JP2005503632A - 強誘電体メモリおよびその動作方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
この発明は、強誘電体メモリおよびその動作方法に関し、特に、強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリおよびその動作方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、強誘電体メモリは、高速で低消費電力な不揮発性メモリとして注目されている。このため、強誘電体メモリに関する研究開発が精力的に行われている。
【0003】
図7は、従来の最も一般的に用いられている強誘電体メモリの代表的な回路図であり、図8は、図7に対応する断面構造図である。図7および図8を参照して、この従来の構造では、半導体基板101の表面上の所定領域に素子分離領域102が形成されている。素子分離領域102によって囲まれた素子形成領域には、所定の間隔を隔てて、ソース/ドレイン領域103および104が形成されている。ソース/ドレイン領域103と104との間に位置するチャネル領域上には、ゲート絶縁膜105を介して、ワード線(WL)を構成するゲート電極106が形成されている。ソース/ドレイン領域104には、ビット線(BL)113が電気的に接続されている。
【0004】
また、ソース/ドレイン領域103には、プラグ電極108を介して、下部電極109が形成されている。下部電極109上には、強誘電体膜110を介して、プレート線(PL)を構成する上部電極111が形成されている。この下部電極109、強誘電体層110および上部電極111によって強誘電体キャパシタ112が構成されている。また、ソース/ドレイン領域103および104と、ゲート絶縁膜105と、ゲート電極106とによって、トランジスタ107が構成されている。このトランジスタ107は、メモリセルの選択を行うスイッチとして機能する。また、図7に示すように、1つのメモリセル100は、1つのトランジスタ107と、1つの強誘電体キャパシタ112とによって構成されている。
【0005】
しかしながら、図7および図8に示した従来の強誘電体メモリの構造では、1つのメモリセル100が、1つのトランジスタ107と1つの強誘電体キャパシタ112とによって構成されているため、比較的大きなメモリセル面積になるという不都合があった。
【0006】
そこで、従来、1つのメモリセルを1つの強誘電体キャパシタのみによって構成する単純マトリックス型の強誘電体キャパシタや、トランジスタのゲート部に強誘電体キャパシタを形成したMFIS−FET(Metal Ferroelectric Insulator Semiconductor−Field Effect Transistor:金属・強誘電体・絶縁体・半導体−電界効果トランジスタ)、または、MFMIS−FET(Metal Ferroelectric Metal Insulator Semiconductor−Field Effect Transistor:金属・強誘電体・金属・絶縁体・半導体−電界効果トランジスタ)型の強誘電体メモリが開発されている。
【0007】
図9は、従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリの回路図であり、図10は図9に対応した断面図である。図9および図10を参照して、従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリでは、ビット線(BL)201上に、強誘電体層202が形成されている。そして、その強誘電体層202上に、ビット線201と交差する方向に、ワード線(WL)203が形成されている。このビット線201と強誘電体層202とワード線203とによって、強誘電体キャパシタ210が構成されている。この単純マトリックス型の強誘電体メモリでは、図9に示すように、1つのメモリセル200が、1つの強誘電体キャパシタ210のみによって構成されている。
【0008】
図11は、図9および図10に示した従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリの書き込み動作時の電圧の印加方法を説明するための回路図である。図11を参照して、従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリの場合、選択されたメモリセル(選択セル)を駆動するために、選択セルが繋がるビット線BL1とワード線WL1との間にVCCの電圧を加える。すなわち、ビット線BL1には、電源電圧VCCを印加するとともに、ワード線WL1には、0Vを印加する。そして、非選択のメモリセル(非選択セル)の繋がるビット線BL0およびBL2には、1/3VCCを印加し、非選択セルが繋がるワード線WL0およびWL2には、2/3VCCを印加する。これにより、選択セルには、VCCの電圧が印加されるとともに、非選択セルには、1/3VCCが印加される。
【0009】
上記の場合、選択セルの強誘電体層202に対しては、分極反転が十分飽和し、かつ、非選択セルの強誘電体層に対しては、分極状態がほとんど変化しないことが必要となる。
【0010】
しかしながら、現状では、強誘電体ヒステリシスの角型形状が十分でないため、図12に示すように、非選択セルに1/3VCCが同じ方向に印加され続けると、その情報(電荷量)が失われていくという、いわゆるディスターブが発生する。このようなディスターブが生じると、非選択セルに書き込まれた情報が失われていくため、強誘電体メモリとして使用することが困難である。このため、現状では、図9および図10に示した単純マトリックス構造の強誘電体メモリの実用化は困難であると考えられている。
【0011】
また、図13は、従来のMFMIS−FETをメモリセルとした1トランジスタ型の強誘電体メモリを示した回路図であり、図14は、図13に対応する断面構造図である。図13および図14を参照して、この1トランジスタ型の強誘電体メモリでは、半導体基板301の表面に、ウェル領域302が形成されている。そして、このウェル領域302の表面に、所定の間隔を隔てて、ソース/ドレイン領域303および304が形成されている。ソース/ドレイン領域303および304間に位置するチャネル領域上には、ゲート絶縁膜305を介して、ゲート電極306が形成されている。
【0012】
ゲート電極306上には、強誘電体層307を介してワード線(WL)308が形成されている。ソース/ドレイン領域304には、ビット線(BL)310が接続されている。ソース/ドレイン領域303には、プレート線(PL)311が接続されている。ウェル領域302には、ソース線(SL)312が接続されている。ゲート電極306、強誘電体層307およびワード線308によって、強誘電体キャパシタ315が構成されている。また、ソース/ドレイン領域303および304と、ゲート絶縁膜305と、ゲート電極306とによって、トランジスタ309が構成されている。この場合、1つのメモリセル300は、1つのトランジスタ309のゲート部上に、強誘電体キャパシタ315が形成された構造を有する。
【0013】
図13および図14に示した1トランジスタ型の強誘電体メモリにおいて、書き込み時には、図15に示すような等価回路図となる。このため、図11に示した単純マトリックス型の強誘電体メモリと同様の書き込み動作を行った場合、非選択セルに1/3VCCが同じ方向に印加され続けると、その情報(電荷量)が失われていく、いわゆるディスターブが同様に生じるという問題点があった。
【発明の開示】
【0014】
この発明の1つの目的は、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することが可能な強誘電体メモリを提供することである。
【0015】
この発明のもう1つの目的は、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することによって、単純マトリックス型の強誘電体メモリを実用化することである。
【0016】
この発明のさらにもう1つの目的は、1トランジスタ型の強誘電体メモリにおいて、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【0017】
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面における強誘電体メモリは、強誘電体キャパシタを有するメモリセルがマトリックス状に配置されたメモリセルアレイと、強誘電体キャパシタに高い電圧を印加した場合には十分な分極反転を生じるとともに、強誘電体キャパシタに低い電圧を印加した場合にはほとんど分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスをメモリセルに印加するためのパルス印加手段とを備えている。そして、データの書き込み時および読み出し時の少なくともいずれか一方の時に、選択されたメモリセルには、上記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、上記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する。ここで、「強誘電体膜に高い電圧を印加した場合には分極反転を生じる」とは、強誘電体膜に蓄積される電荷量が負の状態になるデータが強誘電体膜に記憶されている場合に、強誘電体膜に高い電圧を印加した場合には分極反転を生じ、データとして書き込みまたは読み込みを行うことができるという意味である。
【0018】
この第1の局面による強誘電体メモリでは、上記のように、強誘電体キャパシタに高い電圧を印加した場合には分極反転を生じるとともに、強誘電体キャパシタに低い電圧を印加した場合には実質的に分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスをメモリセルに印加するためのパルス印加手段を設けることによって、データの書き込み時および読み出し時の少なくともいずれか一方の時に、選択されたメモリセルには、上記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、上記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加するようにすれば、選択されたメモリセルに対しては、書き込みまたは読み出しを行うことができるとともに、非選択のメモリセルに対しては、ほとんど分極反転を生じないようにすることができる。その結果、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することができる。
【0019】
上記第1の局面による強誘電体メモリにおいて、好ましくは、強誘電体キャパシタは、ビット線と、ビット線と交差するように配置されたワード線と、ビット線とワード線との間に配置された強誘電体層とから構成されている。このように構成することによって、単純マトリックス型の強誘電体メモリを形成することができる。そして、このような単純マトリックス型の強誘電体メモリにおいて、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することができるので、単純マトリックス型の強誘電体メモリを実用化することができる。この場合、強誘電体キャパシタには、書き込み時および読み出し時の両方において、選択されたメモリセルに、所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルに、所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加するようにしてもよい。このように構成することによって、単純マトリックス型の強誘電体メモリにおいて、書き込み時および読み出し時の両方における非選択のメモリセルのディスターブを回避することができる。
【0020】
上記第1の局面による強誘電体メモリにおいて、好ましくは、強誘電体キャパシタには、常誘電体キャパシタが直列に接続されている。このように構成することによって、強誘電体キャパシタに印加される電圧は、常誘電体キャパシタを接続した分小さくなるので、強誘電体キャパシタに印加する電圧を常誘電体キャパシタを接続しない場合と同じにするためには、メモリセルに印加する電圧を大きくする必要がある。このようにメモリセルに印加する電圧を大きくすると、選択セルに印加される電圧と、非選択セルに印加される電圧との電圧差が大きくなるので、電圧差が小さい場合に比べて、電圧制御を容易に行うことができる。
【0021】
上記第1の局面による強誘電体メモリにおいて、好ましくは、強誘電体キャパシタは、第1電界効果トランジスタのゲート部分に設けられた強誘電体層を含む。このように構成することによって、MFIS−FETまたはMFMIS−FETを形成することができる。そして、このようなMFIS−FETまたはMFMIS−FET型の強誘電体メモリにおいて、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することができる。この場合、強誘電体キャパシタには、書き込み時のみ、選択されたメモリセルに、所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルに、所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する。このように構成することによって、MFIS−FETまたはMFMIS−FET型の強誘電体メモリにおいて、データの書き込み時における非選択のメモリセルのディスターブを回避することができる。
【0022】
上記第1の局面による強誘電体メモリにおいて、好ましくは、選択されたメモリセルには、所定のパルス幅を有する所定の電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、所定のパルス幅を有する所定の電圧の1/3の電圧のパルスを印加する。このように構成することによって、選択されたメモリセルに印加される電圧と非選択のメモリセルに印加される電圧との電圧差を最も大きくすることができる。その結果、上記したディスターブ回避効果と相まって、非選択のメモリセルにおけるディスターブをより有効に回避することができる。
【0023】
上記第1の局面による強誘電体メモリにおいて、好ましくは、強誘電体キャパシタは、強誘電体層を含み、強誘電体層は、SrBi2Ta2O9(SBT)、SrBi2(Nb,Ta)2O9(SBNT)、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)、(Bi,La)4Ti3O12(BLT)、および、Bi4Ti3O12(BIT)からなるグループから選択される少なくとも1つを含む。強誘電体層としてこのような材料を用いることによって、容易に、強誘電体キャパシタを形成することができる。
【0024】
上記第1の局面による強誘電体メモリにおいて、好ましくは、パルス印加手段は、ロウデコーダに含まれる第1パルス印加回路と、カラムデコーダに含まれる第2パルス印加回路とを含む。このように構成することによって、容易に、ロウデコーダおよびカラムデコーダを用いて、強誘電体キャパシタに高い電圧を印加した場合には十分な分極反転を生じるとともに、強誘電体キャパシタに低い電圧を印加した場合にはほとんど分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスをメモリセルに印加することができる。
【0025】
この発明の第2の局面による強誘電体メモリの動作方法は、強誘電体キャパシタを有するメモリセルがマトリックス状に配置されたメモリセルアレイと、強誘電体キャパシタに高い電圧を印加した場合には十分な分極反転を生じるとともに、強誘電体キャパシタに低い電圧を印加した場合にはほとんど分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスをメモリセルに印加するためのパルス印加手段とを備えた強誘電体メモリの動作方法であって、データの書き込み時および読み出し時の少なくともいずれか一方の時に、選択されたメモリセルには、上記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、上記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する。
【0026】
この第2の局面による強誘電体キャパシタの動作方法では、上記のように、強誘電体キャパシタに高い電圧を印加した場合には十分な分極反転を生じるとともに、強誘電体キャパシタに低い電圧を印加した場合にはほとんど分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスをメモリセルに印加するためのパルス印加手段を設けることによって、データの書き込み時および読み出し時の少なくともいずれか一方の時に、選択されたメモリセルには、上記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、上記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加するようにすれば、選択されたメモリセルに対しては、書き込みまたは読み出しを行うことができるとともに、非選択のメモリセルに対しては、ほとんど分極反転を生じないようにすることができる。その結果、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することが可能な動作方法を提供することができる。
【0027】
この場合、選択されたメモリセルには、所定のパルス幅を有する所定の電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、所定のパルス幅を有する所定の電圧の1/3の電圧のパルスを印加するのが好ましい。このように構成することによって、選択されたメモリセルに印加される電圧と非選択のメモリセルに印加される電圧との電圧差を最も大きくすることができる。その結果、請求項9のディスターブ回避効果と相まって、非選択のメモリセルにおけるディスターブをより有効に回避することができる。
【0028】
上記第2の局面による強誘電体キャパシタの動作方法において、好ましくは、強誘電体キャパシタは、ビット線と、ビット線と交差するように配置されたワード線と、ビット線とワード線との間に配置された強誘電体層とから構成されている。このように構成することによって、単純マトリックス型の強誘電体メモリを形成することができる。そして、このような単純マトリックス型の強誘電体メモリにおいて、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することができるので、単純マトリックス型の強誘電体メモリを実用化することができる。この場合、強誘電体キャパシタには、書き込み時および読み出し時の両方において、選択されたメモリセルに、所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルに、所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加するようにしてもよい。このように構成することによって、単純マトリックス型の強誘電体メモリにおいて、書き込み時および読み出し時の両方における非選択のメモリセルのディスターブを回避することができる。
【0029】
上記第2の局面による強誘電体キャパシタの動作方法において、好ましくは、 強誘電体キャパシタには、常誘電体キャパシタが直列に接続されている。このように構成することによって、強誘電体キャパシタに印加される電圧は、常誘電体キャパシタを接続した分小さくなるので、強誘電体キャパシタに印加する電圧を常誘電体キャパシタを接続しない場合と同じにするためには、メモリセルに印加する電圧を大きくする必要がある。このようにメモリセルに印加する電圧を大きくすると、選択セルに印加される電圧と、非選択セルに印加される電圧との電圧差が大きくなるので、電圧差が小さい場合に比べて、電圧制御を容易に行うことができる。
【0030】
上記第2の局面による強誘電体キャパシタの動作方法において、好ましくは、 強誘電体キャパシタは、第1電界効果トランジスタのゲート部分に設けられた強誘電体層を含む。このように構成することによって、MFIS−FETまたはMFMIS−FETを形成することができる。そして、このようなMFIS−FETまたはMFMIS−FET型の強誘電体メモリにおいて、非選択のメモリセルにおけるディスターブを回避することができる。この場合、強誘電体キャパシタには、書き込み時のみ、選択されたメモリセルに、所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルに、所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加するようにしてもよい。このように構成することによって、MFIS−FETまたはMFMIS−FET型の強誘電体メモリにおいて、データの書き込み時における非選択のメモリセルのディスターブを回避することができる。
【0031】
上記第2の局面による強誘電体キャパシタの動作方法において、好ましくは、 強誘電体キャパシタは、強誘電体層を含み、強誘電体層は、SBT、SBNT、PZT、PLZT、BLTおよびBITからなるグループから選択される少なくとも1つを含む。強誘電体層としてこのような材料を用いることによって、容易に、強誘電体キャパシタを形成することができる。
【0032】
上記第2の局面による強誘電体メモリの動作方法において、好ましくは、パルス印加手段は、ロウデコーダに含まれる第1パルス印加回路と、カラムデコーダに含まれる第2パルス印加回路とを含む。このように構成することによって、ロウデコーダおよびカラムデコーダを用いて、容易に、強誘電体キャパシタに高い電圧を印加した場合には十分な分極反転を生じるとともに、強誘電体キャパシタに低い電圧を印加した場合にはほとんど分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスをメモリセルに印加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0033】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0034】
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による単純マトリックス型の強誘電体メモリの全体構成を示した回路図である。この第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリでは、メモリセルアレイ50は、複数のメモリセル1がマトリックス状に配置されて構成されている(図1では説明の便宜上、9個のメモリセルのみを示している)。各メモリセル1を構成する強誘電体キャパシタ2の一方の端子は、ワード線WL0〜WL2に接続され、他方の端子は、ビット線BL0〜BL2に接続されている。なお、この単純マトリックス型のメモリセル1は、図10に示した従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリの断面構造と同様の断面構造を有しており、ビット線と、それに交差するように配置されたワード線との間に強誘電体層が形成された構造を有している。
【0035】
各ワード線WL0〜WL2は、ロウデコーダ31に接続されている。また、各ビット線BL0〜BL2は、カラムデコーダ32に接続されている。
【0036】
外部から指定されたロウアドレスおよびカラムアドレスは、アドレスピン33に入力される。そのロウアドレスおよびカラムアドレスは、アドレスピン33からアドレスラッチ34へ転送される。アドレスラッチ34でラッチされた各アドレスのうち、ロウアドレスは、アドレスバッファ35を介してロウデコーダ31へ転送され、カラムアドレスはアドレスバッファ35を介してカラムデコーダ32へ転送される。
【0037】
ロウデコーダ31は、各ワード線WL0〜WL2のうち、アドレスラッチ34でラッチされたロウアドレスに対応したワード線を選択し、各ワード線の電位を動作モードに対応して制御する。
【0038】
カラムデコーダ32は、各ビット線BL0〜BL2のうち、アドレスラッチ34でラッチされたカラムアドレスに対応するビット線を選択し、各ビット線の電位を動作モードに対応して制御する。
【0039】
ここで、第1実施形態では、ロウデコーダ31およびカラムデコーダ32が、それぞれ、パルス印加回路41および42を含んでいる。このパルス印加回路41および42は、強誘電体キャパシタ2に高い電圧を印加した場合には十分な分極反転を生じるとともに、強誘電体キャパシタ2に低い電圧を印加した場合にはほとんど分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスをメモリセル1に印加するためのものである。なお、このパルス印加回路41および42は、本発明の「パルス印加手段」の一例である。
【0040】
外部から指定されたデータは、データピン36に入力される。そのデータは、データピン36から入力バッファ37を介してカラムデコーダ32へ転送される。カラムデコーダ32は、各ビット線BL0〜BL2の電位を、そのデータに対応した電位に制御する。
【0041】
任意のメモリセル1から読み出されたデータは、各ビット線BL0〜BL2からカラムデコーダ32を介してセンスアンプ38へ転送される。センスアンプ38は電圧センスアンプである。センスアンプ38で判別されたデータは、出力バッファ39からデータピン36を介して外部へ出力される。
【0042】
なお、上記した各回路(31〜39)の動作は、制御コア回路40によって制御される。
【0043】
図2は、第1実施形態の強誘電体メモリの動作原理を説明するための相関図である。この図2には、強誘電体層としてSBT膜を用いた強誘電体キャパシタ2にパルスを印加した場合において、印加電圧をパラメータとして、パルス幅と分極反転電荷量との関係が示されている。図2から明らかなように、パルス幅が70ns以下では電圧が高い場合(たとえば、3Vの場合)、分極反転量は、約9μC/cm2以上の電荷量になっている。これに対して、電圧が低い場合(たとえば、1.0Vの場合)、ほとんど分極反転が生じないことが分かる。
【0044】
このように、本願発明者は、鋭意検討した結果、パルス幅が比較的短い場合には、高電圧では強誘電体の双極子(ダイポール)が反転するのに対して、低電圧では、双極子がほとんど動かないことを見いだした。そして、これに基づいて、本願発明者は、選択セルに高い電圧パルスを短いパルス幅で印加するとともに、非選択セルに低い電圧パルスを短いパルス幅で印加することによって、選択セルの強誘電体層には、書き込みおよび読み出しに必要な電圧を印加できるのに対し、非選択セルの強誘電体層には、分子構造上、何ら変化を起こすことがないようにすることができるという動作原理を考案した。このような動作原理を用いれば、単純マトリックス型の強誘電体メモリにおいて、ディスターブのないメモリ動作が可能となる。
【0045】
なお、選択セルと非選択セルとに、それぞれ高い電圧と低い電圧とを掛ける方法としては、図3および図4に示すような方法が考えられる。図3は、第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリにおける書き込み動作の際の電圧印加状態の一例を示した回路図であり、図4は、第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリにおける書き込み動作の際の電圧印加状態の他の例を示した回路図である。
【0046】
図3に示した一例による電圧印加方法(1/3VCC法)では、書き込み動作の際に、選択セルが繋がるビット線BL1には、電圧VCCの電圧パルスを印加するとともに、選択セルが繋がるワード線WL1には、0Vを印加する。そして、非選択セルが繋がるビット線BL0およびBL2には、1/3VCCの電圧パルスを印加するとともに、非選択セルが繋がるワード線WL0およびWL2には、2/3VCCの電圧パルスを印加する。これにより、選択セルには、VCCの電圧が印加され、非選択セルには、1/3VCCの電圧が印加される。これらの電圧パルスは、図1に示したパルス印加回路41および42を用いて、非選択セルの強誘電体キャパシタ2にはほとんど分極反転を生じないとともに選択セルの強誘電体キャパシタ2には十分な分極反転を生じるようなパルス幅の電圧パルスを印加する。このように構成すれば、第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリにおいて、非選択のメモリセル1における書き込み動作時のディスターブを回避することができるので、単純マトリックス型の強誘電体メモリを実用化することができる。
【0047】
図4に示した他の例による電圧印加方法(1/2VCC法)では、書き込み動作の際に、選択セルが繋がるビット線BL1には、電圧VCCの電圧パルスを印加するとともに、選択セルが繋がるワード線WL1には、0Vを印加する。また、非選択セルが繋がるビット線BL0およびBL2には、0Vを印加するとともに、非選択セルが繋がるワード線WL0およびWL2には、1/2VCCを印加する。これにより、選択セルには、VCCの電圧パルスが印加され、非選択セルには、1/2VCCの電圧パルスが印加される。この場合にも、図3の場合と同様、選択セルおよび非選択セルに印加する電圧パルスは、図1に示したパルス印加回路41および42を用いて、選択セルに印加する電圧VCCによって選択セルの強誘電体キャパシタ2が十分に分極反転するとともに、非選択セルに印加される電圧1/2VCCでは、非選択セルの強誘電体キャパシタ2がほとんど分極反転を生じないようなパルス幅の電圧パルスを印加する。このように構成しても、図3に示した場合と同様、第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリにおいて、非選択のメモリセル1における書き込み動作時のディスターブを回避することができるので、単純マトリックス型の強誘電体メモリを実用化することができる。
【0048】
なお、図3に示した電圧印加方法と、図4に示した電圧印加方法とを比較すると、図3に示した電圧印加方法の方が、非選択セルに印加される電圧が低い(1/3VCC)ので、非選択セルがより反転しにくい。このため、図3に示した電圧印加方法の方が、図4に示した電圧印加方法よりも好ましい。
【0049】
なお、図3に示した電圧印加方法(1/3VCC法)における読み出し時の電圧印加状態としては、図3において、まず、ワード線WL0、WL1およびWL2に、1/3VCCの電圧パルスを印加するとともに、ビット線BL0、BL1およびBL2に、2/3VCCの電圧パルスを印加する。この状態から、選択セルが繋がるビット線BL1を一旦0Vにした後、フローティング状態にするとともに、選択セルが繋がるワード線WL1をVCCにする。そして、ビット線BL1の電位変化の大小を図1に示したセンスアンプ38により検出することによって、データが「1」か「0」かの判別を行う。これにより、データの読み出しを行うことができる。
【0050】
図5は、第1実施形態の強誘電体メモリの動作状態を確認するために行った実験結果を示した相関図である。図5を参照して、この実験では、まず、強誘電体キャパシタ2に最初に−3Vを印加することにより情報「1」を書き込んだ。その後、3Vのパルスまたは1Vのパルスを印加した時の強誘電体キャパシタ2の電荷量の変化を示した。3Vおよび1Vのパルスのパルス幅は、20nsとした。
【0051】
図5から明らかなように、20nsのパルス幅を有する3Vのパルスを印加した時には、十分分極反転が生じているのに対し、20nsのパルス幅を有する1Vのパルスを印加した時には、分極反転がほとんど生じていないことが分かる。このように、高い電圧で十分な分極反転を生じ、低い電圧では、ほとんど分極反転を生じないようなパルス幅を有するパルスを用いて、選択セルには高い電圧のパルスを印加し、非選択セルには低い電圧のパルスを印加することによって、選択セルの強誘電体層には、書き込みおよび読み出しができるとともに、非選択セルの強誘電体層には何ら変化を起こすことがないようにすることができることが分かる。
【0052】
(第2実施形態)
図6は、本発明の第2実施形態による単純マトリックス型の強誘電体メモリの全体構成を示した回路図である。この第2実施形態では、第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリにおいて、各メモリセルの強誘電体キャパシタに、常誘電体キャパシタを直列に接続した構成を有する。
【0053】
すなわち、この第2実施形態では、メモリセルアレイ60を構成する各メモリセル21は、1つの強誘電体キャパシタ22と、その強誘電体キャパシタ22に直列に接続される常誘電体キャパシタ23とから構成されている。この場合、単純マトリックス型の強誘電体キャパシタ22に印加される電圧は、強誘電体キャパシタ22と常誘電体キャパシタ23との容量比に逆比例する。たとえば、(強誘電体キャパシタ22の容量):(常誘電体キャパシタ23の容量)=1:2の場合、印加電圧の2/3が強誘電体キャパシタ22に掛かることになる。この場合、電圧VCCを3/2VCCにすることによって、強誘電体キャパシタ22に印加される電圧は、図3および図4に示した場合と同じになる。
【0054】
つまり、図3および図4に示した場合と比較して、選択セルおよび非選択セルに印加する電圧は、3/2倍となる。このようにメモリセルに印加する電圧を大きくすることによって、選択セルに印加される電圧と、非選択セルに印加される電圧との電圧差が大きくなるので、電圧差が小さい場合に比べて、電圧制御を容易に行うことができる。すなわち、VCCの値が小さく、コントロールが困難な場合にも、この第2実施形態の構成を用いれば、電圧の制御が容易になる。
【0055】
上記第2実施形態は、図1に示した第1実施形態の単純マトリックス型において、強誘電体キャパシタに常誘電体キャパシタを直列に接続する例を示したが、この図6に示した第2実施形態の強誘電体メモリのメモリセル21の回路図は、図15に示したMFMIS−FETを用いた1トランジスタ型の強誘電体メモリにおける書き込み時の等価回路と同じである。このため、この第2実施形態の強誘電体メモリの回路構成は、MFMIS−FET(またはMFIS−FET)を用いた1トランジスタ型の強誘電体メモリにも適用可能である。
【0056】
したがって、MFIS−FETまたはMFMIS−FETを用いた1トランジスタ型の強誘電体メモリにおいても、選択セルのゲート部に形成される強誘電体キャパシタに所定のパルス幅を有する高い電圧を印加し、非選択セルのゲート部に形成される強誘電体キャパシタに所定のパルス幅を有する低い電圧を印加することによって、選択セルの強誘電体層には書き込みを行うことができるとともに、非選択セルの強誘電体層には何ら変化を起こすことがないようにすることができる。その結果、1トランジスタ型強誘電体メモリの書き込み動作におけるディスターブを回避することができる。
【0057】
本発明は、詳しく記載され、図示されたが、これらは図示および例示であって、限定ではなく、本発明の趣旨および範囲は、添付した特許請求の範囲によって限定される。
【0058】
たとえば、上記第1実施形態および第2実施形態では、強誘電体層としてSBT膜を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、SBNT、PZT、PLZT、BLT、BITまたはこれに準ずる強誘電体層を用いてもよい。つまり、図2に示したように、強誘電体層に高い電圧を印加した場合では十分な分極反転を生じ、低い電圧を印加した場合ではほとんど分極反転を生じないようなパルス幅が存在する分極反転特性を有するすべての強誘電体層を用いることができる。
【0059】
また、上記実施形態では、単純マトリックス型およびMFIS−FETまたはMFMIS−FETを用いた1トランジスタ型の強誘電体メモリに例をとって説明したが、本発明はこれに限らず、書き込み動作および読み出し動作の少なくともいずれか一方の時に、選択されたメモリセルに高い電圧を印加することによって分極反転を生じさせるとともに、非選択のメモリセルには低い電圧を印加することによって分極反転を生じさせないようにするような強誘電体メモリのすべてに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0060】
【図1】本発明の第1実施形態による単純マトリックス型の強誘電体メモリの全体構成を示した回路図である。
【図2】本発明の第1実施形態による単純マトリックス型の強誘電体メモリの動作原理を説明するための相関図である。
【図3】図1に示した第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリにおける書き込み動作の際の電圧印加状態の一例を示した回路図である。
【図4】図1に示した第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリにおける書き込み動作の際の電圧印加状態の他の例を示した回路図である。
【図5】図1に示した第1実施形態の強誘電体メモリの動作状態を確認するために行った実験結果を示した相関図である。
【図6】本発明の第2実施形態による単純マトリックス型の強誘電体メモリの全体構成を示した回路図である。
【図7】従来の最も一般的な強誘電体メモリのメモリセルアレイの回路構成を示した回路図である。
【図8】図7に示した回路図に対応する断面構造図である。
【図9】従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリのメモリセルアレイの回路構成を示した回路図である。
【図10】図9に示した従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリの断面構造図である。
【図11】図9および図10に示した従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリの書き込み動作の際の電圧印加状態を説明するための回路図である。
【図12】従来の単純マトリックス型の強誘電体メモリの問題点を説明するための強誘電体ヒステリシス特性を示した図である。
【図13】従来のMFMIS−FETを用いた1トランジスタ型の強誘電体メモリのメモリセルアレイの回路図である。
【図14】図13に示したMFMIS−FETを用いた1トランジスタ型の強誘電体メモリの断面構造図である。
【図15】図13および図14に示したMFMIS−FETを用いた1トランジスタ型の強誘電体メモリの書き込み動作時の等価回路図である。
Claims (18)
- 強誘電体キャパシタを有するメモリセルがマトリックス状に配置されたメモリセルアレイと、
前記強誘電体キャパシタに高い電圧を印加した場合には分極反転を生じるとともに、前記強誘電体キャパシタに低い電圧を印加した場合には実質的に分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスを前記メモリセルに印加するためのパルス印加手段とを備え、
データの書き込み時および読み出し時の少なくともいずれか一方の時に、選択されたメモリセルには、前記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、前記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する、強誘電体メモリ。 - 請求項1に従属する強誘電体メモリであって、
前記強誘電体キャパシタは、ビット線と、前記ビット線と交差するように配置されたワード線と、前記ビット線と前記ワード線との間に配置された強誘電体層とから構成されている。 - 請求項2に従属する強誘電体メモリであって、
前記強誘電体キャパシタには、書き込み時および読み出し時の両方において、選択されたメモリセルに、前記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルに、前記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する。 - 請求項1に従属する強誘電体メモリであって、
前記強誘電体キャパシタには、常誘電体キャパシタが直列に接続されている。 - 請求項1に従属する強誘電体メモリであって、
前記強誘電体キャパシタは、第1電界効果トランジスタのゲート部分に設けられた強誘電体層を含む。 - 請求項5に従属する強誘電体メモリであって、
前記強誘電体キャパシタには、書き込み時のみ、選択されたメモリセルに、前記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルに、前記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する。 - 請求項1に従属する強誘電体メモリであって、
前記選択されたメモリセルには、前記所定のパルス幅を有する所定の電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、前記所定のパルス幅を有する所定の電圧の1/3の電圧のパルスを印加する。 - 請求項1に従属する強誘電体メモリであって、
前記強誘電体キャパシタは、強誘電体層を含み、
前記強誘電体層は、SBT、SBNT、PZT、PLZT、BLTおよびBITからなるグループから選択される少なくとも1つを含む。 - 請求項1に従属する強誘電体メモリであって、
前記パルス印加手段は、
ロウデコーダに含まれる第1パルス印加回路と、
カラムデコーダに含まれる第2パルス印加回路とを含む。 - 強誘電体キャパシタを有するメモリセルがマトリックス状に配置されたメモリセルアレイと、前記強誘電体キャパシタに高い電圧を印加した場合には十分な分極反転を生じるとともに、前記強誘電体キャパシタに低い電圧を印加した場合にはほとんど分極反転を生じないような所定のパルス幅を有するパルスを前記メモリセルに印加するためのパルス印加手段とを備えた強誘電体メモリの動作方法であって、
データの書き込み時および読み出し時の少なくともいずれか一方の時に、選択されたメモリセルには、前記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、前記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する、強誘電体メモリの動作方法。 - 請求項10に従属する強誘電体メモリの動作方法であって、
前記選択されたメモリセルには、前記所定のパルス幅を有する所定の電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルには、前記所定のパルス幅を有する所定の電圧の1/3の電圧のパルスを印加する。 - 請求項10に従属する強誘電体メモリの動作方法であって、
前記強誘電体キャパシタは、ビット線と、前記ビット線と交差するように配置されたワード線と、前記ビット線と前記ワード線との間に配置された強誘電体層とから構成されている。 - 請求項12に従属する強誘電体メモリの動作方法であって、
前記強誘電体キャパシタには、書き込み時および読み出し時の両方において、選択されたメモリセルに、前記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルに、前記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する。 - 請求項10に従属する強誘電体メモリの動作方法であって、
前記強誘電体キャパシタには、常誘電体キャパシタが直列に接続されている。 - 請求項10に従属する強誘電体メモリの動作方法であって、
前記強誘電体キャパシタは、第1電界効果トランジスタのゲート部分に設けられた強誘電体層を含む。 - 請求項15に従属する強誘電体メモリの動作方法であって、
前記強誘電体キャパシタには、書き込み時のみ、選択されたメモリセルに、前記所定のパルス幅を有する高い電圧のパルスを印加するとともに、非選択のメモリセルに、前記所定のパルス幅を有する低い電圧のパルスを印加する。 - 請求項10に従属する強誘電体メモリの動作方法であって、
前記強誘電体キャパシタは、強誘電体層を含み、
前記強誘電体層は、SBT、SBNT、PZT、PLZT、BLTおよびBITからなるグループから選択される少なくとも1つを含む。 - 請求項10に従属する強誘電体メモリの動作方法であって、
前記パルス印加手段は、
ロウデコーダに含まれる第1パルス印加回路と、
カラムデコーダに含まれる第2パルス印加回路とを含む。
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