JP3302721B2 - Semiconductor storage device - Google Patents

Semiconductor storage device

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JP3302721B2
JP3302721B2 JP15079092A JP15079092A JP3302721B2 JP 3302721 B2 JP3302721 B2 JP 3302721B2 JP 15079092 A JP15079092 A JP 15079092A JP 15079092 A JP15079092 A JP 15079092A JP 3302721 B2 JP3302721 B2 JP 3302721B2
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cell
memory
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substrate
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は不揮発性半導体記憶装置
に関する。さらに詳しくは、強誘電体膜を使用した金属
膜−強誘電体膜−半導体層構造のFET(以下、MFS
−FETという)を使用した選択的に書込み、非破壊読
出しが可能な不揮発性半導体記憶装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device. More specifically, an FET having a metal film-ferroelectric film-semiconductor layer structure using a ferroelectric film (hereinafter referred to as MFS)
A non-volatile semiconductor memory device capable of selectively writing and non-destructively reading using an FET.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体膜は図4に示すように、ヒステ
リシスを有するため、一旦充分な分極がえられる電界
(図4のA)以上の電圧が印加されると、分極した分極
電荷は印加電圧が0になっても残留し、電源がOFFに
なっても記憶を保持できる。しかも、ゲート電極とチャ
ネル領域のあいだにこの強誘電体膜を配置することによ
り、読出し時にソース−ドレイン間に電流が流れても、
強誘電体膜中の分極は影響を受けず、非破壊で読出すこ
とができ、MFS−FET構造のメモリセルの開発が進
められている。
2. Description of the Related Art As shown in FIG. 4, a ferroelectric film has a hysteresis. Therefore, once a voltage higher than an electric field (A in FIG. 4) at which sufficient polarization is obtained is applied, the polarized electric charge becomes polarized. It remains even when the applied voltage becomes 0, and can retain the memory even when the power is turned off. Moreover, by arranging the ferroelectric film between the gate electrode and the channel region, even if a current flows between the source and the drain during reading,
The polarization in the ferroelectric film is not affected and can be read nondestructively, and a memory cell having an MFS-FET structure is being developed.

【0003】このようなMFS−FET構造の例を図5
の(a)〜(c)に、また強誘電体膜が分極したときの
チャネルの状態を図5の(d)に示す。図5の(a)は
MFS−FETの最も簡単な構造の例で、たとえばp型
の半導体基板21の表面に強誘電体膜27およびゲート電極
28が形成され、該強誘電体膜27の下側の半導体基板21の
表面のチャネル領域26の両側にたとえばn型の不純物
領域が形成されてソース領域22、ドレイン領域23が形成
され、MFS−FETが構成されている。ここで、強誘
電体膜27は酸化物ペロブスカイト構造を有するPZT
(Pb(Zr1-xTix )O3 )、PLZT(Pb1-x
Lax (Zr1-y Tiy 1-x/4 3 )、PbTi
3 、BaTiO3 などが下地との整合性の点から結晶
性の良い膜がえられ、好ましい。また、ゲート電極28は
強誘電体膜27との密着性から白金が好ましい。
FIG. 5 shows an example of such an MFS-FET structure.
5 (a) to 5 (c), and FIG. 5 (d) shows the state of the channel when the ferroelectric film is polarized. FIG. 5A shows an example of the simplest structure of the MFS-FET. For example, a ferroelectric film 27 and a gate electrode are formed on the surface of a p-type semiconductor substrate 21.
28, an n + -type impurity region, for example, is formed on both sides of the channel region 26 on the surface of the semiconductor substrate 21 below the ferroelectric film 27 to form a source region 22 and a drain region 23. The FET is configured. Here, the ferroelectric film 27 is made of PZT having an oxide perovskite structure.
(Pb (Zr 1-x Ti x) O 3), PLZT (Pb 1-x
La x (Zr 1-y Ti y ) 1-x / 4 O 3 ), PbTi
O 3 , BaTiO 3, and the like are preferable because a film with good crystallinity can be obtained from the viewpoint of compatibility with the base. Further, the gate electrode 28 is preferably made of platinum because of its adhesion to the ferroelectric film 27.

【0004】図5の(b)の構造は強誘電体膜27と半導
体基板21とのあいだにたとえばCaF2 やSiO2 など
の絶縁膜25を介在させたもので、これは強誘電体膜27で
あるPZTのPbが半導体基板21に溶け込むのを防止す
るためのものである。
In the structure shown in FIG. 5B, an insulating film 25 such as CaF 2 or SiO 2 is interposed between the ferroelectric film 27 and the semiconductor substrate 21. This is to prevent the Pb of PZT from melting into the semiconductor substrate 21.

【0005】また、図5の(c)の構造は(b)の強誘
電体膜27と絶縁膜25とのあいだにさらに白金などの電極
膜24を介在させたもので、この電極膜24は強誘電体膜27
の配向性を向上させるものである。すなわち、SiO2
などの絶縁膜25はアモルファスであり、PZTなどの強
誘電体膜27は結晶質であり、アモルファス上に強誘電体
膜27を形成すると配向性のない膜となる。しかし白金膜
は〈111〉配向性を有する膜がえられ、その上に形成
されるPZTも配向性を有する結晶膜になるからであ
る。
In the structure shown in FIG. 5C, an electrode film 24 made of platinum or the like is further interposed between the ferroelectric film 27 and the insulating film 25 shown in FIG. Ferroelectric film 27
Is intended to improve the orientation. That is, SiO 2
The insulating film 25 such as PZT is amorphous, and the ferroelectric film 27 such as PZT is crystalline. When the ferroelectric film 27 is formed on the amorphous, the film has no orientation. However, this is because a platinum film is a film having <111> orientation, and PZT formed thereon is also a crystalline film having orientation.

【0006】このMFS−FETのゲート電極28と半導
体基板21とのあいだに、ゲート電極28が正電圧となるよ
うに充分な分極がえられる電圧が印加されると、図5の
(d)に示すように分極され、半導体基板21のチャネル
領域26に電子が誘起されて空乏層が形成される。そのた
めゲート電極が0Vであっても、n型領域のソース領
域22、ドレイン領域23に電圧が印加されていると導通状
態になり、ソース領域22に連結されたセンスアンプ(図
示せず)などを通じて強誘電体膜27の記憶状態を読み出
せる。
When a voltage is applied between the gate electrode 28 of the MFS-FET and the semiconductor substrate 21 so that the gate electrode 28 becomes a positive voltage and a sufficient polarization is obtained, FIG. As shown, electrons are induced in the channel region 26 of the semiconductor substrate 21 to form a depletion layer. Therefore, even when the gate electrode is at 0 V, the voltage is applied to the source region 22 and the drain region 23 of the n + -type region so that the gate electrode becomes conductive and a sense amplifier (not shown) connected to the source region 22 Through this, the storage state of the ferroelectric film 27 can be read.

【0007】しかし、このMFS−FETをメモリセル
として、マトリックス状に並べ、記憶装置として使用す
るばあい、各セルごとに選択的に書込みや読出しをでき
るような選択回路が必要となる。このような選択回路と
して従来考えられている回路はたとえば、特開平2-6499
3 号公報に開示されているように、2つのMOSトラン
ジスタがメモリ用MFS−FETの両側に直列に接続さ
れた回路が提案されている。
However, when the MFS-FETs are arranged as a memory cell in a matrix and used as a storage device, a selection circuit which can selectively perform writing and reading for each cell is required. A circuit conventionally considered as such a selection circuit is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2-6499.
As disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 3 (1993), there has been proposed a circuit in which two MOS transistors are connected in series on both sides of a memory MFS-FET.

【0008】このようなメモリセルMCの等価回路を図
6に示す。この構成で、まず書込みをするには、トラン
ジスタT1 をONにすると共に、トランジスタT2 をO
FFにし、ビット線BLからのデータをMFS−FET
のメモリ用トランジスタTに印加し、このトランジス
タTのゲート電極−基板間に所定の向きの電圧1/2Vc
cを印加する。これにより、トランジスタTは強誘電
体膜が所定の向きの電気分極状態になり、データの書込
みができる。
FIG. 6 shows an equivalent circuit of such a memory cell MC. In this configuration, the writing is first with the transistors T 1 to ON, the transistor T 2 O
FF, and the data from the bit line BL is MFS-FET
And application of the memory transistor T M, the gate electrode of the transistor T M - voltage 1 / 2Vc of predetermined orientation between the substrates
Apply c. Thus, transistor T M is the ferroelectric film becomes electric polarization state of the predetermined direction, the data can be written.

【0009】一方、読出し動作においては、トランジス
タT2 をオンにしておきトランジスタT1 もオンにす
る。その結果、強誘電体膜の電気分極の向きにより、メ
モリトランジスタTが導通になったり、非導通になっ
たりして、記憶状態「1」、「0」の状態に対応され、
ビット線BLの電位変化を検出することでデータの読出
しをすることができる。
On the other hand, in a read operation is also turned on transistors T 1 advance to turn on the transistor T 2. As a result, depending on the direction of the electric polarization of the ferroelectric film, the memory transistor TM becomes conductive or non-conductive, corresponding to the storage states “1” and “0”,
Data can be read by detecting a potential change of the bit line BL.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】前述のMFS−FET
を使用したメモリセルの構造はメモリ用のMFS−FE
T1つと、MOSFET2つとで構成されているため、
1つのセルに3個のトランジスタを形成することにな
り、大きなセル面積を必要とする。したがって、小さな
面積のチップにセル数を沢山形成する高集積化を図れな
いという問題がある。
The above-mentioned MFS-FET
Is a memory cell structure using MFS-FE for memory.
Since it is composed of one T1 and two MOSFETs,
Since three transistors are formed in one cell, a large cell area is required. Therefore, there is a problem that high integration in which a large number of cells are formed on a chip having a small area cannot be achieved.

【0011】さらに、このような強誘電体膜を使用した
メモリセルでは、ゲート電極にしきい値電圧より低い電
圧が印加されても、分極状態が変化してデータエラーが
発生し易く、寄生容量などの影響で不要な電位差が生じ
易いという問題がある。
Further, in a memory cell using such a ferroelectric film, even if a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode, the polarization state changes and a data error is likely to occur, and a parasitic capacitance and the like are generated. There is a problem that an unnecessary potential difference easily occurs due to the influence of the above.

【0012】本発明はこのような問題を解消して簡単な
構成でセルの選択ができ、高集積化ができると共に、書
込み、消去時以外は強誘電体に不要な電位差が生じない
で、データエラーの発生しないメモリセルを有する半導
体記憶装置を提供することを目的とする。
The present invention solves such a problem and allows a cell to be selected with a simple configuration, high integration, and an unnecessary potential difference does not occur in the ferroelectric except at the time of writing and erasing. It is an object to provide a semiconductor memory device having a memory cell in which no error occurs.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明による半導体記憶
装置は、ゲート電極と半導体基板とのあいだに少なくと
も強誘電体膜を有する不揮発性メモリトランジスタと、
該メモリトランジスタと並列に前記ゲート電極と前記半
導体基板とのあいだに接続された電位等価手段と両端に
独自の電位が印加されうる直列接続された2個のダイオ
ードと、該2個のダイオードの接続点と前記ゲート電極
とが接続されてなるメモリセルを有しているものであ
る。
A semiconductor memory device according to the present invention comprises: a nonvolatile memory transistor having at least a ferroelectric film between a gate electrode and a semiconductor substrate;
Potential equalization means connected between the gate electrode and the semiconductor substrate in parallel with the memory transistor, two diodes connected in series to which a unique potential can be applied to both ends, and connection of the two diodes It has a memory cell in which a point and the gate electrode are connected.

【0014】また、本発明によるマトリックス化した半
導体記憶装置は、前記メモリトランジスタのソース電極
に第3のダイオードが接続され、前記直列接続された2
個のダイオードの両端の各端子、前記第3のダイオード
の他端の端子および前記メモリトランジスタの基板を4
端子として、マトリックス状に配列された各メモリセル
のそれぞれの端子が縦横に連結されてなるものである。
Further, in the semiconductor memory device according to the present invention, a third diode is connected to a source electrode of the memory transistor, and the series-connected two diodes are connected in series.
Terminals at both ends of each of the three diodes, the terminal at the other end of the third diode, and the substrate of the memory transistor.
As terminals, the respective terminals of the memory cells arranged in a matrix are connected vertically and horizontally.

【0015】[0015]

【作用】本発明によれば、MFS−FETのゲート電極
を電位等価手段を介して半導体基板に接続している。こ
の電位等価手段として、たとえば1G〜1MΩ位の高抵
抗を使用しているため、ゲート電極に寄生容量などに起
因する浮遊電荷が発生しても電位等価手段を介して放電
され、分極状態に悪影響を及ぼさない。また書込みや読
出しなどのとき、ゲート電極と半導体基板間に電圧が印
加されると、電位等価手段を介してゲート電極に電圧が
保持され、書込み、読出しをすることができる。
According to the present invention, the gate electrode of the MFS-FET is connected to the semiconductor substrate via the potential equalizing means. Since a high resistance of, for example, about 1 G to 1 MΩ is used as the potential equalizing means, even if floating charge due to parasitic capacitance or the like is generated in the gate electrode, the floating charge is discharged through the potential equalizing means and adversely affects the polarization state. Has no effect. In addition, when a voltage is applied between the gate electrode and the semiconductor substrate at the time of writing, reading, or the like, the voltage is held at the gate electrode via the potential equalizing means, so that writing and reading can be performed.

【0016】さらに、この各セルに選択的に書込み、読
出し、消去を行うため、ダイオード2個を直列接続して
両端に独自の電位を印加できるようにし、その中点をト
ランジスタのゲート電極と接続しているため、ダイオー
ドのスイッチング手段を利用することにより、メモリト
ランジスタのゲート電極を制御でき、各セルを選択的に
低電圧で駆動することができ、小さいセル面積で半導体
記憶装置を構成できる。
Further, in order to selectively write, read and erase each cell, two diodes are connected in series so that a unique potential can be applied to both ends, and the midpoint thereof is connected to the gate electrode of the transistor. Therefore, by using the switching means of the diode, the gate electrode of the memory transistor can be controlled, each cell can be selectively driven at a low voltage, and the semiconductor memory device can be configured with a small cell area.

【0017】[0017]

【実施例】つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体
記憶装置のメモリセルについて説明する。図1は本発明
の一実施例であるメモリセル部の要部の等価回路図であ
る。
Next, a memory cell of a semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a main part of a memory cell section according to one embodiment of the present invention.

【0018】図1において、Tがメモリ用のMFS−
FETで、メモリ用トランジスタTのゲート電極gは
電位等価手段としての高抵抗Rの一端と接続され、高抵
抗Rの他端はメモリトランジスタTのドレイン電極
3、基板1と共に連結されている。メモリトランジスタ
のソース電極2はビット線に接続されるように独立
して引き出されている。この構成でメモリトランジスタ
に書込みをするばあいには、端子gと基板間に充分
な分極がえられる電界以上の電圧が印加されることによ
り、電位等価手段としての抵抗Rは高抵抗であるため電
流は殆ど流れないで強誘電体膜の両端間に電圧が印加さ
れ、強誘電体膜に分極を生じせしめることができる。こ
の際、ゲート電極側に正の電圧が印加されれば、強誘電
体膜の半導体基板側に正の電荷が分極され、書込み電圧
が除去されたのちの半導体基板表面(チャネル領域)に
電子が誘起される。また、逆にゲート電極側に負の電圧
が印加されれば、強誘電体膜の半導体基板側に負の電荷
が分極され、書込み電圧が除去されたのちの半導体基板
表面に正孔が誘起される。従ってMFS−FETがpチ
ャネルかnチャネルかに応じて、またしきい値電圧の設
定に応じて、ゲート電極すなわち端子gに正か負の電圧
を印加することにより書込みなどがなされる。
In FIG. 1, T M is an MFS- for memory.
In FET, the gate electrode g of the memory transistor T M is connected to one end of the high resistance R of the potential equivalent means, the other end of the high-resistance R is the drain electrode 3 of the memory transistors T M, is connected with the substrate 1 . The source electrode 2 of the memory transistor T M is drawn independently to be connected to the bit line. When writing to the memory transistors T M in this configuration, by an electric field or voltage is sufficient polarization between terminal g and the substrate is e is applied, the resistance R as a potential equivalent means a high resistance For this reason, a voltage is applied between both ends of the ferroelectric film with almost no current flowing, and polarization can be caused in the ferroelectric film. At this time, if a positive voltage is applied to the gate electrode side, a positive charge is polarized on the semiconductor substrate side of the ferroelectric film, and electrons are generated on the semiconductor substrate surface (channel region) after the write voltage is removed. Induced. Conversely, when a negative voltage is applied to the gate electrode side, negative charges are polarized on the semiconductor substrate side of the ferroelectric film, and holes are induced on the semiconductor substrate surface after the write voltage is removed. You. Therefore, writing or the like is performed by applying a positive or negative voltage to the gate electrode, that is, the terminal g, depending on whether the MFS-FET is the p-channel or the n-channel and according to the setting of the threshold voltage.

【0019】本実施例では、メモリトランジスタT
ゲート電極と基板間に、該メモリトランジスタTと並
列に電位等価手段(たとえば抵抗体R)が接続されてい
るため、端子gに電圧が印加されていないときは、たと
え浮遊電荷が発生しても電位等価手段を介して放電さ
れ、ゲート電極gは基板と同電位に保持され、浮遊電荷
などにより強誘電体膜に分離した電荷に悪影響を及ぼさ
ない。
[0019] In this embodiment, between the gate electrode and the substrate of the memory transistors T M, because the memory transistors T M to the potential equivalent means in parallel (e.g. resistor R) is connected, the voltage on the terminal g is applied Otherwise, even if floating charges are generated, they are discharged through the potential equalizing means, the gate electrode g is kept at the same potential as the substrate, and adversely affects the charges separated into the ferroelectric film by the floating charges. Has no effect.

【0020】本発明では、前述の端子gに選択的に電圧
を印加するのに、メモリトランジスタTのゲート電極
に2個のダイオードを直列接続した中点を接続して該2
個の直列接続されたダイオードの陽極側端子aと陰極側
端子cにそれぞれ印加される電圧を制御してメモリトラ
ンジスタTのゲート電極に電圧が印加されたり、され
なかったりするスイッチング作用を行うものである。な
お、メモリトランジスタTのソース側である端子bに
ダイオードを接続すれば、このメモリトランジスタをマ
トリックスに組んで半導体記憶装置としたとき、各メモ
リトランジスタを選択的に読み出すことができる。
[0020] In the present invention, for selectively applying a voltage to the aforementioned terminal g, the two diodes to the gate electrode of the memory transistor T M by connecting the middle point connected in series the two
Performs pieces of or a voltage is applied to the gate electrode of the series connected diodes of the anode terminal a and the cathode-side terminal c to the memory transistor T M by controlling the voltages applied, the switching action or not It is. Incidentally, by connecting the diode to the terminal b is the source side of the memory transistors T M, the memory transistor when the semiconductor memory device teamed a matrix, it is possible to read each memory transistor selectively.

【0021】前記2個の直列接続されたダイオード
1 、D2 の陽極側端子aを、マトリックス状に配列さ
れた各メモリセルの縦方向に並んだセルで連結して第1
のワード線a1 、a2 …an を形成し、また前記2個の
直列接続されたダイオードD1 、D2 の陰極側端子c
を、マトリックス状に配列された各メモリセルの縦方向
に並んだセルで連結して第2のワード線c1 、c2 …c
n を形成し、さらにメモリトランジスタTのソース電
極にダイオードD3 を接続した端子bを、各メモリセル
の縦方向に並んだセルで連結して第1のビット線b1
2 …bn を形成する。また、各メモリセルの電位等価
手段のゲート電極接続側と反対側の端子、メモリトラン
ジスタTのドレイン電極および基板とを連結した接続
点dを各メモリセルの横方向に並んだセルで連結して第
2のビット線d1 、d2 …dn を形成し、マトリックス
状に配列されたメモリセルを4本の線でそれぞれ連結し
て各セルに選択的に書込み、読出し、消去をできるよう
に構成されている。
The anode-side terminals a of the two series-connected diodes D 1 and D 2 are connected to each other by a vertically arranged cell of each memory cell arranged in a matrix.
Word lines a 1, a 2 ... a n is formed and said two series connected diodes D 1, D 2 of the cathode-side terminal c of
Are connected by cells arranged in the vertical direction of each memory cell arranged in a matrix to form second word lines c 1 , c 2 ,.
n is formed, further the memory transistors T a M terminal b connected diodes D 3 to the source electrode of the first bit line b 1 are connected by vertically aligned cells of each memory cell,
b 2 ... b n are formed. Further, connected opposite terminal and the gate electrode side connected to the potential equivalent means of each memory cell, the connection point d which connects the drain electrode and the substrate of the memory transistor T M in aligned cells in the horizontal direction of the memory cell second bit lines d 1, d 2 ... to form a d n, by connecting the respective memory cells arranged in a matrix of four lines selectively writing to each cell, reading, to be able to erase Te Is configured.

【0022】つぎに、本発明によるメモリセルをマトリ
ックス状に配列した半導体記憶装置の書込み、読出し、
消去の駆動法について説明する。
Next, a semiconductor memory device in which memory cells according to the present invention are arranged in a matrix form will be described.
An erasing driving method will be described.

【0023】図2は本発明の一実施例によるメモリセル
をマトリックス状に配列した半導体記憶装置の一部の等
価回路図である。同図において、メモリトランジスタT
はpチャネルのMFS−FETである。この構成でセ
ルQ1 に書込みを行うには、a1 、c1 、a2 …an
2 …dn に−Vcc、b1 、d1 、b2 …bn 、c2
n を0にする。すなわち、セルQ1 ではa1 とc1
同電位で−VccであるためメモリトランジスタTのゲ
ート電極は−Vccとなり、メモリトランジスタTの基
板側は0であるため強誘電体膜は基板側に負の電荷が分
極される。一方セルQ2 ではc2 が0のため、ダイオー
ドD1 の逆耐圧が−Vcc以上ありメモリトランジスタT
のゲート電極は0Vになり、基板も0V(d1 =0)
で書込みはなされない。またセルQ3 、Q4 はメモリト
ランジスタTのゲート電極、基板共に−Vccであるた
め書込みはされず、結局セルQ1 のみに書込みがされ
る。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a part of a semiconductor memory device in which memory cells according to one embodiment of the present invention are arranged in a matrix. In the figure, a memory transistor T
M is a p-channel MFS-FET. The cell Q 1 to perform writing in this configuration, a 1, c 1, a 2 ... a n,
d 2 ... d n to -V cc, b 1, d 1 , b 2 ... b n, c 2 ...
Set c n to 0. That is, the gate electrode is -V cc next memory transistors T M for a 1 and c 1 in cell Q 1 represents a -V cc at the same potential, the memory transistors T M ferroelectric film for the substrate side is zero Has a negative charge polarized on the substrate side. In contrast cell Q 2 for c 2 is 0, there reverse breakdown voltage of the diode D 1 is more -V cc memory transistors T
The gate electrode of M becomes 0 V, and the substrate is also 0 V (d 1 = 0)
Is not written. The cell Q 3, Q 4 is a write for a -V cc gate electrode of the memory transistor T M, the substrate both Sarezu, is only the write eventually cell Q 1.

【0024】つぎに読出しについて説明する。セルQ1
の読出しをするには、a1 、b1 、a2 …an 、d2
n に−Vccを、c1 、b2 …bn 、c2 …cn にVcc
を印加し、d1 をセンスアンプSAに接続することによ
りセルQ1 の読出しをすることができる。すなわち、セ
ルQ1 ではダイオードD1 、D2 に電流は流れずゲート
電極は電位等価手段Rを介して基板と同電位(d1 )と
なる。しかし、チャネルは強誘電体分極による電界効果
が働いており強誘電体の分極状態に応じてドレインとソ
ース間が導通、非導通になり「1」、「0」の状態を読
み出すことができる。また、セルQ2 、Q4 においては
トランジスタの導通、非導通にかかわらず、ソース側に
接続したダイオードが逆方向となり、ドレインとソース
間に電流は流れず、読出しはできない。セルQ3 ではド
レインとソース間が同電位で読出しをできず、結局セル
1 のみを読み出すことができる。
Next, reading will be described. Cell Q 1
, A 1 , b 1 , a 2 ... An , d 2 .
The -V cc to d n, c 1, b 2 ... b n, c 2 ... c n in V cc
, And by connecting d 1 to the sense amplifier SA, the cell Q 1 can be read. That is, the cell Q 1 in the diode D 1, D 2 current flows not gate electrode is between the substrate and the same potential (d 1) via a potential equivalent means R. However, the electric field effect of the ferroelectric polarization acts on the channel, and the conduction and non-conduction between the drain and the source are made in accordance with the polarization state of the ferroelectric, so that the state of "1" and "0" can be read. In the cells Q 2 and Q 4 , regardless of whether the transistors are conductive or non-conductive, the diode connected to the source is in the opposite direction, no current flows between the drain and the source, and reading cannot be performed. Can not be between the cell Q 3 drain and source are read at the same potential, it is possible to eventually read only the cells Q 1.

【0025】つぎに、消去について説明する。セルQ1
の消去をするには、a1 、b1 、c1 、b2 …bn 、c
2 …cn 、d2 …dn をVccにし、d1 とa2 …an
0にする。すなわち、セルQ1 では、両ダイオード
1 、D2 の両端の電位は同じVccであるため、その中
点であるメモリトランジスタのゲート電極gもVccとな
り、基板の電位(d)は0であるため、書込みのときと
反対の電圧が印加されることになり消去される。一方、
セルQ2 では2つのダイオードD1 、D2 間に逆方向の
電圧Vccが印加され、ダイオードD2 の逆耐圧よりVcc
が低いため、トランジスタTのゲート電極gは0とな
り基板の電位(d1 )も0で消去はされず、セルQ3
はゲートト電極g、基板共にVccで、消去はされない。
さらにセルQ4 ではゲート電極gは基板の電位(d2
ccと等しくなり消去されない。
Next, erasure will be described. Cell Q 1
A 1 , b 1 , c 1 , b 2 ... B n , c
2 ... c n, and the d 2 ... d n to V cc, to d 1 and a 2 ... a n 0. That is, in the cell Q 1, since both ends of the potentials of both diodes D 1, D 2 are the same V cc, a gate electrode g which satisfied even V cc of memory transistors which is a middle point, the potential of the substrate (d), 0 Therefore, a voltage opposite to that at the time of writing is applied, and the data is erased. on the other hand,
Cell Q 2 in the two diodes D 1, D 2 reverse voltage V cc across is applied, the diode V cc from the inverse breakdown voltage of the D 2
Is low, the gate electrode g of the transistor T M of 0 substrate potential (d 1) is also erased 0 is not the sole, cell Q 3 in Getoto electrode g, the substrate both in V cc, erasing is not.
Further cell Q 4 In the gate electrode g is the potential of the substrate (d 2)
It is equal to Vcc and is not erased.

【0026】以上説明したメモリトランジスタTがp
チャネルで、図2に示す方向のダイオードD1 〜D3
接続されたばあいの書込み、読出し、消去をセルQ1
ついて行うときの印加する電圧の関係を表1にまとめ
る。ここでVccは3V位にすれば、強誘電体の充分な分
極がえられる電圧以上となり充分である。
[0026] The above-described memory transistor T M is p
Channel, summarized writing when the direction of the diode D 1 to D 3 shown in FIG. 2 are connected, reading, the relationship between the voltage applied at the time of performing the cell Q 1 erase in Table 1. Here, if V cc is set to about 3 V, it is sufficient that the voltage is higher than a voltage at which sufficient polarization of the ferroelectric can be obtained.

【0027】[0027]

【表1】 [Table 1]

【0028】つぎに、メモリトランジスタTをnチャ
ネルのMFS−FETでメモリセルを構成したばあいの
マトリックス状に配置したときの等価回路図を図3に示
す。この実施例ではメモリトランジスタTのソース電
極に接続するダイオードD3の向きが逆向きになってい
るが他は前の実施例と同じである。
Next, an equivalent circuit diagram when placing the memory transistors T M in a matrix in the case where a memory cell in MFS-FET of the n-channel in Fig. Although the orientation of the diode D 3 in this embodiment is connected to the source electrode of the memory transistor T M are opposite others are the same as in the previous embodiment.

【0029】この構成で書込みを行うには、a1
1 、c2 …cn 、d2 …dn をVccにし、他のb1
1 、a2 …an 、b2 …bn を0にする。すなわち、
セルQ1では、2個のダイオードD1 、D2 の両端の電
位は等しくVccであるため中間の電位すなわちトランジ
スタのゲート電極gの電位もVccとなる。一方基板の電
位(d1 )は0であるため強誘電体膜は分極し、基板側
が正の電荷に分極した書込みがなされる。ゲート電極の
電位が0になっても残留分極した正の電荷により半導体
基板のチャネル領域に電子が誘起されnチャネルのFE
Tを導通状態にする。一方、セルQ2 はダイオード
1 、D2 の逆方向電圧になりゲート電極gは0にな
り、また基板の電位(d1 )も0で書込みはされない。
またセルQ3 はゲート電極gの電位はVccであるが基板
の電位(d2 …dn )もVccとなり書込みはされない。
セルQ4 はゲート電極gの電位が基板の電位(d2 …d
n )Vccと等しくなり、書込みはされない。
To perform writing with this configuration, a 1 ,
c 1, c 2 ... c n , the d 2 ... d n to V cc, the other b 1,
d 1, a 2 ... a n , a b 2 ... b n to 0. That is,
In cell Q 1, the potential of the two diodes D 1, the potential across the D 2 equals V cc at which for intermediate gate electrode g of the potential i.e. transistor also becomes V cc. On the other hand, since the potential (d 1 ) of the substrate is 0, the ferroelectric film is polarized, and writing is performed in which the substrate is polarized to a positive charge. Even if the potential of the gate electrode becomes 0, electrons are induced in the channel region of the semiconductor substrate by the remnant-polarized positive charges, and the n-channel FE
T is made conductive. On the other hand, cell Q 2 is the gate electrode g to reverse direction voltage diodes D 1, D 2 becomes 0, and the potential of the substrate (d 1) at 0 write is not.
The cell Q 3 are the potential of the gate electrode g is V cc not even V cc next write potential of the substrate (d 2 ... d n).
Cell Q 4 are the potential of the gate electrode g of the substrate potential (d 2 ... d
n ) It is equal to Vcc and no writing is performed.

【0030】つぎに、読出しについて説明する。セルQ
1 の読出しをするには、a1 、a2…an 、b2 …bn
に−Vcc、b1 、c1 、c2 …cn 、d2 …dn にVcc
を印加し、d1 にセンスアンプSAを介して負電圧を印
加する。すなわち、セルQ1では、ゲート電極の電位は
基板と同じになり、ソース−ドレイン間に電位差が生
じ、分極状態に応じてチャネル領域がON、OFFにな
り、導通、非導通により「1」、「0」の状態を読み出
すことができる。一方、セルQ2 、Q4 ではソース−ド
レイン間の電圧がダイオードD3 と逆方向でチャネルの
導通、非導通にかかわらず電流は流れず、読出しはでき
ない。また、セルQ3 では、ソース−ドレイン間が同電
位でやはり電流は流れず、読出はできず、結局セルQ1
のみを読み出すことができる。
Next, reading will be described. Cell Q
To one of the reading, a 1, a 2 ... a n, b 2 ... b n
To -V cc, b 1, c 1 , c 2 ... c n, d 2 ... d n to V cc
And a negative voltage is applied to d 1 via the sense amplifier SA. That is, in the cell Q 1, the potential of the gate electrode is the same as the substrate, the source - a potential difference is generated between the drain and the channel region is ON, turns OFF in accordance with the polarization state, continuity, "1" by the non-conducting, The state of "0" can be read. On the other hand, in the cells Q 2 and Q 4 , no current flows regardless of whether the channel is conducting or non-conducting because the voltage between the source and the drain is opposite to that of the diode D 3, and reading cannot be performed. Further, the cell Q 3, the source - drain is again no current flows at the same potential, it can not read, eventually cell Q 1
Only the data can be read.

【0031】つぎに、消去について説明する。セルQ1
の消去をするためには、a1 、b11 、a2 …an
2 …bn 、d2 …dn に−Vcc、d1 、c2 …cn
0を印加する。すなわち、セルQ1 ではゲート電極の電
位が−Vccで基板の電位(d1 )が0のため書込みのば
あいと逆の電位関係になり、消去される。一方セルQ2
はゲート電極g、基板共電位が0になり、消去されな
い。またセルQ3 ではゲート電極g、基板共に−Vcc
消去されない。セルQ4 ではゲート電極gの電位は基板
の電位−Vccと等しくなり、消去されない。
Next, erasure will be described. Cell Q 1
, A 1 , b 1 c 1 , a 2 ... An ,
b 2 ... b n, d 2 ... d n to -V cc, is applied to d 1, c 2 ... 0 to c n. That is, the potential of the cell Q 1 in the gate electrode substrate potential -V cc (d 1) is reversed the potential relation in the case of writing for 0, are erased. On the other hand, cell Q 2
Are not erased because the gate electrode g and the substrate co-potential become 0. Also not erased cell Q 3 in the gate electrode g, the substrate both in -V cc. Potential of the cell Q 4 In the gate electrode g is equal to the potential -V cc of the substrate, not erased.

【0032】以上説明したメモリトランジスタTがn
チャネルで、図3に示す方向のダイオードD1 〜D3
接続されたばあいの書込み、読出し、消去をセルQ1
ついて行なうときの印加する電圧の関係を表2にまとめ
る。ここでVccは前述の例と同様である。
[0032] The above-described memory transistor T M is n
Channel, summarized writing when the direction of the diode D 1 to D 3 shown in FIG. 3 is connected, read, the relationship between the voltage applied when performing the cell Q 1 erase in Table 2. Here, V cc is the same as in the above-described example.

【0033】[0033]

【表2】 [Table 2]

【0034】以上の説明でダイオードD1 、D2 の極性
を逆にしても、a1 …an とc1 …cn に印加する電圧
を逆にすれば同様であることは言うまでもない。
[0034] Also with the polarity diodes D 1, D 2 in the reverse from the above description, it is needless to say that the same if the voltage applied to a 1 ... a n and c 1 ... c n reversed.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明によれば、強誘導体膜を使用した
不揮発性メモリセルをマトリックス状に形成した半導体
記憶装置をメモリトランジスタのゲート電極と基板のあ
いだに電位等価手段を接続すると共に、該ゲート電極に
ダイオード2個を直列に接続した中点を接続し、ソース
電極側に第3のダイオードを接続することにより、各メ
モリセルを選択的に書込み、読出し、消去ができ、電位
等価手段、ダイオードは小面積で形成できるため、小さ
なセル面積で強誘電体膜を使用した不揮発性半導体記憶
装置を構成できる。
According to the present invention, a semiconductor memory device in which non-volatile memory cells using a strong dielectric film are formed in a matrix is connected to a potential equalizing means between a gate electrode of a memory transistor and a substrate. By connecting the middle point of two diodes connected in series to the gate electrode and connecting the third diode to the source electrode side, each memory cell can be selectively written, read, and erased. Since a diode can be formed with a small area, a nonvolatile semiconductor memory device using a ferroelectric film with a small cell area can be configured.

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

【図1】本発明の一実施例である半導体記憶装置のメモ
リセルの等価回路図である。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a memory cell of a semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例であるメモリセルをマトリッ
クス状に形成したばあいの等価回路図である。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram when memory cells according to an embodiment of the present invention are formed in a matrix.

【図3】本発明の他の実施例であるメモリセルをマトリ
ックス状に形成したばあいの等価回路図である。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram when memory cells according to another embodiment of the present invention are formed in a matrix.

【図4】強誘電体材料のヒステリシス特性を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a hysteresis characteristic of a ferroelectric material.

【図5】(a)〜(c)はMFS構造の例を示す図で、
(d)は強誘電体膜が分極されたときの状態を説明する
図である。
FIGS. 5A to 5C are diagrams showing examples of an MFS structure.
(D) is a diagram illustrating a state when the ferroelectric film is polarized.

【図6】従来のMFS−FETを用いた半導体記憶装置
のメモリセルの回路構成の例である。
FIG. 6 is an example of a circuit configuration of a memory cell of a conventional semiconductor memory device using an MFS-FET.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

g ゲート電極 T メモリトランジスタ(MFS−FET) R 抵抗体 D1 、D2 ダイオード D3 ダイオードg gate electrode T M memory transistor (MFS-FET) R resistor D 1, D 2 diode D 3 diode

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ゲート電極と半導体基板とのあいだに少
なくとも強誘電体膜を有する不揮発性メモリトランジス
タと、該メモリトランジスタと並列に前記ゲート電極と
前記半導体基板とのあいだに接続された電位等価手段と
両端に独自の電位が印加されうる直列接続された2個の
ダイオードと、該2個のダイオードの接続点と前記ゲー
ト電極とが接続されてなるメモリセルを有する半導体記
憶装置。
1. A non-volatile memory transistor having at least a ferroelectric film between a gate electrode and a semiconductor substrate, and potential equalizing means connected in parallel with the memory transistor between the gate electrode and the semiconductor substrate. And a memory cell including two diodes connected in series to each other to which a unique potential can be applied to both ends, and a connection point between the two diodes and the gate electrode.
【請求項2】 請求項1記載のメモリセルの前記メモリ
トランジスタのソース電極に第3のダイオードが接続さ
れ、前記直列接続された2個のダイオードの両端の各端
子、前記第3のダイオードの他端の端子および前記メモ
リトランジスタの基板を4端子として、マトリックス状
に配列された各メモリセルのそれぞれの端子が縦横に連
結されてなる半導体記憶装置。
2. A memory cell according to claim 1, wherein a third diode is connected to a source electrode of said memory transistor, and each terminal at both ends of said two diodes connected in series, and said third diode is connected to said other terminal. A semiconductor memory device in which each terminal of each memory cell arranged in a matrix is vertically and horizontally connected with four terminals having an end terminal and a substrate of the memory transistor.
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