JP2003109376A - Semiconductor memory device - Google Patents

Semiconductor memory device

Info

Publication number
JP2003109376A
JP2003109376A JP2001296481A JP2001296481A JP2003109376A JP 2003109376 A JP2003109376 A JP 2003109376A JP 2001296481 A JP2001296481 A JP 2001296481A JP 2001296481 A JP2001296481 A JP 2001296481A JP 2003109376 A JP2003109376 A JP 2003109376A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gate
memory device
semiconductor memory
transistor
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2001296481A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Inoue
聡 井上
Kazuo Yudasaka
一夫 湯田坂
Piero Migliorato
ミグリオラト ピエロ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2001296481A priority Critical patent/JP2003109376A/en
Publication of JP2003109376A publication Critical patent/JP2003109376A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor memory device which can read data without destruction. SOLUTION: A silicon film 200 being useful for an active layer of a MIS transistor 20 is formed on a surface of an insulation film 37 of a ferroelectric capacitor 30. A gate insulation film 25 is formed on a surface of the silicon film 200, further a gate electrode 21 is formed on a surface of the gate insulation film 25. A source region 22 and a drain region 23 are formed on the silicon film 200 by such a method that automatic positioning is performed for the gate electrode 21. A channel region 24 is provided between the source region 22 and drain region 23.

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】本発明は一般に半導体メモリ
素子、より詳細には不揮発性半導体メモリ素子に関す
る。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to semiconductor memory devices, and more particularly to non-volatile semiconductor memory devices.

【0002】[0002]

【従来の技術】様々な種類の半導体メモリ素子の中で、
FeRAM(強誘電体メモリ)がメモリセルを有し、こ
の各々で、これの等価回路を示す図10(A)から分る
ように、例えばNチャンネル型MISトランジスタのゲ
ート電極21Aおよびソース領域22Aがワード線WL
およびビット線BLにそれぞれ電気的に接続され、強誘
電体コンデンサ30AがこのMISトランジスタのドレ
イン領域23Aとプレート線PLの間に電気的に接続さ
れる。
2. Description of the Related Art Among various kinds of semiconductor memory devices,
An FeRAM (ferroelectric memory) has memory cells, and each has a gate electrode 21A and a source region 22A of an N-channel type MIS transistor, as can be seen from FIG. 10A showing an equivalent circuit thereof. Word line WL
, And the bit line BL, and the ferroelectric capacitor 30A is electrically connected between the drain region 23A of the MIS transistor and the plate line PL.

【0003】このような種類の半導体メモリ素子1Aの
場合、2進データ「1」および「2」のうちの1つ、例
えば、データ「1」がメモリセル10Aに書き込まれる
場合に、ワード線WLは、ビット線BLが高レベル
(H)に保持される状態で高レベル(H)に設定される
一方で、プレート線PLは低レベル(L)に保持され
る。その結果、MISトランジスタ10Aはオン状態に
される。したがって、強誘電体コンデンサ30Aにおい
て、図10(B)に示されるように、MISトランジス
タ10Aのドレイン領域23Aに接続された電極31A
が高レベル(H)に設定される一方で、それのプレート
線PLに電気的に接続された電極32Aが低レベル
(L)に設定される。これは強誘電体コンデンサ30A
の強誘電体層において分極を生ずる。
In the case of such a type of semiconductor memory device 1A, when one of binary data "1" and "2", for example, data "1" is written in the memory cell 10A, the word line WL is written. Is set to a high level (H) while the bit line BL is held at a high level (H), while the plate line PL is held at a low level (L). As a result, the MIS transistor 10A is turned on. Therefore, in the ferroelectric capacitor 30A, as shown in FIG. 10B, the electrode 31A connected to the drain region 23A of the MIS transistor 10A.
Is set to a high level (H), while the electrode 32A electrically connected to its plate line PL is set to a low level (L). This is a ferroelectric capacitor 30A
Polarization occurs in the ferroelectric layer.

【0004】これとは対照的に、データ「0」がメモリ
セル10Aに書き込まれる場合に(すなわち、削除デー
タがそれに書き込まれる場合に)、ワード線WLは、図
11(A)に示されるように、ビット線BLが低レベル
(L)に保持される状態で高レベル(H)に設定され、
プレート線PLは高レベル(H)に設定される。その結
果、MISトランジスタ10Aはオン状態に至る。強誘
電体コンデンサ30Aにおいて、図11(B)に示され
るように、MISトランジスタ10Aのドレイン領域2
3Aに接続された電極31Aが低レベル(L)に設定さ
れる一方で、プレート線PLに電気的に接続された電極
32Aが高レベル(H)に設定される。したがって、強
誘電体コンデンサ30Aの強誘電体層は、データ「1」
をそれに書き込む場合の分極方向と反対の方向に分極さ
れる。
In contrast, when data "0" is written to memory cell 10A (ie, erased data is written to it), the word line WL is as shown in FIG. 11 (A). Is set to a high level (H) while the bit line BL is held at a low level (L),
The plate line PL is set to a high level (H). As a result, the MIS transistor 10A is turned on. In the ferroelectric capacitor 30A, as shown in FIG. 11B, the drain region 2 of the MIS transistor 10A is formed.
The electrode 31A connected to 3A is set to a low level (L), while the electrode 32A electrically connected to the plate line PL is set to a high level (H). Therefore, the ferroelectric layer of the ferroelectric capacitor 30A has data "1".
Is polarized in the direction opposite to the polarization direction when writing to it.

【0005】次に、情報を読取る動作が以下に説明され
る。先ず、ビット線BLは接地電位にあらかじめ充電さ
れる。したがって、ビット線BLは高インピーダンス状
態にされる。その次に、プレート線PLの電位が接地電
位に固定される。その時に、強誘電体コンデンサ30A
は前のように分極状態に保持される。そして、プレート
線PLは高レベル(H)に設定される。その時に、電荷
が強誘電体コンデンサ30Aから放電される。放電され
る電荷量が、分極が前に起される方向によって変化す
る。さらに、放電された電荷はビット線BLの電圧とし
て現れる。したがって、データが「1」と「0」のうち
のどれを表すかは、センスアンプによってこの電圧を増
幅することによって決定される。
Next, the operation of reading information will be described below. First, the bit line BL is precharged to the ground potential. Therefore, the bit line BL is brought into a high impedance state. Then, the potential of the plate line PL is fixed to the ground potential. At that time, the ferroelectric capacitor 30A
Remains polarized as before. Then, the plate line PL is set to the high level (H). At that time, the electric charge is discharged from the ferroelectric capacitor 30A. The amount of charge discharged depends on the direction in which the polarization was previously generated. Further, the discharged charges appear as a voltage on the bit line BL. Therefore, whether the data represents "1" or "0" is determined by amplifying this voltage by the sense amplifier.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のFeR
AMの場合、情報が読取られる場合に、強誘電体コンデ
ンサ30Aは放電する。したがって、データをそこに再
び書き込むためにはデータを保持する必要がある。すな
わち、従来のFeRAMの場合、破壊読取り動作が実行
される。その間、通常、FeRAMの場合、データを書
き込む回数が制限される。したがって、破壊読取り動作
の場合、データの書込みが情報が読取られる度に必要と
される。その結果、従来のFeRAMの応用範囲が極端
に制限される。
However, the conventional FeR
In the case of AM, the ferroelectric capacitor 30A discharges when information is read. Therefore, it is necessary to hold the data in order to write it back there. That is, in the case of the conventional FeRAM, the destructive read operation is executed. Meanwhile, in the case of FeRAM, the number of times of writing data is usually limited. Therefore, for destructive read operations, writing of data is required each time the information is read. As a result, the application range of the conventional FeRAM is extremely limited.

【0007】したがって、本発明によって解決されるべ
き問題が、1つのトランジスタおよび1つのコンデンサ
からメモリセルを構成し、データを破壊せずに読取るこ
とができる不揮発性半導体メモリ素子を提供することに
帰する。
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a non-volatile semiconductor memory device in which a memory cell is composed of one transistor and one capacitor and which can be read without destroying data. To do.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
めに、本発明の第1の態様によれば、プレート電極、強
誘電体層、絶縁膜、MIS(金属絶縁物半導体)トラン
ジスタのチャンネル領域、MISのゲート絶縁膜、およ
びMISトランジスタのゲート電極をこの順序で積み重
ねることによって各々が形成された少なくとも複数のメ
モリセルを先ず含む半導体メモリ素子が設けられる。ワ
ード線は複数のメモリセルの各々のゲート電極に電気的
に接続される。第1および第2のビット線がMISトラ
ンジスタのソース領域およびドレイン領域にそれぞれ電
気的に接続される。プレート線がプレート電極に電気的
に接続される。
In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, a plate electrode, a ferroelectric layer, an insulating film, and a channel of a MIS (metal insulator semiconductor) transistor. A semiconductor memory element is first provided that includes at least a plurality of memory cells each formed by stacking a region, a gate insulating film of a MIS, and a gate electrode of a MIS transistor in this order. The word line is electrically connected to the gate electrode of each of the plurality of memory cells. The first and second bit lines are electrically connected to the source region and the drain region of the MIS transistor, respectively. The plate line is electrically connected to the plate electrode.

【0009】本出願の明細書において、用語「MIS」
は構造を表す目的に厳密であり、ゲート電極は金属電極
に限定されることを意味しない。用語「MIS」は、例
えば、ドープされたシリコン膜がゲート電極として使用
されることがあることを意味する。
In the specification of the present application, the term "MIS"
Is strictly for the purpose of representing the structure, and does not mean that the gate electrode is limited to the metal electrode. The term “MIS” means, for example, a doped silicon film may be used as the gate electrode.

【0010】本発明の第1の態様によれば、MISトラ
ンジスタは、例えば、薄膜トランジスタである。
According to the first aspect of the present invention, the MIS transistor is, for example, a thin film transistor.

【0011】本発明の半導体メモリ素子において、デー
タがメモリセルに格納される場合に、データに対応する
極性の電圧がプレート線と第1および第2のビット線の
各々の間に印加される。さらに、MISトランジスタを
オンにするゲート電圧がワード線からゲート電極に印加
される。
In the semiconductor memory device of the present invention, when data is stored in the memory cell, a voltage having a polarity corresponding to the data is applied between the plate line and each of the first and second bit lines. Further, a gate voltage for turning on the MIS transistor is applied from the word line to the gate electrode.

【0012】例えば、2進データのうちの1つの種類が
メモリセルに格納される場合に、2進データのうちの1
つの種類に対応する極性の電圧がプレート線と第1およ
び第2のビット線の各々の間に印加される。さらに、M
ISトランジスタをオンにするゲート電圧がワード線か
らゲート電極に印加される。対照的に、2進データのう
ちの他の種類がメモリセルに格納される場合に、データ
のうちの1つの種類を格納する場合に印加される電圧の
極性と反対の極性の電圧が、プレート線と第1および第
2のビット線の各々の間に印加される。さらに、MIS
トランジスタをオンにするゲート電圧がワード線からゲ
ート電極に印加される。
For example, when one type of binary data is stored in a memory cell, one of the binary data is stored.
Voltages of polarities corresponding to one type are applied between the plate line and each of the first and second bit lines. Furthermore, M
A gate voltage that turns on the IS transistor is applied to the gate electrode from the word line. In contrast, when another type of binary data is stored in the memory cell, a voltage having a polarity opposite to that of the voltage applied when storing one type of data causes the plate Applied between the line and each of the first and second bit lines. Furthermore, MIS
A gate voltage that turns on the transistor is applied from the word line to the gate electrode.

【0013】データがこの方法でそれに書き込まれる場
合に、プレート線と第1および第2のビット線の各々の
間に印加された電圧の極性に対応する電荷が強誘電体層
に格納される。この様に構成された半導体メモリ素子に
おいて、MISトランジスタのチャンネル領域は、強誘
電体層に蓄積された電荷による分極された強誘電体層の
極性によって変化するように影響される。これはMIS
トランジスタのソース・ドレイン電流−ゲート電圧特性
に変化を生ずる。したがって、「第1のゲート電圧」
が、2進データ「1」および「0」のうちの1つの種類
がそれに書き込まれる場合に、ソース・ドレイン電流が
MISトランジスタのソース・ドレイン電流−ゲート電
圧特性によって所定のレベルに達するゲート電圧を表
す。さらに、「第2のゲート電圧」が、2進データ
「1」および「0」のうちの他の種類がそれに書き込ま
れる場合に、ソース・ドレイン電流が所定のレベルに達
するゲート電圧を表す。そのうえ、「データ読取りゲー
ト電圧」が第1および第2のゲート電圧の間の電位レベ
ルを表す。読取り電圧がMISトランジスタのソースと
ドレインの間に印加される一方で、データ読取りゲート
電圧がワード線からゲート電極に印加される場合に、ソ
ース・ドレイン電流が流れているかいないかが、第1の
ビット線または第2のビット線から検出される。その結
果、データ「1」および「0」のうちのどの種類がそれ
に書き込まれるかが決定される。
When data is written to it in this manner, a charge corresponding to the polarity of the voltage applied between the plate line and each of the first and second bit lines is stored in the ferroelectric layer. In the semiconductor memory device having the above structure, the channel region of the MIS transistor is affected by the polarity of the polarized ferroelectric layer due to the charges accumulated in the ferroelectric layer. This is MIS
A change occurs in the source / drain current-gate voltage characteristics of the transistor. Therefore, “first gate voltage”
Is the gate voltage at which the source / drain current reaches a predetermined level according to the source / drain current-gate voltage characteristics of the MIS transistor when one kind of binary data “1” and “0” is written in it. Represent Furthermore, the "second gate voltage" represents the gate voltage at which the source / drain current reaches a predetermined level when another type of binary data "1" and "0" is written to it. Moreover, "data read gate voltage" represents the potential level between the first and second gate voltages. If the read voltage is applied between the source and drain of the MIS transistor and the data read gate voltage is applied from the word line to the gate electrode, whether the source / drain current is flowing or not is determined by the first bit. Detected from the line or the second bit line. As a result, it is determined which kind of data "1" and "0" is written to it.

【0014】本発明によれば、データがこの方法で読取
られる場合に、強誘電体層に蓄積された電荷はチャンネ
ル領域に静電的に影響を及ぼすだけであり、半導体メモ
リ素子に放電されない。したがって、メモリセルに書き
込まれたデータが読取られる場合でさえも、強誘電体層
に蓄積されている電荷は依然としてそこに蓄積されたま
まである。その結果、データは破壊されない。
According to the present invention, when data is read in this way, the charge stored in the ferroelectric layer only electrostatically affects the channel region and is not discharged to the semiconductor memory device. Therefore, even when the data written to the memory cell is read, the charge stored in the ferroelectric layer still remains stored therein. As a result, the data is not destroyed.

【0015】強誘電性材料が内部分極を示し、かつこれ
は2つの安定な分極状態を提供するように適合され得る
ことがかなり長い間知られてきた。2つの状態の間の切
換えが2進データを格納するために使用され得る。メモ
リ素子はこの技法を用いて実現されてきたが、データ読
取り動作がデータを破壊するという問題が有った。すな
わち、2つの可能な分極状態を識別すために、2つの状
態を切換えるのに十分な電圧の印加を必要とする。した
がって、データは読取り時に失われる。この問題を克服
するために、読取り後にデータを書き換えることが可能
であるが、これは明らかに、望ましくない回路部品の観
点からのオーバヘッド、電力消費、および動作速度を招
く。これらの要因が素子のサイズ、製造の容易さ、およ
びコストの全体に望ましくない影響を及ぼす。さらに、
記憶密度の増加が読取り電流の対応する減少を必要と
し、これが読取り感度に悪影響を及ぼす。
It has been known for quite some time that ferroelectric materials exhibit an internal polarization and this can be adapted to provide two stable polarization states. Switching between the two states can be used to store binary data. Memory devices have been implemented using this technique, but the problem was that the data read operation destroyed the data. That is, in order to distinguish between the two possible polarization states, it is necessary to apply sufficient voltage to switch between the two states. Therefore, the data is lost on reading. To overcome this problem, it is possible to rewrite the data after reading, but this obviously leads to overhead, power consumption, and operating speed in terms of unwanted circuit components. These factors have an undesirable effect on overall device size, ease of manufacture, and cost. further,
An increase in storage density requires a corresponding decrease in read current, which adversely affects read sensitivity.

【0016】上述の欠点を軽減する提案は、強誘電性材
料がゲート絶縁物として使用される薄膜トランジスタ構
造を使用することである。そのような素子の基本構造が
図12に示される。強誘電性材料(PZT)の層が、ゲ
ート(G)を従来のソース(S)、チャンネル(C)、
およびドレイン(D)能動層から分離するために、それ
らの上に設けられる。すなわち、強誘電性材料はゲート
誘電体として作用する。強誘電性材料は、強誘電性材料
の分極状態に依存するトランジスタの閾電圧の変動を起
す。換言すれば、この結果はヒステリシスのトランジス
タの変換特性への導入である。変換特性のヒステリシス
は強誘電性材料の分極状態を変化させずに検出され得
る。こうして、格納されたデータの非破壊読取りが実現
され得る。そのうえ、素子感度が、トランジスタのW/
L寸法が変化しても一定のままであることが分る。
A proposal to mitigate the above mentioned drawbacks is to use a thin film transistor structure in which a ferroelectric material is used as the gate insulator. The basic structure of such an element is shown in FIG. A layer of ferroelectric material (PZT) connects the gate (G) to the conventional source (S), channel (C),
And drain (D) provided on them to separate them from the active layer. That is, the ferroelectric material acts as a gate dielectric. Ferroelectric materials cause a variation in the threshold voltage of the transistor that depends on the polarization state of the ferroelectric material. In other words, this result is the introduction of hysteresis into the transfer characteristics of the transistor. The hysteresis of the conversion characteristic can be detected without changing the polarization state of the ferroelectric material. In this way, non-destructive reading of the stored data can be realized. In addition, the element sensitivity is W /
It can be seen that it remains constant as the L dimension changes.

【0017】上述の説明から、図12による構造は非常
に重要な潜在的な利点を有することが正当に評価される
だろう。しかし、実用的メモリの構造を実現する試みが
2つの重要な問題を生じた。第1に、難点が能動ソース
/チャンネル/ドレイン層のために使用される強誘電性
材料とシリコンの間の物理的インタフェースで起きた。
この問題はバッファ層の導入によってある程度軽減され
得るけれども、そのようなバッファ層は製作するのが困
難であり、素子の性能を著しく劣化させる。第2に、よ
り重要なことに、構造がマトリックスで繰り返されて大
規模メモリ素子を形成する場合に、それは非常にクロス
トークを生じやすい、すなわちあるセルに対する書込み
動作が他のセルにしばしば影響を及ぼすことが分る。
From the above description it will be justified that the structure according to FIG. 12 has very important potential advantages. However, attempts to realize a practical memory structure have raised two important problems. First, difficulties have arisen at the physical interface between the ferroelectric material used for the active source / channel / drain layers and silicon.
Although this problem can be alleviated to some extent by the introduction of a buffer layer, such a buffer layer is difficult to fabricate and significantly degrades device performance. Second, and more importantly, when the structure is repeated in a matrix to form a large scale memory device, it is very susceptible to crosstalk, ie a write operation for one cell often affects another. I know that it will affect.

【0018】この背景の下に、本発明の1つの態様にお
いて、能動層がひじょうに薄い(通常、50オングスト
ロームのオーダー)ので、チャンネルの裏面上の電荷が
トランジスタの閾電圧に影響することが認められた。そ
の影響は著しく、閾電圧の±1ボルトの変化が±1.6
x10−7クーロンのオーダーの電荷によって起され
る。本発明の前記1つの態様は、薄膜構造および強誘電
体データ記憶装置を備えるメモリ素子の実用的に実現す
る際の問題を軽減するために、この通常では望ましくな
い特性を使用する。
Against this background, in one aspect of the invention, it has been observed that the charge on the backside of the channel affects the threshold voltage of the transistor because the active layer is very thin (typically on the order of 50 Angstroms). It was The effect is significant, and a change of ± 1 volt in threshold voltage is ± 1.6
It is caused by a charge on the order of x10 -7 coulombs. One aspect of the present invention uses this normally undesirable property to alleviate problems in practical implementation of memory devices with thin film structures and ferroelectric data storage.

【0019】本発明の1つの態様によれば、トランジス
タのソース、チャンネル、およびドレインが形成される
能動層と、トランジスタ用のゲートと、強誘電性材料の
層と、電圧を強誘電性材料に印加する電極とを備える半
導体メモリ素子が提供され、電極はゲートから間隔を置
いて配置され、強誘電性材料の層は内部分極の2つの安
定状態を有し、この配列では、2つの分極状態はトラン
ジスタの変換特性に及ぼす影響において検出可能な差異
を有する。
According to one aspect of the invention, an active layer in which the source, channel and drain of a transistor are formed, a gate for the transistor, a layer of ferroelectric material and a voltage to the ferroelectric material. A semiconductor memory device is provided with an electrode for applying, the electrode is spaced from the gate, and the layer of ferroelectric material has two stable states of internal polarization, in this arrangement two polarization states. Have a detectable difference in their effect on the conversion characteristics of the transistor.

【0020】ここで、本発明の実施形態をさらなる例示
のため、添付の図面を参照して説明することとする。
Embodiments of the present invention will now be described for further illustration with reference to the accompanying drawings.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】[第1の実施形態] (全体構成)図1は、本発明が適用された半導体メモリ
素子内にマトリックス様に形成されたメモリセルの構成
を図示する等価回路を示す回路図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [First Embodiment] (Overall Structure) FIG. 1 shows an equivalent circuit illustrating the structure of memory cells formed in a matrix in a semiconductor memory device to which the present invention is applied. It is a circuit diagram.

【0022】図1で分るように、本実施形態による半導
体メモリ素子1において、複数の第1のビット線BL1
a、BL1b、BL1c、...(以下、「第1のビッ
ト線BL1」と呼称される)、第1のビット線のそれに
等しい数の複数の第2のビット線BL2a、BL2b、
BL2c、...(以下、「第2のビット線BL2」と
呼称される)、および複数のプレート線PLa、PL
b、PLc、...(以下、「プレート線PL」と呼称
される)が縦方向に延びる。さらに、この図で分るよう
に、複数のワード線WLa、WLb、WLc、...
(以下、「ワード線WL」と呼称される)が横方向に延
びる。これらのワード線WLは第1のビット線BL1、
第2のビット線BL2、およびプレート線PLと交差す
る。
As shown in FIG. 1, in the semiconductor memory device 1 according to the present embodiment, a plurality of first bit lines BL1 are provided.
a, BL1b, BL1c ,. . . (Hereinafter, referred to as “first bit line BL1”), a plurality of second bit lines BL2a, BL2b, the number of which is equal to that of the first bit line.
BL2c ,. . . (Hereinafter, referred to as "second bit line BL2"), and the plurality of plate lines PLa, PL
b, PLc ,. . . (Hereinafter referred to as “plate line PL”) extends in the vertical direction. Further, as can be seen in this figure, a plurality of word lines WLa, WLb, WLc ,. . .
(Hereinafter, referred to as “word line WL”) extends in the lateral direction. These word lines WL are the first bit lines BL1,
It intersects with the second bit line BL2 and the plate line PL.

【0023】さらに、半導体メモリ素子1において、メ
モリセル10aa、10ab、10ac、...、10
ba、10bb、10bc、...、10ca、10c
b、10cc、...(以下、「メモリセル10」と呼
称される)が、これらの信号線間の交差に対応してマト
リックス様に配置される。
Further, in the semiconductor memory device 1, the memory cells 10aa, 10ab, 10ac ,. . . 10,
ba, 10bb, 10bc ,. . . 10ca, 10c
b, 10 cc ,. . . (Hereinafter referred to as "memory cells 10") are arranged in a matrix corresponding to the intersections between these signal lines.

【0024】この図に示される半導体メモリ素子1の場
合に、1つのMISトランジスタ20および1つの強誘
電体コンデンサ30がメモリセル10の各々に形成され
る。本実施形態の場合に、Nチャンネル型薄膜トランジ
スタがMISトランジスタ20として使用される。
In the case of semiconductor memory device 1 shown in this figure, one MIS transistor 20 and one ferroelectric capacitor 30 are formed in each memory cell 10. In the case of this embodiment, an N-channel thin film transistor is used as the MIS transistor 20.

【0025】本実施形態は、ゲート電極21およびソー
ス領域22がワード線WLおよび第1のビット線BL1
にそれぞれ電気的に接続される図10(A)および10
(B)、ならびに図11(A)および11(B)を参照
して説明される従来のFeRAMに類似する。
In this embodiment, the gate electrode 21 and the source region 22 are the word line WL and the first bit line BL1.
10 (A) and 10 respectively electrically connected to
(B), and similar to the conventional FeRAM described with reference to FIGS. 11 (A) and 11 (B).

【0026】ところで、本実施形態による半導体メモリ
素子1の場合に、MISトランジスタ20のドレイン領
域23が、メモリセル10の各々において第2のビット
線BL2に電気的に接続される。さらに、強誘電体コン
デンサ30は、メモリセル10の各々においてMISト
ランジスタ20のチャンネル領域24とプレート線PL
の間に設けられる。
By the way, in the semiconductor memory device 1 according to the present embodiment, the drain region 23 of the MIS transistor 20 is electrically connected to the second bit line BL2 in each of the memory cells 10. Further, the ferroelectric capacitor 30 includes the channel region 24 of the MIS transistor 20 and the plate line PL in each memory cell 10.
It is provided between.

【0027】本実施形態において、メモリセル10のそ
のような構成が図2および3に示される構造によって実
現される。
In the present embodiment, such a configuration of the memory cell 10 is realized by the structure shown in FIGS.

【0028】図2はメモリセルの各々の構成を示す平面
図である。図3は図2の線II−II´に沿って切った断面
図である。
FIG. 2 is a plan view showing the structure of each memory cell. FIG. 3 is a sectional view taken along line II-II ′ of FIG.

【0029】図2および3に示されるように、プレート
電極35、強誘電体層36、および絶縁膜37が、半導
体メモリ素子1のベースとして役立つ絶縁基板2の上面
にこの順序で底部層から上部層への方向に積み重ねられ
る。強誘電体コンデンサ30はこれらの層から形成され
る。ところで、強誘電体コンデンサ30は、鉛・ジルコ
ン酸塩・チタン酸塩(PZT)、バリウム・ストロンチ
ウム・チタン酸塩(BST)、およびストロンチウム・
ビスマス・ニオビウム・タンタル酸塩(Y1システム)
を強誘電体層36の材料として用いることがある。本実
施形態はPZTを用いる。そのうえ、強誘電体コンデン
サ30は、2つの電極のうちの1つとしてプレート電極
35、および他の電極としてMISトランジスタ20の
チャンネル領域24(後述される)を使用する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the plate electrode 35, the ferroelectric layer 36, and the insulating film 37 are arranged in this order from the bottom layer to the upper surface of the insulating substrate 2 serving as the base of the semiconductor memory device 1. Stacked in the direction to the layers. The ferroelectric capacitor 30 is formed from these layers. By the way, the ferroelectric capacitor 30 includes lead / zirconate / titanate (PZT), barium / strontium / titanate (BST), and strontium.
Bismuth niobium tantalate (Y1 system)
May be used as the material of the ferroelectric layer 36. This embodiment uses PZT. Moreover, the ferroelectric capacitor 30 uses the plate electrode 35 as one of the two electrodes and the channel region 24 (described below) of the MIS transistor 20 as the other electrode.

【0030】MISトランジスタ20の能動層として役
立つシリコン膜200が、強誘電体コンデンサ30の絶
縁膜37の表面上に形成される。酸化シリコン膜によっ
て構成されたゲート絶縁膜25が、このシリコン膜20
0の表面上に形成される。さらに、金属膜またはドープ
されたシリコン膜によって構成されたゲート電極21
が、ゲート絶縁膜25の表面上に形成される。本実施形
態において、ソース領域22およびドレイン領域23
は、ゲート電極21に自動位置合わせするような方法で
シリコン膜200上に形成される。ゲート絶縁膜25を
通してゲート電極21に面するチャンネル領域24は、
ソース領域22とドレイン領域23の間に設けられる。
A silicon film 200 serving as an active layer of the MIS transistor 20 is formed on the surface of the insulating film 37 of the ferroelectric capacitor 30. The gate insulating film 25 made of a silicon oxide film is the silicon film 20.
It is formed on the surface of zero. Further, the gate electrode 21 composed of a metal film or a doped silicon film
Are formed on the surface of the gate insulating film 25. In the present embodiment, the source region 22 and the drain region 23
Are formed on the silicon film 200 by a method such as automatic alignment with the gate electrode 21. The channel region 24 facing the gate electrode 21 through the gate insulating film 25 is
It is provided between the source region 22 and the drain region 23.

【0031】この図に示される例の場合に、ゲート電極
21はワード線WLの一部である。さらに、この図に示
される例の場合に、中間層絶縁膜26がゲート電極21
の表面上に形成される。第1のビット線BL1、第2の
ビット線BL2、およびプレート線PLは、この中間層
絶縁膜26、ゲート絶縁膜25、または絶縁膜37を貫
通するコンタクトホールを通してソース領域22、ドレ
イン領域23、およびプレート電極35に電気的に接続
される。
In the case of the example shown in this figure, the gate electrode 21 is a part of the word line WL. Furthermore, in the case of the example shown in this figure, the intermediate layer insulating film 26 is
Formed on the surface of. The first bit line BL1, the second bit line BL2, and the plate line PL have a source region 22, a drain region 23, and And is electrically connected to the plate electrode 35.

【0032】そのうえ、チャンネル領域24は、ゲート
電極21とほぼ同じ長さをチャンネルの長さ方向に有す
る。強誘電体層36もまた、ゲート電極21とほぼ同じ
長さをチャンネルの長さ方向に有する。
Moreover, the channel region 24 has substantially the same length as the gate electrode 21 in the channel length direction. The ferroelectric layer 36 also has substantially the same length as the gate electrode 21 in the channel length direction.

【0033】(データ書込み動作)図4(A)および4
(B)は、それぞれ、2進データの1つの種類「1」が
このメモリセルに書き込まれる方法を示す図、およびデ
ータ「1」がそれに書き込まれる場合に電荷が強誘電体
コンデンサに蓄積される方法を示す図である。図5
(A)および5(B)は、それぞれ、2進データの他の
種類「0」がこのメモリセルに書き込まれる方法を示す
図、および後のデータ「0」がそれに書き込まれる場合
に電荷が強誘電体コンデンサに蓄積される方法を示す図
である。
(Data Writing Operation) FIGS. 4A and 4
(B) is a diagram showing how one type "1" of binary data is written to this memory cell, respectively, and electric charge is stored in the ferroelectric capacitor when data "1" is written to it. It is a figure which shows the method. Figure 5
(A) and 5 (B) are diagrams showing how other types of binary data "0" are written to this memory cell, respectively, and when the subsequent data "0" is written to it, the charge is strong. It is a figure which shows the method accumulated in a dielectric capacitor.

【0034】この種類の半導体メモリ素子1の場合、2
進データ「1」および「0」のうちの1つ、例えば、デ
ータ「1」がメモリセル10に書き込まれる場合に、
図4(A)に示されるように、第1のビット線BL1お
よび第2のビット線BL2は高レベル(H)に設定され
る一方で、プレート線PLは低レベル(L)に設定され
て固定される。この状態で、ワード線WLはより高いレ
ベル(HH)の電圧に設定され、これは第1のビット線
BL1および第2のビット線BL2のレベル(H)より
高い。その結果、図4(B)に示されるように、MIS
トランジスタ20はオンされて、そのためチャンネル領
域24は高レベルの電圧に設定され、これはプレート線
PLのレベルより高い。したがって、4(B)に示され
るように、分極が印加された電界に対応して強誘電体コ
ンデンサ30内で起きる。
In the case of this type of semiconductor memory device 1, 2
When one of the binary data “1” and “0”, for example, the data “1” is written to the memory cell 10,
As shown in FIG. 4A, the first bit line BL1 and the second bit line BL2 are set to the high level (H), while the plate line PL is set to the low level (L). Fixed. In this state, the word line WL is set to a higher level (HH) voltage, which is higher than the level (H) of the first bit line BL1 and the second bit line BL2. As a result, as shown in FIG.
The transistor 20 is turned on, so that the channel region 24 is set to a high level voltage, which is higher than the level of the plate line PL. Therefore, as shown in 4 (B), polarization occurs in the ferroelectric capacitor 30 in response to the applied electric field.

【0035】対照的に、データ「0」がメモリセル10
に書き込まれる場合に、図5(A)に示されるように、
第1のビット線BL1および第2のビット線BL2は低
レベル(L)に設定される一方で、プレート線PLは高
レベル(H)に設定されて固定される。この状態で、ワ
ード線WLはより高いレベル(HH)の電圧に設定さ
れ、これはプレート線PLのレベル(H)より高い。そ
の結果、図5(B)に示されるように、MISトランジ
スタ20はオンされて、そのためチャンネル領域24は
プレート線PLのレベルより低い電位レベルに在る。し
たがって、5(B)に示されるように、分極が印加され
た電界に対応して強誘電体コンデンサ30内で起きる。
In contrast, data "0" is stored in memory cell 10
When written in, as shown in FIG.
The first bit line BL1 and the second bit line BL2 are set to a low level (L), while the plate line PL is set to a high level (H) and fixed. In this state, the word line WL is set to a higher level (HH) voltage, which is higher than the level (H) of the plate line PL. As a result, as shown in FIG. 5B, the MIS transistor 20 is turned on, so that the channel region 24 is at a potential level lower than the level of the plate line PL. Therefore, as shown in FIG. 5B, polarization occurs in the ferroelectric capacitor 30 in response to the applied electric field.

【0036】(データ読取り動作)図6(A)および6
(B)は、このメモリセル10に書き込まれたデータを
読取る原理を示す図、およびこの原理を例証するMIS
トランジスタのソース・ドレイン電流とゲート電圧の間
の関連を示すグラフである。図7はこのメモリセル10
に書き込まれたデータを読取る方法を示す図である。
(Data Read Operation) FIGS. 6A and 6A
(B) is a diagram showing the principle of reading the data written in the memory cell 10, and a MIS exemplifying this principle.
6 is a graph showing a relationship between a source / drain current and a gate voltage of a transistor. FIG. 7 shows this memory cell 10.
It is a figure which shows the method of reading the data written in.

【0037】データがメモリセル10に書き込まれる場
合に、プレート線PLと第1のビット線BL1および第
2のビット線BL2の各々の間に印加された電圧の極性
に対応する電荷が、強誘電体層36に蓄積される。
When data is written in the memory cell 10, the charge corresponding to the polarity of the voltage applied between the plate line PL and each of the first bit line BL1 and the second bit line BL2 is ferroelectric. It is accumulated in the body layer 36.

【0038】強誘電体コンデンサ30の強誘電体層36
に蓄積された電荷のMISトランジスタ20の特性に及
ぼす影響が、図6を参照して以下に説明されるだろう。
Ferroelectric layer 36 of ferroelectric capacitor 30
The effect of the charge stored on the MIS transistor 20 on the characteristics thereof will be described below with reference to FIG.

【0039】図6(B)は、図3に示されるMISトラ
ンジスタ20のチャンネル領域24に関連して、ゲート
電極21に対向する対電極(すなわち、プレート電極3
5)に印加される電圧Vsubを変化した時のソース・
ドレイン電流特性を示す。この図に示されるように、M
ISトランジスタ20のソース・ドレイン電流特性は、
電圧Vsubは正の値、負の値、およびゼロを有する場
合にそれぞれ対応して、実線L1、1点鎖線L2、およ
び点線L3によって示されるように変化する。
FIG. 6B shows a counter electrode (that is, the plate electrode 3) facing the gate electrode 21 in relation to the channel region 24 of the MIS transistor 20 shown in FIG.
5) The source when changing the voltage V sub applied to
The drain current characteristics are shown. As shown in this figure, M
The source / drain current characteristics of the IS transistor 20 are
The voltage V sub varies as indicated by the solid line L1, the dashed-dotted line L2, and the dotted line L3, corresponding to having positive values, negative values, and zero, respectively.

【0040】すなわち、電圧VsubはMISトランジ
スタ20において0である場合に、点線L3によって示
されるように、ソース・ドレイン電流は、ゲート電圧が
値V gs(Int)を有する場合に最小値を有する。そ
のとき、ソース・ドレイン電圧は一定である。さらに、
ゲート電圧がそのような値から上昇する場合は、「オン
電流」がMISトランジスタ20を通して流れる。その
うえ、ソース・ドレイン電流はゲート電圧の上昇と共に
あるレベルまで増加する。さらに、ゲート電圧が下げら
れる場合に、オフ漏洩電流(すなわち、ソース・ドレイ
ン電流)がMISトランジスタ20を通して流れる。そ
のうえ、このソース・ドレイン電流はゲート電圧の上昇
と共に増加する。ところで、閾値が、ある一定レベルを
有する電流がそれを通して流れる時のゲート電圧として
ここに規定される。この場合の閾値は「Vth(In
t)」によって表される。
That is, the voltage VsubIs MIS transition
When it is 0 in the star 20, it is indicated by a dotted line L3.
Therefore, the source / drain current is
Value V gsIt has a minimum value when it has (Int). So
At this time, the source / drain voltage is constant. further,
If the gate voltage rises from such a value, the
The “current” flows through the MIS transistor 20. That
In addition, the source / drain current increases as the gate voltage increases.
Increase to a certain level. In addition, if the gate voltage is lowered
Off leakage current (ie source drain
Current) flows through the MIS transistor 20. So
In addition, the source / drain current increases the gate voltage.
Increase with By the way, the threshold is a certain level
As the gate voltage when the current it has flows through it
Defined here. The threshold in this case is "Vth(In
t) ”.

【0041】ソース・ドレイン電流とゲート電圧の間の
このような関連が、電圧Vsubの正および負の値の場
合に対しても同様に適用できる。しかし、ソース・ドレ
イン電流が最小値を有するゲート電圧が、チャンネル領
域24におけるこの電圧V ubの静電効果に因って、
この電圧の値が増加するかまたは減少する方向に移動さ
れる。例えば、電圧Vsubが正の値を有する場合に、
ソース・ドレイン電流は、実線L1によって示されるよ
うに、ゲート電圧が値Vgs0に等しいときに最小値を
有する。さらに、閾値(すなわち、第1のゲート電圧)
は電圧値Vth(0)に変化する。
Such a relationship between the source / drain current and the gate voltage is similarly applicable to the case of positive and negative values of the voltage Vsub . However, the gate voltage of the source-drain current has a minimum value, depending on the electrostatic effects of the voltage V s ub in the channel region 24,
The value of this voltage is moved in the direction of increasing or decreasing. For example, if the voltage V sub has a positive value,
The source-drain current has a minimum value when the gate voltage is equal to the value V gs 0, as shown by the solid line L1. In addition, the threshold (ie, the first gate voltage)
Changes to a voltage value V th (0).

【0042】対照的に、電圧Vsubが負の値を有する
場合に、ソース・ドレイン電流は、1点鎖線L2によっ
て示されるように、ゲート電圧が値Vgs1であるとき
に最小値を有する。さらに、閾値(すなわち、第2のゲ
ート電圧)は電圧値Vth(1)に変化する。
In contrast, when the voltage V sub has a negative value, the source-drain current has a minimum value when the gate voltage has a value V gs 1, as indicated by the dashed-dotted line L2. . Further, the threshold value (that is, the second gate voltage) changes to the voltage value V th (1).

【0043】ところで、2進データ「1」および「0」
のうちの1つ、すなわち、データ「1」がメモリセル1
0に書き込まれる場合に、強誘電体層36が、図4
(B)に示されるように、本実施形態によって半導体メ
モリ素子1内で分極される。この状態が、電圧Vsub
がMISトランジスタ20において負の値を有する状態
に対応する。したがって、MISトランジスタ20は、
図6(B)に1点鎖線L2によって表示されるソース・
ドレイン電流特性を示す
By the way, binary data "1" and "0"
One of them, that is, the data “1” is stored in the memory cell 1
When written to 0, the ferroelectric layer 36 is
As shown in (B), the semiconductor memory device 1 is polarized according to this embodiment. This state is the voltage V sub
Corresponds to the state where MIS transistor 20 has a negative value. Therefore, the MIS transistor 20 is
The source displayed by the one-dot chain line L2 in FIG.
Shows drain current characteristics

【0044】対照的に、データ「0」がメモリセル10
に書き込まれる場合に、図5(B)に示されるように、
強誘電体層36が分極する。この状態が、電圧Vsub
がMISトランジスタ20において正の値を有する状態
に対応する。したがって、MISトランジスタ20は、
図6(B)に実線L1によって表示されるソース・ドレ
イン電流特性を示す。
In contrast, data "0" is stored in memory cell 10
5B, as shown in FIG.
The ferroelectric layer 36 is polarized. This state is the voltage V sub
Corresponds to the state where MIS transistor 20 has a positive value. Therefore, the MIS transistor 20 is
FIG. 6B shows the source-drain current characteristics displayed by the solid line L1.

【0045】したがって、本実施形態による半導体メモ
リ素子1の場合に、データがメモリセル10から読取ら
れるときに、図7に示されるように、第1の電圧Vth
(0)と第2の電圧Vth(1)の間の中間の電圧V
(すなわち、読取りゲート電圧)が、ワード線WLから
MISトランジスタ20に印加される。さらに、この読
取りゲート電圧にほぼ等しい電圧が読取りプレート電位
plateとしてプレート線PLに印加される。
[0045] Therefore, in the case of the semiconductor memory device 1 according to the present embodiment, when data is read from the memory cell 10, as shown in FIG. 7, the first voltage V th
An intermediate voltage V g between (0) and the second voltage V th (1)
(Ie, the read gate voltage) is applied to the MIS transistor 20 from the word line WL. Further, a voltage substantially equal to the read gate voltage is applied to the plate line PL as the read plate potential V plate .

【0046】さらに、読取り電圧VDD(正電圧であ
る)が第1のビット線BL1に印加される一方で、接地
電圧(すなわち、ゼロ電圧0)が第2のビット線BL2
に印加される。
Further, the read voltage VDD (which is a positive voltage) is applied to the first bit line BL1, while the ground voltage (ie zero voltage 0) is applied to the second bit line BL2.
Applied to.

【0047】その結果、データ「1」がメモリセル10
に書き込まれる場合に、ソース・ドレイン電流はMIS
トランジスタ20を通して殆ど流れない。逆に言えば、
データ「0」がメモリセル10に書き込まれる場合に、
大きなソース・ドレイン電流はそれを通して流れる。し
たがって、このソース・ドレイン電流が第1のビット線
BL1または第2のビット線BL2で検出される場合
に、もしソース・ドレイン電流のレベルが或るレベル未
満であるなら、データ「1」がメモリセル10に書き込
まれることが決定される。逆に言えば、もしソース・ド
レイン電流のレベルが或るレベル以上であるなら、デー
タ「0」がメモリセル10に書き込まれることが決定さ
れる。
As a result, the data "1" is stored in the memory cell 10
, The source-drain current is MIS
Almost no current flows through the transistor 20. Conversely,
When data “0” is written in the memory cell 10,
Large source / drain currents flow through it. Therefore, when the source / drain current is detected on the first bit line BL1 or the second bit line BL2, if the level of the source / drain current is less than a certain level, the data "1" is stored in the memory. It is decided to write to cell 10. Conversely, if the level of the source / drain current is equal to or higher than a certain level, it is determined that the data “0” is written in the memory cell 10.

【0048】ところで、メモリセル10がマトリックス
様に配置される場合に、電圧Vth(0)は正電圧であ
ることが、データの選択的読取りを可能にするために必
要である。すなわち、次の不等式を満足する必要があ
る。 0<Vth(0)<V<Vth(1) 閾値はそのような不等式によって表される関係が持続す
るように制御される。
By the way, when the memory cells 10 are arranged in a matrix, it is necessary that the voltage V th (0) is a positive voltage in order to enable the selective reading of data. That is, it is necessary to satisfy the following inequalities. 0 <V th (0) <V g <V th (1) The threshold value is controlled so that the relationship represented by such an inequality is maintained.

【0049】そのような原理を利用する本実施形態にお
いて、読取り電圧VDD(正電圧である)は、データを
読取る必要があるメモリセル10(例えば、メモリセル
10bb)に対応する第1のビット線BL1(例えば、
第1のビット線BL1b)に印加される。さらに、接地
電位(0)は、データを読取る必要があるメモリセル1
0に対応する第2のビット線BL2(例えば、第2のビ
ット線BL2b)に印加される。そのような状態で、読
取りゲート電圧Vおよびプレート電位V
pl ate(=ゲート電圧V)が、ワード線WL(例
えば、ワード線WLb)およびプレート線PL(例え
ば、プレート線PLb)にそれぞれ印加され、これらは
データを読取る必要があるメモリセル10に対応する。
その間、ゼロ電圧0が他の信号線に供給される。
In this embodiment using such a principle, the read voltage VDD (which is a positive voltage) is the first bit line corresponding to the memory cell 10 (for example, memory cell 10bb) that needs to read data. BL1 (for example,
It is applied to the first bit line BL1b). In addition, the ground potential (0) is the memory cell 1 that needs to read data.
It is applied to the second bit line BL2 corresponding to 0 (for example, the second bit line BL2b). In such a state, the read gate voltage V g and the plate potential V g
pl ate (= gate voltage V g) is a word line WL (for example, word line WLb) and the plate line PL (e.g., a plate line PLb) are respectively applied to, these correspond to the memory cell 10 which is necessary to read the data To do.
Meanwhile, zero voltage 0 is supplied to the other signal lines.

【0050】したがって、データを読取る必要があるメ
モリセル10に対応するワード線WLに読取りゲート電
圧Vを印加する時の電流の変化が、第1のビット線B
L1bおよび第2のビット線BL2bから読取って検出
される場合は、2進データ「1」および「0」のうちの
どれが、ワード線WLによって選択されるメモリセルに
格納されたデータであるかが決定され得る。
Therefore, when the read gate voltage V g is applied to the word line WL corresponding to the memory cell 10 that needs to read the data, the change in the current is the first bit line B.
When detected by reading from L1b and the second bit line BL2b, which of the binary data “1” and “0” is the data stored in the memory cell selected by the word line WL. Can be determined.

【0051】(本実施形態の効果)このように、MIS
トランジスタ20のチャンネル領域24が強誘電体層3
6内に蓄積された電荷によって静電的に影響を受ける場
合に、MISトランジスタ20のソース・ドレイン電流
−ゲート電圧特性は変化するという事実を利用すること
によって、本実施形態による半導体メモリ素子1はメモ
リセル10に書き込まれたデータを決定する。
(Effect of this Embodiment) As described above, the MIS
The channel region 24 of the transistor 20 is the ferroelectric layer 3
By utilizing the fact that the source-drain current-gate voltage characteristic of the MIS transistor 20 changes when it is electrostatically affected by the charge stored in the semiconductor memory device 6, The data written in the memory cell 10 is determined.

【0052】そのうえ、データを読取る時に強誘電体層
36内に蓄積された電荷が単に静電的に影響を及ぼすだ
けで、放電されない。したがって、メモリセル10に書
き込まれたデータが読取られる場合でさえも、強誘電体
層36内に蓄積された電荷は強誘電体コンデンサ30内
に蓄積されたままである。
Moreover, the charges accumulated in the ferroelectric layer 36 at the time of reading the data only affect electrostatically and are not discharged. Therefore, even when the data written to the memory cell 10 is read, the charge stored in the ferroelectric layer 36 remains stored in the ferroelectric capacitor 30.

【0053】(製造方法)この方法で構成される半導体
メモリ素子1は、良く知られる半導体プロセス、特に、
低温度多結晶シリコンTFT(薄膜トランジスタ)プロ
セスを組み合わせることによって製造され得る。したが
って、この半導体メモリ素子1を製造する方法が、図2
および3を参照することによって下に説明されるだろ
う。
(Manufacturing Method) The semiconductor memory device 1 constructed by this method is well known in the semiconductor process, in particular,
It can be manufactured by combining low temperature polycrystalline silicon TFT (thin film transistor) processes. Therefore, the method for manufacturing the semiconductor memory device 1 is as shown in FIG.
It will be explained below by reference to 3 and 4.

【0054】先ず、清浄な絶縁基板2が準備される。First, a clean insulating substrate 2 is prepared.

【0055】続いて、金属膜またはドープされたシリコ
ン膜によって構成される導電性膜が、絶縁基板2の表面
上に形成される。その後に、この導電性膜のパターニン
グがフォトリソグラフィ技法を使用して実施される。こ
うして、プレート電極35が形成される。
Subsequently, a conductive film composed of a metal film or a doped silicon film is formed on the surface of the insulating substrate 2. Thereafter, patterning of this conductive film is performed using photolithographic techniques. Thus, the plate electrode 35 is formed.

【0056】次に、強誘電性材料から作られる薄膜が、
CVD法のような膜形成方法、金属アルコキシド溶液を
使用するゾル・ゲル方法、およびスパッタリング方法に
よって基板2のほぼ全表面上に形成される。それから、
この薄膜のパターニングがフォトリソグラフィ技法を使
用して実施されて、強誘電体層36が形成される。
Next, a thin film made of a ferroelectric material is
It is formed on almost the entire surface of the substrate 2 by a film forming method such as a CVD method, a sol-gel method using a metal alkoxide solution, and a sputtering method. then,
Patterning of this thin film is performed using photolithographic techniques to form the ferroelectric layer 36.

【0057】続いて、酸化シリコン膜によって構成され
る絶縁膜37が、プラズマCVD方法のようないくつか
の種類の膜形成方法によって、ほぼ全基板2上に形成さ
れる。
Subsequently, the insulating film 37 made of a silicon oxide film is formed on almost the entire substrate 2 by some kinds of film forming methods such as the plasma CVD method.

【0058】次に、シリコン膜が、プラズマCVD方法
のようないくつかの種類の膜形成方法によって絶縁基板
2上に形成される。
Next, a silicon film is formed on the insulating substrate 2 by some kind of film forming method such as a plasma CVD method.

【0059】その後に、シリコン膜のパターニングがフ
ォトリソグラフィ技法を利用して実施されて、アイラン
ド様シリコン膜200が形成される。ところで、アモル
ファスシリコン膜を低温プロセスで形成し、それからア
モルファスシリコン膜をレーザーアニール方法により結
晶化することによって得られた材料が、シリコン膜を形
成するために使用されることがある。
After that, patterning of the silicon film is performed by using the photolithography technique to form the island-like silicon film 200. By the way, a material obtained by forming an amorphous silicon film by a low temperature process and then crystallizing the amorphous silicon film by a laser annealing method may be used for forming the silicon film.

【0060】続いて、酸化シリコン膜によって構成され
るゲート絶縁膜25が、プラズマCVD方法のようない
くつかの種類の膜形成方法によって、絶縁基板2のほぼ
全表面上に形成される。
Subsequently, the gate insulating film 25 made of a silicon oxide film is formed on almost the entire surface of the insulating substrate 2 by some kinds of film forming methods such as a plasma CVD method.

【0061】それから、金属膜またはドープされたシリ
コン膜によって構成される導電性膜が、ゲート絶縁膜2
5の上部表面上に形成される。その後に、この導電性膜
のパターニングがフォトリソグラフィ技法を使用して実
施されて、ゲート電極21が形成される。
Then, the conductive film composed of the metal film or the doped silicon film is formed into the gate insulating film 2.
5 is formed on the upper surface. Thereafter, patterning of this conductive film is performed using a photolithography technique to form the gate electrode 21.

【0062】次に、N型不純物が、ゲート電極21をマ
スクとして使用することによって、シリコン膜200中
に導入される。その結果、ソース領域22およびドレイ
ン領域23は、ゲート電極21に自動位置合わせするよ
うな方法でシリコン膜200上に形成される。
Next, N-type impurities are introduced into the silicon film 200 by using the gate electrode 21 as a mask. As a result, the source region 22 and the drain region 23 are formed on the silicon film 200 in such a manner that they are automatically aligned with the gate electrode 21.

【0063】続いて、酸化シリコン膜によって構成され
る中間層絶縁膜26が、プラズマCVD方法のようない
くつかの種類の膜形成方法によって、絶縁基板2のほぼ
全表面上に形成される。その後に、コンタクトホールが
中間層絶縁膜26内に形成される。
Subsequently, the intermediate insulating film 26 made of a silicon oxide film is formed on almost the entire surface of the insulating substrate 2 by some kinds of film forming methods such as the plasma CVD method. After that, a contact hole is formed in the intermediate insulating film 26.

【0064】次に、導電性膜、例えば、アルミニウム膜
またはドープされたシリコン膜のような金属膜が形成さ
れる。続いて、この導電性膜のパターニングがフォトリ
ソグラフィ技法を使用して実施されて、第1のビット線
BL1、第2のビット線BL2、およびプレート線PL
が形成される。
Next, a conductive film, for example, a metal film such as an aluminum film or a doped silicon film is formed. Subsequently, patterning of the conductive film is performed by using a photolithography technique, and the first bit line BL1, the second bit line BL2, and the plate line PL.
Is formed.

【0065】[第2の実施形態]図8は、本発明の第2
の実施形態である別の半導体メモリ素子内に形成された
メモリセルの構成を示す平面図である。図9は図8の線
VIII−VIII´に沿って切った断面図である。ところで、
本実施形態による半導体メモリ素子の基本構造は、図2
および3を参照することによって説明された第1の実施
形態による半導体メモリ素子のそれに類似である。この
ように、図8および9において、同じ記号が第1の実施
形態の共通構成要素を表す。したがって、そのような構
成要素の説明がここでは省略される。さらに、第2の実
施形態による別の半導体メモリ素子1のデータの書込み
および読取り動作は、第1の実施形態による半導体メモ
リ素子のそれらに類似である。したがって、第2の実施
形態のこれらの動作の説明がここでは省略される。
[Second Embodiment] FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view showing the configuration of a memory cell formed in another semiconductor memory device which is the embodiment of the present invention. 9 is the line of FIG.
FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII ′. by the way,
The basic structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment is shown in FIG.
3 and 4 is similar to that of the semiconductor memory device according to the first embodiment described with reference to FIGS. Thus, in FIGS. 8 and 9, the same symbols represent common components of the first embodiment. Therefore, a description of such components is omitted here. Further, the data writing and reading operations of the another semiconductor memory device 1 according to the second embodiment are similar to those of the semiconductor memory device according to the first embodiment. Therefore, a description of these operations of the second embodiment is omitted here.

【0066】図2および3を参照することによって説明
された半導体メモリ素子1の場合に、第1のビット線B
L1および第2のビット線BL2は、中間層絶縁膜26
の表面上に形成された導電性膜を使用することによって
形成される。対照的に、図8および9に示される半導体
メモリ素子1の場合に、メモリセル10の各々において
プレート電極35の導電性膜をまっすぐに延ばすことに
よって得られる配線部品が、プレート線PLとして使用
される。さらに、メモリセル10の各々において、MI
Sトランジスタ20の能動層を構成するシリコン膜20
0内の能動層として形成される領域の両端部から延ばさ
れることによって得られる配線部品が、第1のビット線
BL1および第2のビット線BL2として使用される。
すなわち、第1のビット線BL1の各々はMISトラン
ジスタ20のソース領域22と一体化される導電性領域
である一方で、第2のビット線BL2の各々はMISト
ランジスタ20のドレイン領域23と一体化される導電
性領域である。ところで、ワード線WLの各々はゲート
電極21と一体化される。MISトランジスタ20の電
極21は第1の実施形態の場合に類似である。
In the case of the semiconductor memory device 1 described with reference to FIGS. 2 and 3, the first bit line B
The L1 and the second bit line BL2 are connected to the intermediate insulating film 26.
It is formed by using a conductive film formed on the surface of. In contrast, in the case of the semiconductor memory device 1 shown in FIGS. 8 and 9, the wiring component obtained by straightening the conductive film of the plate electrode 35 in each of the memory cells 10 is used as the plate line PL. It Further, in each of the memory cells 10, MI
Silicon film 20 forming an active layer of the S transistor 20
Wiring components obtained by extending from both ends of a region formed as an active layer in 0 are used as the first bit line BL1 and the second bit line BL2.
That is, each of the first bit lines BL1 is a conductive region integrated with the source region 22 of the MIS transistor 20, while each of the second bit lines BL2 is integrated with the drain region 23 of the MIS transistor 20. Is a conductive region. By the way, each of the word lines WL is integrated with the gate electrode 21. The electrode 21 of the MIS transistor 20 is similar to that of the first embodiment.

【0067】この方法で半導体メモリ素子を形成する場
合に、ソース領域22およびドレイン領域23が形成さ
れるときに、第1のビット線BL1および第2のビット
線BL2は同時に形成され得る。
When a semiconductor memory device is formed by this method, when source region 22 and drain region 23 are formed, first bit line BL1 and second bit line BL2 can be formed simultaneously.

【0068】さらに、プレート電極35が形成する場合
に、プレート線PLが形成され得る。したがって、第2
の実施形態は、半導体メモリ装置1を製造する場合のプ
ロセスの数が少ないという利点を有する。
Further, when the plate electrode 35 is formed, the plate line PL can be formed. Therefore, the second
The embodiment of 1 has an advantage that the number of processes for manufacturing the semiconductor memory device 1 is small.

【0069】[他の実施形態]上述の実施形態のいずれ
においても、上部ゲート型TFTが、メモリセル10内
に形成されるMISトランジスタ20として形成され
る。しかし、TFTの底部ゲートが使用されることがあ
る。さらに、Nチャンネル型薄膜トランジスタがMIS
トランジスタ20として形成される。もう1つの選択肢
として、Pチャンネル型薄膜トランジスタがMISトラ
ンジスタ20として使用されることがある。
[Other Embodiments] In any of the above embodiments, the upper gate type TFT is formed as the MIS transistor 20 formed in the memory cell 10. However, the bottom gate of the TFT may be used. Furthermore, the N-channel thin film transistor is MIS
It is formed as the transistor 20. As another option, a P-channel type thin film transistor may be used as the MIS transistor 20.

【0070】本発明の別の実施形態の構造が図13に示
される。構造は、絶縁層(I)によって分離されたゲー
ト(G)を有するソース(S)/チャンネル(C)/ド
レイン(D)能動層の従来の薄膜配置を備える。しか
し、この配置が基板(Sub)上に直に形成される代わ
りに、それは強誘電性材料(PZT)の層上に形成され
る。強誘電性材料(PZT)は素子基板(Sub)によ
って支持される。
The structure of another embodiment of the present invention is shown in FIG. The structure comprises a conventional thin film arrangement of source (S) / channel (C) / drain (D) active layers with gates (G) separated by insulating layers (I). However, instead of forming this arrangement directly on the substrate (Sub), it is formed on a layer of ferroelectric material (PZT). The ferroelectric material (PZT) is supported by the device substrate (Sub).

【0071】基板内に、かつ強誘電性材料の下に、電極
(E)が在る。この電極(E)は、強誘電性材料の内部
分極を2つの安定状態の間で切り換えるように電圧を強
誘電性材料に印加するために使用される。すなわち、こ
の電極(E)はデータをメモリに書き込むために使用さ
れる。図12の配置では、トランジスタの変換特性が、
強誘電性材料の内部分極の状態に依存する容易に測定さ
れるヒステリシスを示す。したがって、素子に格納され
たデータが破壊されずに読取られ得る。
Within the substrate and below the ferroelectric material is the electrode (E). This electrode (E) is used to apply a voltage to the ferroelectric material so as to switch the internal polarization of the ferroelectric material between two stable states. That is, this electrode (E) is used to write data to the memory. In the arrangement of FIG. 12, the conversion characteristics of the transistor are
Figure 4 shows an easily measured hysteresis that depends on the state of internal polarization of a ferroelectric material. Therefore, the data stored in the device can be read without being destroyed.

【0072】図12に示される配置とは異なり、図13
の構造が強誘電性材料(PZT)をトランジスタのゲー
ト(G)に対して能動層(S、C、D)の反対側に有す
る。さらに、ゲートがトランジスタの制御のために(従
来の方法で)設けられるのに対して、別個の電極(E)
が強誘電性材料の2つの分極状態の間を切換えるために
設けられる。それにもかかわらず、強誘電性材料の分極
がトランジスタの変換特性に未だ影響を及ぼすので、分
極の状態は容易に、かつ破壊せずに決定され得る。
Unlike the arrangement shown in FIG. 12, FIG.
Structure has a ferroelectric material (PZT) on the opposite side of the active layer (S, C, D) to the gate (G) of the transistor. Furthermore, a gate is provided (in a conventional manner) for controlling the transistor, whereas a separate electrode (E) is provided.
Are provided to switch between the two polarization states of the ferroelectric material. Nevertheless, since the polarization of the ferroelectric material still affects the conversion properties of the transistor, the state of polarization can be determined easily and without destruction.

【0073】図13に示されるように、強誘電性材料を
切換える電極(E)の大きさは、ゲート(G)の大きさ
より著しく小さい。ゲート(G)の大きさは、能動層
(S、C、D)の適切な制御を確実にする必要によって
決定される。対照的に、強誘電性材料を切換える電極
(E)の最小大きさの対する制限がほとんど無い。した
がって、強誘電性材料を切換える電極(E)の大きさが
ゲート(G)の大きさより著しく小さくなるように構成
することによって、それはソース(S)およびドレイン
(D)にそれぞれ隣接する、かつ強誘電性材料の切換え
を制御する領域であることを確かにすることが可能であ
る。本質的に、強誘電性材料の記憶効果はコンデンサに
おけるデータ記憶に等しく、コンデンサの1つのプレー
トが電極(E)によって与えられ、他のプレートがソー
ス(S)およびドレイン(D)に隣接するそれぞれの領
域の組み合わせ効果によって与えられる。したがって、
図13に示される構造の等価回路図は図14に示される
回路である。
As shown in FIG. 13, the size of the electrode (E) for switching the ferroelectric material is significantly smaller than the size of the gate (G). The size of the gate (G) is determined by the need to ensure proper control of the active layers (S, C, D). In contrast, there are few restrictions on the minimum size of the electrodes (E) that switch the ferroelectric material. Therefore, by arranging the size of the electrode (E) for switching the ferroelectric material to be significantly smaller than the size of the gate (G), it is adjacent to the source (S) and the drain (D), respectively, and is strong. It is possible to ensure that it is the area that controls the switching of the dielectric material. In essence, the memory effect of a ferroelectric material is equivalent to data storage in a capacitor, one plate of the capacitor being provided by the electrode (E) and the other plate being adjacent to the source (S) and drain (D), respectively. Given by the combined effect of the areas of. Therefore,
The equivalent circuit diagram of the structure shown in FIG. 13 is the circuit shown in FIG.

【0074】図14の等価回路によって示されるよう
に、図13に示される実施形態は2つの直列接続された
トランジスタ(110、112)に等しく、データ記憶
コンデンサ(114)の1つのプレートがトランジスタ
(110、112)間の直列接続点に接続されると考え
られ得る。スイッチをコンデンサ(114)と同一線上
に配置することによって、強誘電体データメモリセルを
使用する大規模データ記憶マトリックスの実際の具体化
を従来妨げた干渉問題を取り除くことが可能である。
As shown by the equivalent circuit of FIG. 14, the embodiment shown in FIG. 13 is equivalent to two series-connected transistors (110, 112) with one plate of the data storage capacitor (114) being a transistor ( 110, 112) may be considered to be connected to a series connection point. By arranging the switch collinearly with the capacitor (114), it is possible to eliminate interference problems that have traditionally prevented practical implementation of large scale data storage matrices using ferroelectric data memory cells.

【0075】図15は強誘電性材料の電極(E)に印加
される信号の波形を示す。第1のパルスが期間(a)中
に印加され、等しいかつ反対のパルスが期間(b)中に
印加される。所望のデータ書込み動作が現在アドレス指
定されたメモリセルで期間(a)中に実行される。しか
し、マトッリクス内の隣接するセルが期間(a)のパル
スと期間(b)のパルスの均衡に因る全体的なゼロ変化
を認識する。クロストーク問題の排除が大規模記憶マト
リックスの実際の具体化を可能にする。
FIG. 15 shows a waveform of a signal applied to the electrode (E) made of a ferroelectric material. A first pulse is applied during period (a) and equal and opposite pulses are applied during period (b). The desired data write operation is performed during the period (a) at the currently addressed memory cell. However, adjacent cells in the matrices see an overall zero change due to the equilibrium of the pulse in period (a) and the pulse in period (b). Elimination of the crosstalk problem allows for the realization of large storage matrices.

【0076】図12の構造と比較して、図13の構造が
実際の製造プロセスの点でかなりの利点を有する。具体
的に言えば、図13の構造は従来の技法による薄膜トラ
ンジスタを最初に形成することによって製造され得る。
これらの技法は高温プロセス、特に、能動シリコン層の
レーザーアニーリングを含む。図12による構造でシリ
コンと強誘電性材料の間のインタフェース問題を起すの
は、これらの高温プロセスである。図13による構造で
は、強誘電性材料は、例えば、従来の薄膜トランジスタ
構造の製造後に素子上にスピンコートされ得る。トラン
ジスタ構造においてゲート(G)のチャンネル(C)と
の自動位置合わせに対する要求が有るのと同じ方法での
電極(E)の自動位置合わせに対する要求が無い。した
がって、インタフェース問題もまた、本発明による構造
を使用して、かつ性能を劣化するバッファ層を使用せず
に防止され得るか、または少なくとも軽減され得る。
Compared with the structure of FIG. 12, the structure of FIG. 13 has a considerable advantage in the actual manufacturing process. Specifically, the structure of FIG. 13 may be manufactured by first forming a thin film transistor by conventional techniques.
These techniques include high temperature processes, especially laser annealing of active silicon layers. It is these high temperature processes that cause the interface problem between silicon and the ferroelectric material in the structure according to FIG. In the structure according to FIG. 13, the ferroelectric material can be spin-coated on the device, for example after fabrication of a conventional thin film transistor structure. There is no requirement for automatic alignment of electrodes (E) in the same way that there is a requirement for automatic alignment of gate (G) with channel (C) in a transistor structure. Therefore, interface problems may also be prevented, or at least mitigated, using the structure according to the invention and without using a buffer layer which degrades performance.

【0077】上述の本発明の実施形態は、薄膜配置、ま
たは一般的に、強誘電性材料の存在がトランジスタの変
換特性に影響を及ぼす配置に適用可能である。しかし、
本発明の別の実施形態は、図14に示される等価回路の
値の認識、および、例えば、必ずしも薄膜ではない単結
晶トランジスタ素子に対するその一般的な応用にもとづ
いている。図16(d)が図14の等価回路の構造的実
施形態を示し、この実施形態は構造が必ずしも薄膜では
ない単結晶トランジスタ素子に適用され得る。図16
(a)〜(d)が本発明の本実施形態によるメモリ素子
の形成のための製造ステップを示す。
The embodiments of the invention described above are applicable to thin film arrangements, or in general, arrangements where the presence of a ferroelectric material affects the conversion characteristics of a transistor. But,
Another embodiment of the invention is based on the recognition of the values of the equivalent circuit shown in FIG. 14 and its general application, for example for single crystal transistor devices which are not necessarily thin films. FIG. 16 (d) shows a structural embodiment of the equivalent circuit of FIG. 14, which can be applied to a single crystal transistor device whose structure is not necessarily a thin film. FIG.
(A)-(d) show manufacturing steps for forming a memory device according to this embodiment of the present invention.

【0078】図16(a)は従来のトランジスタ構造の
製造の途中段階を示す。ソース(S)、チャンネル
(C)、およびドレイン(D)が能動層内に作り込ま
れ、絶縁酸化物層(I)が能動層上に形成され、そして
ゲート(G)がチャンネルに自動位置合わせして酸化物
層上に形成された。従来の製造ステップを越えて進行し
て、そして図16(b)に示されるように、この構造の
上側の中央部が、ゲートを分割し、ゲート内にこのよう
に形成された隙間の下の酸化物を除去するようにエッチ
ングされる。さらに、酸化物は2つの新しく分けられた
部分ゲート電極(G1、G2)の周りに成長させられ
る。次に、強誘電性材料(PZT)の層が、図16
(c)に示される構造を生ずるように図16(b)に示
される構造の表面全体の上に堆積される。その後、金属
電極(M)が図16(d)に示されるように形成され、
そのうちの2つがソースおよびドレインとそれぞれ接触
し、1つが2つの部分ゲート電極(G1、G2)の間の
隙間に形成される。
FIG. 16A shows an intermediate stage of manufacturing the conventional transistor structure. The source (S), channel (C), and drain (D) are built into the active layer, the insulating oxide layer (I) is formed on the active layer, and the gate (G) is self-aligned with the channel. Formed on the oxide layer. Proceeding beyond conventional manufacturing steps, and as shown in FIG. 16 (b), the upper middle portion of the structure divides the gate and below the gap thus formed in the gate. Etched to remove oxide. In addition, oxide is grown around the two newly separated partial gate electrodes (G1, G2). Next, a layer of ferroelectric material (PZT) is formed in FIG.
It is deposited over the entire surface of the structure shown in Figure 16 (b) to yield the structure shown in (c). Then, a metal electrode (M) is formed as shown in FIG.
Two of them are in contact with the source and the drain, respectively, and one is formed in the gap between the two partial gate electrodes (G1, G2).

【0079】図16(d)に示されるセル構造を使用す
るメモリ素子の一般的な平面レイアウトが図17に示さ
れる。図13の実施形態と同じ等価回路(図14)で、
明らかに、図16および17の実施形態が、マトリック
ス半導体メモリに書込み動作を実施する場合にセル間、
特に行間の干渉の問題を防止するという同じ利点を示
す。
A general planar layout of a memory device using the cell structure shown in FIG. 16 (d) is shown in FIG. In the same equivalent circuit (FIG. 14) as the embodiment of FIG. 13,
Apparently, the embodiments of FIGS. 16 and 17 are inter-cell when performing a write operation on a matrix semiconductor memory,
In particular, it presents the same advantage of preventing inter-row interference problems.

【0080】本発明の別の態様として、図14の2つの
スイッチングトランジスタが単一のスイッチングトラン
ジスタに減らされるという変形例を利用することによっ
て、メモリセルを実現することが可能であることが認識
された。この変形例の等価回路が図18に示される。具
体的に言えば、等価回路の点で、図18の回路は、トラ
ンジスタ(例えば、トランジスタ112)のうちの1つ
が簡単なスイッチ(116)によって置換されることを
除いて、図14のそれと同じである。実際に、これは、
残りのスイッチングトランジスタ(110)のドレイン
が浮動することが可能であることを意味する。
As another aspect of the invention, it has been recognized that it is possible to implement a memory cell by utilizing the variant of FIG. 14 in which the two switching transistors are reduced to a single switching transistor. It was The equivalent circuit of this modification is shown in FIG. Specifically, in terms of equivalent circuit, the circuit of FIG. 18 is the same as that of FIG. 14 except that one of the transistors (eg, transistor 112) is replaced by a simple switch (116). Is. In fact, this is
This means that the drains of the remaining switching transistors (110) can float.

【0081】図18の回路の構造的実施形態が、部分ゲ
ートの長さ(図13において、ソースおよびドレインそ
れぞれに隣接する領域)をL1およびL3とし、強誘電
性コンタクト(E)の長さをL2とし、そしてL3がゼ
ロに進むことを可能にすることによって、本発明の他の
実施形態から導き出され得る。実際に、これは、ゲート
Gを形成し、そして図16(a)および16(b)のよ
うにそれを分割することが必要ではないことを意味し、
そのため図16に示される製造プロセスがこうして簡略
化される。
The structural embodiment of the circuit of FIG. 18 has partial gate lengths (regions adjacent to the source and drain, respectively, in FIG. 13) L1 and L3, and ferroelectric contact (E) lengths. It can be deduced from other embodiments of the invention by letting L2 and let L3 go to zero. In practice, this means that it is not necessary to form the gate G and split it as in Figures 16 (a) and 16 (b),
Therefore, the manufacturing process shown in FIG. 16 is thus simplified.

【0082】前述の説明は例示のためのみになされたも
のであり、変更が本発明の範囲から逸脱することなく行
われ得ることは当業者によって十分理解されることであ
ろう。
It will be appreciated by those skilled in the art that the above description has been made for the purpose of illustration only and modifications may be made without departing from the scope of the invention.

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

【図1】 本発明の第1の実施形態である半導体メモリ
素子内にマトリックス様に形成された複数のメモリセル
の各々の構成を示す等価回路を示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an equivalent circuit showing a configuration of each of a plurality of memory cells formed in a matrix in a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 図1に示される半導体メモリ素子内に形成さ
れたメモリセルの構成を示す平面図である。
2 is a plan view showing a configuration of a memory cell formed in the semiconductor memory device shown in FIG.

【図3】 図2の線II−II´に沿って切った断面図であ
る。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line II-II ′ of FIG.

【図4(A)】 2進データの1つの種類「1」が図1
に示される半導体メモリ素子内のメモリセルに書き込ま
れる方法を示す図である。
[FIG. 4 (A)] One type of binary data “1” is shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a method for writing to a memory cell in the semiconductor memory device shown in FIG.

【図4(B)】 データ「1」が図1に示される半導体
メモリ素子内のメモリセルに書き込まれる場合に、電荷
が強誘電体コンデンサに蓄積される方法を示す図であ
る。
FIG. 4B is a diagram showing a method of accumulating charges in the ferroelectric capacitor when data “1” is written in the memory cell in the semiconductor memory device shown in FIG. 1.

【図5(A)】 2進データの他の種類「0」が図1に
示される半導体メモリ素子内のメモリセルに書き込まれ
る方法を示す図である。
FIG. 5A is a diagram showing a method of writing another type “0” of binary data to a memory cell in the semiconductor memory device shown in FIG. 1.

【図5(B)】 後のデータ「0」が図1に示される半
導体メモリ素子内のメモリセルに書き込まれる場合に、
電荷が強誘電体コンデンサに蓄積される方法を示す図で
ある。
FIG. 5B shows that when the subsequent data “0” is written in the memory cell in the semiconductor memory device shown in FIG.
It is a figure which shows the method where an electric charge is stored in a ferroelectric capacitor.

【図6(A)】 図1に示される半導体メモリ素子内の
メモリセルに書き込まれたデータを読取る原理を示す図
である。
6A is a diagram showing a principle of reading data written in a memory cell in the semiconductor memory device shown in FIG.

【図6(B)】 この原理を例証するMISトランジス
タのソース・ドレイン電流とゲート電圧の間の関連を示
すグラフである。
FIG. 6 (B) is a graph illustrating the relationship between source-drain current and gate voltage of a MIS transistor that illustrates this principle.

【図7】 図1に示される半導体メモリ素子内のメモリ
セルに書き込まれたデータを読取る方法を示す図であ
る。
7 is a diagram showing a method of reading data written in a memory cell in the semiconductor memory device shown in FIG.

【図8】 本発明の第2の実施形態である半導体メモリ
素子内に形成されたメモリセルの構成を示す平面図であ
る。
FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a memory cell formed in a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.

【図9】 図8の線VIII−VIII´に沿って切った断面図
である。
FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII ′ of FIG.

【図10(A)】 2進データの1つの種類「1」が従
来のFeRAMのメモリセルに書き込まれる方法を示す
図である。
FIG. 10A is a diagram showing a method of writing one type “1” of binary data to a memory cell of a conventional FeRAM.

【図10(B)】 データ「1」が従来のFeRAMの
メモリセルに書き込まれる場合に、電荷が強誘電体コン
デンサに蓄積される方法を示す図である。
FIG. 10B is a diagram showing a method of accumulating charges in the ferroelectric capacitor when the data “1” is written in the memory cell of the conventional FeRAM.

【図11(A)】 2進データの他の種類「0」が従来
のFeRAMのメモリセルに書き込まれる方法を示す図
である。
FIG. 11A is a diagram showing a method of writing another type “0” of binary data into a memory cell of a conventional FeRAM.

【図11(B)】 後のデータ「0」が従来のFeRA
Mのメモリセルに書き込まれる場合に、電荷が強誘電体
コンデンサに蓄積される方法を示す図である。
FIG. 11 (B): The subsequent data “0” is the conventional FeRA.
FIG. 6 is a diagram showing a method of storing charges in a ferroelectric capacitor when writing data in M memory cells.

【図12】 強誘電性材料がトランジスタの能動層とト
ランジスタのゲートの間に配置されるメモリ素子の構造
を示す図である。
FIG. 12 illustrates a structure of a memory device in which a ferroelectric material is disposed between an active layer of a transistor and a gate of the transistor.

【図13】 本発明の一実施形態によるメモリ素子の構
造を示す図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a structure of a memory device according to example embodiments.

【図14】 図13に示される構造の等価回路図であ
る。
FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of the structure shown in FIG.

【図15】 図13の実施形態において印加される信号
の波形を示す。
FIG. 15 shows waveforms of signals applied in the embodiment of FIG.

【図16(a)〜16(d)】 本発明の第2の実施形
態を製作する場合の製造ステップを示す。
16 (a) to 16 (d) show manufacturing steps for manufacturing the second embodiment of the present invention.

【図17】 図16(d)に示される構造を使用するメ
モリ素子の一般的な平面レイアウトを示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a general planar layout of a memory device using the structure shown in FIG. 16 (d).

【図18】 本発明の第2の実施形態の変形例の等価回
路を示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing an equivalent circuit of a modified example of the second exemplary embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体メモリ素子、1A 半導体メモリ素子、2
絶縁基板、10 メモリセル、10A メモリセル、2
0 MISトランジスタ、20A MISトランジス
タ、21 ゲート電極、21A ゲート電極、22 ソ
ース領域、22A ソース領域、23 ドレイン領域、
23A ドレイン領域、24 チャンネル領域、25
ゲート絶縁膜、26 層間絶縁膜、30 強誘電体コン
デンサ、30A 強誘電体コンデンサ、31A 電極、
32A 電極、35 プレート電極、36 強誘電体
層、37 絶縁膜、110 トランジスタ、112 ト
ランジスタ、114 コンデンサ、116 スイッチ、
200 シリコン膜、a 期間、b 期間、BL1 第
1のビット線、BL2 第2のビット線、C チャンネ
ル、D ドレイン、E 電極、G ゲート、G1 部分
ゲート、G2 部分ゲート、H 高レベル、HH より
高いレベル、I 絶縁層、Ids ソース・ドレイン電
流、L 低レベル、L1 実線、L2 1点鎖線、L3
点線、M 金属電極、PL プレート線、PZT 鉛
・ジルコン酸塩・チタン酸塩、S ソース、Sub 基
板、VDD 読取り電圧、Vds ドレイン電圧、Vg
ゲート電圧、Vgs ゲート電圧、Vgs(Int)
ゲート電圧、Vgs0 ゲート電圧、Vgs1 ゲー
ト電圧、Vplate プレート電圧、Vsub 電
圧、Vth(0) 閾電圧、Vth(Int) 閾電
圧、Vth(1) 閾電圧、WL ワード線
1 semiconductor memory device, 1A semiconductor memory device, 2
Insulating substrate, 10 memory cells, 10A memory cells, 2
0 MIS transistor, 20A MIS transistor, 21 gate electrode, 21A gate electrode, 22 source region, 22A source region, 23 drain region,
23A drain region, 24 channel region, 25
Gate insulating film, 26 interlayer insulating film, 30 ferroelectric capacitor, 30A ferroelectric capacitor, 31A electrode,
32A electrode, 35 plate electrode, 36 ferroelectric layer, 37 insulating film, 110 transistor, 112 transistor, 114 capacitor, 116 switch,
200 silicon film, a period, b period, BL1 first bit line, BL2 second bit line, C channel, D drain, E electrode, G gate, G1 partial gate, G2 partial gate, H high level, HH High level, I insulating layer, Ids source / drain current, L Low level, L1 solid line, L2 1 dot-dash line, L3
Dotted line, M metal electrode, PL plate line, PZT lead / zirconate / titanate, S source, Sub substrate, VDD read voltage, Vds drain voltage, Vg
Gate voltage, Vgs Gate voltage, Vgs (Int)
Gate voltage, Vgs0 gate voltage, Vgs1 gate voltage, Vplate plate voltage, Vsub voltage, Vth (0) threshold voltage, Vth (Int) threshold voltage, Vth (1) threshold voltage, WL word line

フロントページの続き (72)発明者 ピエロ ミグリオラト 英国 ケンブリッジCB2 1SJ 8c キングス パレード エプソンケンブリ ッジ研究所内 Fターム(参考) 5F083 FR00 FR02 JA14 JA15 JA17 JA36 LA12 LA16 Continued front page    (72) Inventor Clown Migliolat             UK Cambridge CB2 1SJ 8c               Kings Parade Epson Kenburi             Inside the Institute F-term (reference) 5F083 FR00 FR02 JA14 JA15 JA17                       JA36 LA12 LA16

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プレート電極、強誘電体層、絶縁膜、M
ISトランジスタのチャンネル領域、前記MISのゲー
ト絶縁膜、および前記MISトランジスタのゲート電極
をこの順序で積み重ねることによって各々が形成された
複数のメモリセルを含む半導体メモリ素子であって、 ワード線が複数の前記メモリセルの各々の前記ゲート電
極に電気的に接続され、第1および第2のビット線が前
記MISトランジスタのソース領域およびドレイン領域
にそれぞれ電気的に接続され、かつプレート線が前記プ
レート電極に電気的に接続される半導体メモリ素子。
1. A plate electrode, a ferroelectric layer, an insulating film, M
A semiconductor memory device including a plurality of memory cells each formed by stacking a channel region of an IS transistor, a gate insulating film of the MIS, and a gate electrode of the MIS transistor in this order. Electrically connected to the gate electrode of each of the memory cells, first and second bit lines electrically connected to a source region and a drain region of the MIS transistor, respectively, and a plate line connected to the plate electrode. A semiconductor memory device that is electrically connected.
【請求項2】 前記MISトランジスタが薄膜トランジ
スタである、請求項1に記載の半導体メモリ素子。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the MIS transistor is a thin film transistor.
【請求項3】 前記薄膜トランジスタの能動層が低温多
結晶シリコン膜である、請求項1または2のいずれか1
項に記載の半導体メモリ素子。
3. The active layer of the thin film transistor is a low temperature polycrystal silicon film.
A semiconductor memory device according to item.
【請求項4】 データが前記メモリセルに格納される場
合に、該データに対応する極性の電圧が、前記プレート
線と前記第1および第2のビット線の各々との間に印加
され、前記MISトランジスタをオンするゲート電圧
が、前記ワード線から前記ゲート電極に印加される、請
求項1から3のいずれか1項に記載の半導体メモリ素
子。
4. When data is stored in the memory cell, a voltage having a polarity corresponding to the data is applied between the plate line and each of the first and second bit lines, and 4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a gate voltage for turning on a MIS transistor is applied from the word line to the gate electrode.
【請求項5】 2進データのうちの1つの種類が前記メ
モリセルに格納される場合に、該2進データのうちの1
つの種類に対応する極性の電圧が、前記プレート線と前
記第1および第2のビット線の各々との間に印加され、
前記MISトランジスタをオンにするゲート電圧が前記
ワード線から前記ゲート電極に印加され、 該2進データのうちの他の種類が前記メモリセルに格納
される場合に、データのうちの前記1つの種類を格納す
る場合に印加される電圧の極性と反対の電圧が、前記プ
レート線と前記第1および第2のビット線の各々との間
に印加され、かつ前記MISトランジスタをオンにする
ゲート電圧が、前記ワード線から前記ゲート電極に印加
される、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体
メモリ素子。
5. One of the binary data is stored when one type of the binary data is stored in the memory cell.
A voltage of a polarity corresponding to two types is applied between the plate line and each of the first and second bit lines,
When a gate voltage for turning on the MIS transistor is applied to the gate electrode from the word line and another type of the binary data is stored in the memory cell, the one type of data is stored. Is applied between the plate line and each of the first and second bit lines, and a gate voltage for turning on the MIS transistor is applied. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the word line is applied to the gate electrode.
【請求項6】 データが前記メモリセルから読取られる
場合に、第1のゲート電圧と第2のゲート電圧の間の電
位が、読取りゲート電圧として前記ワード線から前記ゲ
ート電極に印加され、該第1のゲート電圧は、2進デー
タのうちの1つの種類がそれに書き込まれる場合に、ソ
ース・ドレイン電流が前記MISトランジスタのソース
・ドレイン電流−ゲート電圧特性によって所定のレベル
に達するゲート電圧であり、該第2のゲート電圧は、該
2進データのうちの他の種類がそれに書き込まれる場合
に、ソース・ドレイン電流が前記MISトランジスタの
ソース・ドレイン電流−ゲート電圧特性によって所定の
値に達するゲート電圧であり、かつ読取り電圧が前記M
ISトランジスタの前記ソースと前記ドレインの間に印
加される一方で、該データ読取りゲート電圧にほぼ等し
い電圧が前記ワード線から前記ゲート電極に印加される
場合に、ソース・ドレイン電流が前記第1のビット線ま
たは前記第2のビット線から検出される、請求項4また
は5のいずれか1項に記載の半導体メモリ素子。
6. A potential between a first gate voltage and a second gate voltage is applied as a read gate voltage from the word line to the gate electrode when data is read from the memory cell, The gate voltage of 1 is the gate voltage at which the source / drain current reaches a predetermined level according to the source / drain current-gate voltage characteristic of the MIS transistor when one kind of binary data is written to it, The second gate voltage is a gate voltage at which the source / drain current reaches a predetermined value according to the source / drain current-gate voltage characteristic of the MIS transistor when another kind of the binary data is written therein. And the read voltage is M
A source-drain current is applied between the source and the drain of an IS transistor while a voltage approximately equal to the data read gate voltage is applied from the word line to the gate electrode. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein the semiconductor memory device is detected from a bit line or the second bit line.
【請求項7】 トランジスタのソース、チャンネル、お
よびドレインが形成される能動層と、トランジスタ用の
ゲートと、強誘電性材料の層と、電圧を強誘電性材料に
印加する電極とを備え、該電極はゲートから間隔を置い
て配置され、強誘電性材料の層は内部分極の2つの安定
状態を有し、この配列は、2つの分極状態がトランジス
タの変換特性に及ぼす影響において検出可能な差異を有
するものである、半導体メモリ素子。
7. An active layer in which a source, a channel, and a drain of a transistor are formed, a gate for the transistor, a layer of a ferroelectric material, and an electrode for applying a voltage to the ferroelectric material, The electrodes are spaced from the gate, and the layer of ferroelectric material has two stable states of internal polarization, which array has a detectable difference in the effect of the two polarization states on the conversion characteristics of the transistor. A semiconductor memory device having:
【請求項8】 ゲートおよび強誘電性材料の層が能動層
の反対側に設けられる、請求項7に記載の半導体メモリ
素子。
8. The semiconductor memory device of claim 7, wherein the gate and a layer of ferroelectric material are provided on opposite sides of the active layer.
【請求項9】 ゲートおよび強誘電性材料の層が能動層
の同じ側に設けられる、請求項7に記載の半導体メモリ
素子。
9. The semiconductor memory device according to claim 7, wherein the gate and the layer of ferroelectric material are provided on the same side of the active layer.
【請求項10】 強誘電性材料用の電極の長さがゲート
の長さより短い、請求項7から9のいずれか1項に記載
の半導体メモリ素子。
10. The semiconductor memory device according to claim 7, wherein the length of the electrode for the ferroelectric material is shorter than the length of the gate.
【請求項11】 ゲートが2つの部分ゲートに分割さ
れ、強誘電性材料の層がそれらの間を延びる、請求項9
に記載の半導体メモリ素子。
11. The gate is divided into two partial gates with a layer of ferroelectric material extending between them.
The semiconductor memory device according to 1.
【請求項12】 第1の絶縁層が前記能動層上に形成さ
れ、前記ゲートが該第1の絶縁層上に形成され、第2の
絶縁層が該ゲート上に形成され、かつ前記強誘電性材料
の層が該第2の絶縁層上に形成される、請求項9または
11のいずれか1項に記載の半導体メモリ素子。
12. A first insulating layer is formed on the active layer, the gate is formed on the first insulating layer, a second insulating layer is formed on the gate, and the ferroelectric layer is formed. 12. The semiconductor memory device according to claim 9, wherein a layer of a conductive material is formed on the second insulating layer.
【請求項13】 メモリセルのマトリックスを含む半導
体メモリ素子であって、 各セルが請求項7から12のいずれか1項に記載の素子
の形である半導体メモリ素子。
13. A semiconductor memory device comprising a matrix of memory cells, each cell being in the form of a device according to any one of claims 7 to 12.
【請求項14】 前記トランジスタを形成するステップ
と、その次に前記強誘電性材料の層を適用するステップ
とを含む、請求項7に記載の半導体メモリ素子を製造す
る方法。
14. The method of manufacturing a semiconductor memory device of claim 7, comprising forming the transistor and then applying a layer of the ferroelectric material.
【請求項15】 前記強誘電性材料の層を適用するステ
ップに先立って、該強誘電性材料の層が前記2つの部分
ゲートの間に適用され得るように前記ゲートを分割する
ステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
15. Prior to the step of applying the layer of ferroelectric material, the method further comprises splitting the gate so that the layer of ferroelectric material can be applied between the two partial gates. The method according to claim 14.
JP2001296481A 2001-09-27 2001-09-27 Semiconductor memory device Withdrawn JP2003109376A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001296481A JP2003109376A (en) 2001-09-27 2001-09-27 Semiconductor memory device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001296481A JP2003109376A (en) 2001-09-27 2001-09-27 Semiconductor memory device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2003109376A true JP2003109376A (en) 2003-04-11

Family

ID=19117714

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001296481A Withdrawn JP2003109376A (en) 2001-09-27 2001-09-27 Semiconductor memory device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2003109376A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006190432A (en) * 2004-12-29 2006-07-20 Hynix Semiconductor Inc Nonvolatile ferroelectric memory device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006190432A (en) * 2004-12-29 2006-07-20 Hynix Semiconductor Inc Nonvolatile ferroelectric memory device
US8035146B2 (en) 2004-12-29 2011-10-11 Hynix Semiconductor Inc. Nonvolatile ferroelectric memory device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7215567B2 (en) Ferroelectric memory device
US5416735A (en) Non-volatile random access memory with ferroelectric capacitor
US7982252B2 (en) Dual-gate non-volatile ferroelectric memory
US7274593B2 (en) Nonvolatile ferroelectric memory device
US7728369B2 (en) Nonvolatile ferroelectric memory device
US6456520B1 (en) Semiconductor memory and method for driving the same
US5822239A (en) Method of writing data to a single transistor type ferroelectric memory
US20180315794A1 (en) Methods and apparatus for three-dimensional nonvolatile memory
US6094369A (en) Ferroelectric nonvolatile memory element having capacitors of same dielectric constant and method thereof
KR100669558B1 (en) Non-volatile ferroelectric memory device
US6580633B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device
KR101415509B1 (en) Memory device, method of forming the same and method of operating the same
US6172897B1 (en) Semiconductor memory and write and read methods of the same
KR100745938B1 (en) Ferroelectric memory and operating method therefor
US6771530B2 (en) Semiconductor memory and method for driving the same
JP2002298573A (en) Ferroelectric memory element sharing cell plate between adjacent memory cells, and its driving method
JP2003109376A (en) Semiconductor memory device
US6449185B2 (en) Semiconductor memory and method for driving the same
US6455883B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory
JP3434485B2 (en) Two-transistor single-capacitor ferroelectric memory
JP3360471B2 (en) Ferroelectric memory device
US20180261766A1 (en) Methods and apparatus for three-dimensional nonvolatile memory
KR100319750B1 (en) Nonvolatile ferroelectric memory device and operating method thereof
GB2367424A (en) Non volatile ferroelectric memory device
JP2002016233A (en) Semiconductor memory and method of driving the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040203

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040220

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060706

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060725

A761 Written withdrawal of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761

Effective date: 20060919