の(本実施形態)に示すよう
に、ビルトインポテンシャルを適宜調整することによ
り、残留分極が上向き又は消失した状態ではゲート電極
14にバイアス電圧を印加しても強誘電体FETのソー
ス・ドレイン間電流Idsが流れず(オフ状態)、残留分
極が下向きのときのみ電流が流れる(オン状態)ように
調整することも可能である。この場合にも、従来の方法
とは異なり、データの読み出し時において、分極が下向
きの状態(データ“1”)のときには電流Idsを大きく
確保することができるので、分極がゼロ又は上向きの状
態(データ“0”のときの電流(ゼロ)との区別が曖昧
になることはない。 (第2の実施形態)図4は、本発明の第2の実施形態に
おける半導体記憶装置のメモリセルの断面図である。本
実施形態における半導体記憶装置のメモリセルは、いゆ
わるMFMIS構造を有する強誘電体FETと考えられ
る。
Further, as shown in Table 1 (this embodiment), by appropriately adjusting the built-in potential, even when a bias voltage is applied to the gate electrode 14 when the remanent polarization is upward or disappears, the ferroelectric It is also possible to adjust so that the current Ids between the source and the drain of the FET does not flow (OFF state) and the current flows only when the remanent polarization is downward (ON state). Also in this case, unlike the conventional method, when reading data, when the polarization is in the downward state (data "1"), a large current Ids can be ensured, so that the polarization is zero or in the upward state (data "1"). The distinction from the current (zero) at the time of data “0” will not be obscured (Second Embodiment) Fig. 4 is a sectional view of a memory cell of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention. The memory cell of the semiconductor memory device according to the present embodiment is considered to be a ferroelectric FET having any MFMIS structure.

【0065】強誘電体FETは、P型のシリコン基板1
1の上に設けられたシリコン酸化膜12(ゲート絶縁
膜)と、シリコン酸化膜12の上に設けられたポリシリ
コンなどの導体材料からなる第1中間ゲート電極18
と、シリコン基板11内における第1中間ゲート電極1
8の両側方にそれぞれ設けられたN型のソース領域15
及びドレイン領域16とを備えている。そして、シリコ
ン基板11のうちシリコン酸化膜12の下方に位置する
領域がチャネル領域17となっている。また、Ptなど
からなる第2中間ゲート電極21と、第2中間ゲート電
極21の上に設けられたジルコン−チタン酸鉛(PZ
T)またはタンタル酸ビスマスストロンチウム(SB
T)などの金属酸化物からなる厚みが約200nmの強
誘電体膜22と、強誘電体膜22を挟んで第2中間ゲー
ト電極21に対向するように設けられたPtなどの導体
材料からなる制御ゲート電極23とを備えている。ま
た、制御ゲート電極23は第1の配線25に接続され、
第1中間ゲート電極18及び第2中間ゲート電極21は
共通の第2の配線26に接続されている。
The ferroelectric FET is a P-type silicon substrate 1
1 and a first intermediate gate electrode 18 made of a conductive material such as polysilicon provided on the silicon oxide film 12.
And the first intermediate gate electrode 1 in the silicon substrate 11
N-type source regions 15 provided on both sides of
And a drain region 16. A region of the silicon substrate 11 below the silicon oxide film 12 is a channel region 17. Further, a second intermediate gate electrode 21 made of Pt or the like and a zircon-lead titanate (PZ) provided on the second intermediate gate electrode 21 are provided.
T) or bismuth strontium tantalate (SB
T), a ferroelectric film 22 having a thickness of about 200 nm made of a metal oxide, and a conductive material such as Pt provided so as to face the second intermediate gate electrode 21 with the ferroelectric film 22 interposed therebetween. And a control gate electrode 23. Further, the control gate electrode 23 is connected to the first wiring 25,
The first intermediate gate electrode 18 and the second intermediate gate electrode 21 are connected to a common second wiring 26.

【0066】この構造は、第1中間ゲート電極18と第
2中間ゲート電極21とを一体として考えると、図1に
示す強誘電体FETにおいて、強誘電体13とシリコン
酸化膜12との間に、中間ゲート電極として第1中間ゲ
ート電極18及び第2中間ゲート電極21を設けたも
の,つまりMFMISFETと捉えることができる。た
だし、第1中間ゲート電極18と第2中間ゲート電極2
1とは一体化されていてもよいし、図4に示すように、
第1中間ゲート電極18と第2中間ゲート電極21とが
個別に設けられていてもよい。
This structure, when the first intermediate gate electrode 18 and the second intermediate gate electrode 21 are considered as a single unit, has a structure between the ferroelectric 13 and the silicon oxide film 12 in the ferroelectric FET shown in FIG. The first and second intermediate gate electrodes 18 and 21 are provided as intermediate gate electrodes, that is, an MFMISFET. However, the first intermediate gate electrode 18 and the second intermediate gate electrode 2
1 may be integrated, or as shown in FIG.
The first intermediate gate electrode 18 and the second intermediate gate electrode 21 may be provided separately.

【0067】ここで、強誘電体膜22の材料がSBT
で、膜厚が約200nmとした場合、強誘電体膜22の
抗電圧はおよそ1Vとなる。
Here, the material of the ferroelectric film 22 is SBT.
When the film thickness is about 200 nm, the coercive voltage of the ferroelectric film 22 is about 1V.

【0068】第1の実施形態の強誘電体FETと比較し
て、本実施形態の強誘電体FETの構造上の特徴は、本
実施形態においては、強誘電体膜22の分極状態を変化
させるために必要な電圧を、制御ゲート電極23に接続
された第1の配線25と第2中間ゲート電極21に接続
された第2の配線26とによって直接印加できるように
構成されている点と、第1中間ゲート電極18の電位
を、読み出し動作前に第2の配線26によって確定でき
るように構成されている点にある。
As compared with the ferroelectric FET of the first embodiment, the structural feature of the ferroelectric FET of the present embodiment is that the polarization state of the ferroelectric film 22 is changed in the present embodiment. And the second wiring 26 connected to the second intermediate gate electrode 21 and the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23 so as to directly apply the necessary voltage. The configuration is such that the potential of the first intermediate gate electrode 18 can be determined by the second wiring 26 before the read operation.

【0069】また、第1の実施形態の強誘電体FETで
ある強誘電体FETと比較して、本実施形態の強誘電体
FETの動作上の特徴は、本実施形態においては、デー
タの書き込みにおいて、強誘電体膜22に下向きの残留
分極(データ“1”)を生じさせるように書き込むとき
と、強誘電体膜22に上向きの残留分極(データ
“0”)を生じさせるように書き込むときとでは、それ
ぞれ強誘電体膜22に印加される電圧の絶対値が異なる
点にある。
Further, as compared with the ferroelectric FET which is the ferroelectric FET of the first embodiment, the feature of the operation of the ferroelectric FET of the present embodiment is that, in the present embodiment, data writing is performed. At the time of writing to cause a downward remanent polarization (data "1") in the ferroelectric film 22, and at the time of writing to cause an upward remanent polarization (data "0") to the ferroelectric film 22. Is that the absolute value of the voltage applied to the ferroelectric film 22 is different.

【0070】本実施形態においては、強誘電体FETに
おけるエネルギーバンド構造の図示は省略するが、図4
に示す構造において第1中間ゲート電極18と第2中間
ゲート電極21とが一体化されているものとすると、図
3(a)〜(c)に示すエネルギーバンド図において、
強誘電体膜13−シリコン酸化膜12間に導体部材を介
在させたものにすぎないので、データの読み出し動作は
第1の実施形態と同様に考えることができる。ただし、
強誘電体膜22の分極を生じさせる際には、制御ゲート
電極23−第2中間ゲート電極21間に電圧を印加する
点が第1の実施形態とは異なる。
In this embodiment, although the illustration of the energy band structure in the ferroelectric FET is omitted, FIG.
Assuming that the first intermediate gate electrode 18 and the second intermediate gate electrode 21 are integrated in the structure shown in FIG. 3, in the energy band diagrams shown in FIGS.
Since only a conductor member is interposed between the ferroelectric film 13 and the silicon oxide film 12, the data read operation can be considered in the same manner as in the first embodiment. However,
The difference from the first embodiment is that a voltage is applied between the control gate electrode 23 and the second intermediate gate electrode 21 when the polarization of the ferroelectric film 22 is caused.

【0071】図5は、本実施形態におけるデータの書き
込み動作を電圧−分極座標上で説明するためのヒステリ
シス特性図である。図5において、横軸は制御ゲート2
3−第2中間ゲート電極21間に印加する電圧を表し、
縦軸は、強誘電体膜22に生じる分極を下向き方向を正
として表している。なお、以下の説明においては、シリ
コン基板11の電位は常に接地電位であるとしている。
FIG. 5 is a hysteresis characteristic diagram for describing the data write operation in this embodiment on voltage-polarization coordinates. In FIG. 5, the horizontal axis is control gate 2
3 represents a voltage applied between the second intermediate gate electrodes 21;
The vertical axis represents the polarization generated in the ferroelectric film 22 with the downward direction being positive. In the following description, it is assumed that the potential of the silicon substrate 11 is always the ground potential.

【0072】図5に示すように、データが書き込まれる
前の強誘電体膜22の分極はほぼゼロであるので、分極
状態は原点Oの近傍にある。この強誘電体膜22にデー
タ“1”を書き込むには、たとえば第2中間ゲート電極
21に接続された第2の配線26を接地電位とし、制御
ゲート電極23に接続された第1の配線25に3Vの電
圧を印加すると、分極状態は原点Oから点a”まで実線
に沿って移動する。そののち、制御ゲート電極23に接
続された第1の配線25を接地電位とすると、分極状態
は点a”から点aに移動し、強誘電体膜22には電圧ゼ
ロの状態で約10μC/cm2 の電荷(残留分極)がデ
ータ“1”として保持される。
As shown in FIG. 5, since the polarization of the ferroelectric film 22 before data is written is almost zero, the polarization state is near the origin O. To write data “1” into the ferroelectric film 22, for example, the second wiring 26 connected to the second intermediate gate electrode 21 is set to the ground potential, and the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23 is set. Is applied along the solid line from the origin O to the point a ″. After that, when the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23 is set to the ground potential, the polarization state changes to The point (a) moves to the point (a), and a charge (residual polarization) of about 10 μC / cm 2 is held as data “1” in the ferroelectric film 22 at zero voltage.

【0073】続いて、データ“1”をデータ“0”に書
き換えるには、制御ゲート電極23に接続された第1の
配線25に、分極状態を飽和状態まで反転させるために
必要な電圧−3Vを印加するのではなく、約−1Vの電
圧を印加する。つまり、本発明では、分極による電荷が
負の飽和状態(約−10μC/cm2 )からほぼ0(約
0μC/cm2 )までをデータ“0”と定義するので、
当初からデータ“0”としての分極をおよそ0μC/c
2 に設定できれば十分である。そこで、制御ゲート電
極23に接続された第1の配線25に電圧約−1Vを印
加すると、図5に示す軌跡のように、分極状態は点aか
ら点b’まで移動する。この動作は、制御ゲート電極2
3に接続された第1の配線25を接地電位とし、第2中
間ゲート電極21に接続された第2の配線26に電圧1
Vを与えることによっても実現される。そののち、制御
ゲート電極23に接続された第1の配線25を接地電位
とすると、分極状態は点b’から点bに移動し、電圧ゼ
ロの状態で強誘電体膜22には約0μC/cm2 の電荷
がデータ“0”として保持される。
Subsequently, in order to rewrite data “1” to data “0”, the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23 needs to have a voltage of −3 V necessary for inverting the polarization state to the saturation state. Is applied, a voltage of about -1 V is applied. That is, in the present invention, since the charge due to polarization is defined from negative saturation state (about -10 C / cm 2) to about 0 (about 0μC / cm 2) and the data "0",
From the beginning, the polarization as data “0” is about 0 μC / c.
It is enough if it can be set to m 2 . Then, when a voltage of about -1 V is applied to the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23, the polarization state moves from the point a to the point b 'as shown by the locus shown in FIG. This operation is performed by the control gate electrode 2
3 is set to the ground potential, and the second wiring 26 connected to the second intermediate gate electrode 21 is supplied with the voltage 1
It is also realized by giving V. After that, when the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23 is set to the ground potential, the polarization state moves from the point b ′ to the point b, and the ferroelectric film 22 has about 0 μC / The charge of cm 2 is held as data “0”.

【0074】つまり、本実施形態においては、正の残留
分極が生じている強誘電体膜22に負の電圧を印加した
後負の電圧を解除した時に強誘電体膜22に生じる分極
(残留分極)がほぼ0になるとすると、上記負の電圧
(抗電圧)にほぼ等しい電圧を印加して、データを
“1”から“0”に書き換えることになる。
That is, in the present embodiment, the polarization (residual polarization) generated in the ferroelectric film 22 when the negative voltage is released after the negative voltage is applied to the ferroelectric film 22 in which the positive residual polarization is generated. ) Becomes substantially 0, a voltage substantially equal to the negative voltage (coercive voltage) is applied to rewrite data from “1” to “0”.

【0075】ただし、第2中間ゲート電極21−制御ゲ
ート電極23間に抗電圧(本実施形態においては、−1
V)より絶対値が大きく、かつ、飽和状態に達しない弱
い負の電圧を印加しても、後述する読み出し精度の向上
効果をある程度発揮することができる。
However, the coercive voltage between the second intermediate gate electrode 21 and the control gate electrode 23 (in this embodiment, -1
Even if a weak negative voltage having an absolute value larger than V) and not reaching the saturation state is applied, the effect of improving the reading accuracy described later can be exerted to some extent.

【0076】また、強誘電体膜22にデータが書き込ま
れていない状態から強誘電体膜22にデータ“0”を書
き込む場合にも、図5に示す抗電圧(約−1V)を強誘
電体膜22に印加することが好ましい。
Also, when data "0" is written to the ferroelectric film 22 from a state where no data is written to the ferroelectric film 22, the coercive voltage (about -1 V) shown in FIG. Preferably, it is applied to the film 22.

【0077】データを書き込んだ後は、第2中間ゲート
電極21に接続された第2の配線26を接地電位とし、
これにつながる第1中間ゲート電極18の電位を確定す
る。つづいて、スイッチングトランジスタなどを利用し
て、第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線2
6を周辺回路(図示せず)から電気的に遮断する。
After writing the data, the second wiring 26 connected to the second intermediate gate electrode 21 is set to the ground potential,
The potential of the first intermediate gate electrode 18 that leads to this is determined. Subsequently, the second wiring 2 connected to the second intermediate gate electrode 21 using a switching transistor or the like.
6 is electrically disconnected from peripheral circuits (not shown).

【0078】あるいは、データの読み出しの直前に、ま
ず、第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線2
6を接地電位とし、これにつながる第1中間ゲート電極
18の電位を確定する。これは、この読み出しまでに実
行された書き込みおよび読み出しの動作あるいは静止状
態で漏れ電流などとして第1中間ゲート電極18に蓄積
された不要な電荷を除去するためである。つづいて、ス
イッチングトランジスタなどを利用して、第2中間ゲー
ト電極21に接続された第2の配線26を周辺回路(図
示せず)から電気的に遮断する。その後、データを読み
出すために、制御ゲート電極23に接続された第1の配
線25に、第1の実施形態で説明したオフセット電圧Δ
Vgに相当する読み出し電圧VRを印加する。この読み
出し電圧VRは、強誘電体膜22に印加される電圧とシ
リコン酸化膜12に印加される電圧とに分割される。こ
のとき、強誘電体膜22の分極が下向き(データ
“1”)の場合は、強誘電体膜22に印加される電圧に
よって生じる分極の方向と、保持されている分極(電
荷)の方向とは一致しているので、第1の実施形態にお
いて説明したように、読み出し電圧VRを除去しても分
極の向きや大きさは変わらない。
Alternatively, immediately before reading the data, first, the second wiring 2 connected to the second intermediate gate electrode 21
6 is set to the ground potential, and the potential of the first intermediate gate electrode 18 connected thereto is determined. This is to remove unnecessary electric charges accumulated in the first intermediate gate electrode 18 as a leakage current or the like in the writing and reading operations performed up to the reading or in a stationary state. Subsequently, the second wiring 26 connected to the second intermediate gate electrode 21 is electrically disconnected from a peripheral circuit (not shown) by using a switching transistor or the like. Thereafter, in order to read data, the offset voltage Δ described in the first embodiment is applied to the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23.
A read voltage VR corresponding to Vg is applied. This read voltage VR is divided into a voltage applied to the ferroelectric film 22 and a voltage applied to the silicon oxide film 12. At this time, when the polarization of the ferroelectric film 22 is downward (data “1”), the direction of the polarization generated by the voltage applied to the ferroelectric film 22 and the direction of the held polarization (charge) are determined. Are the same, as described in the first embodiment, the direction and magnitude of the polarization do not change even if the read voltage VR is removed.

【0079】一方、強誘電体膜22の分極が上向き(デ
ータ“0”)の場合は、第1の実施形態の書き込み方法
によると、強誘電体膜22に印加される電圧によって生
じる分極の方向と、保持されている分極(電荷)の方向
とが逆なので、読み出し電圧VRの印加によって強誘電
体膜22はディスターブを受ける。その結果、ディスタ
ーブによって分極が消失してゆき、これにともなってデ
ータ“0”に対するソース−ドレイン間電流Idsが変化
する。
On the other hand, when the polarization of the ferroelectric film 22 is upward (data “0”), according to the writing method of the first embodiment, the direction of the polarization generated by the voltage applied to the ferroelectric film 22 And the direction of the held polarization (charge) is opposite, the ferroelectric film 22 is disturbed by application of the read voltage VR. As a result, the polarization gradually disappears due to the disturbance, and the source-drain current Ids for data "0" changes accordingly.

【0080】しかし、本実施形態の書き込み方法におい
ては、当初から分極が約0μC/cm2 の状態がデータ
“0”として保持されている。さらに、本実施形態で
は、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25に
印加される読み出し電圧VRは、強誘電体膜22にかか
る電圧が抗電圧を超えないように設定するので、ディス
ターブによって分極が消失してゆくことはなく、また、
データ“0”の状態がデータ“1”へと反転してしまう
こともない。したがって、データ“0”を繰り返して読
み出しても、ソース−ドレイン間電流Idsは変化しない
ことになる。具体的には、強誘電体膜22に印加される
電圧とシリコン酸化膜12に印加される電圧との比は、
第2中間ゲート電極21,強誘電体膜22及び制御ゲー
ト電極23により構成されるキャパシタの容量と、第1
中間ゲート電極18,シリコン酸化膜12およびシリコ
ン基板11により構成されるキャパシタの容量との比に
よって決まる。この容量比と読み出し電圧VRとを調整
することにより、データ読み出し時に強誘電体膜22に
印加される電圧を強誘電体膜22中の分極の抗電圧以下
にできる。
However, in the writing method of this embodiment, the state where the polarization is about 0 μC / cm 2 is held as data “0” from the beginning. Further, in the present embodiment, the read voltage VR applied to the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23 is set so that the voltage applied to the ferroelectric film 22 does not exceed the coercive voltage. The polarization does not disappear due to
The state of data "0" does not reverse to data "1". Therefore, even if data "0" is repeatedly read, the source-drain current Ids does not change. Specifically, the ratio between the voltage applied to the ferroelectric film 22 and the voltage applied to the silicon oxide film 12 is:
The capacitance of the capacitor formed by the second intermediate gate electrode 21, the ferroelectric film 22, and the control gate electrode 23;
It is determined by the ratio to the capacitance of the capacitor formed by the intermediate gate electrode 18, the silicon oxide film 12, and the silicon substrate 11. By adjusting the capacitance ratio and the read voltage VR, the voltage applied to the ferroelectric film 22 during data reading can be made equal to or lower than the coercive voltage of the polarization in the ferroelectric film 22.

【0081】そして、データの保存状態においては、こ
れに先立つデータ書き込み動作の最後の段階で、制御ゲ
ート電極23に接続された第1の配線25と第2中間ゲ
ート電極21に接続された第2の配線26とを共に接地
することにより、強誘電体膜22に印加するバイアスを
ゼロとする。これにより、データ保持中にバイアスの影
響を受けて分極が変化することはなくなる。
In the data storage state, the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23 and the second wiring 25 connected to the second intermediate gate electrode 21 are arranged at the last stage of the data writing operation. And the wiring 26 are grounded, thereby making the bias applied to the ferroelectric film 22 zero. As a result, the polarization does not change under the influence of the bias during data retention.

【0082】よって、本発明によると、データ“1”を
残留分極が下向きにある状態に対応させ、データ“0”
を残留分極が上向きの飽和状態に達しない範囲に対応さ
せて、データの書き込み,書き換え,保存及び読み出し
を行なっているので、データ“0”のときのディスター
ブに起因する読み出し電流の変化を小さくすることがで
き、読み出し精度の向上を図ることができる。
Thus, according to the present invention, data "1" is made to correspond to the state where the remanent polarization is downward, and data "0" is made.
Are written, rewritten, stored, and read in accordance with the range in which the remanent polarization does not reach the upward saturated state, so that the change in the read current due to the disturbance when the data is "0" is reduced. And the reading accuracy can be improved.

【0083】特に、本実施形態のごとく、データ“0”
を分極がほぼ0の状態に対応させることにより、読み出
し精度の向上効果を顕著に発揮することができる。
In particular, as in the present embodiment, data "0"
Corresponds to the state where the polarization is almost 0, so that the effect of improving the reading accuracy can be remarkably exhibited.

【0084】なお、本実施形態においては、データ
“0”のときに分極がほぼ0にするような書き込み,書
き換えを行なうようにしたが、本発明はかかる実施形態
に限定されるものではなく、データ“1”のときに分極
がほぼ0になるように設定することもできる。
In the present embodiment, writing and rewriting are performed so that the polarization becomes almost 0 when data is "0". However, the present invention is not limited to such an embodiment. It is also possible to set the polarization to be almost 0 when the data is "1".

【0085】なお、本実施形態においては、MFMIS
構造の強誘電体FETに本発明を適用したが、図1に示
すMFIS構造の強誘電体FETに本発明を適用して
も、同じ効果を発揮することができる。
In this embodiment, the MFMIS
Although the present invention is applied to the ferroelectric FET having the structure, the same effect can be exerted by applying the present invention to the ferroelectric FET having the MFIS structure shown in FIG.

【0086】また、本実施形態においては、第1中間ゲ
ート電極18,シリコン酸化膜12及びシリコン基板1
1によって構成される常誘電体キャパシタの容量値は変
わらないが、制御ゲート電極23,強誘電体膜22及び
第2中間ゲート電極21によって構成される強誘電体キ
ャパシタの容量値は、図5に示す点aの位置と点bの位
置とでは変わっている。つまり、キャパシタの容量値
は、ヒステリシス特性曲線上の傾きに相当するからであ
る。また、制御ゲート電極23−シリコン基板11間に
印加される電圧は、常誘電体キャパシタと強誘電体キャ
パシタとに分配される。したがって、強誘電体キャパシ
タの容量値が大きいほど、制御ゲート電極23−シリコ
ン基板11間に印加される電圧の強誘電体キャパシタへ
の分配率が小さくなる。このように、強誘電体キャパシ
タの容量値の変化に応じて、制御ゲート電極23に印加
された電圧値の分配割合が変化することから、電流値が
変化し、データの区別がより容易になる。
In this embodiment, the first intermediate gate electrode 18, the silicon oxide film 12, and the silicon substrate 1
1, the capacitance value of the ferroelectric capacitor composed of the control gate electrode 23, the ferroelectric film 22 and the second intermediate gate electrode 21 is the same as that of FIG. The position of point a and the position of point b are different. That is, the capacitance value of the capacitor corresponds to the slope on the hysteresis characteristic curve. The voltage applied between the control gate electrode 23 and the silicon substrate 11 is distributed to the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor. Therefore, as the capacitance value of the ferroelectric capacitor increases, the distribution ratio of the voltage applied between the control gate electrode 23 and the silicon substrate 11 to the ferroelectric capacitor decreases. As described above, since the distribution ratio of the voltage value applied to the control gate electrode 23 changes in accordance with the change in the capacitance value of the ferroelectric capacitor, the current value changes and the data can be more easily distinguished. .

【0087】(第3の実施形態)次に、インプリントを
防止するための構成に関する第3の実施形態について説
明する。
(Third Embodiment) Next, a third embodiment relating to a configuration for preventing imprint will be described.

【0088】上記第2の実施形態により、ディスターブ
に起因する読み出し時のバイアスの変化を抑制すること
ができるが、従来技術において説明したように、インプ
リントにより、長期間保持した後読み出されたソース−
ドレイン間電流Idsのレベルが初期のそれと異なること
を防止することは困難である。
According to the second embodiment, a change in bias at the time of reading due to disturbance can be suppressed. However, as described in the prior art, reading is performed after holding for a long time by imprinting. Source-
It is difficult to prevent the level of the drain-to-drain current Ids from being different from the initial level.

【0089】そこで、本実施形態では、強誘電体膜22
の分極状態が図5に示す点a(データ“1”)であるよ
うに一旦書き込み、この分極状態において、予め強制的
にデータ“1”のインプリントを誘起する。したがっ
て、従来の半導体記憶装置の製造方法に対する本実施形
態の半導体記憶装置の特徴は、通常の半導体記憶装置の
製造工程において、データ“1”を書き込んだ後、イン
プリントを誘起する工程を付加していることにある。
Therefore, in this embodiment, the ferroelectric film 22
Are written once so that the polarization state of the data is point a (data "1") shown in FIG. 5, and in this polarization state, imprint of data "1" is forcibly induced in advance. Therefore, a feature of the semiconductor memory device of the present embodiment with respect to the conventional method of manufacturing a semiconductor memory device is that, in a normal semiconductor memory device manufacturing process, a step of inducing an imprint after writing data “1” is added. Is to be.

【0090】図6は、本実施形態における半導体記憶装
置の強誘電体FET(図4参照)の製造工程の一例を示
すフローチャート図である。
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a manufacturing process of the ferroelectric FET (see FIG. 4) of the semiconductor memory device according to the present embodiment.

【0091】まず、ステップST11で、ウェハ拡散工
程を行なう。この工程においては、シリコン酸化膜1
2,第1中間ゲート電極18の形成、シリコン基板11
への不純物のイオン注入によるソース領域15及びドレ
イン領域16の形成、第1中間ゲート電極18上への第
2中間ゲート電極21,強誘電体膜22,制御ゲート電
極23の形成、層間絶縁膜(図示せず)上への配線2
5,26の形成を行なう。
First, in step ST11, a wafer diffusion step is performed. In this step, the silicon oxide film 1
2. Formation of first intermediate gate electrode 18, silicon substrate 11
Formation of the source region 15 and the drain region 16 by ion implantation of impurities into the first intermediate gate electrode 18, formation of the second intermediate gate electrode 21, the ferroelectric film 22, and the control gate electrode 23 on the first intermediate gate electrode 18; Wiring 2 above (not shown)
5 and 26 are formed.

【0092】次に、ステップST12で、強誘電体FE
Tの強誘電体膜の電気的機能を検査する。この工程で
は、強誘電体膜22の電圧−分極特性などの諸特性が適
正か否かを検査する。
Next, in step ST12, the ferroelectric FE
Inspect the electrical function of the T ferroelectric film. In this step, it is checked whether or not various characteristics of the ferroelectric film 22 such as voltage-polarization characteristics are appropriate.

【0093】次に、ステップST13で、すべての強誘
電体FETにデータ“1”を書き込む。つまり、強誘電
体膜22に下向きの分極を生じさせる。しかるのち、強
誘電体FETの強誘電体膜22を加熱することにより、
データ“1”の方向にインプリントを誘起する。このと
き、たとえば150℃で約10時間の加熱を実施する
と、強誘電体膜22のヒステリシス曲線は、当初データ
“1”の方向,つまり下向きの分極が大きくなる方向に
偏位する(つまり、インプリントが誘起される)が、あ
る時点からこの偏位がほぼ停止する。すなわち、それ以
上のインプリントの進行は極めて少ない。
Next, in step ST13, data "1" is written to all the ferroelectric FETs. That is, downward polarization is caused in the ferroelectric film 22. Thereafter, by heating the ferroelectric film 22 of the ferroelectric FET,
Imprint is induced in the direction of data "1". At this time, if heating is performed at 150 ° C. for about 10 hours, for example, the hysteresis curve of the ferroelectric film 22 is initially displaced in the direction of data “1”, that is, in the direction in which the downward polarization increases (that is, in (Printing is induced), but from some point this deviation almost stops. In other words, further progress of imprint is extremely small.

【0094】図7は、ステップST13における強誘電
体膜22のヒステリシス特性の変化を示すヒステリシス
特性図である。図7において、横軸は制御ゲート電極2
3−第2中間ゲート電極21間に印加する電圧を表し、
縦軸は強誘電体膜22に生じる分極を下向き方向を正と
して表している。同図に示すように、強誘電体膜22の
初期のヒステリシス特性は図中の一点鎖線で表される曲
線であるが、インプリントが誘起されると、強誘電体膜
22のヒステリシス特性は図中の破線で表される曲線に
示される特性に移行する。そして、強誘電体膜22にデ
ータ“1”が保持されている場合には、インプリントが
誘起された後のヒステリシス曲線は、抗電圧(点b’の
電圧値)が初期のヒステリシス特性における抗電圧から
電圧軸方向に約−0.2Vだけ偏位するように変化す
る。そして、強誘電体膜22にインプリントが誘起され
た後も、点aから点a”に向かう曲線の傾きと点bから
点a”に向かう曲線の傾き(すなわち、データ“1”が
書き込まれた強誘電体膜22のキャパシタ容量とデータ
“0”が書き込まれた強誘電体膜22のキャパシタ容
量)との間には十分な差があるので、読み出し電圧VR
を制御ゲート電極に接続された第1の配線25に印加す
れば、第1中間ゲート電極18に誘起される電圧はデー
タ“1”とデータ“0”によって十分な違いが現れる。
つまり、データの読み出し精度を良好に保持することが
できる。
FIG. 7 is a hysteresis characteristic diagram showing a change in the hysteresis characteristic of ferroelectric film 22 in step ST13. In FIG. 7, the horizontal axis is the control gate electrode 2
3 represents a voltage applied between the second intermediate gate electrodes 21;
The vertical axis indicates the polarization generated in the ferroelectric film 22 with the downward direction being positive. As shown in the figure, the initial hysteresis characteristic of the ferroelectric film 22 is a curve represented by a dashed line in the figure, but when imprint is induced, the hysteresis characteristic of the ferroelectric film 22 is reduced. The characteristic shifts to the characteristic indicated by the curve represented by the broken line in FIG. When the data “1” is held in the ferroelectric film 22, the hysteresis curve after the imprint is induced shows that the coercive voltage (the voltage value at the point b ′) is lower than the initial hysteresis characteristic. The voltage changes so as to deviate from the voltage by about -0.2 V in the voltage axis direction. Then, even after the imprint is induced in the ferroelectric film 22, the slope of the curve from point a to point a ″ and the slope of the curve from point b to point a ″ (that is, data “1” is written). Since there is a sufficient difference between the capacitance of the ferroelectric film 22 and the capacitance of the ferroelectric film 22 in which data "0" is written, the read voltage VR
Is applied to the first wiring 25 connected to the control gate electrode, the voltage induced on the first intermediate gate electrode 18 shows a sufficient difference depending on the data “1” and the data “0”.
That is, the data readout accuracy can be kept good.

【0095】次に、ステップST14で、強誘電体膜2
2のベークを行なった後、ステップST15で、すべて
の強誘電体FETのデータ“1”を消去する。この例で
は、すべての強誘電体FETにデータ“0”を書き込む
ことになる。このとき、インプリントの誘起によってヒ
ステリシス曲線が偏位した強誘電体膜22が保持してい
るデータ“1”をデータ“0”に書き換えるには、図7
に示すように、分極状態が点aから点b’まで移動する
ように−1Vよりも絶対値が大きい負の電圧を強誘電体
膜22に印加すればよい。この動作は、制御ゲート電極
23に接続された第1の配線25を接地電位とし、第2
中間ゲート電極21に接続された第2の配線26に1V
以上の電圧を与えることによっても実施できる。また、
強誘電体FETの強誘電体膜22をその強誘電体の相転
移温度以上に加熱することによっても同様の効果が得ら
れる。
Next, in step ST14, the ferroelectric film 2
After the baking of No. 2, the data "1" of all ferroelectric FETs is erased in step ST15. In this example, data "0" is written to all ferroelectric FETs. At this time, in order to rewrite the data “1” held in the ferroelectric film 22 in which the hysteresis curve is deviated due to the induction of imprint to the data “0”, FIG.
As shown in (2), a negative voltage having an absolute value larger than -1 V may be applied to the ferroelectric film 22 so that the polarization state moves from the point a to the point b '. This operation is performed by setting the first wiring 25 connected to the control gate electrode 23 to the ground potential,
1V is applied to the second wiring 26 connected to the intermediate gate electrode 21.
It can also be implemented by applying the above voltage. Also,
A similar effect can be obtained by heating the ferroelectric film 22 of the ferroelectric FET to a temperature higher than the phase transition temperature of the ferroelectric.

【0096】ただし、強誘電体膜22に下向きの分極が
存在する状態のまま、強誘電体FETをメモリセルとし
て使用することも可能である。その場合、強誘電体膜2
2に下向きの分極が残留している状態をデータ“0”と
し、強誘電体膜22に分極がほとんど存在しない状態を
データ“1”とすることができる。
However, it is also possible to use the ferroelectric FET as a memory cell while the ferroelectric film 22 has a downward polarization. In that case, the ferroelectric film 2
2 can be defined as data “0”, and a state in which almost no polarization exists in the ferroelectric film 22 can be defined as data “1”.

【0097】以上のように、データ“1”を保持した状
態で予めインプリントを誘起しておけば、インプリント
によってデータ“1”の読み出し信号のレベルが初期状
態から変化していくことはない。また、データ“0”に
ついては、本実施形態においては分極がほぼゼロの状態
をこれに対応させているので、インプリントは起こりよ
うもない。したがって、本実施形態によれば、データ
“1”およびデータ“0”いずれの状態に対してもイン
プリントの進行はほとんどないので、読み出し信号のレ
ベルが初期の値から変化することはない。また、本実施
形態の強誘電体FETによる効果は、本実施形態の強誘
電体FETをマトリクス状に配置して、強誘電体FET
の制御ゲート電極23をワード線となる第1の配線25
に接続し、強誘電体FETのドレイン領域16をビット
線に接続したメモリセルアレイを構成した場合にも得ら
れる。
As described above, if imprinting is induced in advance while data "1" is held, the level of the read signal of data "1" does not change from the initial state due to imprinting. . Also, for the data “0”, in the present embodiment, the state where the polarization is almost zero corresponds to this, so that imprint is unlikely to occur. Therefore, according to the present embodiment, the imprint hardly progresses in any state of the data “1” and the data “0”, so that the level of the read signal does not change from the initial value. The effect of the ferroelectric FET of the present embodiment is that the ferroelectric FET of the present embodiment is arranged in a matrix,
Of the control gate electrode 23 of the first wiring 25 serving as a word line
And a memory cell array in which the drain region 16 of the ferroelectric FET is connected to a bit line.

【0098】(その他の実施形態)図12は、いわゆる
MFMIS構造を有する強誘電体FETの断面図であ
る。同図に示すように、強誘電体FETは、シリコン基
板11の上に設けられたシリコン酸化膜12と、シリコ
ン酸化膜12の上に設けられたPtなどの導体材料から
なる中間ゲート電極31と、中間ゲート電極31の上に
設けられ、ジルコン−チタン酸鉛(PZT)またはタン
タル酸ビスマスストロンチウム(SBT)などの金属酸
化物からなる強誘電体膜32と、強誘電体膜32の上に
設けられたPtなどの導体材料からなる制御ゲート電極
33と、シリコン基板11内における中間ゲート電極3
1の両側方にそれぞれ設けられたソース領域15及びド
レイン領域16とを備えている。そして、シリコン基板
11のうちシリコン酸化膜12の下方に位置する領域が
チャネル領域17となっている。また、制御ゲート電極
33は第1の配線35に接続され、中間ゲート電極31
は第2の配線36に接続されている。
(Other Embodiments) FIG. 12 is a sectional view of a ferroelectric FET having a so-called MFMIS structure. As shown in FIG. 1, the ferroelectric FET includes a silicon oxide film 12 provided on a silicon substrate 11, and an intermediate gate electrode 31 provided on the silicon oxide film 12 and made of a conductive material such as Pt. A ferroelectric film 32 provided on the intermediate gate electrode 31 and made of a metal oxide such as zircon-lead titanate (PZT) or bismuth strontium tantalate (SBT); and provided on the ferroelectric film 32. Control gate electrode 33 made of a conductive material such as Pt, and intermediate gate electrode 3 in silicon substrate 11.
1 is provided with a source region 15 and a drain region 16 provided on both sides, respectively. A region of the silicon substrate 11 below the silicon oxide film 12 is a channel region 17. Further, the control gate electrode 33 is connected to the first wiring 35, and the intermediate gate electrode 31
Are connected to the second wiring 36.

【0099】このような強誘電体FETを半導体記憶装
置のメモリセルとして、上記第2の実施形態と同様に、
データの書き込み,書き換え,読み出しを行なうことが
でき、第2の実施形態と同様の効果を発揮することがで
きる。また、図12に示す強誘電体FETを半導体記憶
装置のメモリセルとして、上記第3の実施形態と同様
に、強誘電体膜32に下向きの分極へのインプリントを
生じさせるための処理を行なうことができる。
Using such a ferroelectric FET as a memory cell of a semiconductor memory device, as in the second embodiment,
Data can be written, rewritten, and read, and the same effects as in the second embodiment can be exhibited. In addition, as in the third embodiment, a process for causing the ferroelectric film 32 to imprint downward polarization is performed using the ferroelectric FET shown in FIG. 12 as a memory cell of a semiconductor memory device. be able to.

【0100】[0100]

【発明の効果】本発明によれば、強誘電体膜に電圧が印
加されていないときに一方の分極が残留している状態を
第1論理値とし、他方の分極が残留している状態から分
極がほぼ残留していない状態までを第2論理値として、
データを記憶しておくようにしたので、分極がほとんど
残留していないときにも、第1論理値と第2論理値とを
区別してデータの読み出しを行なうことが可能になり、
データの読み出し精度の向上を図ることができる。
According to the present invention, the state in which one polarization remains when no voltage is applied to the ferroelectric film is defined as a first logical value, and the state in which the other polarization remains remains unchanged. The second logical value is defined as the state up to the state where almost no polarization remains.
Since the data is stored, the data can be read while distinguishing between the first logical value and the second logical value even when the polarization hardly remains.
Data reading accuracy can be improved.

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

【図1】本発明の第1の実施形態のMFIS構造の強誘
電体FETの断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a ferroelectric FET having an MFIS structure according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施形態の読み出し時におけるゲートバ
イアスの設定方法を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of setting a gate bias at the time of reading according to the first embodiment.

【図3】(a),(b),(c)は、それぞれ順に、第
1の実施形態の強誘電体FETの強誘電体膜中における
残留分極が下向き,上向き及びほぼ0の時の読み出し時
におけるエネルギーバンド図である。
FIGS. 3A, 3B, and 3C show readings when the residual polarization in the ferroelectric film of the ferroelectric FET according to the first embodiment is downward, upward, and almost zero, respectively. It is an energy band diagram at the time.

【図4】本発明の第2の実施形態における半導体記憶装
置のメモリセルの断面図である。
FIG. 4 is a sectional view of a memory cell of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】第2の実施形態におけるデータの書き込み動作
を電圧−分極座標上で説明するためのヒステリシス特性
図である。
FIG. 5 is a hysteresis characteristic diagram for describing a data write operation in a second embodiment on voltage-polarization coordinates.

【図6】本発明の第3の実施形態における半導体記憶装
置の強誘電体FETの製造工程の一例を示すフローチャ
ート図である。
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a manufacturing process of a ferroelectric FET of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.

【図7】第3の実施形態の熱処理工程における強誘電体
膜22のヒステリシス特性の変化を示すヒステリシス特
性図である。
FIG. 7 is a hysteresis characteristic diagram showing a change in a hysteresis characteristic of a ferroelectric film 22 in a heat treatment step of a third embodiment.

【図8】従来のMFISFET型の強誘電体FETの断
面図である。
FIG. 8 is a sectional view of a conventional MFISFET type ferroelectric FET.

【図9】(a),(b),(c)は、それぞれ順に、従
来の強誘電体FETの強誘電体膜中における残留分極が
下向き,上向き及びほぼ0の時のエネルギーバンド図で
ある。
FIGS. 9A, 9B, and 9C are energy band diagrams when the residual polarization in the ferroelectric film of the conventional ferroelectric FET is downward, upward, and almost zero, respectively. .

【図10】強誘電体FETのゲート電極への印加電圧と
ソース−ドレイン間の電流との関係を示す特性図であ
る。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing a relationship between a voltage applied to a gate electrode of a ferroelectric FET and a current between a source and a drain.

【図11】このディスターブ現象を説明するためのヒス
テリシス特性図である。
FIG. 11 is a hysteresis characteristic diagram for explaining the disturb phenomenon.

【図12】第2の実施形態をMFMIS構造を有する強
誘電体FETに適用した例を示す断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example in which the second embodiment is applied to a ferroelectric FET having an MFMIS structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 シリコン基板 12 シリコン酸化膜 13 強誘電体膜 14 ゲート電極 15 ソース領域 16 ドレイン領域 17 チャネル領域 18 第1中間ゲート電極 21 第2中間ゲート電極 22 強誘電体膜 23 制御ゲート電極 25 第1の配線 26 第2の配線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Silicon substrate 12 Silicon oxide film 13 Ferroelectric film 14 Gate electrode 15 Source region 16 Drain region 17 Channel region 18 First intermediate gate electrode 21 Second intermediate gate electrode 22 Ferroelectric film 23 Control gate electrode 25 First wiring 26 Second Wiring

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、 上記半導体基板上に設けられた強誘電体膜及びゲート電
極と、 上記半導体基板内においてゲート電極の両側方に設けら
れたソース領域及びドレイン領域とを有する電界効果ト
ランジスタを備え、 上記強誘電体膜は、上記ゲート電極から上記半導体基板
に対する正の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第1
の分極と、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する
負の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第2の分極と
を生じうるものであり、 上記強誘電体膜に電圧が印加されていないときに上記第
1及び第2の分極のうちいずれか一方が残留している状
態を第1論理値とし、上記第1及び第2の分極のうち他
方が残留している状態から分極がほぼ残留していない状
態までを第2論理値として、上記第1論理値及び第2論
理値のうちいずれか一方の論理値のデータが上記強誘電
体膜に記憶されていることを特徴とする半導体記憶装
置。
An electric field effect comprising: a semiconductor substrate; a ferroelectric film and a gate electrode provided on the semiconductor substrate; and a source region and a drain region provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. A first transistor formed on the ferroelectric film in response to a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate;
And a second polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate, when no voltage is applied to the ferroelectric film. The state in which one of the first and second polarizations remains remains as the first logical value, and the polarization almost remains from the state in which the other of the first and second polarizations remains. A semiconductor memory device characterized in that data of one of the first logical value and the second logical value is stored in the ferroelectric film, with a state up to a state not being taken as a second logical value. .
【請求項2】 請求項1記載の半導体記憶装置におい
て、 上記強誘電体膜中のデータを読み出すときには、上記ゲ
ート電極にバイアス電圧を印加するように構成されてい
ることを特徴とする半導体記憶装置。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a bias voltage is applied to said gate electrode when data in said ferroelectric film is read. .
【請求項3】 請求項2記載の半導体記憶装置におい
て、 上記バイアス電圧の印加を伴う読み出し動作の繰り返し
により、上記強誘電体膜において、上記他方の分極が0
に向かって弱くなるものであり、 データの読み出し時において、上記一方の分極が書き込
まれた時の電流値にほぼ等しい電流が上記ソース領域−
ドレイン領域間に流れる状態を第1論理値とし、他方の
分極が書き込まれた時における上記ソース領域−ドレイ
ン領域間の電流値から上記他方の分極がほぼ0になった
時の電流値までの電流が流れる状態を第2論理値とする
ように構成されていることを特徴とする半導体記憶装
置。
3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein the other polarization becomes zero in the ferroelectric film by repeating the read operation accompanied by the application of the bias voltage.
When data is read, a current substantially equal to the current value when the one polarization is written is applied to the source region.
The state flowing between the drain regions is defined as a first logical value, and the current from the current value between the source region and the drain region when the other polarization is written to the current value when the other polarization becomes substantially zero. Characterized in that the state in which the current flows is a second logical value.
【請求項4】 半導体基板と、 半導体基板上に設けられた強誘電体膜及びゲート電極
と、 上記半導体基板内のゲート電極の両側方に設けられたソ
ース領域及びドレイン領域とを有する電界効果トランジ
スタを備え、 上記強誘電体膜は、上記ゲート電極から上記半導体基板
に対する正の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第1
の分極と、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する
負の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第2の分極と
を生じうるものであり、 上記強誘電体膜に電圧が印加されていないときに上記第
1及び第2の分極のうちいずれか一方が残留している状
態を第1論理値とし、上記強誘電体膜に分極がほぼ残留
していない状態を第2論理値として、上記第1論理値及
び第2の論理値のうちいずれか一方の論理値のデータが
上記強誘電体膜に記憶されていることを特徴とする半導
体記憶装置。
4. A field effect transistor having a semiconductor substrate, a ferroelectric film and a gate electrode provided on the semiconductor substrate, and a source region and a drain region provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. Wherein the first ferroelectric film is formed on the ferroelectric film according to a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate.
And a second polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate, when no voltage is applied to the ferroelectric film. The state in which one of the first and second polarizations remains remains as the first logical value, and the state in which the polarization hardly remains in the ferroelectric film as the second logical value. A semiconductor memory device, wherein data of one of a first logical value and a second logical value is stored in the ferroelectric film.
【請求項5】 請求項4記載の半導体記憶装置におい
て、 上記強誘電体膜には、上記第1論理値のデータと上記第
2論理値のデータとが、上記ゲート電極に絶対値が相異
なる電圧を印加することにより書き込まれていることを
特徴とする半導体記憶装置。
5. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein said ferroelectric film has said first logical value data and said second logical value data having different absolute values for said gate electrode. A semiconductor memory device which is written by applying a voltage.
【請求項6】 請求項4又は5記載の半導体記憶装置に
おいて、 上記半導体基板の上に設けられたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜の上に設けられた中間ゲート電極とを
さらに備え、 上記強誘電体膜は上記中間ゲート電極の上に設けられ、 上記ゲート電極は上記強誘電体膜の上に設けられてい
て、 データの書き込み時には、上記ゲート電極と上記中間ゲ
ート電極との間に印加する電圧によって上記強誘電体膜
に上記第1又は第2の分極を残留させることが可能に構
成され、 データの読み出し時には、上記中間ゲート電極をフロー
ティングにして上記ゲート電圧にバイアス電圧を印加す
ることが可能に構成されていることを特徴とする半導体
記憶装置。
6. The semiconductor memory device according to claim 4, further comprising: a gate insulating film provided on said semiconductor substrate; and an intermediate gate electrode provided on said gate insulating film. The ferroelectric film is provided on the intermediate gate electrode, and the gate electrode is provided on the ferroelectric film. When data is written, a voltage is applied between the gate electrode and the intermediate gate electrode. The first or second polarization can be left in the ferroelectric film by a voltage to be applied. When reading data, the intermediate gate electrode is floated and a bias voltage is applied to the gate voltage. A semiconductor memory device characterized in that it is configured to be capable of:
【請求項7】 請求項4又は5記載の半導体記憶装置に
おいて、 上記半導体基板の上に設けられたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜の上に設けられた第1中間ゲート電極
と、 上記第1中間ゲート電極とは個別に設けられ、かつ電気
的に接続された第2中間ゲート電極とをさらに備え、 上記強誘電体膜は上記第2中間ゲート電極の上に設けら
れ、 上記ゲート電極は上記強誘電体膜の上に設けられてい
て、 データの書き込み時には、上記ゲート電極と上記第2中
間ゲート電極との間に印加する電圧によって上記強誘電
体膜に残留分極を生じさせる一方、データの読み出し時
には、上記第1及び第2中間ゲート電極をフローティン
グにして上記ゲート電圧にバイアス電圧を印加するよう
に構成されていることを特徴とする半導体記憶装置。
7. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein a gate insulating film provided on the semiconductor substrate; a first intermediate gate electrode provided on the gate insulating film; A second intermediate gate electrode provided separately from and electrically connected to the first intermediate gate electrode, wherein the ferroelectric film is provided on the second intermediate gate electrode; When the data is written, the voltage applied between the gate electrode and the second intermediate gate electrode causes a remanent polarization in the ferroelectric film, while the data is written on the ferroelectric film. And a bias voltage applied to the gate voltage with the first and second intermediate gate electrodes floating when reading the data.
【請求項8】 半導体基板上に設けられた強誘電体膜及
びゲート電極と、上記半導体基板内のゲート電極の両側
方に設けられたソース領域及びドレイン領域とを有し、
上記強誘電体膜は、上記ゲート電極から上記半導体基板
に対する正の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第1
の分極と、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する
負の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第2の分極と
を生じうるように構成された電界効果トランジスタを備
えた半導体記憶装置の駆動方法であって、 上記強誘電体膜に電圧が印加されていないときに上記第
1及び第2の分極のうちいずれか一方が残留している状
態を第1論理値とし、上記第1及び第2の分極のうち他
方が残留している状態から分極がほぼ残留していない状
態までを第2論理値として上記強誘電体膜にデータの読
み出しを行なうことを特徴とする半導体記憶装置の駆動
方法。
8. A semiconductor device comprising: a ferroelectric film and a gate electrode provided on a semiconductor substrate; and a source region and a drain region provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate.
The first ferroelectric film is formed on the ferroelectric film according to a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate.
For driving a semiconductor memory device having a field-effect transistor configured to generate a second polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage applied to the semiconductor substrate from the gate electrode. Wherein a state in which one of the first and second polarizations remains when no voltage is applied to the ferroelectric film is defined as a first logical value, A method of reading data from the ferroelectric film, wherein a second logical value is used as a second logical value from a state in which the other polarization remains to a state in which almost no polarization remains.
【請求項9】 請求項8記載の半導体記憶装置の駆動方
法において、 上記強誘電体膜中のデータを読み出すときには、上記ゲ
ート電極にバイアス電圧を印加することを特徴とする半
導体記憶装置の駆動方法。
9. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 8, wherein a bias voltage is applied to said gate electrode when reading data in said ferroelectric film. .
【請求項10】 請求項9記載の半導体記憶装置の駆動
方法において、 上記バイアス電圧の印加を伴う読み出し動作の繰り返し
により、上記強誘電体膜において、上記一方の分極のう
ちが0に向かって弱くなるものであり、 データの読み出し時において、上記一方の分極が書き込
まれた時の電流値にほぼ等しい電流値が上記ソース領域
−ドレイン領域間に流れる状態を第1論理値とし、他方
の分極が書き込まれた時における上記ソース領域−ドレ
イン領域間の電流値から上記他方の分極がほぼ0になっ
た時の電流値までの範囲の電流が流れる状態を第2論理
値とすることを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
10. The method for driving a semiconductor memory device according to claim 9, wherein the one of the polarizations in the ferroelectric film becomes weaker toward 0 by repeating the read operation accompanied by the application of the bias voltage. When reading data, a state in which a current value substantially equal to the current value when the one polarization is written flows between the source region and the drain region is defined as a first logical value, and the other polarization is defined as a first logical value. A state in which a current in a range from the current value between the source region and the drain region at the time of writing to the current value when the other polarization becomes substantially zero is defined as a second logical value. A method for driving a semiconductor memory device.
【請求項11】 請求項9又は10記載の半導体記憶装
置の駆動方法において、 上記ゲート電極に印加するバイアス電圧は、上記強誘電
体膜中のデータが第1論理値及び上記第2論理値の時に
上記ソース領域−ドレイン領域間にそれぞれ流れる電流
の差がほぼ最大となる値であることを特徴とする半導体
記憶装置の駆動方法。
11. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 9, wherein the bias voltage applied to the gate electrode is such that data in the ferroelectric film has a first logical value and a second logical value. A difference between currents flowing between the source region and the drain region sometimes being substantially the maximum.
【請求項12】 半導体基板上に設けられた強誘電体膜
及びゲート電極と、上記半導体基板内のゲート電極の両
側方に設けられたソース領域及びドレイン領域とを有
し、上記強誘電体膜は、上記ゲート電極から上記半導体
基板に対する正の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる
第1の分極と、上記ゲート電極から上記半導体基板に対
する負の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第2の分
極とを生じうるように構成された電界効果トランジスタ
を備えた半導体記憶装置の駆動方法であって、 上記強誘電体膜に電圧が印加されていないときに上記第
1及び第2の分極のうちいずれか一方が残留している状
態を第1論理値とし、上記強誘電体膜に分極がほぼ残留
していない状態を第2論理値として上記強誘電体膜にデ
ータを記憶させるとともに、 上記強誘電体膜中のデータを読み出すときには、上記ゲ
ート電極にバイアス電圧を印加することを特徴とする半
導体記憶装置の駆動方法。
12. A ferroelectric film, comprising: a ferroelectric film and a gate electrode provided on a semiconductor substrate; and source and drain regions provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. Is generated in the ferroelectric film in response to a positive voltage applied to the semiconductor substrate from the gate electrode, and is generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage applied to the semiconductor substrate from the gate electrode A method of driving a semiconductor memory device including a field-effect transistor configured to generate a second polarization, wherein the first and second voltages are not applied to the ferroelectric film. A state in which one of the polarizations remains remains as a first logical value, and a state in which the polarization hardly remains in the ferroelectric film as a second logical value stores data in the ferroelectric film. , When reading the data of the serial ferroelectric film is a driving method of a semiconductor memory device and applying a bias voltage to the gate electrode.
【請求項13】 請求項12記載の半導体記憶装置の駆
動方法において、上記強誘電体膜へのデータの書き込み
時において、上記第1論理値を書き込むときと上記第2
論理値を書き込むときとでは、上記ゲート電極に印加さ
れる電圧の絶対値を相異ならせることを特徴とする半導
体記憶装置の駆動方法。
13. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 12, wherein at the time of writing data to said ferroelectric film, said first logic value is written and said second logic value is written.
A method of driving a semiconductor memory device, wherein an absolute value of a voltage applied to the gate electrode is made different from when a logical value is written.
【請求項14】 請求項12又は13記載の半導体記憶
装置の駆動方法において、 上記半導体基板の上に設けられたゲート絶縁膜と、上記
ゲート絶縁膜の上に設けられた中間ゲート電極とをさら
に備え、上記強誘電体膜は上記中間ゲート電極の上に設
けられ、上記ゲート電極は上記強誘電体膜の上に設けら
れていて、 データの書き込み時には、上記ゲート電極と上記中間ゲ
ート電極との間に電圧を印加する一方、データの読み出
し時には、上記中間ゲート電極をフローティングにして
上記ゲート電圧にバイアス電圧を印加することを特徴と
する半導体記憶装置の駆動方法。
14. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 12, further comprising: a gate insulating film provided on said semiconductor substrate; and an intermediate gate electrode provided on said gate insulating film. The ferroelectric film is provided on the intermediate gate electrode, and the gate electrode is provided on the ferroelectric film. When writing data, the gate electrode and the intermediate gate electrode A method for driving a semiconductor memory device, wherein a voltage is applied between the gate electrodes and a bias voltage is applied to the gate voltage while the intermediate gate electrode is floating when data is read.
【請求項15】 請求項12又は13記載の半導体記憶
装置の駆動方法において、 上記半導体基板の上に設けられたゲート絶縁膜と、上記
ゲート絶縁膜の上に設けられた第1中間ゲート電極と、
上記第1中間ゲート電極とは個別に設けられ、かつ電気
的に接続された第2中間ゲート電極とをさらに備え、上
記強誘電体膜は上記第2中間ゲート電極の上に設けら
れ、上記ゲート電極は上記強誘電体膜の上に設けられて
いて、 データの書き込み時には、上記ゲート電極と上記第2中
間ゲート電極との間に電圧を印加する一方、データの読
み出し時には、上記第1及び第2中間ゲート電極をフロ
ーティングにして上記ゲート電圧にバイアス電圧を印加
することを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
15. The method for driving a semiconductor memory device according to claim 12, wherein a gate insulating film provided on said semiconductor substrate, and a first intermediate gate electrode provided on said gate insulating film. ,
A second intermediate gate electrode provided separately from and electrically connected to the first intermediate gate electrode, wherein the ferroelectric film is provided on the second intermediate gate electrode; The electrode is provided on the ferroelectric film, and applies a voltage between the gate electrode and the second intermediate gate electrode when writing data, while the first and second electrodes are used when reading data. (2) A method for driving a semiconductor memory device, wherein a bias voltage is applied to the gate voltage with the intermediate gate electrode floating.
【請求項16】 請求項12〜15のうちいずれか1つ
に記載の半導体記憶装置の駆動方法において、 上記強誘電体膜への上記第2論理値のデータの書き込み
時には、上記強誘電体膜に印加される電圧が強誘電体膜
の抗電圧にほぼ等しくなるように上記ゲート電極にバイ
アス電圧を印加することを特徴とする半導体記憶装置の
駆動方法。
16. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 12, wherein the data of the second logical value is written to the ferroelectric film. Wherein a bias voltage is applied to the gate electrode so that a voltage applied to the gate electrode is substantially equal to a coercive voltage of the ferroelectric film.
【請求項17】 請求項12〜16のうちいずれか1つ
に記載の半導体記憶装置の駆動方法において、 上記強誘電体膜にデータを書き込んだ後又はデータを読
み出す直前に、上記中間ゲート電極を一旦接地してから
フローティングにすることを特徴とする半導体記憶装置
の駆動方法。
17. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 12, wherein the intermediate gate electrode is formed after writing data to the ferroelectric film or immediately before reading data. A method for driving a semiconductor memory device, wherein the semiconductor memory device is floated after being grounded once.
【請求項18】 請求項12〜16のうちいずれか1つ
に記載の半導体記憶装置の駆動方法において、 上記強誘電体膜に書き込まれたデータを読み出すときに
は、上記強誘電体膜に印加される電圧が強誘電体膜の抗
電圧より小さくなるように、上記ゲート電極に電圧を印
加することを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
18. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 12, wherein when reading data written in the ferroelectric film, the data is applied to the ferroelectric film. A method for driving a semiconductor memory device, characterized in that a voltage is applied to the gate electrode so that a voltage is lower than a coercive voltage of the ferroelectric film.
【請求項19】 半導体基板上に設けられた強誘電体膜
及びゲート電極と、上記半導体基板内のゲート電極の両
側方に設けられたソース領域及びドレイン領域とを有
し、上記強誘電体膜は、上記ゲート電極から上記半導体
基板に対する正の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる
第1の分極と、上記ゲート電極から上記半導体基板に対
する負の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第2の分
極とを生じうるように構成された電界効果トランジスタ
を備えたメモリセルを形成する工程(a)と、 上記強誘電体膜にデータ読み出しのために印加される電
圧と同じ極性の電圧を印加した後、この電圧を解除して
上記強誘電体膜中に第1の分極を残留させる工程(b)
と、 上記強誘電体膜を一定時間の間加熱することにより、上
記強誘電体膜のヒステリシス特性を上記第1の分極を上
記第2の分極に反転させるのに必要な抗電圧が増大する
方向に偏位させて、上記強誘電体膜のヒステリシス特性
を非対称とする工程(c)とを含む半導体記憶装置の製
造方法。
19. A ferroelectric film, comprising: a ferroelectric film and a gate electrode provided on a semiconductor substrate; and a source region and a drain region provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. Is generated in the ferroelectric film in response to a positive voltage applied to the semiconductor substrate from the gate electrode, and is generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage applied to the semiconductor substrate from the gate electrode (A) forming a memory cell having a field-effect transistor configured to generate a second polarization; and a voltage having the same polarity as a voltage applied to the ferroelectric film for reading data. (B) releasing the voltage to leave the first polarization in the ferroelectric film after applying
Heating the ferroelectric film for a certain period of time to increase the coercive voltage required to reverse the hysteresis characteristic of the ferroelectric film from the first polarization to the second polarization. And (c) making the hysteresis characteristic of the ferroelectric film asymmetrical.
【請求項20】 請求項19記載の半導体記憶装置の製
造方法において、 上記工程(b)の後、上記強誘電体膜に残留している第
1の分極を消去する工程をさらに含むことを特徴とする
半導体記憶装置の製造方法。
20. The method according to claim 19, further comprising, after the step (b), erasing the first polarization remaining in the ferroelectric film. Manufacturing method of a semiconductor memory device.
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