JP3541331B2 - Ferroelectric memory cell - Google Patents
Ferroelectric memory cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP3541331B2 JP3541331B2 JP24901295A JP24901295A JP3541331B2 JP 3541331 B2 JP3541331 B2 JP 3541331B2 JP 24901295 A JP24901295 A JP 24901295A JP 24901295 A JP24901295 A JP 24901295A JP 3541331 B2 JP3541331 B2 JP 3541331B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- memory cell
- ferroelectric
- ferroelectric memory
- thin film
- 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.)
- Expired - Lifetime
Links
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims description 99
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 83
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 63
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 6
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、強誘電体を用いた不揮発性メモリに関するものである。
半導体メモリは、電子産業において大型コンピュータから家電に至るまで、CPUと共に不可欠の電子部品である。
そして、特に近年、DRAMを中心としたメモリの大容量化への速度が早まっており、256Mの記憶容量をもつメモリが試作されている。
【0002】
しかしながら、従来のメモリ構成では、その構造の複雑さや工程の多さからみて、あと、1〜2世代で限界に達するのではないかと考えられており、新たなメモリの構成方法の開発が急務となっている。
また、DRAMやSRAMのように記憶保持に電源が必要なメモリに対し、記憶保持に電源を必要としないEPROMやフラッシュメモリと呼ばれる不揮発性メモリは、ハードディスク等の磁気メモリの置き換えるものとして注目されている(枡岡富士雄著「飛躍するフラッシュメモリ」)。
【0003】
また、強誘電体を用いたキャパシタは、従来の誘電体を用いたキャパシタに比べて数十倍の容量を確保することができ、かつ、不揮発性にできるという特徴をもち、さらには、蓄積キャパシタが不要で非破壊読み出し可能なMFS(Metal Ferroelectric Semiconductor)トランジスタ等、IC以降の大容量メモリへの候補技術として注目されている(垂井康夫、日経マイクロデバイス 1993年7月号)。
【0004】
【従来の技術】
強誘電体のメモリへの応用の1つとして、MFSトランジスタ構造がある。
これは、従来のFETのゲート絶縁膜を強誘電体に置き替えた構造で、強誘電体の残留分極によりチャネルの半導体にキャリアを誘起し、分極電荷による半導体内の横方向の電荷の変化を利用するものである。
【0005】
現在のところ、強誘電体に単結晶のTGS(Trigricine Sulfate)を用い、その上に半導体チャネルとしてCdS薄膜を形成してトランジスタを作った構造、あるいは、SiのMOSトランジスタの絶縁膜を強誘電体に代えた構造において、強誘電体メモリの動作報告がある。
【0006】
また、金属/強誘電体/半導体構造から構成されるダイオード型のメモリセルも提案されている(特開平7−14990号公報)。これは、強誘電体の自発分極に起因するヒステリシスをもつ電流−電圧特性を利用してデータを蓄積する方式となっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述したようなMFSトランジスタを実現しようとすると、半導体チャネルと強誘電体の接合が必要となる。しかしながら、PZTやBaTiO3 等の強誘電体は酸化物材料であり、SiやGaAs等の半導体材料との整合性において問題がある。例えば、強誘電体である酸化物からチャネルの半導体へ酸素が拡散した場合、界面での電荷のトラップによって動作が不安定になったり、トランジスタの特性劣化を招いたりする。
【0008】
さらに、ゲートに用いている強誘電体薄膜のリーク電流が大きい場合、メモリあるいはトランジスタ特性の劣化や動作の不安定性を生じたりする。
このような問題を解決するため、前述したように金属/誘電体/半導体構造から構成されるダイオード型のメモリセルも提案されている。
【0009】
図1は、メモリダイオードの電流−電圧特性およびメモリ動作の原理説明図である。
このメモリダイオードは、金属(電極)側を順方向としたショットキーダイオードの電流−電圧特性をもっている。
まず、ダイオードの両側に強誘電体の分極の反転電圧(しきい値電圧)以上の電圧(VW0あるいはVW1)を印加した場合、その電圧の極性によって電流−電圧特性にヒステリシスを生じる。
このヒステリシスをデータの書き込みに用いる。
【0010】
さらに、しきい値電圧以下の順方向の電圧(VR )を印加し、そのダイオードに流れる電流(IR0あるいはIR1)を検出する(すなわち、ダイオードのコンダクタンスを検出する)ことによってデータの読み出しを行う。
【0011】
ただし、上述したメモリダイオードでは、ダイオードの順方向にバイアスして書込みを行う場合、比較的大きな電流で駆動する必要があり、ダイオードを駆動するためのトランジスタの負荷が大きくなってしまう。また、書込み時において順方向に大きな電流が流れるため、消費電力の点でも問題になる。
本発明は、強誘電体を用いたメモリダイオードにおいて、書き込み動作において流れる電流を低減することにより、動作が容易で消費電力の低い不揮発性メモリを実現することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
図2は、本発明の第1の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の1は電極、2は強誘電体層、3は半導体基板、4はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、5はショットキー電極である。
【0013】
この図によって、本発明の強誘電体メモリセルの原理を説明する。
この強誘電体メモリセルにおいては、半導体基板3の上面に強誘電体層2が形成され、この強誘電体層2の上面に電極1が形成され、半導体基板3の上面にショットキー電極5が形成され、半導体基板3の下面にオーミックあるいは低接触抵抗の電極4が形成されている。
【0014】
オーミックあるいは低接触抵抗の電極4は、半導体基板3と低抵抗あるいはオーミックの接触抵抗を形成しており、電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間の、強誘電体層2、半導体基板3によってメモリダイオードが構成されている。
【0015】
この電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間において、電極1の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行う。
また、電極1およびショットキー電極5の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0016】
上記の構成の他に、オーミックあるいは低接触抵抗の電極とショットキー電極を、共に半導体基板の上面に形成することができ、また、半導体基板を基板上に形成された半導体層とすることができ、そしてまた、オーミックあるいは低接触抵抗の電極とショットキー電極を基板上に形成された半導体層の同じ面に形成することもできる。
【0017】
前述したように、書き込み動作では強誘電体層の分極を反転するためのしきい値以上の電圧を強誘電体層に印加する必要がある。
ここで書き込み電圧を一定とすると、書き込み動作時における電流を低減するためには、半導体基板(層)と高抵抗の接触抵抗を形成する電極を用い、電極間の抵抗を高くすることにより流れる電流を下げることが必要となる。
【0018】
書き込み電極に印加される電圧は直列接続された強誘電体層と半導体基板(層)に分割されるため、書き込み電圧を低くするためには、電圧が効率よく強誘電体層に印加される必要がある。
このときの分割比は強誘電体層と半導体基板(層)の誘電率で決まるため、書き込み電圧を低くするには、半導体基板(層)の誘電率が高い方が望ましい。
よって、半導体基板(層)と書き込み電極の間に誘電率の低い高抵抗の層がある場合には、強誘電体層および半導体基板(層)とのキャパシタンスの比によって印加電圧が高抵抗層に吸収されてしまう。
【0019】
図2に示すように、書き込み電極に半導体基板(層)とショットキーを形成する電極を用いた場合、ダイオードに対して順方向の電圧を印加したときに、ショットキーがバリアとなって電流を抑制することになる。
さらに、ショットキーをバリアとして用いる場合には、バリアの誘電率は半導体基板(層)と同じであるから、バリアに吸収される電圧は小さく、動作電圧を引き上げることにはならない。
【0020】
一方、読み出しにおいては、センスアンプの動作を考えた場合、読み出し電流を大きくしたい。一定電圧で読み出し電流を大きくするためには、電極間の抵抗を下げて、読み出し電極と半導体基板(層)の接触抵抗を小さくする(オーミック接触が望ましい)ことになる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
(第1の実施の形態)
先に本発明の強誘電体メモリセルの原理を説明する際に用いた図2によって第1の実施の形態の強誘電体メモリセルを再度説明する。
図2は、本発明の第1の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の1は電極、2は強誘電体層、3は半導体基板、4はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、5はショットキー電極である。
【0022】
この実施の形態の強誘電体メモリセルにおいては、SrTiO3 等からなる半導体基板3の上面にPZT,PTO等からなる強誘電体層2が形成され、この強誘電体層2の上面にPtあるいはAuからなる電極1が形成され、半導体基板3の上面に読み出しのためのY,Nb等からなる低抵抗のオーミックあるいは低接触抵抗の電極4が形成され、半導体基板3の下面に書込みのためのPt,Au等からなるショットキー電極5が形成されている。
そして、電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間の、強誘電体層2、半導体基板3によってメモリダイオードが構成されている。
【0023】
この電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間において、電極1の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行い、電極1およびショットキー電極5の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0024】
前述したように、書き込み電圧を低くするためには、半導体基板(層)の誘電率が高いほうが望ましいが、例えば、誘電率が200程度の酸化物半導体を用いると、動作電圧を1V程度まで下げることが可能になる。
【0025】
また、読み出し電流を増やすためには、電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間のダイオードの抵抗を下げる必要がある。そのためには、オーミックあるいは低接触抵抗の電極4と半導体基板(層)の接触抵抗の低減とともに、半導体を高濃度にドープすることにより抵抗を低減することが望ましい。
【0026】
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の1は電極、2は強誘電体層、3は半導体基板、4はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、5はショットキー電極である。
【0027】
この実施の形態の強誘電体メモリセルにおいては、半導体基板3の上面に強誘電体層2が形成され、この強誘電体層2の上面に電極1が形成され、半導体基板3の上面にショットキー電極5が形成され、半導体基板3の下面に低抵抗のオーミックあるいは低接触抵抗の電極4が形成している。
電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間の、強誘電体層2、半導体基板3によってメモリダイオードが構成されている。
【0028】
前述と同様に、この電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間において、電極1の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行い、電極1およびショットキー電極5の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0029】
(第3の実施の形態)
図4は、本発明の第3の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の6は支持基板、7は電極、8は強誘電体層、9は半導体薄膜、10はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、11はショットキー電極である。
【0030】
この実施の形態の強誘電体メモリセルの特徴は半導体として半導体の薄膜を用いた点であり、SiO2 層を形成したSi基板、MgO基板、ノンドープのSrTiO3 等からなる支持基板6の上に、ショットキー電極11が形成され、その上に半導体薄膜9が形成され、その上の一部に強誘電体層8が形成され、この強誘電体層8の上に電極7が形成され、半導体薄膜9の上にオーミックあるいは低接触抵抗の電極10が形成されている。
【0031】
この実施の形態においても、前述と同様に、電極7およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極10の間において、電極7の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行い、電極7およびショットキー電極11の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0032】
(第4の実施の形態)
図5は、本発明の第4の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の6は支持基板、7は電極、8は強誘電体層、9は半導体薄膜、10はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、11はショットキー電極である。
【0033】
この実施の形態の強誘電体メモリセルの特徴は第4の実施の形態と同様に、半導体として半導体の薄膜を用いた点であり、SiO2 層を形成したSi基板、MgO2 基板、ノンドープのSrTiO3 等からなる支持基板6の上に、オーミックあるいは低接触抵抗の電極10が形成され、その上に半導体薄膜9が形成され、その上の一部に強誘電体層8が形成され、この強誘電体層8の上に電極7が形成され、半導体薄膜9の上にショットキー電極11が形成されている。
【0034】
この実施の形態においても、前述と同様に、電極7およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極10の間において、電極7の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行い、電極7およびショットキー電極11の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0035】
図6は、本発明の第5の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の1は電極、2は強誘電体層、3は半導体基板、4はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、5はショットキー電極である。
【0036】
この実施の形態の強誘電体メモリセルの基本構造は図2によって説明した第1の実施の形態の強誘電体メモリセルと同様であるが、半導体基板3の上面に強誘電体層2が形成され、この強誘電体層2の上面に電極1が形成され、半導体基板3の上面に低抵抗のオーミックあるいは低接触抵抗の電極4と、ショットキー電極5が形成されている。
【0037】
この実施の形態においても、前述と同様に、電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間において、電極1の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行い、電極1およびショットキー電極5の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0038】
図7は、本発明の第6の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の1は電極、2は強誘電体層、3は半導体基板、4はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、5はショットキー電極である。
【0039】
この実施の形態の強誘電体メモリセルの基本構造は図2、図6によって説明した第1の実施の形態、第5の実施の形態の強誘電体メモリセルと同様であるが、半導体基板3の上面に強誘電体層2が形成され、この強誘電体層2の上面に電極1が形成され、半導体基板3の下面に低抵抗のオーミックあるいは低接触抵抗の電極4と、ショットキー電極5が形成されている。
【0040】
この実施の形態においても、前述と同様に、電極1およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極4の間において、電極1の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行い、電極1およびショットキー電極5の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0041】
(第7の実施の形態)
図8は、本発明の第7の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の6は支持基板、7は電極、8は強誘電体層、9は半導体薄膜、10はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、11はショットキー電極である。
【0042】
この実施の形態の強誘電体メモリセルの基本構造は図4によって説明した第3の実施の形態の強誘電体メモリセルと同様であるが、支持基板6の上に半導体薄膜9が形成され、その上の一部に強誘電体層8が形成され、この強誘電体層8の上に電極7が形成され、半導体薄膜9の上にオーミックあるいは低接触抵抗の電極10とショットキー電極11が形成されている。
【0043】
この実施の形態においても、前述と同様に、電極7およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極10の間において、電極7の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行い、電極7およびショットキー電極11の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0044】
(第8の実施の形態)
図9は、本発明の第8の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
この図の6は支持基板、7は電極、8は強誘電体層、9は半導体薄膜、10はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、11はショットキー電極である。
【0045】
この実施の形態の強誘電体メモリセルの基本構造は図4によって説明した第3の実施の形態の強誘電体メモリセルと同様であるが、支持基板6の上にオーミックあるいは低接触抵抗の電極10とショットキー電極11が間隔を置いて形成され、その上に半導体薄膜9が形成され、その上に強誘電体層8が形成され、この強誘電体層8の上に電極7が形成されている。
【0046】
この実施の形態においても、前述と同様に、電極7およびオーミックあるいは低接触抵抗の電極10の間において、電極7の側に順方向のバイアス電圧を印加することにより読み出し動作を行い、電極7およびショットキー電極11の間にバイアス電圧を印加することによりデータの書込み動作を行う。
【0047】
(第9の実施の形態)
図10は、本発明の第9の実施の形態の強誘電体メモリの説明図であり、(A)は断面図、(B)は(A)の一部の拡大図である。
この図の6は支持基板、7は電極、8は強誘電体層、9は半導体薄膜、10はオーミックあるいは低接触抵抗の電極、11はショットキー電極、12は強誘電体メモリセルを多数並べたメモリセルアレイチップ、13はメモリセルアレイを駆動する周辺回路、14はバンプである。
【0048】
この実施の形態の強誘電体メモリにおいては、図6によって説明した第5の実施の形態の強誘電体メモリセル、あるいは、図8によって説明した第7の実施の形態の強誘電体メモリセルのように多数の強誘電体メモリダイオードの電極を半導体基板または支持基板の片側にだけ形成した強誘電体メモリセルアレイチップ12と、メモリセルアレイを駆動する周辺回路13を貼り合わせている。
【0049】
図8によって説明した第7の実施の形態の強誘電体メモリセルを用いた例を説明すると、支持基板6の上に半導体薄膜9が形成され、その上の一部に強誘電体層8が形成され、この強誘電体層8の上に電極7が形成され、半導体薄膜9の上にオーミックあるいは低接触抵抗の電極10とショットキー電極11が形成されている強誘電体メモリセルチップと、メモリセルアレイを駆動する周辺回路13をそのバンプ14によって接続して貼り合わせている。
【0050】
本発明の強誘電体メモリセルに用いる強誘電体や半導体等は酸化物材料である場合が多く、このような酸化物からなる強誘電体メモリセルを、通常Siの集積回路によって構成されるメモリの周辺回路と共に製造すると、その製造工程において相互汚染等が問題になるが、この実施の形態の強誘電体メモリによると、汚染を嫌う回路素子を別体にして独立に製造することができるため、汚染の問題を解消することができる。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、強誘電体メモリダイオードを用いたメモリセルにおいて、書き込み時に流れる電流を低減する効果を奏し、低消費電力の高密度強誘電体メモリを実現する上で有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】メモリダイオードの電流−電圧特性およびメモリ動作の原理説明図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
【図5】本発明の第4の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
【図6】本発明の第5の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
【図7】本発明の第6の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
【図8】本発明の第7の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
【図9】本発明の第8の実施の形態の強誘電体メモリセルの説明図である。
【図10】本発明の第9の実施の形態の強誘電体メモリの説明図であり、(A)は断面図、(B)は(A)の一部の拡大図である。
【符号の説明】
1 電極
2 強誘電体層
3 半導体基板
4 オーミックあるいは低接触抵抗の電極
5 ショットキー電極
6 支持基板
7 電極
8 強誘電体層
9 半導体薄膜
10 オーミックあるいは低接触抵抗の電極
11 ショットキー電極
12 強誘電体メモリセルを多数並べたメモリセルアレイチップ
13 メモリセルアレイを駆動する周辺回路
14 バンプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile memory using a ferroelectric.
Semiconductor memories are indispensable electronic components along with CPUs in the electronics industry, from large computers to home appliances.
In recent years, in particular, the speed of increasing the capacity of memories, mainly DRAMs, has been increasing, and memories having a storage capacity of 256M have been prototyped.
[0002]
However, in the conventional memory configuration, it is considered that the limit will be reached in one or two generations in view of the complexity of the structure and the number of steps, and it is urgently necessary to develop a new memory configuration method. Has become.
In addition, non-volatile memories called EPROMs and flash memories, which do not require a power supply for storing and storing data, are attracting attention as a replacement for magnetic memories such as hard disks, in contrast to memories requiring a power supply for storing and storing data such as DRAM and SRAM. (Fujio Masuoka, "Leaping Flash Memory").
[0003]
In addition, a capacitor using a ferroelectric can secure several tens of times the capacity of a conventional capacitor using a dielectric and can be made non-volatile. (Metal Ferroelectric Semiconductor (MFS) transistors), which are unnecessary and can be read non-destructively, are attracting attention as candidate technologies for large-capacity memories after ICs (Yasuo Tarui, Nikkei Micro Devices, July 1993).
[0004]
[Prior art]
One of applications of ferroelectrics to memories is an MFS transistor structure.
This is a structure in which the gate insulating film of a conventional FET is replaced with a ferroelectric material. Carriers are induced in the semiconductor of the channel by the remanent polarization of the ferroelectric material, and the change in the lateral charge in the semiconductor due to the polarization charge is suppressed. To use.
[0005]
At present, a single crystal TGS (Trigricine Sulfate) is used as a ferroelectric and a CdS thin film is formed as a semiconductor channel thereon to form a transistor, or an insulating film of a Si MOS transistor is used as a ferroelectric. There is a report on the operation of a ferroelectric memory in the structure of the above.
[0006]
Also, a diode type memory cell having a metal / ferroelectric / semiconductor structure has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 7-14990). This is a method of accumulating data using a current-voltage characteristic having hysteresis caused by spontaneous polarization of a ferroelectric substance.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In order to realize the MFS transistor as described above, a junction between a semiconductor channel and a ferroelectric is required. However, ferroelectrics such as PZT and BaTiO 3 are oxide materials, and have problems in matching with semiconductor materials such as Si and GaAs. For example, in the case where oxygen diffuses from a ferroelectric oxide to a semiconductor of a channel, the operation becomes unstable due to trapping of electric charge at an interface, or the characteristics of a transistor are deteriorated.
[0008]
Further, when the leakage current of the ferroelectric thin film used for the gate is large, the characteristics of the memory or the transistor are deteriorated and the operation is unstable.
In order to solve such a problem, a diode type memory cell having a metal / dielectric / semiconductor structure has been proposed as described above.
[0009]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the current-voltage characteristics of the memory diode and the memory operation.
This memory diode has the current-voltage characteristics of a Schottky diode with the metal (electrode) side in the forward direction.
First, when a voltage (V W0 or V W1 ) higher than the inversion voltage (threshold voltage) of the ferroelectric polarization is applied to both sides of the diode, hysteresis occurs in the current-voltage characteristics depending on the polarity of the voltage.
This hysteresis is used for writing data.
[0010]
Further, the threshold voltage below the forward voltage (V R) is applied, for detecting a current (I R0 or I R1) flowing through the diodes (i.e., detects the conductance of the diode) reading data by I do.
[0011]
However, in the above-described memory diode, when writing is performed by biasing in the forward direction of the diode, it is necessary to drive the memory diode with a relatively large current, which increases the load on the transistor for driving the diode. In addition, since a large current flows in the forward direction during writing, power consumption is also a problem.
An object of the present invention is to realize a non-volatile memory which is easy to operate and consumes low power by reducing a current flowing in a write operation in a memory diode using a ferroelectric substance.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 2 is an explanatory diagram of the ferroelectric memory cell according to the first embodiment of the present invention.
In this figure, 1 is an electrode, 2 is a ferroelectric layer, 3 is a semiconductor substrate, 4 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 5 is a Schottky electrode.
[0013]
The principle of the ferroelectric memory cell of the present invention will be described with reference to FIG.
In this ferroelectric memory cell, a
[0014]
The ohmic or low contact resistance electrode 4 forms a low resistance or ohmic contact resistance with the
[0015]
A read operation is performed between the
Further, a data write operation is performed by applying a bias voltage between the
[0016]
In addition to the above configuration, the ohmic or low contact resistance electrode and the Schottky electrode can both be formed on the upper surface of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate can be a semiconductor layer formed on the substrate. Also, the ohmic or low contact resistance electrode and the Schottky electrode can be formed on the same surface of the semiconductor layer formed on the substrate.
[0017]
As described above, in the writing operation, it is necessary to apply a voltage higher than the threshold value for inverting the polarization of the ferroelectric layer to the ferroelectric layer.
Assuming that the write voltage is constant, in order to reduce the current during the write operation, an electrode that forms a high-resistance contact resistance with the semiconductor substrate (layer) is used, and the current flowing by increasing the resistance between the electrodes is used. It is necessary to lower.
[0018]
Since the voltage applied to the write electrode is divided into the ferroelectric layer and the semiconductor substrate (layer) connected in series, the voltage must be efficiently applied to the ferroelectric layer in order to reduce the write voltage. There is.
Since the division ratio at this time is determined by the dielectric constant of the ferroelectric layer and the semiconductor substrate (layer), it is desirable that the semiconductor substrate (layer) has a higher dielectric constant in order to lower the writing voltage.
Therefore, when there is a high-resistance layer having a low dielectric constant between the semiconductor substrate (layer) and the write electrode, the applied voltage is applied to the high-resistance layer by the capacitance ratio between the ferroelectric layer and the semiconductor substrate (layer). It will be absorbed.
[0019]
As shown in FIG. 2, when a semiconductor substrate (layer) and an electrode for forming a Schottky are used as the writing electrodes, when a forward voltage is applied to the diode, the Schottky acts as a barrier to generate a current. Will be suppressed.
Furthermore, when a Schottky is used as a barrier, since the dielectric constant of the barrier is the same as that of the semiconductor substrate (layer), the voltage absorbed by the barrier is small and the operating voltage does not increase.
[0020]
On the other hand, in reading, when considering the operation of the sense amplifier, it is desired to increase the reading current. In order to increase the read current at a constant voltage, the resistance between the electrodes is reduced and the contact resistance between the read electrode and the semiconductor substrate (layer) is reduced (an ohmic contact is desirable).
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
(First Embodiment)
The ferroelectric memory cell according to the first embodiment will be described again with reference to FIG. 2 which has been used in describing the principle of the ferroelectric memory cell of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the ferroelectric memory cell according to the first embodiment of the present invention.
In this figure, 1 is an electrode, 2 is a ferroelectric layer, 3 is a semiconductor substrate, 4 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 5 is a Schottky electrode.
[0022]
In the ferroelectric memory cell of this embodiment, a
The
[0023]
A read operation is performed by applying a forward bias voltage to the
[0024]
As described above, in order to lower the writing voltage, it is preferable that the semiconductor substrate (layer) has a higher dielectric constant. For example, when an oxide semiconductor having a dielectric constant of approximately 200 is used, the operating voltage is reduced to approximately 1 V. It becomes possible.
[0025]
Further, in order to increase the read current, it is necessary to reduce the resistance of the diode between the
[0026]
(Second embodiment)
FIG. 3 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to the second embodiment of the present invention.
In this figure, 1 is an electrode, 2 is a ferroelectric layer, 3 is a semiconductor substrate, 4 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 5 is a Schottky electrode.
[0027]
In the ferroelectric memory cell of this embodiment, a
The
[0028]
As described above, a read operation is performed by applying a forward bias voltage to the
[0029]
(Third embodiment)
FIG. 4 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to the third embodiment of the present invention.
In this figure, 6 is a support substrate, 7 is an electrode, 8 is a ferroelectric layer, 9 is a semiconductor thin film, 10 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 11 is a Schottky electrode.
[0030]
The feature of the ferroelectric memory cell of this embodiment is that a semiconductor thin film is used as a semiconductor, and the ferroelectric memory cell is formed on a
[0031]
Also in this embodiment, the read operation is performed by applying a forward bias voltage to the
[0032]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a fourth embodiment of the present invention.
In this figure, 6 is a support substrate, 7 is an electrode, 8 is a ferroelectric layer, 9 is a semiconductor thin film, 10 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 11 is a Schottky electrode.
[0033]
The feature of the ferroelectric memory cell of this embodiment is that, similarly to the fourth embodiment, a semiconductor thin film is used as a semiconductor, and a Si substrate on which an SiO 2 layer is formed, a MgO 2 substrate, a non-doped An ohmic or low
[0034]
Also in this embodiment, the read operation is performed by applying a forward bias voltage to the
[0035]
FIG. 6 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a fifth embodiment of the present invention.
In this figure, 1 is an electrode, 2 is a ferroelectric layer, 3 is a semiconductor substrate, 4 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 5 is a Schottky electrode.
[0036]
The basic structure of the ferroelectric memory cell of this embodiment is the same as the ferroelectric memory cell of the first embodiment described with reference to FIG. 2, except that the
[0037]
Also in this embodiment, a read operation is performed by applying a forward bias voltage to the
[0038]
FIG. 7 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a sixth embodiment of the present invention.
In this figure, 1 is an electrode, 2 is a ferroelectric layer, 3 is a semiconductor substrate, 4 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 5 is a Schottky electrode.
[0039]
The basic structure of the ferroelectric memory cell of this embodiment is the same as the ferroelectric memory cells of the first and fifth embodiments described with reference to FIGS. A
[0040]
Also in this embodiment, a read operation is performed by applying a forward bias voltage to the
[0041]
(Seventh embodiment)
FIG. 8 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a seventh embodiment of the present invention.
In this figure, 6 is a support substrate, 7 is an electrode, 8 is a ferroelectric layer, 9 is a semiconductor thin film, 10 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 11 is a Schottky electrode.
[0042]
The basic structure of the ferroelectric memory cell of this embodiment is the same as that of the ferroelectric memory cell of the third embodiment described with reference to FIG. 4, except that a semiconductor
[0043]
Also in this embodiment, the read operation is performed by applying a forward bias voltage to the
[0044]
(Eighth embodiment)
FIG. 9 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to an eighth embodiment of the present invention.
In this figure, 6 is a support substrate, 7 is an electrode, 8 is a ferroelectric layer, 9 is a semiconductor thin film, 10 is an ohmic or low contact resistance electrode, and 11 is a Schottky electrode.
[0045]
The basic structure of the ferroelectric memory cell of this embodiment is the same as that of the ferroelectric memory cell of the third embodiment described with reference to FIG. 10 and a
[0046]
Also in this embodiment, the read operation is performed by applying a forward bias voltage to the
[0047]
(Ninth embodiment)
FIGS. 10A and 10B are explanatory diagrams of a ferroelectric memory according to a ninth embodiment of the present invention, wherein FIG. 10A is a sectional view and FIG. 10B is an enlarged view of a part of FIG.
6 is a supporting substrate, 7 is an electrode, 8 is a ferroelectric layer, 9 is a semiconductor thin film, 10 is an ohmic or low contact resistance electrode, 11 is a Schottky electrode, 12 is a number of ferroelectric memory cells. A memory cell array chip, 13 is a peripheral circuit for driving the memory cell array, and 14 is a bump.
[0048]
In the ferroelectric memory of this embodiment, the ferroelectric memory cell of the fifth embodiment described with reference to FIG. 6 or the ferroelectric memory cell of the seventh embodiment described with reference to FIG. Thus, a ferroelectric memory
[0049]
An example using the ferroelectric memory cell of the seventh embodiment described with reference to FIG. 8 will be described. A semiconductor
[0050]
The ferroelectric or semiconductor used for the ferroelectric memory cell of the present invention is often an oxide material, and a ferroelectric memory cell made of such an oxide is usually used as a memory composed of an integrated circuit of Si. When manufactured together with the peripheral circuit of the above, mutual contamination and the like become a problem in the manufacturing process. However, according to the ferroelectric memory of this embodiment, the circuit element which does not want to be contaminated can be manufactured separately. , Can eliminate the problem of contamination.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a memory cell using a ferroelectric memory diode, an effect of reducing a current flowing at the time of writing is exhibited, which is effective in realizing a high-density ferroelectric memory with low power consumption. It is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating current-voltage characteristics of a memory diode and the principle of a memory operation.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory cell according to an eighth embodiment of the present invention.
FIGS. 10A and 10B are explanatory diagrams of a ferroelectric memory according to a ninth embodiment of the present invention, wherein FIG. 10A is a sectional view and FIG. 10B is an enlarged view of a part of FIG.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記半導体基板に配置されてショットキー接触するデータ書込み電極と、
前記半導体基板に配置されて低抵抗あるいはオーミック接触するデータ読み出し電極とを備えてなることを特徴とする強誘電体メモリセル。In a diode type ferroelectric memory cell composed of a semiconductor substrate, a ferroelectric layer and a metal,
A data write electrode arranged on the semiconductor substrate and in Schottky contact;
A ferroelectric memory cell comprising: a data read electrode disposed on the semiconductor substrate and in contact with a low resistance or ohmic contact.
支持基板と、
前記支持基板上に配置されて低抵抗あるいはオーミック接触するデータ読み出し電極と、
前記データ読み出し電極上に配置される前記半導体薄膜と、
前記半導体薄膜上に配置されてショットキー接触するデータ書込み電極と
を備えてなることを特徴とする強誘電体メモリセル。In a diode type ferroelectric memory cell composed of a semiconductor thin film , a ferroelectric layer and a metal,
A support substrate;
A data reading electrode which is disposed on the supporting substrate and has a low resistance or ohmic contact,
It said semiconductor thin film disposed on the data read electrode,
A ferroelectric memory cell comprising: a data write electrode disposed on the semiconductor thin film and in Schottky contact.
支持基板と、
前記支持基板上に配置される前記半導体薄膜と、
前記半導体薄膜上に配置されて低抵抗あるいはオーミック接触するデータ読み出し電極と、
前記半導体薄膜上に配置されてショットキー接触するデータ書込み電極と
を備えてなることを特徴とする強誘電体メモリセル。In a diode type ferroelectric memory cell composed of a semiconductor thin film , a ferroelectric layer and a metal,
A support substrate;
It said semiconductor thin film disposed on the support substrate,
A data reading electrode which is disposed on the semiconductor thin film and has a low resistance or ohmic contact;
A ferroelectric memory cell comprising: a data write electrode disposed on the semiconductor thin film and in Schottky contact.
を特徴とする請求項1乃至3の何れか1記載の強誘電体メモリセル。The ferroelectric memory cell of any one of claims 1 to 3 semiconductor substrate or a semiconductor thin film is characterized in that it consists of SrTiO 3.
を特徴とする請求項3記載の強誘電体メモリセル。 Bonding a memory cell array in which a plurality of ferroelectric memory cells are arranged and a peripheral circuit chip for driving the memory cell array
The ferroelectric memory cell according to claim 3, wherein:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24901295A JP3541331B2 (en) | 1995-09-27 | 1995-09-27 | Ferroelectric memory cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24901295A JP3541331B2 (en) | 1995-09-27 | 1995-09-27 | Ferroelectric memory cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0992792A JPH0992792A (en) | 1997-04-04 |
JP3541331B2 true JP3541331B2 (en) | 2004-07-07 |
Family
ID=17186701
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24901295A Expired - Lifetime JP3541331B2 (en) | 1995-09-27 | 1995-09-27 | Ferroelectric memory cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3541331B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2348555B9 (en) * | 2004-07-22 | 2013-05-08 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Method for manufacturing a metal oxide thin film |
WO2011074590A1 (en) * | 2009-12-17 | 2011-06-23 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device, measurement apparatus, and measurement method of relative permittivity |
-
1995
- 1995-09-27 JP JP24901295A patent/JP3541331B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0992792A (en) | 1997-04-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3460095B2 (en) | Ferroelectric memory | |
JP3768504B2 (en) | Nonvolatile flip-flop | |
JP3287460B2 (en) | Field effect transistor | |
US5877977A (en) | Nonvolatile memory based on metal-ferroelectric-metal-insulator semiconductor structure | |
US7167386B2 (en) | Ferroelectric memory and operating method therefor | |
KR20120116493A (en) | Semiconductor memory device and driving method thereof | |
JP3554666B2 (en) | Semiconductor memory device | |
JPH05267687A (en) | Nonvolatile storage element, nonvolatile storage device using same, and manufacture of nonvolatile storage element | |
WO2010131310A1 (en) | Semiconductor memory cell and method for manufacturing same | |
JPH07106440A (en) | Nonvolatile semiconductor memory and application system thereof | |
US7745283B2 (en) | Method of fabricating memory transistor | |
JPH04256361A (en) | Semiconductor memory device | |
JP3541331B2 (en) | Ferroelectric memory cell | |
JP4042351B2 (en) | Storage device | |
JPH07106450A (en) | Ferroelectric gate transistor memory | |
JPH11274429A (en) | Semiconductor storage device | |
JP3131340B2 (en) | Ferroelectric memory element | |
US6046927A (en) | Nonvolatile semiconductor memory device, a method of fabricating the same, and read, erase write methods of the same | |
US6455883B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory | |
KR20040095709A (en) | Semiconductor memory device with static memory cells | |
JP3434485B2 (en) | Two-transistor single-capacitor ferroelectric memory | |
JPH09307073A (en) | Memory device | |
RU2785593C1 (en) | Permanent memory element based on conductive gete ferroelectric | |
JP2000323669A (en) | Semiconductor nonvolatile memory device | |
JPH1092954A (en) | Semiconductor storage device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040108 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040203 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040219 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040316 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040318 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080409 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090409 Year of fee payment: 5 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090409 Year of fee payment: 5 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090409 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100409 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110409 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110409 Year of fee payment: 7 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110409 Year of fee payment: 7 |
|
R371 | Transfer withdrawn |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110409 Year of fee payment: 7 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120409 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130409 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130409 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140409 Year of fee payment: 10 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |