JP2005038497A - Ferroelectric non-volatile memory - Google Patents

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Kenji Toyoda
健治 豊田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory which is further increased in its bit capacity and is made non-volatile. <P>SOLUTION: A ferroelectric capacitor 1 and a paraelectric capacitor 2 are connected in series; a juncture FG of the ferroelectric capacitor 1 and the paraelectric capacitor 2 is connected to a gate section of a first field-effect transistor (FET) 3; and the juncture FG is connected to the source section or drain section of the FET 4, by which the ferroelectric non-volatile memory is constituted. The ferroelectric non-volatile memory puts the second FET 4 into a conducting state in a first step, puts the second FET 4 into a non-conducting state in a second step, applies a positive or negative voltage to each of the terminal of the ferroelectric capacitor 1 and the terminal of the paraelectric capacitor 2 or grounds the same in a third step and grounds the first terminal and the second terminal in a fourth step. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、強誘電体を用いた不揮発記憶装置に関わり、特に多値メモリーに関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory device using a ferroelectric, and more particularly to a multi-value memory.

従来の多値メモリーを備えた強誘電体記憶装置としては、多重履歴強誘電体キャパシタを用いているものがあった(例えば、特許文献1参照)。図9は、前記特許文献1 に記載された従来の強誘電体記憶装置の回路図を示す。   As a conventional ferroelectric memory device equipped with a multi-value memory, there has been one using a multi-history ferroelectric capacitor (see, for example, Patent Document 1). FIG. 9 is a circuit diagram of a conventional ferroelectric memory device described in Patent Document 1.

図9において、多重履歴強誘電体キャパシタ101は、常誘電体キャパシタ102と直列接続し、さらに、ノードFGに電界効果型トランジスタ103を接続させた回路構成になっている。強誘電体の分極反転によって誘起される常誘電体キャパシタ102の電荷量を電解効果型トランジスタ103のドレイン電流の大きさによって読み出す。   In FIG. 9, a multi-history ferroelectric capacitor 101 has a circuit configuration in which a paraelectric capacitor 102 is connected in series and a field effect transistor 103 is connected to a node FG. The charge amount of the paraelectric capacitor 102 induced by the polarization inversion of the ferroelectric is read out according to the magnitude of the drain current of the field effect transistor 103.

多重履歴強誘電体キャパシタ101の多重履歴特性を図10に示す。図10(a)は、多重履歴強誘電体キャパシタ101の電界と分極の特性図である。図10(a)に示すように、異なる二つの抗電界が存在するため、電界が増加していくと、二段階で分極が増加する。つまり、図10(b)に示すように、多重履歴強誘電体キャパシタ101は、異なる抗電界をもつ二つの強誘電体キャパシタの並列接続と等価である。   The multiple history characteristic of the multiple history ferroelectric capacitor 101 is shown in FIG. FIG. 10A is a characteristic diagram of the electric field and polarization of the multi-history ferroelectric capacitor 101. As shown in FIG. 10A, since two different coercive electric fields exist, when the electric field increases, the polarization increases in two stages. That is, as shown in FIG. 10B, the multi-history ferroelectric capacitor 101 is equivalent to a parallel connection of two ferroelectric capacitors having different coercive electric fields.

図10(b1)に示すように、二つの強誘電体キャパシタの分極の向きがどちらとも下向きの場合、図10(a)に示すP1の状態になる。   As shown in FIG. 10 (b1), when the polarization directions of the two ferroelectric capacitors are both downward, the state is P1 shown in FIG. 10 (a).

図10(b2)に示すように、二つの強誘電体キャパシタの分極の向きがどちらとも上向きの場合、図10(a)に示すP2の状態になる。   As shown in FIG. 10 (b2), when the polarization directions of the two ferroelectric capacitors are both upward, the state of P2 shown in FIG. 10 (a) is obtained.

図10(b3)に示すように、二つの強誘電体キャパシタの分極の向きが異なる場合、図10(a)に示すP0の状態になる。   As shown in FIG. 10B3, when the polarization directions of the two ferroelectric capacitors are different, the state of P0 shown in FIG.

以上のように、多重履歴強誘電体キャパシタ101は、3つの安定な分極状態がある。この3つの安定な分極状態で誘起される常誘電体キャパシタ102の電荷量によって、3値の状態を判別することを可能としていた。   As described above, the multi-history ferroelectric capacitor 101 has three stable polarization states. The ternary state can be discriminated based on the charge amount of the paraelectric capacitor 102 induced in these three stable polarization states.

また、多重履歴強誘電体キャパシタ101の記憶を消去する場合には、端子IN2を接地し、ノードIN1に強誘電体キャパシタの分極が反転しうる負電圧を印加し、P1の状態にする。その後、端子IN1、IN2を接地し、強誘電体キャパシタ101や常誘電体キャパシタ102のリーク電流によって電荷を流出することで、ノードFGの電荷を0にする。
特開平6−58397号公報(第3−4頁、図1−2)
Further, when erasing the memory of the multi-history ferroelectric capacitor 101, the terminal IN2 is grounded, and a negative voltage capable of reversing the polarization of the ferroelectric capacitor is applied to the node IN1 to bring it into the state of P1. Thereafter, the terminals IN1 and IN2 are grounded, and the charge is discharged by the leakage current of the ferroelectric capacitor 101 and the paraelectric capacitor 102, so that the charge of the node FG is reduced to zero.
JP-A-6-58397 (page 3-4, FIG. 1-2)

しかしながら、従来の構成では、3値(すなわち、P0、P1、P2)であるので、従来の2値に比べるとあまりビット容量の増加は望めない。また、多重履歴強誘電体キャパシタ101および常誘電体キャパシタ102のリーク電流によって強誘電体記憶を消去するので消去時間が長い。さらに、リーク電流によって、常誘電体キャパシタに誘起される電荷が流出してしまうため、記憶状態を不揮発にすることができないという課題を有していた。   However, since the conventional configuration has three values (that is, P0, P1, and P2), an increase in bit capacity cannot be expected much compared to the conventional binary values. Further, since the ferroelectric memory is erased by the leakage current of the multi-history ferroelectric capacitor 101 and the paraelectric capacitor 102, the erasing time is long. Furthermore, since the charge induced in the paraelectric capacitor flows out due to the leak current, there is a problem that the memory state cannot be made non-volatile.

本発明は、前記従来の課題を解決し、記憶装置のビット容量を更に増加させ、かつ不揮発としたものを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, to further increase the bit capacity of a storage device, and to provide a nonvolatile memory device.

従来の課題を解決するために、本発明の強誘電体多値不揮発記憶装置は、強誘電体キャパシタと常誘電体キャパシタとが直列に接続され、前記強誘電体キャパシタと前記常誘電体キャパシタとの接続部が第一の電界効果型トランジスタのゲート部に接続され、前記接続部が第二の電界効果型トランジスタのソース部またはドレイン部に接続されることによって構成され、
第一のステップにおいて、第二の電界効果型トランジスタを導通状態にし、
第一のステップの後に続く第二のステップにおいて、第二の電界効果型トランジスタを非導通状態にし、
第二のステップの後に続く第三のステップにおいて、強誘電体キャパシタ側の端子である第一の端子と常誘電体キャパシタ側の端子である第二の端子、それぞれに正または負の電圧を印加または接地させ、
第三のステップの後に続く第四のステップにおいて、前記第一の端子および前記第二の端子の電圧を接地することを特徴とする。
In order to solve the conventional problems, a ferroelectric multilevel nonvolatile memory device according to the present invention includes a ferroelectric capacitor and a paraelectric capacitor connected in series, and the ferroelectric capacitor, the paraelectric capacitor, Is connected to the gate part of the first field effect transistor, and the connection part is connected to the source part or the drain part of the second field effect transistor,
In the first step, the second field effect transistor is turned on,
In a second step following the first step, the second field effect transistor is turned off,
In the third step following the second step, a positive or negative voltage is applied to each of the first terminal on the ferroelectric capacitor side and the second terminal on the paraelectric capacitor side. Or ground,
In a fourth step subsequent to the third step, the voltages of the first terminal and the second terminal are grounded.

本構成では、マイナーループを利用することで5値の状態を記憶でき、記憶の消去にはリセット用の電界効果型トランジスタを用いることで、消去時間を短くし、かつ消去時以外のリーク電流をほとんどなくし記憶を不揮発にすることができる。そのため、本発明の強誘電体不揮発記憶装置によれば、すくなくとも5値の記憶状態を有し、不揮発に記憶することができる。   In this configuration, a quinary state can be stored by using a minor loop, and the erasing time is shortened by using a reset field effect transistor for erasing the memory, and a leakage current other than at the time of erasing is used. The memory can be made almost non-volatile. Therefore, according to the ferroelectric nonvolatile memory device of the present invention, it has at least a five-value storage state and can be stored in a nonvolatile manner.

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における強誘電体不揮発記憶装置の回路構成図である。図1において、図2と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of the ferroelectric nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the same components as those in FIG.

図1において、強誘電体キャパシタ1と常誘電体キャパシタ2は、直列に接続した。その接続部であるノードFGは第一の電界効果型トランジスタである検出用トランジスタ3のゲート部に接続されている。ノードFGに誘起される電荷量を検出用トランジスタ3で読み出す。また、第二の電界効果型トランジスタであるリセット用トランジスタ4のドレイン部に、ノードFGが接続されている。このリセット用トランジスタ4を導通状態にすることで、ノードFGに誘起された電荷を流出させ、強誘電体不揮発記憶装置の記憶状態を高速に消去できる。   In FIG. 1, a ferroelectric capacitor 1 and a paraelectric capacitor 2 are connected in series. The node FG which is the connection portion is connected to the gate portion of the detection transistor 3 which is the first field effect transistor. The charge amount induced in the node FG is read by the detection transistor 3. Further, a node FG is connected to the drain portion of the resetting transistor 4 which is the second field effect transistor. By making the reset transistor 4 conductive, the charge induced in the node FG can flow out, and the memory state of the ferroelectric nonvolatile memory device can be erased at high speed.

図2は、本実施形態の動作原理を説明するための図である。簡単のため、端子IN2を接地する。今、端子IN1に電圧Vpp1を印加した場合を考える。図2(a)に示すように、強誘電体キャパシタ1に印加される電圧VfはノードFGを基準とし、常誘電体キャパシタ2に印加される電圧Vccは接地部を基準とする。また、強誘電体キャパシタ1に誘起される電荷をQf、常誘電体キャパシタ2に誘起される電荷をQccとする。   FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of this embodiment. For simplicity, the terminal IN2 is grounded. Consider a case where the voltage Vpp1 is applied to the terminal IN1. As shown in FIG. 2A, the voltage Vf applied to the ferroelectric capacitor 1 is based on the node FG, and the voltage Vcc applied to the paraelectric capacitor 2 is based on the ground portion. Further, the charge induced in the ferroelectric capacitor 1 is Qf, and the charge induced in the paraelectric capacitor 2 is Qcc.

いま、制御端子CGに電圧Vpp1を印加したとすると、
Vpp1=Vf+Vcc…(式1)
となる。強誘電体キャパシタ1の下部電極1bに誘起される電荷と常誘電体キャパシタ2の上部電極2aに誘起される電荷の関係は、電荷保存則から、
Qcc−Qf=0…(式2)
となる。常誘電体キャパシタ2に誘起される電荷Qcは、
Qcc=CccVcc…(式3)
となる。ここで、(式1)と(式2)を(式3)に代入すると、
Qf=Ccc(Vpp1−Vf)…(式4)
となる。これは、図2(b)中の直線CC1と対応する。一方、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfとの関係は、図2(b)中の曲線Ferro1のようなヒステリシス特性を示す。直線CC1と曲線Ferro1との交点A1が、端子IN1に電圧Vpp1を印加した時における、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfである。
Now, assuming that the voltage Vpp1 is applied to the control terminal CG,
Vpp1 = Vf + Vcc ... (Formula 1)
It becomes. From the charge conservation law, the relationship between the charge induced in the lower electrode 1b of the ferroelectric capacitor 1 and the charge induced in the upper electrode 2a of the paraelectric capacitor 2 is
Qcc−Qf = 0… (Formula 2)
It becomes. The charge Qc induced in the paraelectric capacitor 2 is
Qcc = CccVcc ... (Formula 3)
It becomes. Here, if (Equation 1) and (Equation 2) are substituted into (Equation 3),
Qf = Ccc (Vpp1−Vf) (Equation 4)
It becomes. This corresponds to the straight line CC1 in FIG. On the other hand, the relationship between the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 shows a hysteresis characteristic as shown by a curve Ferro1 in FIG. The intersection A1 between the straight line CC1 and the curve Ferro1 is the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 when the voltage Vpp1 is applied to the terminal IN1.

この状態から、端子IN1の電圧を接地に戻すと、常誘電体キャパシタ2を表す直線は、図2(b)中の直線CC3になる。直線CC3と曲線Ferro1との交点B1が、端子IN1に電圧Vpp1を加えてから接地に戻した時における、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfである。図2(b)から、電圧Vfは-Vh1であることが分かる。しかし、電圧VfはノードFGを基準としているので、接地部を基準にすると、ノードFGの電圧は正の値Vh1となる。   From this state, when the voltage at the terminal IN1 is returned to the ground, the straight line representing the paraelectric capacitor 2 becomes the straight line CC3 in FIG. The intersection B1 between the straight line CC3 and the curve Ferro1 is the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 when the voltage Vpp1 is applied to the terminal IN1 and then returned to the ground. From FIG. 2B, it can be seen that the voltage Vf is -Vh1. However, since the voltage Vf is based on the node FG, the voltage at the node FG becomes a positive value Vh1 when the ground portion is used as a reference.

このように、端子IN1に正の電圧Vpp1を印加した後、接地に戻すと、強誘電体キャパシタ1の分極と電圧のヒステリシス特性により、ノードFGに正の電圧Vh1が保持される。図2(b)から分かるように、この保持電圧Vh1の大きさは曲線Ferro1の形状、直線CC1の傾き、すなわち常誘電体キャパシタ2の容量値、および制御IN1に印加する電圧の大きさによって変化する。また、端子IN1に負の電圧−Vpp1を印加した後、接地に戻した時における、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfは、点B4のようになる。このとき、ノードFGに負の電圧-Vh1が保持される。   As described above, when the positive voltage Vpp1 is applied to the terminal IN1 and then returned to the ground, the positive voltage Vh1 is held at the node FG due to the polarization characteristics of the ferroelectric capacitor 1 and the hysteresis characteristics of the voltage. As can be seen from FIG. 2B, the magnitude of the holding voltage Vh1 varies depending on the shape of the curve Ferro1, the slope of the straight line CC1, that is, the capacitance value of the paraelectric capacitor 2, and the magnitude of the voltage applied to the control IN1. To do. Further, the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 when the negative voltage −Vpp1 is applied to the terminal IN1 and then returned to the ground are as indicated by a point B4. At this time, the negative voltage -Vh1 is held at the node FG.

電圧Vpp1が印加されたとき、強誘電体キャパシタ1に印加される電圧Vfは強誘電体キャパシタ1の抗電圧Vcより大きい。つまり、強誘電体キャパシタ1の分極が充分飽和している。   When the voltage Vpp1 is applied, the voltage Vf applied to the ferroelectric capacitor 1 is larger than the coercive voltage Vc of the ferroelectric capacitor 1. That is, the polarization of the ferroelectric capacitor 1 is sufficiently saturated.

次の例は、電圧Vpp2を端子IN1に印加させる。このとき、強誘電体キャパシタ1に印加される電圧Vfは強誘電体キャパシタ1の抗電圧Vcより小さい。つまり、強誘電体キャパシタ1の分極は飽和しない。   In the following example, the voltage Vpp2 is applied to the terminal IN1. At this time, the voltage Vf applied to the ferroelectric capacitor 1 is smaller than the coercive voltage Vc of the ferroelectric capacitor 1. That is, the polarization of the ferroelectric capacitor 1 is not saturated.

端子IN1に電圧Vpp2を印加させると、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfとの関係は、図2(b)中の曲線Ferro2のようなヒステリシス特性を示す。これは、強誘電体キャパシタ1に印加される電圧Vfが強誘電体キャパシタ1の抗電圧Vcより小さいためである。これにより、強誘電体キャパシタ1のヒステリシス特性は、マイナーループとなる。直線CC2と曲線Ferro2との交点A2が、端子IN1に電圧Vpp2を印加した時における、強誘電体の電荷Qfと電圧Vfである。   When the voltage Vpp2 is applied to the terminal IN1, the relationship between the charge Qf of the ferroelectric capacitor 1 and the voltage Vf shows a hysteresis characteristic as shown by a curve Ferro2 in FIG. This is because the voltage Vf applied to the ferroelectric capacitor 1 is smaller than the coercive voltage Vc of the ferroelectric capacitor 1. Thereby, the hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor 1 becomes a minor loop. The intersection A2 between the straight line CC2 and the curve Ferro2 is the ferroelectric charge Qf and voltage Vf when the voltage Vpp2 is applied to the terminal IN1.

この状態から、端子IN1の電圧を接地に戻すと、常誘電体キャパシタ2を表す直線は、図2(b)中の直線CC3になる。直線CC3と曲線Ferro2との交点B2が、端子IN1に電圧Vpp2を加えてから接地に戻した時における、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfである。図2(b)から、電圧Vfは-Vh2であることが分かる。しかし、B1と同様に、ノードFGの電圧は正の値Vh2となる。   From this state, when the voltage at the terminal IN1 is returned to the ground, the straight line representing the paraelectric capacitor 2 becomes the straight line CC3 in FIG. The intersection B2 between the straight line CC3 and the curve Ferro2 is the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 when the voltage Vpp2 is applied to the terminal IN1 and then returned to the ground. From FIG. 2B, it can be seen that the voltage Vf is -Vh2. However, similarly to B1, the voltage of the node FG has a positive value Vh2.

このように、端子IN1に正の電圧Vpp2を印加した後、接地に戻すと、強誘電体キャパシタ1の分極と電圧のヒステリシス特性により、ノードFGに正の電圧Vh2が保持される。また、同様に、端子IN2に負の電圧−Vpp1を印加した後、接地に戻した時における、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfは、点B3のようになる。このとき、ノードFGに負の電圧-Vh2が保持される。   As described above, when the positive voltage Vpp2 is applied to the terminal IN1 and then returned to the ground, the positive voltage Vh2 is held at the node FG due to the polarization characteristics of the ferroelectric capacitor 1 and the voltage hysteresis characteristics. Similarly, the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 when the negative voltage −Vpp1 is applied to the terminal IN2 and then returned to the ground are as indicated by a point B3. At this time, the negative voltage -Vh2 is held at the node FG.

以上のように、端子IN1に印加させる電圧の値を変化させることで、ノードFGに保持される電圧の値を変化させることが可能であることを示した。次に、各々の状態に保持させるための各端子に与える電圧のタイミングチャートを示す。   As described above, it has been shown that the value of the voltage held at the node FG can be changed by changing the value of the voltage applied to the terminal IN1. Next, a timing chart of voltages applied to each terminal for holding each state is shown.

図3は、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfを点B1にするために、各端子に与える電圧のタイミングチャートである。第一のステップである期間t1において、端子CGに正の電圧Vddを印加する。これにより、リセット用トランジスタ4が導通状態になり、ノードFGは端子SSと電気的に接続される。ここで、図3に示すように、Δtだけ、端子SSに負の電圧-Vddを、端子IN2に正の電圧Vddを印加する。これにより、強誘電体キャパシタ1の分極をある方向に揃える。この後、端子SS、端子IN2ともに接地状態にする。これにより、ノードFGの電荷は流出し、前の状態は消去される。   FIG. 3 is a timing chart of voltages applied to the terminals in order to set the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 to the point B1. In the period t1, which is the first step, the positive voltage Vdd is applied to the terminal CG. As a result, the reset transistor 4 becomes conductive, and the node FG is electrically connected to the terminal SS. Here, as shown in FIG. 3, a negative voltage −Vdd is applied to the terminal SS and a positive voltage Vdd is applied to the terminal IN2 by Δt. Thereby, the polarization of the ferroelectric capacitor 1 is aligned in a certain direction. Thereafter, both the terminal SS and the terminal IN2 are grounded. As a result, the charge of the node FG flows out and the previous state is erased.

期間t1の後の第二ステップである期間t2において、端子CGの電圧を接地に戻す。これにより、ノードFGは接地部から切り離される。   In the period t2, which is the second step after the period t1, the voltage of the terminal CG is returned to the ground. As a result, the node FG is disconnected from the ground portion.

期間t2の後の第三ステップである期間t3において、端子IN1に正の電圧Vddを、端子IN2に負の電圧‐Vddを印加する。これにより、強誘電体キャパシタ1と常誘電体キャパシタ2との直列回路に電圧2Vddを印加させたことになる。2VddがVpp1に等しいように設定したとすれば、強誘電体キャパシタ1の分極は充分飽和する。このため、強誘電体キャパシタ1の電荷と電圧の状態は、図2(b)の点A1になる。   In a period t3 that is the third step after the period t2, a positive voltage Vdd is applied to the terminal IN1, and a negative voltage −Vdd is applied to the terminal IN2. As a result, the voltage 2 Vdd is applied to the series circuit of the ferroelectric capacitor 1 and the paraelectric capacitor 2. If 2Vdd is set to be equal to Vpp1, the polarization of the ferroelectric capacitor 1 is sufficiently saturated. For this reason, the state of the charge and voltage of the ferroelectric capacitor 1 is point A1 in FIG.

期間t4の後の第四ステップである期間t4において、端子IN1と端子IN2の電圧を再び、接地、すなわち0[V]に戻す。このとき、強誘電体キャパシタ1の電荷と電圧の状態は、図2(b)の点B1になる。ノードFGにVh1の電圧が保持されている。この保持された電圧を検出用トランジスタ4によって、読み出す。読み出し方法については後述する。強誘電体キャパシタ1の分極によって保持されているので、電源を遮断しても元の状態に復帰することが可能である。   In a period t4 that is a fourth step after the period t4, the voltages of the terminals IN1 and IN2 are returned to the ground, that is, 0 [V]. At this time, the state of the electric charge and voltage of the ferroelectric capacitor 1 is a point B1 in FIG. The voltage of Vh1 is held at the node FG. The held voltage is read by the detection transistor 4. A reading method will be described later. Since it is held by the polarization of the ferroelectric capacitor 1, it can be restored to its original state even when the power is turned off.

図4は、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfを点B4にするために、各端子に与える電圧のタイミングチャートである。第三ステップ以外は、点B1の状態にするタイミングチャートと同じである。第三ステップで異なる点を述べる。第三ステップである期間t3において、端子IN1に正の電圧-Vddを、端子IN2に負の電圧Vddを印加する。これにより、強誘電体キャパシタ1と常誘電体キャパシタ2との直列回路に電圧-2Vddを印加させたことになる。期間t4の後の第四ステップである期間t4において、強誘電体キャパシタ1の電荷と電圧の状態は、図2(b)の点B4になる。ノードFGに-Vh1の電圧が保持されている。   FIG. 4 is a timing chart of voltages applied to the terminals in order to set the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 to the point B4. Except for the third step, the timing chart is the same as that of the point B1. The difference in the third step is described. In a period t3 as the third step, a positive voltage −Vdd is applied to the terminal IN1, and a negative voltage Vdd is applied to the terminal IN2. As a result, the voltage −2 Vdd is applied to the series circuit of the ferroelectric capacitor 1 and the paraelectric capacitor 2. In the period t4 that is the fourth step after the period t4, the state of the charge and voltage of the ferroelectric capacitor 1 is a point B4 in FIG. The voltage of −Vh1 is held at the node FG.

図5は、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfを点B2にするために、各端子に与える電圧のタイミングチャートである。第三ステップ以外は、点B1の状態にするタイミングチャートと同じである。第三ステップで異なる点を述べる。第三ステップである期間t3において、端子IN1に正の電圧Vddを印加する。端子IN2は接地した状態を保つ。これにより、強誘電体キャパシタ1と常誘電体キャパシタ2との直列回路に電圧Vddを印加させたことになる。VddがVpp2に等しいように設定したとすれば、強誘電体キャパシタ1の分極は充分飽和しない。このため、強誘電体キャパシタ1の電荷と電圧の状態は、図2(b)の点A2になる。期間t4の後の第四ステップである期間t4において、強誘電体キャパシタ1の電荷と電圧の状態は、図2(b)の点B2になる。ノードFGにVh2の電圧が保持されている。   FIG. 5 is a timing chart of voltages applied to the terminals in order to set the charge Qf and voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 to the point B2. Except for the third step, the timing chart is the same as that of the point B1. The difference in the third step is described. In the period t3 that is the third step, the positive voltage Vdd is applied to the terminal IN1. Terminal IN2 remains grounded. As a result, the voltage Vdd is applied to the series circuit of the ferroelectric capacitor 1 and the paraelectric capacitor 2. If Vdd is set to be equal to Vpp2, the polarization of the ferroelectric capacitor 1 is not sufficiently saturated. For this reason, the state of the electric charge and voltage of the ferroelectric capacitor 1 is a point A2 in FIG. In the period t4 that is the fourth step after the period t4, the state of the electric charge and voltage of the ferroelectric capacitor 1 is a point B2 in FIG. The voltage of Vh2 is held at the node FG.

図6は、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfを点B3にするために、各端子に与える電圧のタイミングチャートである。第三ステップ以外は、点B1の状態にするタイミングチャートと同じである。第三ステップで異なる点を述べる。第三ステップである期間t3において、端子IN2に正の電圧Vddを印加する。端子IN1は接地した状態を保つ。これにより、強誘電体キャパシタ1と常誘電体キャパシタ2との直列回路に電圧-Vddを印加させたことになる。VddがVpp2に等しいように設定したとすれば、強誘電体キャパシタ1の分極は充分飽和しない。期間t4の後の第四ステップである期間t4において、強誘電体キャパシタ1の電荷と電圧の状態は、図2(b)の点B3になる。ノードFGに-Vh2の電圧が保持されている。   FIG. 6 is a timing chart of voltages applied to the terminals in order to set the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric capacitor 1 to the point B3. Except for the third step, the timing chart is the same as that of the point B1. The difference in the third step is described. In the period t3 that is the third step, the positive voltage Vdd is applied to the terminal IN2. Terminal IN1 remains grounded. As a result, the voltage −Vdd is applied to the series circuit of the ferroelectric capacitor 1 and the paraelectric capacitor 2. If Vdd is set to be equal to Vpp2, the polarization of the ferroelectric capacitor 1 is not sufficiently saturated. In the period t4 that is the fourth step after the period t4, the state of the charge and voltage of the ferroelectric capacitor 1 is a point B3 in FIG. A voltage of −Vh2 is held at the node FG.

図7は、リセット状態にするために、各端子に与える電圧のタイミングチャートである。第三ステップ以外は、点B1の状態にするタイミングチャートと同じである。第三ステップで異なる点を述べる。第三ステップである期間t3において、端子IN1および端子IN2を接地状態に保つ。期間t4の後の第四ステップである期間t4において、強誘電体キャパシタ1の電荷と電圧の状態は、図2(b)の点Oになる。これにより、この装置をリセット状態にすることができる。   FIG. 7 is a timing chart of voltages applied to the terminals in order to set the reset state. Except for the third step, the timing chart is the same as that of the point B1. The difference in the third step is described. In the period t3 that is the third step, the terminals IN1 and IN2 are kept in the ground state. In the period t4 which is the fourth step after the period t4, the state of the electric charge and voltage of the ferroelectric capacitor 1 becomes a point O in FIG. Thereby, this apparatus can be made into a reset state.

なお、リセット用トランジスタ4の基板部の端子BGの電圧は、PN接合の順電流が流れないように、すくなくとも-Vh1より小さい電圧に設定する。また、リセット用トランジスタ4は、ソース・ドレイン間のリーク電流を小さくするために、しきい値は正であることが望ましい。さらに、リセット用トランジスタ4の基板部に負の電圧を印加させるため、ゲート・基板間の電圧は電源電圧より大きくなる。そのため、検出用トランジスタ3よりゲート酸化膜が大きいことがより好ましい。次に、図8を用いて、読み出しの方法について述べる。   Note that the voltage at the terminal BG of the substrate portion of the resetting transistor 4 is set to at least a voltage smaller than −Vh1 so that the forward current of the PN junction does not flow. The reset transistor 4 preferably has a positive threshold value in order to reduce the leakage current between the source and the drain. Furthermore, since a negative voltage is applied to the substrate portion of the reset transistor 4, the voltage between the gate and the substrate becomes higher than the power supply voltage. Therefore, it is more preferable that the gate oxide film is larger than the detection transistor 3. Next, a reading method will be described with reference to FIG.

図8は、検出用トランジスタ3のゲート部の電圧であるVfgとドレイン電流Idとの関係を示した図である。検出用トランジスタ3のしきい値は、-Vh1より小さいように設定している。図2(b)で示した各点B1からB4までを、Id-Vfgの関係に対応させた。このように、Vfgの大きさによって、検出用トランジスタ3のドレイン電流Idに異なる、このドレイン電流の大きさId0からId4を読み取ることで、ノードFGに保持されている電圧である記憶状態を読み出すことが可能となる。図8から分かるように、点B1からB4およびリセット状態である“0”を含めると、5つの状態を記憶させることが可能であることが分かる。   FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between Vfg, which is the voltage of the gate portion of the detection transistor 3, and the drain current Id. The threshold value of the detection transistor 3 is set to be smaller than -Vh1. Each point B1 to B4 shown in FIG. 2B is made to correspond to the relationship of Id-Vfg. In this way, by reading the drain current magnitudes Id0 to Id4 that differ from the drain current Id of the detection transistor 3 depending on the magnitude of Vfg, the storage state that is the voltage held at the node FG is read. Is possible. As can be seen from FIG. 8, when the points B1 to B4 and the reset state “0” are included, five states can be stored.

以上のように、本発明の第一の実施形態の強誘電体不揮発性記憶装置は、端子IN1と端子IN2に印加させる電圧の大きさを変えることで、強誘電体キャパシタ1と常誘電体キャパシタ2との直列接続部であるノードFGの電圧に保持される電圧を変化させることができ、すくなくとも5値の記憶状態を保持することが可能となる。また、直列接続部であるノードFGにリセット用トランジスタ4を設け、このリセット用トランジスタ4を導通状態にすることで、記憶の消去を高速にすることが可能となった。また、リセット用トランジスタ4を非導通状態にすることで、直列接続部であるノードFGにある電荷の流出を防ぐことができるので、記憶状態を不揮発に保持することが可能となる。   As described above, in the ferroelectric nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention, the ferroelectric capacitor 1 and the paraelectric capacitor are changed by changing the magnitude of the voltage applied to the terminal IN1 and the terminal IN2. 2 can be changed to the voltage of the node FG which is a series connection portion with 2, and at least a five-value storage state can be held. Further, by providing the reset transistor 4 at the node FG which is a serial connection portion and making the reset transistor 4 conductive, it is possible to erase the memory at high speed. Further, by making the reset transistor 4 non-conductive, it is possible to prevent the charge in the node FG, which is a series connection portion, from flowing out, so that the memory state can be held in a nonvolatile manner.

なお、本実施形態では、5値の記憶状態を保持させることが可能になったが、5値に限定されない。動作原理から明らかなように、端子IN1と端子IN2とに印加する電圧Vpp1, Vpp2の大きさを変化させることで、検出用トランジスタ3の分解能が許す限り、5値以上の記憶状態を保持させることは可能である。   In the present embodiment, it is possible to hold a five-value storage state, but the present invention is not limited to five values. As is clear from the principle of operation, by changing the magnitudes of the voltages Vpp1 and Vpp2 applied to the terminals IN1 and IN2, as long as the resolution of the detection transistor 3 allows, a storage state of five or more values can be maintained. Is possible.

本発明にかかる強誘電体不揮発記憶装置は、不揮発性および多値の記憶状態を有し、半導体メモリー等として有用である。またリコンフィギュラブルLSIのコンフィギュレーションメモリー等の用途にも応用できる。   The ferroelectric nonvolatile memory device according to the present invention has nonvolatile and multivalued storage states and is useful as a semiconductor memory or the like. It can also be applied to applications such as reconfigurable LSI configuration memories.

本発明の実施の形態1における強誘電体記憶装置の回路構成図1 is a circuit configuration diagram of a ferroelectric memory device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における強誘電体記憶装置の動作原理を説明するための図The figure for demonstrating the principle of operation of the ferroelectric memory device in Embodiment 1 of this invention. 状態“B1”にするための各端子に与える電圧のタイミングチャートTiming chart of voltage applied to each terminal for changing to the state “B1” 状態“B4”にするための各端子に与える電圧のタイミングチャートTiming chart of voltage applied to each terminal for changing to state “B4” 状態“B2”にするための各端子に与える電圧のタイミングチャートTiming chart of voltage applied to each terminal for changing to state “B2” 状態“B3”にするための各端子に与える電圧のタイミングチャートTiming chart of voltage applied to each terminal for changing to state “B3” リセット状態“O”にするための各端子に与える電圧のタイミングチャートTiming chart of voltage applied to each terminal to set to reset state “O” 本発明の実施の形態1における強誘電体記憶装置の検出用トランジスタの電流・電圧特性を示す図The figure which shows the current-voltage characteristic of the transistor for a detection of the ferroelectric memory device in Embodiment 1 of this invention 従来の強誘電体記憶装置の回路構成図を示す図The figure which shows the circuit block diagram of the conventional ferroelectric memory device. 従来の強誘電体記憶装置の動作原理を説明するための図The figure for demonstrating the principle of operation of the conventional ferroelectric memory device

符号の説明Explanation of symbols

1 強誘電体キャパシタ
1a 強誘電体キャパシタの上部電極
1b 強誘電体キャパシタの下部電極
2 常誘電体キャパシタ
2a 常誘電体キャパシタの上部電極
2b 常誘電体キャパシタの下部電極
3 検出用トランジスタ
4 リセット用トランジスタ
101 多重履歴強誘電体キャパシタ
102 常誘電体キャパシタ
103 検出用トランジスタ

1 Ferroelectric Capacitor 1a Ferroelectric Capacitor Upper Electrode 1b Ferroelectric Capacitor Lower Electrode 2 Paraelectric Capacitor 2a Paraelectric Capacitor Upper Electrode 2b Paraelectric Capacitor Lower Electrode 3 Detection Transistor 4 Reset Transistor 101 Multi-History Ferroelectric Capacitor 102 Paraelectric Capacitor 103 Detection Transistor

Claims (9)

強誘電体キャパシタと常誘電体キャパシタとが直列に接続され、
前記強誘電体キャパシタと前記常誘電体キャパシタとの接続部が第一の電界効果型トランジスタのゲート部に接続され、
前記接続部が第二の電界効果型トランジスタのソース部またはドレイン部に接続されることによって構成され、
第一のステップにおいて、第二の電界効果型トランジスタを導通状態にし、
第一のステップの後に続く第二のステップにおいて、第二の電界効果型トランジスタを非導通状態にし、
第二のステップの後に続く第三のステップにおいて、強誘電体キャパシタ側の端子である第一の端子と常誘電体キャパシタ側の端子である第二の端子、それぞれに正または負の電圧を印加または接地させ、
第三のステップの後に続く第四のステップにおいて、前記第一の端子および前記第二の端子の電圧を接地することを特徴とする強誘電体不揮発記憶装置。
A ferroelectric capacitor and a paraelectric capacitor are connected in series,
A connection portion between the ferroelectric capacitor and the paraelectric capacitor is connected to a gate portion of a first field effect transistor;
The connection part is configured by being connected to a source part or a drain part of a second field effect transistor,
In the first step, the second field effect transistor is turned on,
In a second step following the first step, the second field effect transistor is turned off,
In the third step following the second step, a positive or negative voltage is applied to each of the first terminal on the ferroelectric capacitor side and the second terminal on the paraelectric capacitor side. Or ground,
A ferroelectric nonvolatile memory device, wherein a voltage of the first terminal and the second terminal is grounded in a fourth step following the third step.
前記第一ステップにおいて、前記第一の端子に正または負の電圧を印加し、前記第二の電界効果型トランジスタの前記接続部に接続されていない端子である第三の端子に正または負の電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の強誘電体不揮発記憶装置。 In the first step, a positive or negative voltage is applied to the first terminal, and a positive or negative voltage is applied to a third terminal that is not connected to the connection portion of the second field effect transistor. 2. The ferroelectric nonvolatile memory device according to claim 1, wherein a voltage is applied. 前記第一および第二の電界効果型トランジスタがN型MOSトランジスタによって構成されることを特徴とする請求項2に記載の強誘電体不揮発記憶装置。 3. The ferroelectric nonvolatile memory device according to claim 2, wherein the first and second field effect transistors are N-type MOS transistors. 前記第一の電界効果型トランジスタのしきい値が負であることを特徴とする請求項3に記載の強誘電体不揮発記憶装置。 4. The ferroelectric nonvolatile memory device according to claim 3, wherein a threshold value of the first field effect transistor is negative. 前記第二の電界効果型トランジスタの基板部が負の電圧にすることを特徴とする請求項3に記載の強誘電体不揮発記憶装置。 4. The ferroelectric nonvolatile memory device according to claim 3, wherein the substrate portion of the second field effect transistor has a negative voltage. 前記第二の電界効果型トランジスタのゲート酸化膜の厚さが前記第一の電界効果型トランジスタより大きいことを特徴とする請求項5に記載の強誘電体不揮発記憶装置。 6. The ferroelectric nonvolatile memory device according to claim 5, wherein a thickness of a gate oxide film of the second field effect transistor is larger than that of the first field effect transistor. 前記第一のステップにおいて、
第二の電界効果型トランジスタを非導通状態である間に、
前記第一の端子に正の電圧を、前記第三の端子に負の電圧を印加し、
あるいは、前記第一の端子に負の電圧を、前記第三の端子に正の電圧を印加し、
前記強誘電体キャパシタに印加される電圧が前記強誘電体キャパシタの抗電圧より大きいことを特徴とする請求項2に記載の強誘電体不揮発記憶装置。
In the first step,
While the second field effect transistor is non-conductive,
Applying a positive voltage to the first terminal and a negative voltage to the third terminal;
Alternatively, a negative voltage is applied to the first terminal, a positive voltage is applied to the third terminal,
3. The ferroelectric nonvolatile memory device according to claim 2, wherein a voltage applied to the ferroelectric capacitor is larger than a coercive voltage of the ferroelectric capacitor.
前記第三ステップにおいて、
前記第一の端子に正の電圧を、前記第二の端子に負の電圧を印加し、
あるいは、前記第一の端子に負の電圧を、前記第二の端子に正の電圧を印加し、
前記強誘電体キャパシタに印加される電圧が前記強誘電体キャパシタの抗電圧より大きいことを特徴とする請求項2に記載の強誘電体不揮発記憶装置。
In the third step,
Applying a positive voltage to the first terminal and a negative voltage to the second terminal;
Alternatively, a negative voltage is applied to the first terminal, a positive voltage is applied to the second terminal,
3. The ferroelectric nonvolatile memory device according to claim 2, wherein a voltage applied to the ferroelectric capacitor is larger than a coercive voltage of the ferroelectric capacitor.
前記第三ステップにおいて、
前記第一の端子に正または負の電圧を印加し、かつ前記第二の端子が接地状態にし、
あるいは、前記第一の端子が状態で、かつ前記第二の端子に正または負の電圧を印加し、
前記強誘電体キャパシタに印加される電圧が前記強誘電体キャパシタの抗電圧より小さいことを特徴とする請求項2に記載の強誘電体不揮発記憶装置。

In the third step,
A positive or negative voltage is applied to the first terminal, and the second terminal is grounded;
Alternatively, the first terminal is in a state and a positive or negative voltage is applied to the second terminal,
3. The ferroelectric nonvolatile memory device according to claim 2, wherein a voltage applied to the ferroelectric capacitor is smaller than a coercive voltage of the ferroelectric capacitor.

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