JP3793021B2 - Nonvolatile multi-value storage device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性多値記憶装置に関し、特に、強誘電性材料からなる誘電体キャパシタを具備し、ギガビット以上の超大容量の多値記憶が可能な不揮発性多値記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、記憶媒体として強誘電体薄膜を用いた記憶装置(強誘電体メモリ)の開発が行われており、一部にはすでに実用化されている。強誘電体メモリは不揮発性であり、電源を落とした後も記憶内容が失われず、しかも膜厚が十分薄い場合には自発分極の反転が速く、DRAM(dynamic random access memory)並みの高速の書き込み、読み出しが可能であるなどの特徴を持つ。
【0003】
現在、強誘電体薄膜を使用した半導体記憶装置として、大別して2種類の構成が提案されている。これら2種類の構成は、強誘電体膜により、強誘電体キャパシタを形成するものと、強誘電体ゲートトランジスタを形成するものである。
【0004】
強誘電体キャパシタを形成する場合は、選択用トランジスタと組み合せて1ビットのメモリセルとする。一方、強誘電体ゲートトランジスタを形成する場合は、1個の強誘電体ゲートトランジスタ、ないしは1個から2個の選択用トランジスタと組み合せて1ビットのメモリセルとする。
【0005】
このような1メモリセルに1ビットの記憶を行う方式に対して、さらに効率の良い方式として、1メモリセルに多値の記憶を行う方式が提案されている。
【0006】
その一つの方法は、1個の強誘電体キャパシタに複数の上部電極を接続して、強誘電体キャパシタに複数の分極状態を生じさせる方法である(例えば、特許公報第854165号公報)。しかしながら、この方法によれば、記憶ビット数に比例して上部電極の数が増大し、強誘電体キャパシタの面積も増大するため、同じチップ面積で高密度化を達成するという本来の目的を達成することは困難である。
【0007】
他の方法として、強誘電体キャパシタに複数の書き込み電圧を印加して、複数の分極状態を生じさせる方法がある(例えば、特開平10−312691号公報、特開平11−45584号公報)。
【0008】
この記憶方法について、図29を参照しつつ説明する。
【0009】
図29は、強誘電体キャパシタの印加電圧と分極量との関係を表わすヒステリシス曲線を例示したグラフ図である。すなわち、まず強誘電体キャパシタに電圧V0を印加してマイナス側に分極を反転させる。その後、プラス側に完全に反転する電圧V1より小さい電圧V2ないしV3を印加することにより、マイナス側の完全反転状態の電荷P0およびプラス側の完全反転状態の電荷P1に加えて、部分反転状態に相当する電荷P2ないしP3を利用することにより、多値記憶を実現することができる。
【0010】
一方、読み出し動作は、通常の1トランジスタ1キャパシタ型のFRAM(ferroelectric random access memory)やDRAMと同様に、各セルの選択トランジスタをオンにして読み出し電圧を印加することにより、蓄積電荷P0ないしP3をビット線容量に読み出し、蓄積電荷に応じたビット線電位を電位発生器からの電位と比較することにより多値の読み出しを行う。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の書き込みおよび読み出し動作により高集積化した強誘電体メモリを実現する上での問題点がいくつかある。
【0012】
第1の問題点は、書き込み動作に関するものであり、この点に関して図30を参照しつつ説明する。強誘電体キャパシタの本来のP−Vヒステリシス曲線においては、図30に例示したように、一定の抗電圧V0およびV1において分極反転を生じる。バルクの強誘電体単結晶を使用したキャパシタではこのような挙動をとることが古くから知られているし、また薄膜においてもCVD法で作成されたエピタキシャルPZT(チタン酸ジルコン酸鉛:PbZrTi1−x)キャパシタなどで同様の挙動をとることが知られている。すなわち、強誘電体キャパシタは単一の電圧で分極反転を生じるため、複数の電圧を使用して部分反転状態を実現することは本来不可能である。
【0013】
逆にいうと、図29に表したようにP−V曲線が傾いている強誘電特性は、強誘電体膜が均一ではなく、何らかの原因で劣化してばらついていることを意味している。強誘電体キャパシタを構成する多くのドメインによって抗電圧のバラツキがあったり、ヒステリシスの中心がずれていたり、また強誘電体と電極の界面に薄い常誘電体層が生成したときなどに、図29に表したように傾いたP−V曲線が観察される。一般的にいえば、P−V曲線が傾斜している(傾きΔy/Δxが小さい)ほど分極量、分極の保持特性や疲労特性などの強誘電体特性が劣化しており、逆に、強誘電体の結晶性が良くなるほどP−V曲線が垂直に立ち上がる(傾きΔy/Δxが大きい)傾向にある。1個のキャパシタの強誘電特性を取り出せば、一見して複数の電圧による多値の書き込みが可能なように見える。
【0014】
しかしながら、P−V曲線における傾きの量は本質的に「バラツキ」の成分であり、誘電体膜の成膜条件、微細加工の有無や熱処理の有無によってP−V曲線が大きく変ることは良く知られている事実である。すなわち、プロセスパラメータのわずかな変動によって抗電圧やその分散は大きく変わるため、多数のキャパシタを作成したウェーハを多数枚作成するという前提で、個々のメモリセルの動作を保証する必要がある強誘電体メモリにおいて、個々の強誘電体キャパシタに電圧制御により多値の書き込みを行うことは本質的に無理であることを理解すべきである。
【0015】
第2の問題点は、読み出し法に関するものである。1トランジスタ1常誘電体キャパシタからなるメモリセルを使用するDRAMにおいての読み出し感度は、主としてセル容量CSとビット線容量CBの比CS/CBとセンスアンプの感度の相対関係で決定される。すなわち、ビット線容量やセンスアンプの感度を一定とすれば、1ビットの記憶に必要な最低セル容量があり、これはDRAMでは20から40fC必要とされている。世代毎に縮小されるセル面積の制約の中で、いかに最低セル容量を確保するかがDRAM用キャパシタ開発の最大の眼目である。
【0016】
1トランジスタ1強誘電体キャパシタを使用したFRAMにおいても、基本的に同じスキームが当てはまる。DRAMで常誘電体キャパシタに蓄積された電荷をビット線に読み出すのと同様に、FRAMでは強誘電体キャパシタの残留分極電荷をビット線に読み出し、センスアンプで判定する。FRAMで使用されている強誘電体膜のPZTとSBT(タンタル酸ストロンチウムビスマス:SrBiTa)では、残留分極量がそれぞれ30μC/cm、15μC/cm程度である。従って、最小加工寸法をFとし、セル面積8F、キャパシタ面積3Fのレイアウトで作成したとすると、0.15μm世代および0.20μm世代には、セル電荷量がそれぞれ20fCまで減少してしまう。つまり、それ以降の縮小は、強誘電体キャパシタセルを3次元的に立体化でもしない限り無理ということになる。しかし、強誘電体の膜厚が大きいために、立体化は非常に困難である。
【0017】
強誘電体多値記憶を使用したメモリの読み出し方法が、上述のように強誘電体キャパシタの電荷をビット線容量に読み出し、ビット線電位と電位発生器からの参照電位とをセンスアンプで比較するという方法を取る限り、2値読み出しよりも多値読み出しの方がビット当りの電荷量が少なくなり、微細化にともなって必要電荷量がますます確保しづらくなる。したがって、多値化によりメモリを高密度化するという目的を実現することは困難になる。
【0018】
上述したように、強誘電体キャパシタを使用した多値メモリについては、既にいくつかの提案があるが、いずれの方法を使用しても従来の2値の強誘電体メモリを大きく上回る集積度の多値の強誘電体メモリを実現することは困難である。
【0019】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、強誘電体キャパシタを使用した半導体多値メモリにおいて、上述した強誘電体キャパシタへの多値書き込みに関する問題点、さらには多値読み出し感度に関する問題点を克服し、2値の強誘電体メモリを大きく上回る集積度を有する不揮発性多値記憶装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、特開2000−156472号公報(P2000−156472A)において、データを記憶するためのキャパシタとして強誘電体キャパシタを用い、“0”レベルと“1”レベルの2値データを記憶する記憶装置を開示した。
【0021】
図28は、同公報において開示した記憶装置の要部を表す概念図である。すなわち、同図は、記憶装置のメモリセルの構成を表し、ストレージノードNsにおいて記憶用キャパシタC(以下「CM」と記す)、参照用キャパシタCREF(以下「CREF」と記す)、制御用トランジスタQ(以下「QC」と記す)の一端、読み出し用トランジスタQREAD(以下「QREAD」と記す)の制御電極が、それぞれ接続された回路を表す。
【0022】
この構成によれば、2値データを安定に保持し、スケーリングが可能で高集積化が容易であり、製造プロセスも簡便な記憶装置を提供することができる。
【0023】
本発明者は、この構成を元にさらに試作検討を進め、独特の構成を有し、3値以上の多値データを安定して書き込み・読み出しすることができる不揮発性多値記憶装置を発明するに至った。
【0024】
すなわち、上記目的を達成するために、本発明の不揮発性多値記憶装置は、強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、を備え、
前記バッファ用キャパシタの容量を可変とすることにより、前記記憶用キャパシタの部分分極状態に対応する電荷の書き込みを可能としたことを特徴とする。
【0025】
ここで、前記ストレージノードに読み出された電荷量を、接続された読み出し用トランジスタを使用して前記バッファ用キャパシタの容量に応じて判定することにより前記記憶用キャパシタの前記部分分極状態を含む多値データの読み出しを行うものとすることができる。
【0026】
また、前記バッファ用キャパシタは、複数のキャパシタを直列または並列に接続してなるキャパシタブロックを有し、前記複数のキャパシタの一部を選択することにより容量を可変とすることができる。
【0027】
または、本発明の不揮発性多値記憶装置は、強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、複数回書き込み制御回路と、を備え、
前記複数回書き込み制御回路は、前記記憶用キャパシタに対する電荷の書き込みの回数を変化させることにより、前記記憶用キャパシタの部分分極状態と完全分極状態とをそれぞれ形成可能とすることができる。
【0028】
または、本発明の不揮発性多値記憶装置は、強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、複数回読出し制御回路と、を備え、
前記複数回読出し制御回路は、前記記憶用キャパシタに対する電荷の読出しの回数を変化させることにより、前記記憶用キャパシタの前記部分分極状態を含む多値データの読み出しを行うことを特徴とする。
【0029】
ここで、前記記憶用キャパシタに対する前記電荷の書き込みは、前記バッファ用キャパシタにプリチャージ電圧を印加した後に前記バッファ用キャパシタから前記記憶用キャパシタに電荷を供給するか、前記直列に接続された前記バッファ用キャパシタと前記記憶用キャパシタの両端に書き込み電圧を印加するか、のいずれかにより行うものとすることができる。
【0030】
また、前記バッファ用キャパシタにプリチャージ電圧を印加した後に前記記憶用キャパシタから前記バッファ用キャパシタに電荷を読み出すか、前記直列に接続された前記バッファ用キャパシタと前記記憶用キャパシタの両端に読み出し電圧を印加するか、のいずれかに応じた前記読み出し用トランジスタの動作状態を判定することにより、前記記憶用キャパシタの部分分極状態を含む多値データの読み出しを行うものとすることができる。
【0031】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、前記バッファ用キャパシタに可変プリチャージ電圧を印加した後に前記バッファ用キャパシタから前記記憶用キャパシタに電荷を供給して、前記記憶用キャパシタの部分分極状態と完全分極状態とをそれぞれ形成可能とする書き込み電圧制御回路と、を備えることを特徴とする不揮発性多値記憶装置が提供される。
【0032】
または、本発明の不揮発性多値記憶装置は、強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、読出し電圧制御回路と、を備え、
前記読み出し電圧制御回路により、前記バッファ用キャパシタに可変プリチャージ電圧を印加した後に前記記憶用キャパシタから前記バッファ用キャパシタに電荷を読み出すか、直列に接続された前記バッファ用キャパシタと前記記憶用キャパシタの両端に可変読み出し電圧を印加するか、のいずれかの方法で前記記憶用キャパシタの部分分極状態を含む多値データの読み出しを行うことを特徴とする。
【0033】
ここで、前記プリチャージ電圧または前記読み出し電圧は、3値以上の多値データのいずれかに相当する2レベル以上の電圧であるものとすることができる。
【0034】
また、前記記憶用キャパシタは、互いに並列に接続された複数の記憶セルを有し、前記複数の記憶セルのそれぞれは、直列に接続された選択用MOSトランジスタと強誘電体キャパシタとを有するものとすることができる。
【0035】
また、前記記憶用キャパシタは、互いに直列に接続された複数の記憶セルを有し、前記複数の記憶セルのそれぞれは、並列に接続された選択用MOSトランジスタと強誘電体キャパシタとを有するものとすることができる。
【0036】
また、前記記憶用キャパシタは、互いに直列に接続された複数の選択用MOSトランジスタと、これら選択用トランジスタの共通主電極にそれぞれ接続された蓄積電極と、前記蓄積電極に対向したプレート電極と、前記蓄積電極と前記プレート電極とに挟まれた強誘電体薄膜とを有する記憶用キャパシタと、からなるNAND型記憶セル列であるものとすることができる。
【0037】
また、前記バッファ用キャパシタの動作電圧範囲における実効容量は、前記記憶用キャパシタの動作電圧範囲における実効容量の1/10以上2倍以下であるものとすることができる。
【0038】
また、前記バッファ用キャパシタは、強誘電体キャパシタか、あるいは、常誘電体キャパシタであるものとすることができる。
【0039】
すなわち、本発明の第1の主眼は、従来提案されてきた記憶用強誘電体キャパシタの定電圧多値書き込み方式に代わり、バッファ用キャパシタを使用した疑似定電荷多値書き込み方式を採用したところにある。疑似定電荷書き込み方式を採用することによって、強誘電体本来の角型の良いP−Vヒステリシス曲線を持つ強誘電体キャパシタに対しても多値の電荷量の書き込みが可能になり、またプロセスパラメータの変動によりP−Vヒステリシスの形状が変化したときにおいても、書き込み電荷量の変動がはるかに少なくなるという利点を有する。
【0040】
ただし、従来の定電圧書き込みと称される方式においても、ビット線に一旦プリチャージして強誘電体キャパシタに書き込む場合においては、厳密に言えば完全な定電圧書き込みではなく、ビット線容量を介した書き込みである。しかしながら本発明においては、ビット線とは異なる独立した書き込み(および読み出し)専用に供されるバッファ用キャパシタを有し、かつビット線容量がセルの等価容量の5倍以上10倍程度であるのに対し、充分な分解能を有する書き込みおよび読み出し動作を実現するため、バッファ用キャパシタの等価容量を記憶用キャパシタの等価容量の1/10以上2倍以内程度が好ましいという明確な差異が存在する。
【0041】
また本発明は、記憶用キャパシタとバッファ用キャパシタを直列に接続し;接続点に読み出し用トランジスタのゲート電極および制御用トランジスタの主電極を接続する手段を有し;読み出しトランジスタにより多値データの判定を行う半導体記憶装置であることを、第二の特徴とする。
【0042】
また、上記読み出し動作の際に、2値以上の多値データに相当する複数レベルの電圧を両キャパシタに印加することにより、読み出しトランジスタにより多値データの判定を行うことができる。
【0043】
また、上記プリチャージ電圧印加後の読み出し動作、あるいはバッファ用キャパシタと記憶用キャパシタを接続した後の電圧印加読み出し動作を、2値以上の多値データに相当する複数回繰り返すことにより、読み出しトランジスタにより多値データの判定を行うことができる。
【0044】
また、上記バッファ用キャパシタが、複数個のバッファ用キャパシタを直列ないしは並列に接続してなるキャパシタブロックからなり;2値以上の多値データに相当する個数の上記バッファ用キャパシタを記憶用キャパシタと直列接続した後に電圧を印加することにより、読み出しトランジスタにより多値データの判定を行うことができる。
【0045】
一方、本発明の第2の主眼は、従来提案されてきた記憶用強誘電体キャパシタの電荷をビット線容量に呼び出し、ビット線電位と電位発生器からの電位をセンスアンプで比較して多値データの判定を行う方式に代わり、記憶用強誘電体キャパシタの電荷をバッファ用キャパシタに呼び出し、記憶用キャパシタとバッファ用キャパシタの接続点であるストレージノードの電位を読み出し用トランジスタのゲート電極に加えて、読み出し用トランジスタで直接多値データの判定を行う方式を採用したところにある。ビット線容量とセンスアンプを使用する方式においては、従来例の所で詳述したように、セル電荷量に読み出しが可能になる一定の値が要求されるため、強誘電体キャパシタの電荷を多値に分割したり、微細化が進行すると読み出しが困難になるという問題点があった。しかしながら本方式を採用することにより、強誘電体キャパシタの多値に分割した電荷量に対応する容量のバッファ用キャパシタを使用することができるため、多値のビット数を増やしたり、微細化を進めても読み出し感度が問題になることがないという大きな利点を有する。
【0046】
また、本発明は、上記記憶用キャパシタが、選択用MOSトランジスタと記憶用強誘電体キャパシタとを直列接続したユニットセルを、サブビット線に複数並列に接続した記憶セルブロックであることを第三の特徴とする。
【0047】
すなわち、記憶用キャパシタ、単数ないしは複数のバッファ用キャパシタ、および読み出し用トランジスタからなる多値メモリセルは、通常の1トランジスタ1キャパシタからなる2ビットFRAMメモリセルに比較してメモリセルの占有面積が大きい。これに対し、1個の記憶用キャパシタを、複数の記憶用ユニットセルを含む記憶セルブロックに置きかえることにより、記憶用キャパシタ1個当りのメモリセル占有面積を飛躍的に小さくでき、また、選択用トランジスタを適宜選択することにより、ランダムアクセスが可能という利点も同時に保持することができる。
【0048】
また、本発明は、上記記憶用キャパシタが、選択用MOSトランジスタと記憶用強誘電体キャパシタとを並列接続したユニットセルを、複数直列に接続した記憶セル列(チェインセル列と呼ぶ)であることを第四の特徴とする。
【0049】
すなわち、記憶用キャパシタ、単数ないしは複数のバッファ用キャパシタ、および読み出し用トランジスタからなる多値メモリセルは、通常の1トランジスタ1キャパシタからなる2ビットFRAMメモリセルに比較してメモリセルの占有面積が大きい。これに対し、1個の記憶用キャパシタを、チェインセル列に置きかえることにより、記憶用キャパシタ1個当りのメモリセル占有面積を飛躍的に小さくでき、また、選択用トランジスタを適宜選択することにより、ランダムアクセスが可能という利点も同時に保持することができる。
【0050】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態として、容量可変のバッファ用誘電体キャパシタを備えた不揮発性多値記憶装置について説明する。
【0051】
図1は、本実施形態の不揮発性多値記憶装置の要部構成を表す概念図である。すなわち、同図は、容量可変のバッファ用常誘電体キャパシタを使用した基本的な構成を説明するための回路図である。図1の回路においては、記憶用強誘電体キャパシタCMとバッファ用常誘電体キャパシタCRとが直列に接続され、これらの接続部であるストレージノードNSに、さらに読出し用トランジスタQREADのゲート電極と、制御用トランジスタQCの主電極とが接続されている。
【0052】
まず、この回路の書き込み動作について説明する。
【0053】
図2は、この回路の基本的な書き込み動作を説明するためのグラフ図である。
【0054】
まず、制御用トランジスタQCをオンにし、端子A−C間に、図2(a)に表したような記憶用強誘電体キャパシタCMの反転電圧以上の正の書き込み電圧VW0を加え、電圧を0に戻すことで、完全に正方向に分極した記憶状態“0”を得ることができる。
【0055】
そして、部分分極や負に反転した分極に相当する記憶状態“1”から“3”を書き込む場合は、上記のシークエンスに従って“0”を書き込んだ後、再び制御用トランジスタをオフにしてストレージノードNSをフローティング状態にし、図2(b)〜(d)に示すように、それぞれ容量C1〜C3をもつバッファ用キャパシタCRを介して端子A−B間に書き込み電圧VWを印加する。これにより、記憶状態“1”から“3”に相当する分極を書き込むことができる。つまり、バッファ用キャパシタCRの容量を可変とし、容量C1の時に記憶状態“1”、容量C2の時に記憶状態“2”、容量C3の時に記憶状態“3”がそれぞれ記憶用キャパシタCMに書き込まれるようにすることができる。
【0056】
一方、プリチャージによる書き込み方式も同様に実施することができる。
【0057】
まず、上記と同様のシークエンスに従って、図2(a)に表したように、“0”を書き込む。その後、バッファ用キャパシタCRの容量を適宜C1〜C3に設定し、制御用トランジスタQCがオンのまま端子C−B間に図2(b)〜(d)のいずれかに示すような負の書き込み電圧VWを印加してバッファ用キャパシタCRに読み出し電荷をプリチャージする。
【0058】
次に、制御用トランジスタQCをオフにして端子A−B間を同電位にして記憶用キャパシタCMに書き込む。その後、制御用トランジスタQCをオンにしてストレージノードNSをショートして貯まった電荷を逃がす。
【0059】
このようにして、記憶用キャパシタCMに、“1”、“2”あるいは“3”に相当する記憶状態を記憶できる。
【0060】
次に、この回路の読み出し動作について説明する。
【0061】
図3は、本実施形態の回路の基本的な読み出し動作を説明するための動作線図である。まず、制御用トランジスタQCをオンにしてストレージノードNSに溜まっている電荷を端子Cから逃がす。その後、再び制御用トランジスタQCをオフにしてストレージノードNSをフローティングにした後、図3(a)〜(c)に表したように、C1〜C3の容量を持つバッファ用キャパシタCRを介して読み出し電圧VRを印加する。このとき、記憶された分極“0”から“3”に応じてストレージノードNSに誘起される電圧が変化する。
【0062】
例えば、図3(a)に表したように記憶状態“0”であれば、C1〜C3のいずれの容量を持つバッファ用キャパシタCRを介しても読み出し用トランジスタQREADはオンになる。
【0063】
また、図3(b)に表したように記憶状態“1”であれば、C3の容量を持つバッファ用キャパシタCRを介した場合のみ、読み出し用トランジスタQREADはオフになり、それ以外のC2、C3の容量を持つバッファ用キャパシタCRを介した場合はオンになる。
【0064】
このようにして、3種類の容量を持つバッファ用キャパシタCRを設けることにより、4値の記憶状態を判別することが可能になる。もちろん3回の読み出し動作が必ず必要なわけではなく、まずC2の容量を持つバッファ用キャパシタCRを使用して上位ビットである“0”、“1”と“2”、“3”を判別し、その結果に応じてC1あるいはC3の容量を持つバッファ用キャパシタCRを使用して“0”と“1”、あるいは“2”と“3”とを判別するといった工夫も可能である。
【0065】
次に、本実施形態の変型例として、バッファ用キャパシタCRとして、常誘電体キャパシタの代わりに強誘電体キャパシタを採用した構成について説明する。
【0066】
図4は、本変形例にかかる不揮発性多値記憶装置の要部構成を表す概念図である。また、図5は、この回路に基づく書き込み動作線図であり、図6乃至図7は、その読み出し動作線図である。
【0067】
本変形例の構成は、図4に例示したように、バッファ用キャパシタCRとして、常誘電体キャパシタの代わりに強誘電体キャパシタを採用した点を除けば、図1の構成と概略同様である。
【0068】
また、その動作も、図1に例示した回路の書き込みおよび読み出し動作とほとんど同様である。唯一の相違点は、プリチャージ、書込み、および読み出し電圧印加動作を行う直前に、制御用トランジスタQCをオンにし、バッファ用キャパシタCRにプリチャージ、書込み、および読み出し動作電圧と逆方向の反転電圧を端子C−B間に印加し、端子C−B間を同電位に戻した後に制御用トランジスタをオフにしてストレージノードNSをフローティングにする必要があるところである。それ以外は全く同様に、図5に表したような多値に対応した書き込み動作、および図6乃至図7に表したような多値に対応した読み出し動作を行うことができる。
【0069】
また、バッファ用キャパシタCRとして、強誘電体キャパシタを使用した場合は、読み出し後の再書き込み動作を簡単に行うことができる。
【0070】
図8は、記憶用キャパシタCMに分極状態“2”が記憶されている場合の、読み出し/再書き込み動作に対応した動作線図である。読み出し電圧VRを印加して記憶用キャパシタCMからバッファ用キャパシタCRに読み出された電荷は、逆方向の再書き込み電圧VWを印加して0に戻すことにより、容易に初期状態である分極“2”に再書き込みすることが可能である。特に、バッファ用強誘電体キャパシタCRの角型比が良い場合は、再書き込み電圧VWを精密に制御しなくても正確な再書き込みが可能になる。
【0071】
以上、本実施形態の不揮発性多値記憶装置の概念構成、基本的な書き込み動作、読出し動作について説明した。
【0072】
次に、バッファ用キャパシタCRの容量を可変にするための、バッファ用キャパシタブロックの具体例について説明する。
【0073】
図9は、複数の直列ないしは並列接続したバッファ用キャパシタからなる、可変容量バッファ用キャパシタブロックの構成例である。
【0074】
まず、図9(a)は、複数のバッファ用常誘電体キャパシタCR0、CR1、CR2・・・をNAND接続した構成を例示する。この構成においては、バッファ用キャパシタ選択トランジスタQR0、QR1、QR2・・・を適宜オンにすることにより、複数のバッファ用キャパシタCR0、CR1、CR2・・・を任意に並列接続してバッファ容量を増やすことができる。
【0075】
図9(b)は、複数のバッファ用強誘電体キャパシタCR0、CR1、CR2・・・をNAND接続した構成を例示する。この構成においては、バッファ用キャパシタ選択トランジスタQR0、QR1、QR2・・・を適宜オンにすることにより、複数のバッファ用強誘電体キャパシタCR0、CR1、CR2・・・を任意に並列接続してバッファ容量を増やすことができる。
【0076】
図9(c)は、バッファ用キャパシタCR0、CR1、CR2・・・と選択用トランジスタQR0、QR1、QR2・・・とを並列接続したものを1ユニットとし、このユニットを複数個直列接続した(いわゆるチェーン接続)した構成を例示する。このバッファ用キャパシタブロックにおいては、選択トランジスタQR0、QR1、QR2・・・を適宜オフにすることにより、複数のバッファ用常誘電体キャパシタCR0、CR1、CR2・・・を任意に直列接続してバッファ容量を減少させることができる。
【0077】
以上説明したように、本実施形態の不揮発性多値記憶装置の基本構成は、記憶用キャパシタCM、可変容量のバッファ用キャパシタCR、および読み出し用トランジスタQREADからなる多値メモリセルからなり、通常の1トランジスタ1キャパシタからなる2ビットFRAMメモリセルに比較してメモリセルの占有面積がいくぶん大きい。
【0078】
これに対し、記憶用キャパシタCMを、複数の記憶用ユニットセルを含む記憶セルブロックに置きかえることにより、記憶用キャパシタ1個当りのメモリセル占有面積を飛躍的に小さくでき、また、選択用トランジスタを適宜選択することにより、ランダムアクセスが可能という利点も同時に保持することができる。
【0079】
図10は、記憶用キャパシタCMを、複数個の記憶用キャパシタからなるメモリセルブロックにより構成した具体例を表す概念図である。
【0080】
すなわち、同図(a)は、選択用MOSトランジスタQM0、QM1、QM2・・・と記憶用強誘電体キャパシタCM0、CM1、CM2・・・とをそれぞれひとつづつ直列接続したユニットセルを、サブビット線SBLに複数並列に接続した記憶セルブロックCMの構成例である。セルブロック中の書き込みないし読み出ししたいユニットセルの選択用トランジスタQM0、QM1、QM2・・・をオンにすることにより、目的の記憶用キャパシタCM0、CM1、CM2・・・を選択することができる。なお、この回路においてはブロック選択トランジスタQMSが設けられ、記憶セルブロック全体を選択可能としている。
【0081】
一方、図10(b)は、選択用MOSトランジスタQM0、QM1、QM2・・・と記憶用強誘電体キャパシタCM0、CM1、CM2・・・とを並列接続したユニットセルを、複数直列に接続した記憶セルブロック(「チェインセルブロック」と称する)CMの構成例である。セルブロック中の書き込みないし読み出ししたいユニットセルの選択用トランジスタをオフにし、それ以外の選択用トランジスタを全てオンにすることにより、目的の記憶用キャパシタを選択することができる。
【0082】
なお、記憶用の強誘電体キャパシタCMとしては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系、SBT(チタン酸ストロンチウム・ビスマス)系、エピタキシャルBSTO(チタン酸バリウム・ストロンチウム)系の強誘電体膜からなる薄膜キャパシタを使用することが可能である。安定性や膜厚などの点では、特にエピタキシャルBSTO系のキャパシタが優れている。
【0083】
また、バッファ用のキャパシタCRとしては、酸化シリコン、酸化タンタル、BSTOを使用した常誘電体キャパシタや、上述の強誘電体キャパシタを使用することができる。また、サブビット線容量のような、配線容量をバッファ用のキャパシタとして使用できることはもちろんである。
【0084】
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態として、容量一定のバッファ用キャパシタを設け、ほぼ一定の書き込み/読み出し電圧を、多値に対応する回数だけ複数回印加する構成について説明する。
【0085】
図11は、本実施形態の不揮発性多値記憶装置の要部構成を表す概念図である。
【0086】
すなわち、本実施形態においては、記憶用強誘電体キャパシタCMとバッファ用誘電体キャパシタCRとが直列に接続され、これらの接続部であるストレージノードNSに、さらに読出し用トランジスタQREADのゲート電極と、制御用トランジスタQCの主電極とが接続されている。そして、制御用トランジスタQCのゲートには、複数回書き込み制御回路CWが接続され、以下に詳述する動作を行うためのゲート制御信号が適宜入力される。
【0087】
次に、本実施形態の回路の書き込み動作について説明する。
【0088】
図12は、図11の回路の書き込み動作を表す動作線図である。
【0089】
まず、制御用トランジスタQCをオンにし、端子A−C間に図12の(a)に表したように、記憶用強誘電体キャパシタCMに反転電圧以上の正の書き込み電圧VW0を加え、その後、電圧を0に戻すことで、完全に正方向に分極した記憶状態“0”を得ることができる。
【0090】
”0”を書き込んだ後、部分分極や負に反転した分極に相当する記憶状態“1”乃至“3”のいずれかを書き込むためには、制御用トランジスタQCをオフにしてストレージノードNSをフローティング状態にし、端子A−B間に図12(b)に表したような負の書き込み電圧VWを印加し、その後、書き込み電圧を0に戻し、制御用トランジスタQCをオンにしてストレージノードNSをショートして貯まった電荷を逃がす、というシークエンスを複数回繰り返す。この一連の動作の制御は、複数回書き込み制御回路CWからの制御信号に基づいて実行される。このようにして、図12(b)〜(d)に表したように、順に“1”、“2”および“3”に相当する記憶状態を達成できる。
【0091】
また、プリチャージによる書き込み方式も全く同様である。
【0092】
まず、上記と同様のシークエンスに従って、図12(a)に表したように、“0”を書き込んだ後、制御用トランジスタQCがオンのまま端子C−B間に図13(b)に示すような負の書き込み電圧VWを印加してバッファ用キャパシタCRに読み出し電荷をプリチャージする。そして、複数回書き込み制御回路CWからの制御信号に基づいて制御用トランジスタQCをオフにして端子A−B間を同電位にし、制御用トランジスタQCをオンにしてストレージノードNSをショートして貯まった電荷を逃がす、というシークエンスを複数回繰り返すことで、図12(b)乃至(d)に表したように、順に“1”、“2”および“3”に相当する記憶状態を達成できる。
【0093】
このような一連の動作も、複数回書き込み制御回路CWからの制御信号に基づいて実行される。
【0094】
次に、図11に例示した回路における複数回の読み出し動作について、図13の動作線図を参照しつつ説明する。
【0095】
まず、制御用トランジスタQCをオンにしてストレージノードNSに溜まっている電荷を端子Cから逃がし、制御用トランジスタQCをオフにしてストレージノードNSをフローティングにした後、図13(a)示すように1回目の読み出し電圧VRを印加する。このとき、記憶用キャパシタCMに記憶された分極“0”から“3”に応じて、ストレージノードNSに誘起される電圧は変化する。記憶状態“0”ないし“2”であれば読み出し用トランジスタQREADはオンになり、記憶状態“3”の場合のみ、読み出し用トランジスタQREADはオフになる。
【0096】
この後、印加電圧を0に戻すことにより、1回分の分極が読み出され、記憶状態“0”は“1”に、“1”は“2”に、“2”は“3”に変化する。
【0097】
その後、図13(b)乃至(c)に例示したように、上述した操作を繰り返すことによって、記憶用キャパシタCMの記憶状態を順次判別することができる。
【0098】
これら複数回の読み出し動作は、複数回書き込み制御回路CWからの制御信号により実施するようにしても良く、または、制御回路CWとは別に、図示しない読み出し制御回路を設けても良い。
【0099】
以上説明したように、本実施形態によれば、複数回の書き込み/読み出し動作を行うため、記憶装置の動作速度は多値に多重した分だけ遅くなるが、従来の2値の書き込み/読み出しの場合と同様の低電圧動作で大きな閾値電圧範囲を得ることができるという大きなメリットがある。
【0100】
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態として、容量一定のバッファ用キャパシタを設け、このキャパシタに対して、多値に対応する書き込み/読み出し電圧を印加する構成について説明する。
【0101】
図14は、本実施形態にかかる不揮発性多値記憶装置の要部構成を例示する概念図である。
【0102】
すなわち、本実施形態においても、記憶用強誘電体キャパシタCMとバッファ用誘電体キャパシタCRとが直列に接続され、これらの接続部であるストレージノードNSに、さらに読出し用トランジスタQREADのゲート電極と、制御用トランジスタQCの主電極とが接続されている。そして、バッファ用キャパシタCMの一端Bと制御用トランジスタQCのゲートには、書き込み電圧制御回路CAが接続され、以下に詳述する動作を行うためのゲート制御信号が適宜入力される。
【0103】
図15は、図14の回路の書き込み動作を説明するための動作線図である。
【0104】
すなわち、まず制御用トランジスタQCをオンにし、端子A−C間に図16(a)に表したように記憶用強誘電体キャパシタCMに対して、反転電圧以上の正の書き込み電圧VW0を加え、さらに電圧を0に戻すことによって、完全に正方向に分極した記憶状態“0”を得ることができる。
【0105】
次に、部分分極や負に反転した分極に相当する記憶状態“1”から“3”を書き込む。具体的には、上記のシークエンスに従って記憶用キャパシタCMに“0”を書き込んだ後、制御用トランジスタQCをオフにしてストレージノードNSをフローティング状態にし、端子A−B間に図15の(b)〜(d)に例示したような負の書き込み電圧VW1からVW3を印加することで達成できる。
【0106】
一連の動作において、制御用トランジスタQCのオンオフ制御や、書き込み電圧VWの大きさの制御は、書き込み電圧制御回路CAにより実行される。
【0107】
一方、プリチャージによる書き込み方法を採用する場合も全く同様である。
【0108】
すなわち、上記のシークエンスに従って“0”を書き込んだ後、制御用トランジスタQCがオンのまま端子C−B間に図15の(b)〜(d)に示すような負の書き込み電圧VW1からVW3を印加してバッファ用キャパシタに読み出し電荷をプリチャージし、制御用トランジスタをオフにして端子A−B間を同電位にすることで、上述した直接読み出し電圧を印加する場合と全く同様に部分分極状態への書き込みが達成できる。
【0109】
次に、図14の回路における読み出し動作について説明する。
【0110】
図16は、図14の回路の読み出し動作を説明するための動作線図である。なお、図16において「VT」と記した電圧は読み出し用トランジスタQREADの閾値電圧を表し、VT以上の電圧では読み出し用トランジスタはオンに、以下ではオフになるものとする。
【0111】
まず、制御用トランジスタQCをオンにしてストレージノードNSに溜まっている電荷を端子Cから逃がす。その後、制御用トランジスタQCをオフにしてストレージノードNSをフローティングにした後、図16(a)〜(c)に表したように、読み出し電圧VR1〜VR3を順次印加する。このとき、記憶された分極“0”から“3”に応じてストレージノードNSに誘起される電圧は変化する。
【0112】
例えば、図16(a)に表したように、記憶状態“0”であれば、電圧VR1〜VR3のいずれの電圧を印加しても読み出し用トランジスタQREADはオンになる。また、図16(b)に表したように、記憶状態“1”であれば、電圧VR1を印加した場合のみ読み出し用トランジスタQREADはオフになり、それ以外のVR2、VR3の電圧を印加した場合はオンになる。一連の動作のシーケンスは、書き込み電圧制御回路CAまたは、これとは別に設けられた制御回路により実施される。
【0113】
このようにして、3レベルの読み出し電圧を印加することにより、4値の記憶状態を判別することが可能になる。もちろん、3回の読み出し動作が必ず必要なわけではなく、まずVR2を印加して上位ビットである“0”、“1”と“2”、“3”を判別し、その結果に応じてVR1あるいはVR3を印加して“0”と“1”あるいは“2”と“3”を判別するといった工夫も可能である。
【0114】
以上、本発明の第1乃至第3の実施形態として、本発明の基本的構成を説明した。次に、図面を参照しつつ、本発明の第1乃至第3の実施例について説明する。以下の説明に関して参照する図面においては、同一または類似の要素には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は、以下の説明を参酌しつつ適宜判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【0115】
(実施例1)
図17は、本発明の第1の実施例に係る不揮発性多値記憶装置の主要部分の回路構成を表す概念図である。この記憶装置においては、記憶用キャパシタおよびバッファ用キャパシタとして、強誘電体キャパシタが用いられている。
【0116】
図17に表したように、本実施例に係る記憶装置は、直列接続された複数個の選択用MOSトランジスタQM0、QM1、QM2、QM3、……、QM15と、これら選択用トランジスタの共通主電極毎に並列に接続された複数個の記憶用強誘電体キャパシタCM0、CM1、CM2、CM3、……、CM15とからなるチェーン型記憶セルブロックと、この記憶セルブロックの端部に接続したブロック選択トランジスタQBSと、直列接続した複数個のバッファ選択用トランジスタQR0、QR1、QR2と、これらバッファ選択用トランジスタの共通主電極毎に接続された複数個のバッファ用強誘電体キャパシタCR0、CR1、CR2とからなるNAND型バッファセルブロックと、記憶セルブロックとバッファセルブロックの接続点であるストレージノードNSに接続したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADとを少なくとも具備したメモリセルブロックを基本ユニットとして構成している。
【0117】
各記憶用キャパシタCM0、CM1、CM2、CM3、……、CM15は、それぞれ記憶セル選択用トランジスタの第1の主電極に接続された第1の電極、この第1の電極に対向して設置され、選択用トランジスタの第2の主電極に接続された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくても具備している。また、各バッファ用キャパシタCR0、CR1、CR2は、それぞれバッファセル選択用トランジスタの共通主電極に接続された第1の電極、この第1の電極に対向して設置され、プレート線PLに接続された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくても具備している。
【0118】
そして、このチェーン型記憶セル列を複数個マトリックス状に配置している。記憶セル選択用トランジスタQM0、QM1、QM2、QM3、……、QM15の各ゲート電極には、ワード線WL0、WL1、WL2、WL3、……、WL15が接続されている。
【0119】
同様に、バッファセル選択用トランジスタQR0、QR1、QR2の各ゲート電極には、ワード線RL0、RL1、RL2が接続されている。各メモリセルブロックの読み出し用トランジスタQREADの一方の主電極には、読み出し用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLが接続されている。
【0120】
図18は、周辺回路との接続関係を表す概念図である。各メモリセルのワード線WL0、WL1、WL2、WL3、……、WL15は、ローデコーダに、各バッファセルのワード線RL0、RL1、RL2は、マルチビットデコーダに、各ビット線BL0、BL1、…はカラムデコーダに接続されている。
【0121】
図17および図18に表した回路構成において、BLx (x=0、1)とWLy(y=0、1、2、…、15)の交点で示される所望の記憶セルを選択するには、WLy以外のワード線を全て“1(ハイレベル)”としてQMy以外の選択用トランジスタをすべてオンに、ワード線WLyを“0(ローレベル)”として選択用トランジスタQmyをオフにし、BLxに電位を加えることで達成される。
【0122】
また、バッファセルブロック内の各バッファ用キャパシタCR0からまでを選択するには、RL0からWLzまでのワード線を全て“1(ハイレベル)”としてQR0から QRzまでのバッファセル選択用トランジスタをすべてオンに、ワード線RLz+1を“0(ローレベル)”としてバッファセル選択用トランジスタQRz+1をオフにすることで達成される。
【0123】
図19は、本実施例の記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを表すタイミングチャートである。
【0124】
まず、読み出し/書き込み動作を行う前に、全てのバッファ用強誘電体キャパシタCR0、CR1、CR2の分極動作を行う。すなわち、ビット線BLxをハイレベルに、ブロック選択トランジスタQBSをオンにした後、バッファセル選択用トランジスタQR0、QR1、QR2をオンにしてバッファ用強誘電体キャパシタCR0、CR1、CR2を分極する。
【0125】
次に、選択する記憶セルの記憶セル選択用トランジスタQMyをオフにし、ストレージノードをフローティングにし、ビット線BLxをローレベル、プレート線PLをハイレベルにして、順次多値の読み出しを行う。
【0126】
すなわち、まずバッファセル0のトランジスタQR0をオンにした段階で読出し用トランジスタQREADがオンになれば記憶値は“0”、QR1をオンで読み出せれば“1”、QR2をオンで読み出せれば“2”、それでも読出し用トランジスタQREADがオフであれば“3”であることが分かる。
【0127】
次に、記憶用キャパシタCMyに対する再書き込みは、ビット線BLxをハイレベル、プレート線PLをローレベルにして、バッファ用キャパシタに読み出した電荷を記憶用キャパシタに戻すことによって行われる。
【0128】
図20(a)は、本実施例の不揮発性多値記憶装置の要部平面図であり、図20(b)は、同図(a)のB−B’線断面において下部電極LEレベルよりも下層のみを表した概念図である。
【0129】
ビット線に接続された1個のブロック内に、16個の記憶セル、読み出しトランジスタQREAD、および3個のバッファ用セルが含まれる。記憶セルの寸法は4F、ブロックあたりの記憶セル以外の領域は34Fであるから、メモリセル1個当たり(4+34/32)Fになる。本実施例では強誘電体キャパシタとして20μC/cmの残留分極を持つものを使用したため、32個の記憶セルを直列に接続しても安定に動作することが分かった。したがって、メモリセル1個当たり5.9F、1ビット当たり1.59Fの寸法になった。
【0130】
また、図20(b)に表したように、本実施例の記憶装置は、シリコン基板上に形成されたn−MOS型のトランジスタによって構成されている。各記憶セル選択用トランジスタQM0、QM1、QM2、QM3、……、QM15の主電極領域には、下部電極LE、上部電極TEおよび強誘電体膜からなる記憶用キャパシタCM0、CM1、CM2、CM3、……、CM15が形成されている。同様に、各バッファセル選択用トランジスタQR0、QR1、QR2の主電極領域には下部電極LE、上部電極TEおよび強誘電体膜からなるバッファ用キャパシタCR0、CR1、CR2が形成されている
このような回路構成により、非常に高集積化された不揮発性多値メモリの動作が確認できた。
【0131】
(実施例2)
図21は、本発明の第2の実施例に係る不揮発性多値記憶装置の主要部分の回路構成を表す概念図である。この記憶装置においては、記憶用キャパシタとして強誘電体キャパシタが、バッファ用キャパシタとして常誘電体キャパシタが用いられている。
【0132】
図21に表したように、本実施例に係る記憶装置は、並列接続された複数個の選択用MOSトランジスタQM0、QM1、QM2、QM3、……、QM15と、これら選択用トランジスタの各主電極に直列に接続された複数個の記憶用強誘電体キャパシタCM0、CM1、CM2、CM3、……、CM15とからなる記憶セルブロックと、バッファセル用トランジスタQRと、これらバッファセル用トランジスタの主電極に接続されたバッファ用キャパシタCRからなるバッファセルと、制御用トランジスタQCと、記憶セルブロックとバッファセルの接続点であるストレージノードSNに接続したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADとを少なくとも具備したメモリセルブロックを基本ユニットとして構成している。
【0133】
各記憶用キャパシタCM0、CM1、CM2、CM3、……、CM15は、それぞれ記憶セル選択用トランジスタの第1の主電極に接続された第1の電極、この第1の電極に対向して設置され、ストレージノードに接続された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくても具備している。また、バッファ用キャパシタCRは、バッファセル選択用トランジスタの主電極に接続された第1の電極、この第1の電極に対向して設置され、ストレージノードに接続された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくても具備している。
【0134】
そして、この記憶セルブロックを複数個マトリックス状に配置している。記憶セル選択用トランジスタQM0、QM1、QM2、QM3、……、QM15の各ゲート電極には、ワード線WL0、WL1、WL2、WL3、……、WL15が接続されている。
【0135】
同様に、バッファセル用トランジスタQRのゲート電極には、ワード線RLが接続されている。また、制御用トランジスタQCのゲート電極には、ワード線CLが接続されている。各メモリセルブロックの読み出し用トランジスタQREADの一方の主電極には、読み出し用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLが接続されている。
【0136】
図22は、周辺回路との接続関係を表す概念図である。各メモリセルのワード線WL0、WL1、WL2、WL3、……、WL15は、ローデコーダに、バッファセルのワード線RLおよび制御用トランジスタのワード線CLはマルチビットデコーダに、各ビット線BL0、BL1、…はカラムデコーダに接続されている。
【0137】
図21および図22に表した回路構成において、BLx (x=0、1)とWLy(y=0、1、2、…、15)の交点で示される所望の記憶セルを選択するには、WLy以外のワード線を全て“0(ローレベル)”としてQMy以外の選択用トランジスタをすべてオフに、ワード線WLyを“1(ハイレベル)”として選択用トランジスタQmyをオンにし、BLxに電位を加えることで達成される。
【0138】
図23は、本実施例の記憶装置の読み出しシークエンスを表すタイミングチャートである。
【0139】
読み出しを行うには、選択したビット線BLxをハイレベル、プレート線0PL0をローレベルにして、順次多値の読み出しを行う。
【0140】
まず選択する記憶セル選択用トランジスタQMyおよび参照セル用トランジスタRLをオンにして第1回目の読み出しを行い、読出し用トランジスタQREADがオンになれば記憶値は“3”と判断できる。次に制御用トランジスタをオンにしてストレージノードをショートして第1回目の読出し電荷を逃した後、再びフローティングにし、記憶セル選択用トランジスタQMyおよび参照セル用トランジスタRLをオンにして第2回目の読み出しを行い、読出し用トランジスタQREADがオンになれば記憶値は“2”と判断できる。同様のシークエンスを繰返し、第3回目の読み出しでも読出し用トランジスタQREADがオンになれば記憶値は“1”、オフであれば“0”であることが解る。
【0141】
図24は、本実施例の記憶装置の書き込みシークエンスを表すタイミングチャートである。
【0142】
書き込みを行うには、まず選択したビット線BLxをローレベル、プレート線1PL1をハイレベルにして、記憶用キャパシタに直接電圧を印加して“0”の書き込みを行う。次に読み出し動作と全く同様に、選択したビット線BLxをハイレベル、プレート線0PL0をローレベルにして、順次“1”、“2”の書き込みを行う。
【0143】
図25(a)は、本実施例の不揮発性多値記憶装置の要部平面図であり、図25(b)は、同図(a)のB−B’線断面において下部電極LEレベルよりも下層のみを表した概念図である。
【0144】
ビット線に接続された1個のブロック内に、16個の記憶セル、読み出しトランジスタQREAD、バッファ用セル、および制御用トランジスタが含まれる。記憶セルの寸法は6F、ブロックあたりの記憶セル以外の領域は24Fであるから、メモリセル1個当たり(6+24/16)Fになる。本実施例では強誘電体キャパシタとして20μC/cmの残留分極を持つものを使用したため、16個の記憶セルを直列に接続しても安定に動作することが分かった。したがって、メモリセル1個当たり7.5F、1ビット当たり1.88Fの寸法になった。
【0145】
また、図25(b)に表したように、本実施例の記憶装置は、シリコン基板上に形成されたn−MOS型のトランジスタによって構成されている。各記憶セル選択用トランジスタQM0、QM1、QM2、QM3、……、QM15の主電極領域には、下部電極LE、上部電極TEおよび強誘電体膜からなる記憶用キャパシタCM0、CM1、CM2、CM3、……、CM15が形成されている。同様に、バッファセル用トランジスタQRの主電極領域には下部電極LE、上部電極TEおよび誘電体膜からなるバッファ用キャパシタCRが形成されている
このような回路構成により、非常に高集積化された不揮発性多値メモリの動作が確認できた。
【0146】
(実施例3)
本発明の第3の実施例は、基本的なメモリセルブロックは第2の実施例と全く同様であるが、周辺回路として可変電圧発生器を付加し、第2の実施例における複数回書き込み/読み出し方式に代り、可変電圧による多値の書き込み/読み出しを可能にした実施例である。
【0147】
図26は、周辺回路との接続関係を表す概念図である。各メモリセルのワード線WL0、WL1、WL2、WL3、……、WL15は、ローデコーダに、バッファセルのワード線RLおよび制御用トランジスタのワード線CLはマルチビットデコーダに、各ビット線BL0、BL1、…はカラムデコーダに接続されている。また、可変電圧発生器がマルチビットデコーダおよびカラムデコーダに接続されている。
【0148】
図27は、本実施例の記憶装置の読み出し/再書き込みシークエンスを表すタイミングチャートである。
【0149】
読み出しを行うには、まず選択する記憶セル選択用トランジスタQMyおよび参照セル用トランジスタQLをオンにする。次に、選択したビット線BLxに第1の印加電圧V1を印加して第1回目の読み出しを行い、読出し用トランジスタQREADがオンになれば記憶値は“3”と判断できる。続いて第2の印加電圧V2を加えて第2回目の読み出しを行い、読出し用トランジスタQREADがオンになれば記憶値は“2”、第3の印加電圧V3を加えて第3回目の読み出しを行い、読出し用トランジスタQREADがオンになれば記憶値は“1”、それでもオフの場合は“0”であることが解る。
【0150】
再書き込みを行うには、ストレージノードをそのままフローティング状態に保ち、選択したビット線BLxをローレベルに戻し、プレート線0PL0をハイレベルにして、記憶用キャパシタから一旦読み出された電荷を再び書き込む事で達成できる。
【0151】
このような回路構成および読み出し/書き込みシークエンスにより、非常に高集積化された不揮発性多値メモリの動作が確認できた。
【0152】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、強誘電体キャパシタを使用した半導体多値メモリが可能になり、超高集積化した不揮発性多値記憶装置を実現でき、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のバッファ用可変容量常誘電体キャパシタを使用した場合の基本的な構成を説明するためのメモリセルの等価回路図である。
【図2】本発明のバッファ用可変容量常誘電体キャパシタを使用した場合の書き込み動作を説明する模式図である。
【図3】本発明のバッファ用可変容量常誘電体キャパシタを使用した場合の読み出し動作を説明する模式図である。
【図4】本発明のバッファ用可変容量強誘電体キャパシタを使用した場合の基本的な構成を説明するためのメモリセルの等価回路図である。
【図5】本発明のバッファ用可変容量強誘電体キャパシタを使用した場合の書き込み動作を説明する模式図である。
【図6】本発明のバッファ用可変容量強誘電体キャパシタを使用した場合の読み出し動作を説明する模式図である。
【図7】本発明のバッファ用可変容量強誘電体キャパシタを使用した場合の読み出し動作を説明する模式図である。
【図8】本発明のバッファ用可変容量強誘電体キャパシタを使用した場合の読み出しおよび再書き込み動作を説明する模式図である。
【図9】本発明のバッファ用可変容量キャパシタを使用した場合の、バッファセルブロックの基本的な構成を説明するための等価回路図である。
【図10】本発明の記憶セルブロックの基本的な構成を説明するための等価回路図である。
【図11】本発明の複数回書き込み制御回路を備えた場合の基本的な構成を説明するためのメモリセルの等価回路図である。
【図12】本発明のバッファ用常誘電体キャパシタを使用した場合の複数回書き込み動作を説明する模式図である。
【図13】本発明のバッファ用常誘電体キャパシタを使用した場合の複数回読み出し動作を説明する模式図である。
【図14】本発明の書き込み電圧制御回路を備えた場合の基本的な構成を説明するためのメモリセルの等価回路図である。
【図15】本発明のバッファ用常誘電体キャパシタを使用した場合の可変電圧書き込み動作を説明する模式図である。
【図16】本発明のバッファ用常誘電体キャパシタを使用した場合の可変電圧読み出し動作を説明する模式図である。
【図17】本発明の第1の実施例に係る半導体記憶装置の主要部分の回路構成を示す図である。
【図18】本発明の第1の実施例に係る半導体記憶装置の、周辺回路を含めた主要部分の回路構成を示す図である。
【図19】本発明の第1の実施例に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示すタイミング図である。
【図20】本発明の第1の実施例に係る半導体記憶装置の(a)平面図および(b)断面図である。
【図21】本発明の第2の実施例に係る半導体記憶装置の主要部分の回路構成を示す図である。
【図22】本発明の第2の実施例に係る半導体記憶装置の、周辺回路を含めた主要部分の回路構成を示す図である。
【図23】本発明の第2の実施例に係る半導体記憶装置の読み出しシークエンスを示すタイミング図である。
【図24】本発明の第2の実施例に係る半導体記憶装置の書き込みシークエンスを示すタイミング図である。
【図25】本発明の第2の実施例に係る半導体記憶装置の(a)平面図および(b)断面図である。
【図26】本発明の第3の実施例に係る半導体記憶装置の、周辺回路を含めた主要部分の回路構成を示す図である。
【図27】本発明の第3の実施例に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示すタイミング図である。
【図28】本発明者らが開示した記憶装置の要部を表す概念図である。
【図29】従来例における多値書込み動作を説明する模式図である。
【図30】強誘電体本来のP−Vヒステリシス曲線を説明するための模式図である。
【符号の説明】
CM 記憶用キャパシタ
CR バッファ用キャパシタ
CREF 参照用キャパシタ
NS ストレージノード
QC 制御用トランジスタ
QREAD 読み出し用トランジスタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-volatile multi-value storage device, and more particularly to a non-volatile multi-value storage device that includes a dielectric capacitor made of a ferroelectric material and is capable of multi-value storage with a gigabit or higher capacity.
[0002]
[Prior art]
In recent years, storage devices (ferroelectric memories) using a ferroelectric thin film as a storage medium have been developed, and some of them have already been put into practical use. Ferroelectric memory is non-volatile, and its memory contents are not lost even after the power is turned off. In addition, when the film thickness is sufficiently thin, spontaneous polarization reversal is fast, and writing is as fast as DRAM (dynamic random access memory). , And the like.
[0003]
At present, two types of configurations have been proposed as semiconductor memory devices using ferroelectric thin films. In these two types of structures, a ferroelectric capacitor is formed by a ferroelectric film, and a ferroelectric gate transistor is formed.
[0004]
When a ferroelectric capacitor is formed, it is combined with a selection transistor to form a 1-bit memory cell. On the other hand, when forming a ferroelectric gate transistor, it is combined with one ferroelectric gate transistor or one or two selection transistors to form a 1-bit memory cell.
[0005]
In contrast to such a method of storing 1 bit in one memory cell, a method of storing multiple values in one memory cell has been proposed as a more efficient method.
[0006]
One of the methods is a method in which a plurality of upper electrodes are connected to one ferroelectric capacitor to generate a plurality of polarization states in the ferroelectric capacitor (for example, Japanese Patent Publication No. 854165). However, according to this method, the number of upper electrodes increases in proportion to the number of memory bits, and the area of the ferroelectric capacitor also increases. Therefore, the original purpose of achieving high density with the same chip area is achieved. It is difficult to do.
[0007]
As another method, there are methods in which a plurality of write voltages are applied to a ferroelectric capacitor to generate a plurality of polarization states (for example, JP-A-10-312691 and JP-A-11-45584).
[0008]
This storage method will be described with reference to FIG.
[0009]
FIG. 29 is a graph illustrating a hysteresis curve representing the relationship between the voltage applied to the ferroelectric capacitor and the amount of polarization. That is, first, the voltage V0 is applied to the ferroelectric capacitor to reverse the polarization to the minus side. After that, by applying voltages V2 to V3 smaller than the voltage V1 that is completely inverted to the plus side, in addition to the charge P0 in the completely inverted state on the minus side and the charge P1 in the completely inverted state on the plus side, Multivalue storage can be realized by using the corresponding charges P2 to P3.
[0010]
On the other hand, in the read operation, the stored charge P0 to P3 is applied by turning on the select transistor of each cell and applying a read voltage, as in a normal one-transistor one-capacitor FRAM (ferroelectric random access memory) or DRAM. Multi-value reading is performed by reading to the bit line capacitance and comparing the bit line potential corresponding to the accumulated charge with the potential from the potential generator.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are some problems in realizing a highly integrated ferroelectric memory by the above write and read operations.
[0012]
The first problem relates to the write operation, and this point will be described with reference to FIG. In the original PV hysteresis curve of the ferroelectric capacitor, polarization inversion occurs at constant coercive voltages V0 and V1, as illustrated in FIG. Capacitors using bulk ferroelectric single crystals have long been known to have this behavior, and epitaxial PZT (lead zirconate titanate: PbZr) prepared by CVD also in thin films. x Ti 1-x O 3 ) It is known that a capacitor or the like behaves similarly. That is, since a ferroelectric capacitor causes polarization inversion at a single voltage, it is inherently impossible to realize a partial inversion state using a plurality of voltages.
[0013]
In other words, the ferroelectric characteristic in which the PV curve is inclined as shown in FIG. 29 means that the ferroelectric film is not uniform and deteriorates and varies for some reason. When there are variations in coercive voltage due to many domains constituting the ferroelectric capacitor, the center of hysteresis is shifted, or when a thin paraelectric layer is formed at the interface between the ferroelectric and the electrode, FIG. A tilted PV curve as shown in FIG. Generally speaking, as the PV curve is inclined (the inclination Δy / Δx is smaller), the ferroelectric properties such as the polarization amount, the holding property of the polarization, and the fatigue property are deteriorated. As the crystallinity of the dielectric improves, the PV curve tends to rise vertically (inclination Δy / Δx increases). If the ferroelectric characteristics of one capacitor are taken out, it seems that multi-value writing with a plurality of voltages is possible at first glance.
[0014]
However, the amount of slope in the PV curve is essentially a “variation” component, and it is well known that the PV curve changes greatly depending on the dielectric film formation conditions, the presence or absence of microfabrication, and the presence or absence of heat treatment. It is a fact that has been. In other words, since the coercive voltage and its dispersion greatly change due to slight variations in process parameters, ferroelectrics that require guaranteeing the operation of individual memory cells on the premise that a large number of wafers with a large number of capacitors will be created. It should be understood that in a memory, it is essentially impossible to perform multi-level writing by voltage control to individual ferroelectric capacitors.
[0015]
The second problem relates to the reading method. Read sensitivity in a DRAM using a memory cell composed of one transistor and one paraelectric capacitor is mainly determined by the relative relationship between the ratio CS / CB of the cell capacitance CS and the bit line capacitance CB and the sensitivity of the sense amplifier. In other words, if the bit line capacity and the sensitivity of the sense amplifier are constant, there is a minimum cell capacity necessary for storing 1 bit, which is 20 to 40 fC in DRAM. The biggest eye of DRAM capacitor development is how to secure the minimum cell capacity within the limitation of the cell area reduced for each generation.
[0016]
The same scheme is basically applied to the FRAM using one transistor and one ferroelectric capacitor. Similar to reading out the charge accumulated in the paraelectric capacitor in the DRAM to the bit line, in the FRAM, the residual polarization charge in the ferroelectric capacitor is read out to the bit line and determined by the sense amplifier. Ferroelectric film PZT and SBT (strontium bismuth tantalate: SrBi) used in FRAM 2 Ta 2 O 9 ), The residual polarization amount is 30 μC / cm, respectively. 2 15 μC / cm 2 Degree. Therefore, the minimum processing dimension is F and the cell area is 8F. 2 , Capacitor area 3F 2 If the layout is created, the cell charge amount is reduced to 20 fC in the 0.15 μm generation and the 0.20 μm generation. In other words, the subsequent reduction is impossible unless the ferroelectric capacitor cell is three-dimensionally formed. However, since the ferroelectric film is large in thickness, it is very difficult to make it three-dimensional.
[0017]
A memory reading method using ferroelectric multilevel storage reads out the charge of the ferroelectric capacitor to the bit line capacitance as described above, and compares the bit line potential with the reference potential from the potential generator by a sense amplifier. As long as this method is used, the amount of charge per bit is smaller in multi-value reading than in binary reading, and the required amount of charge becomes more difficult to secure as miniaturization occurs. Therefore, it becomes difficult to realize the purpose of increasing the density of the memory by multi-leveling.
[0018]
As described above, several proposals have already been made for a multi-level memory using a ferroelectric capacitor. However, even if any method is used, the degree of integration greatly exceeds that of a conventional binary ferroelectric memory. It is difficult to realize a multi-level ferroelectric memory.
[0019]
The present invention has been made on the basis of recognition of such a problem, and an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems relating to multi-level writing to a ferroelectric capacitor in a semiconductor multi-level memory using a ferroelectric capacitor. An object of the present invention is to overcome the problems relating to multi-level read sensitivity and to provide a non-volatile multi-level storage device having a degree of integration greatly exceeding that of a binary ferroelectric memory.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In the Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-156472 (P2000-156472A), the present inventors use a ferroelectric capacitor as a capacitor for storing data, and store binary data of “0” level and “1” level. A storage device is disclosed.
[0021]
FIG. 28 is a conceptual diagram showing the main part of the storage device disclosed in the publication. That is, this figure shows the configuration of the memory cell of the storage device, and the storage capacitor C in the storage node Ns. M (Hereinafter referred to as “CM”), reference capacitor C REF (Hereinafter referred to as “CREF”), control transistor Q C One end (hereinafter referred to as “QC”), a reading transistor Q READ Each of the control electrodes (hereinafter referred to as “QREAD”) represents a connected circuit.
[0022]
According to this configuration, it is possible to provide a storage device that can stably store binary data, can be scaled, can be easily integrated, and has a simple manufacturing process.
[0023]
Based on this configuration, the inventor further proceeds with trial manufacture, and invents a non-volatile multilevel storage device having a unique configuration and capable of stably writing / reading multilevel data of three or more values. It came to.
[0024]
That is, in order to achieve the above object, a nonvolatile multilevel storage device according to the present invention includes a storage capacitor for storing data according to a polarization state of a ferroelectric, and a buffer capacitor connected in series to the storage capacitor. A read transistor having a gate electrode connected to a storage node that is a connection point between the storage capacitor and the buffer capacitor, and a control transistor having a main electrode connected to the storage node,
By making the capacitance of the buffer capacitor variable, it is possible to write charges corresponding to the partial polarization state of the storage capacitor.
[0025]
Here, the amount of charge read to the storage node is determined according to the capacity of the buffer capacitor using a connected read transistor, thereby including the partial polarization state of the storage capacitor. The value data can be read out.
[0026]
The buffer capacitor has a capacitor block formed by connecting a plurality of capacitors in series or in parallel, and the capacitance can be varied by selecting a part of the plurality of capacitors.
[0027]
Alternatively, the nonvolatile multi-value storage device of the present invention includes a storage capacitor that stores data according to a polarization state of a ferroelectric, a buffer capacitor connected in series to the storage capacitor, the storage capacitor, A read transistor having a gate electrode connected to a storage node that is a connection point to the buffer capacitor, a control transistor having a main electrode connected to the storage node, and a multiple write control circuit,
The multi-time write control circuit can change the number of times of writing charges to the storage capacitor to form a partial polarization state and a complete polarization state of the storage capacitor, respectively.
[0028]
Alternatively, the nonvolatile multi-value storage device of the present invention includes a storage capacitor that stores data according to a polarization state of a ferroelectric, a buffer capacitor connected in series to the storage capacitor, the storage capacitor, A read transistor having a gate electrode connected to a storage node that is a connection point to the buffer capacitor, a control transistor having a main electrode connected to the storage node, and a multiple-time read control circuit,
The multiple-time readout control circuit reads out the multi-value data including the partial polarization state of the storage capacitor by changing the number of times of reading the electric charge from the storage capacitor.
[0029]
Here, the charge is written to the storage capacitor by supplying a charge from the buffer capacitor to the storage capacitor after applying a precharge voltage to the buffer capacitor or by connecting the buffers connected in series. The write voltage may be applied to both ends of the storage capacitor and the storage capacitor.
[0030]
In addition, after a precharge voltage is applied to the buffer capacitor, a charge is read from the storage capacitor to the buffer capacitor, or a read voltage is applied to both ends of the buffer capacitor and the storage capacitor connected in series. By determining the operation state of the read transistor in accordance with whether to apply or not, multi-value data including the partial polarization state of the storage capacitor can be read.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, a storage capacitor for storing data according to a polarization state of a ferroelectric, a buffer capacitor connected in series to the storage capacitor, the storage capacitor, and the buffer capacitor, A read transistor having a gate electrode connected to the storage node, a control transistor having a main electrode connected to the storage node, and the buffer capacitor after applying a variable precharge voltage to the buffer capacitor A non-volatile multi-value storage comprising: a write voltage control circuit capable of supplying a charge from a capacitor to the storage capacitor to form a partial polarization state and a complete polarization state of the storage capacitor, respectively An apparatus is provided.
[0032]
Alternatively, the nonvolatile multi-value storage device of the present invention includes a storage capacitor that stores data according to a polarization state of a ferroelectric, a buffer capacitor connected in series to the storage capacitor, the storage capacitor, A read transistor having a gate electrode connected to a storage node that is a connection point to the buffer capacitor, a control transistor having a main electrode connected to the storage node, and a read voltage control circuit,
The read voltage control circuit reads a charge from the storage capacitor to the buffer capacitor after applying a variable precharge voltage to the buffer capacitor, or the buffer capacitor and the storage capacitor connected in series The multi-value data including the partial polarization state of the storage capacitor is read by either method of applying a variable read voltage to both ends.
[0033]
Here, the precharge voltage or the read voltage may be a voltage of two or more levels corresponding to any of three or more multi-value data.
[0034]
The storage capacitor includes a plurality of storage cells connected in parallel to each other, and each of the plurality of storage cells includes a selection MOS transistor and a ferroelectric capacitor connected in series. can do.
[0035]
Further, the storage capacitor has a plurality of storage cells connected in series with each other, and each of the plurality of storage cells has a selection MOS transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel. can do.
[0036]
The storage capacitor includes a plurality of selection MOS transistors connected in series to each other, storage electrodes respectively connected to a common main electrode of the selection transistors, a plate electrode facing the storage electrode, It can be a NAND type memory cell array comprising a storage capacitor having a storage electrode and a ferroelectric thin film sandwiched between the plate electrodes.
[0037]
The effective capacitance in the operating voltage range of the buffer capacitor may be not less than 1/10 and not more than twice the effective capacitance in the operating voltage range of the storage capacitor.
[0038]
The buffer capacitor may be a ferroelectric capacitor or a paraelectric capacitor.
[0039]
That is, the first main point of the present invention is that a pseudo constant charge multi-value write method using a buffer capacitor is adopted instead of the constant voltage multi-value write method of the ferroelectric capacitor for storage which has been conventionally proposed. is there. By adopting the pseudo-constant charge writing method, it becomes possible to write a multi-valued charge amount even to a ferroelectric capacitor having a good square PV curve inherent in ferroelectrics, and process parameters. Even when the shape of the PV hysteresis is changed due to the fluctuation of the above, there is an advantage that the fluctuation of the write charge amount becomes much smaller.
[0040]
However, even in a conventional method called constant voltage writing, strictly speaking, when precharging a bit line and writing it into a ferroelectric capacitor, strictly speaking, it is not a complete constant voltage writing but via a bit line capacitance. It is a written. However, the present invention has a buffer capacitor dedicated to independent writing (and reading) different from the bit line, and the bit line capacity is about 5 to 10 times the equivalent capacity of the cell. On the other hand, in order to realize writing and reading operations with sufficient resolution, there is a clear difference that the equivalent capacitance of the buffer capacitor is preferably about 1/10 to 2 times the equivalent capacitance of the storage capacitor.
[0041]
Further, the present invention has means for connecting a storage capacitor and a buffer capacitor in series; and connecting the gate electrode of the read transistor and the main electrode of the control transistor to the connection point; The second feature is that the semiconductor memory device performs the above.
[0042]
In addition, by applying a plurality of levels of voltages corresponding to multi-value data of two or more values to both capacitors during the read operation, multi-value data can be determined by the read transistor.
[0043]
In addition, by repeating the read operation after applying the precharge voltage or the voltage application read operation after connecting the buffer capacitor and the storage capacitor a plurality of times corresponding to multi-value data of two or more values, the read transistor Multi-value data can be determined.
[0044]
The buffer capacitor comprises a capacitor block formed by connecting a plurality of buffer capacitors in series or in parallel; a number of the buffer capacitors corresponding to multi-value data of two or more values are connected in series with a storage capacitor. By applying a voltage after the connection, multi-value data can be determined by the reading transistor.
[0045]
On the other hand, the second main point of the present invention is to call the charge of the conventionally proposed storage ferroelectric capacitor to the bit line capacitance, and compare the bit line potential and the potential from the potential generator with a sense amplifier to obtain multiple values. Instead of the data determination method, the charge of the storage ferroelectric capacitor is called to the buffer capacitor, and the potential of the storage node that is the connection point between the storage capacitor and the buffer capacitor is added to the gate electrode of the read transistor. A method of directly determining multi-value data with a reading transistor is employed. In the method using the bit line capacitance and the sense amplifier, as described in detail in the conventional example, the cell charge amount needs to be a constant value that enables reading, and therefore the ferroelectric capacitor has a large charge. There has been a problem that reading becomes difficult when the values are divided into values or as the miniaturization progresses. However, by adopting this method, it is possible to use a buffer capacitor with a capacity corresponding to the amount of charge divided into multiple values of the ferroelectric capacitor. However, there is a great advantage that the read sensitivity does not become a problem.
[0046]
According to a third aspect of the present invention, the storage capacitor is a storage cell block in which a plurality of unit cells each having a selection MOS transistor and a storage ferroelectric capacitor connected in series are connected in parallel to a sub bit line. Features.
[0047]
That is, a multi-value memory cell composed of a storage capacitor, one or a plurality of buffer capacitors, and a read transistor has a larger memory cell area than a normal 2-bit FRAM memory cell composed of one transistor and one capacitor. . On the other hand, by replacing one storage capacitor with a storage cell block including a plurality of storage unit cells, the memory cell occupation area per storage capacitor can be drastically reduced. By appropriately selecting the transistors, the advantage that random access is possible can be simultaneously maintained.
[0048]
According to the present invention, the storage capacitor is a storage cell column (called a chain cell column) in which a plurality of unit cells in which a selection MOS transistor and a storage ferroelectric capacitor are connected in parallel are connected in series. Is the fourth feature.
[0049]
That is, a multi-value memory cell composed of a storage capacitor, one or a plurality of buffer capacitors, and a read transistor has a larger memory cell area than a normal 2-bit FRAM memory cell composed of one transistor and one capacitor. . On the other hand, the memory cell occupation area per storage capacitor can be drastically reduced by replacing one storage capacitor in the chain cell row, and by appropriately selecting a selection transistor, The advantage that random access is possible can be maintained at the same time.
[0050]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
First, as a first embodiment of the present invention, a nonvolatile multi-value storage device including a variable-capacitance buffer dielectric capacitor will be described.
[0051]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the main configuration of the nonvolatile multilevel storage device of this embodiment. That is, this figure is a circuit diagram for explaining a basic configuration using a variable capacitance buffer paraelectric capacitor. In the circuit of FIG. 1, a storage ferroelectric capacitor CM and a buffer paraelectric capacitor CR are connected in series, and a storage node NS which is a connection portion thereof, and a gate electrode of a read transistor QREAD, The main electrode of the control transistor QC is connected.
[0052]
First, the writing operation of this circuit will be described.
[0053]
FIG. 2 is a graph for explaining the basic write operation of this circuit.
[0054]
First, the control transistor QC is turned on, and a positive write voltage VW0 higher than the inversion voltage of the memory ferroelectric capacitor CM as shown in FIG. By returning to, the memory state “0” completely polarized in the positive direction can be obtained.
[0055]
When writing the memory states “1” to “3” corresponding to the partial polarization or the negatively inverted polarization, after writing “0” according to the above sequence, the control transistor is turned off again to turn off the storage node NS. And a write voltage VW is applied between the terminals A and B through buffer capacitors CR having capacitances C1 to C3, respectively, as shown in FIGS. As a result, polarization corresponding to the storage states “1” to “3” can be written. That is, the capacity of the buffer capacitor CR is variable, and the storage state “1” is written to the storage capacitor CM when the capacitance is C1, the storage state “2” is written to the capacitance C2, and the storage state “3” is written to the storage capacitor CM. Can be.
[0056]
On the other hand, the writing method by precharge can be similarly performed.
[0057]
First, “0” is written as shown in FIG. 2A according to the sequence similar to the above. Thereafter, the capacity of the buffer capacitor CR is appropriately set to C1 to C3, and negative writing as shown in any of FIGS. 2B to 2D is performed between the terminals CB while the control transistor QC remains on. The voltage VW is applied to precharge the read charge to the buffer capacitor CR.
[0058]
Next, the control transistor QC is turned off so that the terminals A and B have the same potential and are written in the storage capacitor CM. Thereafter, the control transistor QC is turned on to short-circuit the storage node NS to release the stored charge.
[0059]
In this manner, the storage state corresponding to “1”, “2”, or “3” can be stored in the storage capacitor CM.
[0060]
Next, the reading operation of this circuit will be described.
[0061]
FIG. 3 is an operation diagram for explaining the basic read operation of the circuit of this embodiment. First, the control transistor QC is turned on to release the charge accumulated in the storage node NS from the terminal C. Thereafter, the control transistor QC is turned off again to make the storage node NS floating, and then the data is read through the buffer capacitor CR having the capacities C1 to C3 as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c). A voltage VR is applied. At this time, the voltage induced in the storage node NS changes according to the stored polarization “0” to “3”.
[0062]
For example, as shown in FIG. 3A, when the storage state is “0”, the read transistor QREAD is turned on through the buffer capacitor CR having any capacitance of C1 to C3.
[0063]
If the storage state is “1” as shown in FIG. 3B, the read transistor QREAD is turned off only through the buffer capacitor CR having the capacity of C3, and the other C2, It is turned on when the buffer capacitor CR having the capacity of C3 is passed.
[0064]
In this manner, by providing the buffer capacitor CR having three types of capacitance, it becomes possible to determine the quaternary storage state. Of course, three read operations are not necessarily required. First, the upper bits “0”, “1”, “2”, and “3” are discriminated by using a buffer capacitor CR having a capacity of C2. Depending on the result, a buffer capacitor CR having a capacity of C1 or C3 can be used to discriminate between “0” and “1”, or “2” and “3”.
[0065]
Next, as a modified example of the present embodiment, a configuration in which a ferroelectric capacitor is employed as the buffer capacitor CR instead of the paraelectric capacitor will be described.
[0066]
FIG. 4 is a conceptual diagram showing the main configuration of the nonvolatile multilevel storage device according to this modification. FIG. 5 is a write operation diagram based on this circuit, and FIG. 6 to FIG. 7 are read operation diagrams.
[0067]
The configuration of this modification is substantially the same as the configuration of FIG. 1 except that a ferroelectric capacitor is used instead of a paraelectric capacitor as the buffer capacitor CR, as illustrated in FIG.
[0068]
The operation is also almost the same as the write and read operations of the circuit illustrated in FIG. The only difference is that immediately before the precharge, write, and read voltage application operations are performed, the control transistor QC is turned on, and the buffer capacitor CR is supplied with an inverted voltage in a direction opposite to the precharge, write, and read operation voltages. It is necessary to turn off the control transistor and apply the storage node NS to the floating state after the voltage is applied between the terminals CB and returned to the same potential between the terminals CB. Except for this, the write operation corresponding to the multi-value as shown in FIG. 5 and the read operation corresponding to the multi-value as shown in FIGS. 6 to 7 can be performed in the same manner.
[0069]
Further, when a ferroelectric capacitor is used as the buffer capacitor CR, a rewrite operation after reading can be easily performed.
[0070]
FIG. 8 is an operation diagram corresponding to the read / rewrite operation when the polarization state “2” is stored in the storage capacitor CM. The charge read from the storage capacitor CM to the buffer capacitor CR by applying the read voltage VR is easily returned to 0 by applying the rewrite voltage VW in the reverse direction, so that the polarization “2” which is the initial state can be easily obtained. Can be rewritten. In particular, when the squareness ratio of the buffer ferroelectric capacitor CR is good, accurate rewriting can be performed without precisely controlling the rewriting voltage VW.
[0071]
The conceptual configuration, basic write operation, and read operation of the nonvolatile multilevel storage device of this embodiment have been described above.
[0072]
Next, a specific example of the buffer capacitor block for making the capacitance of the buffer capacitor CR variable will be described.
[0073]
FIG. 9 shows a configuration example of a variable capacity buffer capacitor block including a plurality of buffer capacitors connected in series or in parallel.
[0074]
First, FIG. 9A illustrates a configuration in which a plurality of buffer paraelectric capacitors CR0, CR1, CR2,. In this configuration, by appropriately turning on the buffer capacitor selection transistors QR0, QR1, QR2,..., A plurality of buffer capacitors CR0, CR1, CR2,. be able to.
[0075]
FIG. 9B illustrates a configuration in which a plurality of buffer ferroelectric capacitors CR0, CR1, CR2,. In this configuration, a plurality of buffer ferroelectric capacitors CR0, CR1, CR2,... Are arbitrarily connected in parallel by appropriately turning on buffer capacitor selection transistors QR0, QR1, QR2,. The capacity can be increased.
[0076]
In FIG. 9 (c), a plurality of buffer capacitors CR0, CR1, CR2,... And selection transistors QR0, QR1, QR2,. An example of a so-called chain connection) is shown. In this buffer capacitor block, a plurality of buffer paraelectric capacitors CR0, CR1, CR2,... Are arbitrarily connected in series by appropriately turning off the selection transistors QR0, QR1, QR2,. The capacity can be reduced.
[0077]
As described above, the basic configuration of the nonvolatile multi-value storage device of this embodiment is a multi-value memory cell including a storage capacitor CM, a variable-capacitance buffer capacitor CR, and a read transistor QREAD. Compared to a 2-bit FRAM memory cell consisting of one transistor and one capacitor, the area occupied by the memory cell is somewhat larger.
[0078]
On the other hand, by replacing the storage capacitor CM with a storage cell block including a plurality of storage unit cells, the area occupied by the memory cell per storage capacitor can be drastically reduced. By selecting appropriately, the advantage that random access is possible can be simultaneously held.
[0079]
FIG. 10 is a conceptual diagram showing a specific example in which the storage capacitor CM is configured by a memory cell block including a plurality of storage capacitors.
[0080]
That is, FIG. 5A shows a unit cell in which selection MOS transistors QM0, QM1, QM2,... And storage ferroelectric capacitors CM0, CM1, CM2,. It is an example of a structure of the memory cell block CM connected to SBL in parallel. The target storage capacitors CM0, CM1, CM2,... Can be selected by turning on the selection transistors QM0, QM1, QM2,... Of the unit cells to be written or read in the cell block. In this circuit, a block selection transistor QMS is provided so that the entire memory cell block can be selected.
[0081]
On the other hand, in FIG. 10B, a plurality of unit cells in which selection MOS transistors QM0, QM1, QM2,... And storage ferroelectric capacitors CM0, CM1, CM2,. This is a configuration example of a memory cell block (referred to as “chain cell block”) CM. A target storage capacitor can be selected by turning off the selection transistor of a unit cell to be written or read in the cell block and turning on all other selection transistors.
[0082]
The ferroelectric capacitor CM for memory is made of a ferroelectric film of PZT (lead zirconate titanate), SBT (strontium bismuth titanate), or epitaxial BSTO (barium strontium titanate). Thin film capacitors can be used. In terms of stability and film thickness, epitaxial BSTO capacitors are particularly excellent.
[0083]
As the buffer capacitor CR, a paraelectric capacitor using silicon oxide, tantalum oxide, or BSTO, or the above-described ferroelectric capacitor can be used. Of course, a wiring capacitance such as a sub-bit line capacitance can be used as a buffer capacitor.
[0084]
(Second Embodiment)
Next, as a second embodiment of the present invention, a configuration in which a buffer capacitor having a constant capacitance is provided and a substantially constant write / read voltage is applied a plurality of times corresponding to multiple values will be described.
[0085]
FIG. 11 is a conceptual diagram showing the main configuration of the nonvolatile multilevel storage device of this embodiment.
[0086]
That is, in the present embodiment, the storage ferroelectric capacitor CM and the buffer dielectric capacitor CR are connected in series, and the gate electrode of the read transistor QREAD is further connected to the storage node NS that is the connection portion thereof. The main electrode of the control transistor QC is connected. The gate of the control transistor QC is connected to a multiple-time write control circuit CW, and a gate control signal for performing the operation described in detail below is appropriately input.
[0087]
Next, the write operation of the circuit of this embodiment will be described.
[0088]
FIG. 12 is an operation diagram showing the write operation of the circuit of FIG.
[0089]
First, the control transistor QC is turned on, and as shown in FIG. 12A, a positive write voltage VW0 that is equal to or higher than the inversion voltage is applied between the terminals A and C, and then, By returning the voltage to 0, a memory state “0” completely polarized in the positive direction can be obtained.
[0090]
After writing “0”, in order to write one of the memory states “1” to “3” corresponding to partial polarization or negatively inverted polarization, the control transistor QC is turned off and the storage node NS is floated. The negative write voltage VW as shown in FIG. 12B is applied between the terminals A and B, and then the write voltage is returned to 0, the control transistor QC is turned on, and the storage node NS is short-circuited. The sequence of releasing the accumulated charge is repeated several times. This series of operation control is executed based on a control signal from the multiple-time write control circuit CW. In this way, as shown in FIGS. 12B to 12D, storage states corresponding to “1”, “2”, and “3” can be achieved in order.
[0091]
The writing method using precharge is exactly the same.
[0092]
First, according to the same sequence as described above, as shown in FIG. 12A, after writing “0”, the control transistor QC remains on as shown in FIG. 13B between the terminals CB. A negative write voltage VW is applied to precharge read charges to the buffer capacitor CR. Based on the control signal from the multiple write control circuit CW, the control transistor QC is turned off to bring the terminals A and B to the same potential, the control transistor QC is turned on and the storage node NS is short-circuited. By repeating the sequence of releasing charge a plurality of times, as shown in FIGS. 12B to 12D, storage states corresponding to “1”, “2”, and “3” can be achieved in order.
[0093]
Such a series of operations is also executed based on a control signal from the multiple-time write control circuit CW.
[0094]
Next, a plurality of read operations in the circuit illustrated in FIG. 11 will be described with reference to an operation diagram of FIG.
[0095]
First, the control transistor QC is turned on to release the charge accumulated in the storage node NS from the terminal C, the control transistor QC is turned off and the storage node NS is floated, and then as shown in FIG. A second read voltage VR is applied. At this time, the voltage induced in the storage node NS changes according to the polarizations “0” to “3” stored in the storage capacitor CM. If the memory state is “0” or “2”, the read transistor QREAD is turned on. Only in the memory state “3”, the read transistor QREAD is turned off.
[0096]
After that, by returning the applied voltage to 0, the polarization for one time is read, the memory state “0” changes to “1”, “1” changes to “2”, “2” changes to “3” To do.
[0097]
Thereafter, as illustrated in FIGS. 13B to 13C, the storage state of the storage capacitor CM can be sequentially determined by repeating the above-described operation.
[0098]
These multiple read operations may be performed by a control signal from the multiple write control circuit CW, or a read control circuit (not shown) may be provided separately from the control circuit CW.
[0099]
As described above, according to the present embodiment, since the write / read operation is performed a plurality of times, the operation speed of the storage device is slowed down by the multi-value multiplexing, but the conventional binary write / read operation is slowed down. There is a great merit that a large threshold voltage range can be obtained by the low voltage operation similar to the case.
[0100]
(Third embodiment)
Next, as a third embodiment of the present invention, a configuration in which a buffer capacitor having a constant capacity is provided and a write / read voltage corresponding to multiple values is applied to this capacitor will be described.
[0101]
FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating the main configuration of the nonvolatile multilevel storage device according to this embodiment.
[0102]
That is, also in the present embodiment, the storage ferroelectric capacitor CM and the buffer dielectric capacitor CR are connected in series, and the gate electrode of the read transistor QREAD is further connected to the storage node NS which is the connection portion thereof. The main electrode of the control transistor QC is connected. A write voltage control circuit CA is connected to one end B of the buffer capacitor CM and the gate of the control transistor QC, and a gate control signal for performing the operation described in detail below is appropriately input.
[0103]
FIG. 15 is an operation diagram for explaining the write operation of the circuit of FIG.
[0104]
That is, first, the control transistor QC is turned on, and a positive write voltage VW0 higher than the inversion voltage is applied to the memory ferroelectric capacitor CM between the terminals A and C as shown in FIG. Further, by returning the voltage to 0, it is possible to obtain a memory state “0” that is completely polarized in the positive direction.
[0105]
Next, memory states “1” to “3” corresponding to partial polarization or negatively inverted polarization are written. Specifically, after writing “0” into the storage capacitor CM according to the above sequence, the control transistor QC is turned off, the storage node NS is brought into a floating state, and the terminal AB is shown in FIG. It can be achieved by applying negative write voltages VW1 to VW3 as exemplified in (d).
[0106]
In a series of operations, on / off control of the control transistor QC and control of the magnitude of the write voltage VW are executed by the write voltage control circuit CA.
[0107]
On the other hand, the same applies to the case of employing a precharge writing method.
[0108]
That is, after “0” is written according to the above sequence, negative write voltages VW1 to VW3 as shown in FIGS. 15B to 15D are applied between the terminals CB while the control transistor QC remains on. By applying the precharge charge to the buffer capacitor and turning off the control transistor so that the terminals A and B have the same potential, the partial polarization state is exactly the same as when the direct read voltage is applied. Writing to can be achieved.
[0109]
Next, a reading operation in the circuit of FIG. 14 will be described.
[0110]
FIG. 16 is an operation diagram for explaining a read operation of the circuit of FIG. In FIG. 16, the voltage indicated as “VT” represents the threshold voltage of the read transistor QREAD, and the read transistor is turned on at a voltage equal to or higher than VT, and turned off in the following.
[0111]
First, the control transistor QC is turned on to release the charge accumulated in the storage node NS from the terminal C. Thereafter, the control transistor QC is turned off to make the storage node NS floating, and then the read voltages VR1 to VR3 are sequentially applied as shown in FIGS. At this time, the voltage induced in the storage node NS changes according to the stored polarization “0” to “3”.
[0112]
For example, as shown in FIG. 16A, if the storage state is “0”, the read transistor QREAD is turned on regardless of the voltage VR1 to VR3. Further, as shown in FIG. 16B, if the memory state is “1”, the read transistor QREAD is turned off only when the voltage VR1 is applied, and the other voltages VR2 and VR3 are applied. Turns on. A sequence of a series of operations is performed by the write voltage control circuit CA or a control circuit provided separately.
[0113]
In this way, it is possible to determine the quaternary storage state by applying a three-level read voltage. Of course, three read operations are not necessarily required. First, VR2 is applied to discriminate upper bits “0”, “1” and “2”, “3”, and VR1 is determined according to the result. Alternatively, it is possible to apply VR3 to discriminate between “0” and “1” or “2” and “3”.
[0114]
The basic configuration of the present invention has been described above as the first to third embodiments of the present invention. Next, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings referred to in the following description, the same or similar elements are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be appropriately determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[0115]
Example 1
FIG. 17 is a conceptual diagram showing the circuit configuration of the main part of the nonvolatile multilevel storage device according to the first example of the present invention. In this memory device, a ferroelectric capacitor is used as a memory capacitor and a buffer capacitor.
[0116]
As shown in FIG. 17, the memory device according to this embodiment includes a plurality of selection MOS transistors QM0, QM1, QM2, QM3,..., QM15 connected in series, and a common main electrode of these selection transistors. A chain type memory cell block composed of a plurality of memory ferroelectric capacitors CM0, CM1, CM2, CM3,..., CM15 connected in parallel to each other, and a block selection connected to the end of the memory cell block A transistor QBS, a plurality of buffer selection transistors QR0, QR1, QR2 connected in series, and a plurality of buffer ferroelectric capacitors CR0, CR1, CR2 connected to each common main electrode of the buffer selection transistors; NAND type buffer cell block consisting of, and the connection point between the memory cell block and the buffer cell block Constitutes at least it includes the memory cell blocks and a read transistor QREAD having a gate electrode connected to a storage node NS as a basic unit.
[0117]
Each of the storage capacitors CM0, CM1, CM2, CM3,..., CM15 is disposed opposite to the first electrode connected to the first main electrode of the memory cell selection transistor. And at least a second electrode connected to the second main electrode of the selection transistor and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. In addition, each of the buffer capacitors CR0, CR1, and CR2 is disposed opposite to the first electrode connected to the common main electrode of the buffer cell selection transistor, and is connected to the plate line PL. At least a second electrode and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes.
[0118]
A plurality of the chain type storage cell columns are arranged in a matrix. Word lines WL0, WL1, WL2, WL3,..., WL15 are connected to the gate electrodes of the memory cell selection transistors QM0, QM1, QM2, QM3,.
[0119]
Similarly, word lines RL0, RL1, and RL2 are connected to the gate electrodes of the buffer cell selection transistors QR0, QR1, and QR2. A read power line VL is connected to one main electrode of the read transistor QREAD of each memory cell block, and a read output line SL is connected to the other main electrode.
[0120]
FIG. 18 is a conceptual diagram showing a connection relationship with peripheral circuits. Word lines WL0, WL1, WL2, WL3,..., WL15 of each memory cell are used as a row decoder, and word lines RL0, RL1, RL2 of each buffer cell are used as a multi-bit decoder, and each bit line BL0, BL1,. Are connected to a column decoder.
[0121]
In the circuit configuration shown in FIGS. 17 and 18, in order to select a desired memory cell indicated by the intersection of BLx (x = 0, 1) and WLy (y = 0, 1, 2,..., 15), All the word lines other than WLy are set to “1 (high level)”, all the selection transistors other than QMy are turned on, the word line WLy is set to “0 (low level)”, the selection transistor Qmy is turned off, and a potential is applied to BLx. Achieved by adding.
[0122]
In order to select each buffer capacitor CR0 in the buffer cell block, all the word lines from RL0 to WLz are set to “1 (high level)” and all the buffer cell selection transistors from QR0 to QRz are turned on. Further, this is achieved by setting the word line RLz + 1 to “0 (low level)” and turning off the buffer cell selection transistor QRz + 1.
[0123]
FIG. 19 is a timing chart showing the read / write sequence of the storage device of this embodiment.
[0124]
First, before the read / write operation is performed, the polarization operations of all buffer ferroelectric capacitors CR0, CR1, and CR2 are performed. That is, after the bit line BLx is set to the high level and the block selection transistor QBS is turned on, the buffer cell selection transistors QR0, QR1, and QR2 are turned on to polarize the buffer ferroelectric capacitors CR0, CR1, and CR2.
[0125]
Next, the memory cell selection transistor QMy of the memory cell to be selected is turned off, the storage node is brought into a floating state, the bit line BLx is set to the low level, and the plate line PL is set to the high level, so that multilevel reading is sequentially performed.
[0126]
That is, first, when the transistor QR0 of the buffer cell 0 is turned on, the stored value is “0” if the read transistor QREAD is turned on, “1” if QR1 is read on, and “1” if QR2 is read on. It can be seen that it is “3” if the read transistor QREAD is off.
[0127]
Next, rewriting to the storage capacitor CMy is performed by setting the bit line BLx to the high level and the plate line PL to the low level, and returning the charge read to the buffer capacitor to the storage capacitor.
[0128]
FIG. 20A is a plan view of an essential part of the nonvolatile multi-value storage device of this example, and FIG. 20B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. Is a conceptual diagram showing only the lower layer.
[0129]
One block connected to the bit line includes 16 storage cells, a read transistor QREAD, and 3 buffer cells. Memory cell size is 4F 2 The area other than the memory cells per block is 34F. 2 Therefore, (4 + 34/32) F per memory cell 2 become. In this embodiment, the ferroelectric capacitor is 20 μC / cm. 2 It was found that even if 32 memory cells were connected in series, the device with stable remanent polarization was used. Therefore, 5.9F per memory cell 2 1.59F per bit 2 It became the size of.
[0130]
Further, as shown in FIG. 20B, the memory device of this example is configured by an n-MOS transistor formed on a silicon substrate. The main electrode region of each of the memory cell selection transistors QM0, QM1, QM2, QM3,..., QM15 has storage capacitors CM0, CM1, CM2, CM3 made of a lower electrode LE, an upper electrode TE and a ferroelectric film. ... CM15 is formed. Similarly, buffer capacitors CR0, CR1, and CR2 each formed of a lower electrode LE, an upper electrode TE, and a ferroelectric film are formed in the main electrode region of each buffer cell selection transistor QR0, QR1, and QR2.
With such a circuit configuration, the operation of a highly integrated non-volatile multilevel memory could be confirmed.
[0131]
(Example 2)
FIG. 21 is a conceptual diagram showing the circuit configuration of the main part of the nonvolatile multilevel storage device according to the second embodiment of the present invention. In this memory device, a ferroelectric capacitor is used as a memory capacitor, and a paraelectric capacitor is used as a buffer capacitor.
[0132]
As shown in FIG. 21, the memory device according to this embodiment includes a plurality of selection MOS transistors QM0, QM1, QM2, QM3,..., QM15 connected in parallel, and main electrodes of these selection transistors. A memory cell block composed of a plurality of memory ferroelectric capacitors CM0, CM1, CM2, CM3,..., CM15 connected in series to each other, a buffer cell transistor QR, and main electrodes of these buffer cell transistors And at least a read transistor QREAD having a gate electrode connected to a storage node SN that is a connection point between the memory cell block and the buffer cell. The memory cell block is configured as a basic unit.
[0133]
Each of the storage capacitors CM0, CM1, CM2, CM3,..., CM15 is disposed opposite to the first electrode connected to the first main electrode of the memory cell selection transistor. And at least a second electrode connected to the storage node and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. The buffer capacitor CR includes a first electrode connected to the main electrode of the buffer cell selection transistor, a second electrode disposed opposite to the first electrode and connected to the storage node, and these And at least a dielectric thin film sandwiched between the first and second electrodes.
[0134]
A plurality of memory cell blocks are arranged in a matrix. Word lines WL0, WL1, WL2, WL3,..., WL15 are connected to the gate electrodes of the memory cell selection transistors QM0, QM1, QM2, QM3,.
[0135]
Similarly, a word line RL is connected to the gate electrode of the buffer cell transistor QR. A word line CL is connected to the gate electrode of the control transistor QC. A read power line VL is connected to one main electrode of the read transistor QREAD of each memory cell block, and a read output line SL is connected to the other main electrode.
[0136]
FIG. 22 is a conceptual diagram showing a connection relationship with peripheral circuits. Word lines WL0, WL1, WL2, WL3,..., WL15 of each memory cell are used as row decoders, word lines RL of buffer cells and word lines CL of control transistors are used as multi-bit decoders, and bit lines BL0, BL1 ,... Are connected to a column decoder.
[0137]
In the circuit configuration shown in FIGS. 21 and 22, in order to select a desired memory cell indicated by the intersection of BLx (x = 0, 1) and WLy (y = 0, 1, 2,..., 15), All the word lines other than WLy are set to “0 (low level)”, all the selection transistors other than QMy are turned off, the word line WLy is set to “1 (high level)”, the selection transistor Qmy is turned on, and a potential is applied to BLx. Achieved by adding.
[0138]
FIG. 23 is a timing chart showing the read sequence of the storage device of this embodiment.
[0139]
In order to perform reading, the selected bit line BLx is set to the high level and the plate line 0PL0 is set to the low level, and multi-value reading is sequentially performed.
[0140]
First, the memory cell selection transistor QMy and the reference cell transistor RL to be selected are turned on and the first reading is performed. If the reading transistor QREAD is turned on, the stored value can be determined to be “3”. Next, the control transistor is turned on, the storage node is shorted to release the first read charge, and then floated again, and the memory cell selection transistor QMy and the reference cell transistor RL are turned on to turn on the second time. When reading is performed and the reading transistor QREAD is turned on, the stored value can be determined to be “2”. The same sequence is repeated, and it is understood that the stored value is “1” if the reading transistor QREAD is turned on even in the third reading, and “0” if it is turned off.
[0141]
FIG. 24 is a timing chart showing the write sequence of the storage device of this embodiment.
[0142]
In order to perform writing, first, the selected bit line BLx is set to the low level and the plate line 1PL1 is set to the high level, and a voltage is directly applied to the storage capacitor to write “0”. Next, in exactly the same manner as the read operation, the selected bit line BLx is set to the high level, the plate line 0PL0 is set to the low level, and “1” and “2” are sequentially written.
[0143]
FIG. 25A is a plan view of the main part of the nonvolatile multi-value storage device of this example, and FIG. 25B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. Is a conceptual diagram showing only the lower layer.
[0144]
In one block connected to the bit line, 16 storage cells, a read transistor QREAD, a buffer cell, and a control transistor are included. Memory cell size is 6F 2 The area other than the memory cells per block is 24F 2 Therefore, (6 + 24/16) F per memory cell 2 become. In this embodiment, the ferroelectric capacitor is 20 μC / cm. 2 Therefore, it was found that even if 16 memory cells are connected in series, the device operates stably. Therefore, 7.5F per memory cell 2 1.88F per bit 2 It became the size of.
[0145]
Further, as shown in FIG. 25B, the storage device of this embodiment is configured by an n-MOS transistor formed on a silicon substrate. The main electrode region of each of the memory cell selection transistors QM0, QM1, QM2, QM3,..., QM15 has storage capacitors CM0, CM1, CM2, CM3 made of a lower electrode LE, an upper electrode TE and a ferroelectric film. ... CM15 is formed. Similarly, a buffer capacitor CR including a lower electrode LE, an upper electrode TE, and a dielectric film is formed in the main electrode region of the buffer cell transistor QR.
With such a circuit configuration, the operation of a highly integrated non-volatile multilevel memory could be confirmed.
[0146]
Example 3
In the third embodiment of the present invention, the basic memory cell block is exactly the same as in the second embodiment, but a variable voltage generator is added as a peripheral circuit, and a plurality of write / write operations in the second embodiment are performed. In this embodiment, multi-valued writing / reading by a variable voltage is possible instead of the reading method.
[0147]
FIG. 26 is a conceptual diagram illustrating a connection relationship with a peripheral circuit. Word lines WL0, WL1, WL2, WL3,..., WL15 of each memory cell are used as row decoders, word lines RL of buffer cells and word lines CL of control transistors are used as multi-bit decoders, and bit lines BL0, BL1 ,... Are connected to a column decoder. A variable voltage generator is connected to the multi-bit decoder and the column decoder.
[0148]
FIG. 27 is a timing chart showing the read / rewrite sequence of the storage device of this embodiment.
[0149]
To perform reading, first, the memory cell selection transistor QMy and the reference cell transistor QL to be selected are turned on. Next, when the first read voltage V1 is applied to the selected bit line BLx and the first read is performed, and the read transistor QREAD is turned on, the stored value can be determined to be “3”. Subsequently, the second read voltage V2 is applied to perform the second read. When the read transistor QREAD is turned on, the stored value is “2”, and the third read voltage V3 is added to perform the third read. It is understood that the stored value is “1” when the read transistor QREAD is turned on and “0” when the read transistor QREAD is turned off.
[0150]
In order to perform rewriting, the storage node is kept in a floating state, the selected bit line BLx is returned to the low level, the plate line 0PL0 is set to the high level, and the charge once read from the storage capacitor is written again. Can be achieved.
[0151]
With such a circuit configuration and read / write sequence, it was possible to confirm the operation of a highly integrated nonvolatile multilevel memory.
[0152]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a semiconductor multilevel memory using a ferroelectric capacitor can be realized, and an ultra-highly integrated non-volatile multilevel memory device can be realized. It is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining a basic configuration when a variable capacitor paraelectric capacitor for a buffer according to the present invention is used.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a write operation when the variable capacitance paraelectric capacitor for a buffer according to the present invention is used.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a read operation when the variable capacitance paraelectric capacitor for a buffer according to the present invention is used.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining a basic configuration in the case of using a variable capacitor ferroelectric capacitor for a buffer according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a write operation in the case where the variable capacitor ferroelectric capacitor for buffer according to the present invention is used.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a read operation when using a variable capacitor ferroelectric capacitor for a buffer according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a read operation when using a variable capacitor ferroelectric capacitor for a buffer according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining read and rewrite operations when the variable capacitor ferroelectric capacitor for buffer according to the present invention is used.
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram for explaining a basic configuration of a buffer cell block when the variable capacitor for buffer of the present invention is used.
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram for explaining a basic configuration of a memory cell block according to the present invention.
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining a basic configuration in the case where the multiple write control circuit of the present invention is provided.
FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a plurality of write operations when the buffer paraelectric capacitor of the present invention is used.
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a plurality of read operations when the buffer paraelectric capacitor of the present invention is used.
FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining a basic configuration when the write voltage control circuit of the present invention is provided.
FIG. 15 is a schematic diagram for explaining a variable voltage writing operation when the buffer paraelectric capacitor of the present invention is used.
FIG. 16 is a schematic diagram for explaining a variable voltage read operation when the buffer paraelectric capacitor of the present invention is used.
FIG. 17 is a diagram showing a circuit configuration of main parts of the semiconductor memory device according to the first example of the present invention;
FIG. 18 is a diagram showing a circuit configuration of main parts including a peripheral circuit in the semiconductor memory device according to the first example of the present invention;
FIG. 19 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the first example of the present invention.
20A is a plan view and FIG. 20B is a cross-sectional view of a semiconductor memory device according to a first example of the present invention. FIG.
FIG. 21 is a diagram showing a circuit configuration of main parts of a semiconductor memory device according to a second example of the present invention;
FIG. 22 is a diagram showing a circuit configuration of main parts including a peripheral circuit in a semiconductor memory device according to a second example of the present invention;
FIG. 23 is a timing chart showing a read sequence of the semiconductor memory device according to the second example of the present invention.
FIG. 24 is a timing chart showing a write sequence of the semiconductor memory device according to the second example of the present invention.
25A is a plan view and FIG. 25B is a cross-sectional view of a semiconductor memory device according to a second example of the present invention.
FIG. 26 is a diagram showing a circuit configuration of main parts including a peripheral circuit in a semiconductor memory device according to a third example of the present invention;
FIG. 27 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the third example of the present invention.
FIG. 28 is a conceptual diagram showing a main part of a storage device disclosed by the present inventors.
FIG. 29 is a schematic diagram for explaining a multilevel write operation in a conventional example.
FIG. 30 is a schematic diagram for explaining an inherent PV hysteresis curve of a ferroelectric substance.
[Explanation of symbols]
CM memory capacitor
CR buffer capacitor
CREF reference capacitor
NS storage node
QC control transistor
QREAD transistor for reading

Claims (15)

強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、
前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、
前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、
前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、
を備え、
前記バッファ用キャパシタの容量を可変とすることにより、前記記憶用キャパシタの部分分極状態に対応する電荷の書き込みを可能としたことを特徴とする不揮発性多値記憶装置。
A storage capacitor for storing data according to the polarization state of the ferroelectric;
A buffer capacitor connected in series to the storage capacitor;
A read transistor having a gate electrode connected to a storage node that is a connection point between the storage capacitor and the buffer capacitor;
A control transistor having a main electrode connected to the storage node;
With
A non-volatile multi-value storage device characterized in that a charge corresponding to a partial polarization state of the storage capacitor can be written by making the capacitance of the buffer capacitor variable.
前記ストレージノードに読み出された電荷量を、接続された読み出し用トランジスタを使用して前記バッファ用キャパシタの容量に応じて判定することにより前記記憶用キャパシタの前記部分分極状態を含む多値データの読み出しを行うことを特徴とする請求項1記載の不揮発性多値記憶装置。  By determining the amount of charge read to the storage node according to the capacity of the buffer capacitor using a connected read transistor, multi-value data including the partial polarization state of the storage capacitor 2. The nonvolatile multi-value storage device according to claim 1, wherein reading is performed. 前記バッファ用キャパシタは、複数のキャパシタを直列または並列に接続してなるキャパシタブロックを有し、前記複数のキャパシタの一部を選択することにより容量を可変としたことを特徴とする請求項1または2に記載の不揮発性多値記憶装置。  2. The buffer capacitor has a capacitor block formed by connecting a plurality of capacitors in series or in parallel, and the capacitance is variable by selecting a part of the plurality of capacitors. The nonvolatile multi-value storage device according to 2. 強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、
前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、
前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、
前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、
複数回書き込み制御回路と、
を備え、
前記複数回書き込み制御回路は、前記記憶用キャパシタに対する電荷の書き込みの回数を変化させることにより、前記記憶用キャパシタの部分分極状態と完全分極状態とをそれぞれ形成可能としたことを特徴とする不揮発性多値記憶装置。
A storage capacitor for storing data according to the polarization state of the ferroelectric;
A buffer capacitor connected in series to the storage capacitor;
A read transistor having a gate electrode connected to a storage node that is a connection point between the storage capacitor and the buffer capacitor;
A control transistor having a main electrode connected to the storage node;
A multiple write control circuit;
With
The non-volatile circuit characterized in that the multiple-time write control circuit can form a partial polarization state and a complete polarization state of the storage capacitor by changing the number of times of writing of charges to the storage capacitor. Multi-value storage device.
強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、
前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、
前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、
前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、
複数回読出し制御回路と、
を備え、
前記複数回読出し制御回路は、前記記憶用キャパシタに対する電荷の読出しの回数を変化させることにより、前記記憶用キャパシタの前記部分分極状態を含む多値データの読み出しを行うことを特徴とする不揮発性多値記憶装置。
A storage capacitor for storing data according to the polarization state of the ferroelectric;
A buffer capacitor connected in series to the storage capacitor;
A read transistor having a gate electrode connected to a storage node that is a connection point between the storage capacitor and the buffer capacitor;
A control transistor having a main electrode connected to the storage node;
A multiple read control circuit;
With
The multiple-time read control circuit reads out multi-value data including the partial polarization state of the storage capacitor by changing the number of times of reading of charges from the storage capacitor. Value storage device.
前記記憶用キャパシタに対する前記電荷の書き込みは、前記バッファ用キャパシタにプリチャージ電圧を印加した後に前記バッファ用キャパシタから前記記憶用キャパシタに電荷を供給するか、
前記直列に接続された前記バッファ用キャパシタと前記記憶用キャパシタの両端に書き込み電圧を印加するか、
のいずれかにより行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の不揮発性多値記憶装置。
The charge is written to the storage capacitor by supplying a charge from the buffer capacitor to the storage capacitor after applying a precharge voltage to the buffer capacitor,
Applying a write voltage across the buffer capacitor and the storage capacitor connected in series,
The non-volatile multi-value storage device according to claim 1, wherein the non-volatile multi-value storage device is performed according to any one of the above.
前記バッファ用キャパシタにプリチャージ電圧を印加した後に前記記憶用キャパシタから前記バッファ用キャパシタに電荷を読み出すか、
前記直列に接続された前記バッファ用キャパシタと前記記憶用キャパシタの両端に読み出し電圧を印加するか、
のいずれかに応じた前記読み出し用トランジスタの動作状態を判定することにより、前記記憶用キャパシタの部分分極状態を含む多値データの読み出しを行うことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つに記載の不揮発性多値記憶装置。
Read the charge from the storage capacitor to the buffer capacitor after applying a precharge voltage to the buffer capacitor,
Applying a read voltage across the buffer capacitor and the storage capacitor connected in series, or
The multi-value data including the partial polarization state of the storage capacitor is read by determining the operation state of the read transistor according to any one of the above. Nonvolatile multi-value storage device described in 1.
強誘電体の分極状態によりデータを記憶する記憶用キャパシタと、
前記記憶用キャパシタに直列に接続されたバッファ用キャパシタと、
前記記憶用キャパシタと前記バッファ用キャパシタとの接続点であるストレージノードにゲート電極が接続された読み出し用トランジスタと、
前記ストレージノードに主電極が接続された制御用トランジスタと、
前記バッファ用キャパシタに可変プリチャージ電圧を印加した後に前記バッファ用キャパシタから前記記憶用キャパシタに電荷を供給して、前記記憶用キャパシタの部分分極状態と完全分極状態とをそれぞれ形成可能とする書き込み電圧制御回路と、
を備えることを特徴とする不揮発性多値記憶装置。
A storage capacitor for storing data according to the polarization state of the ferroelectric;
A buffer capacitor connected in series to the storage capacitor;
A read transistor having a gate electrode connected to a storage node that is a connection point between the storage capacitor and the buffer capacitor;
A control transistor having a main electrode connected to the storage node;
A write voltage that can supply a charge from the buffer capacitor to the storage capacitor after applying a variable precharge voltage to the buffer capacitor to form a partial polarization state and a complete polarization state of the storage capacitor, respectively. A control circuit;
A non-volatile multi-value storage device comprising:
前記プリチャージ電圧または前記読み出し電圧は、3値以上の多値データのいずれかに相当する2レベル以上の電圧であることを特徴とする請求項に記載の不揮発性多値記憶装置。9. The non-volatile multi-value storage device according to claim 8 , wherein the precharge voltage or the read voltage is a voltage of two or more levels corresponding to any of multi-value data of three or more values. 前記記憶用キャパシタは、互いに並列に接続された複数の記憶セルを有し、
前記複数の記憶セルのそれぞれは、直列に接続された選択用MOSトランジスタと強誘電体キャパシタとを有することを特徴とする請求項に記載の不揮発性多値記憶装置。
The storage capacitor has a plurality of storage cells connected in parallel to each other,
9. The non-volatile multilevel memory device according to claim 8 , wherein each of the plurality of memory cells includes a selection MOS transistor and a ferroelectric capacitor connected in series.
前記記憶用キャパシタは、互いに直列に接続された複数の記憶セルを有し、
前記複数の記憶セルのそれぞれは、並列に接続された選択用MOSトランジスタと強誘電体キャパシタとを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の不揮発性多値記憶装置。
The storage capacitor has a plurality of storage cells connected in series with each other,
The nonvolatile multi-value storage device according to claim 1, wherein each of the plurality of storage cells includes a selection MOS transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel. .
前記記憶用キャパシタは、
互いに直列に接続された複数の選択用MOSトランジスタと、
これら選択用トランジスタの共通主電極にそれぞれ接続された蓄積電極と、前記蓄積電極に対向したプレート電極と、前記蓄積電極と前記プレート電極とに挟まれた強誘電体薄膜とを有する記憶用キャパシタと、
からなるNAND型記憶セル列であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の不揮発性多値記憶装置。
The storage capacitor is
A plurality of selection MOS transistors connected in series with each other;
A storage capacitor having a storage electrode connected to each common main electrode of the selection transistors, a plate electrode facing the storage electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the storage electrode and the plate electrode; ,
The nonvolatile multi-value storage device according to claim 1, wherein the non-volatile multi-value storage device is a NAND-type storage cell string.
前記バッファ用キャパシタの動作電圧範囲における実効容量は、前記記憶用キャパシタの動作電圧範囲における実効容量の1/10以上2倍以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の不揮発性多値記憶装置。  The effective capacitance in the operating voltage range of the buffer capacitor is 1/10 or more and 2 or less of the effective capacitance in the operating voltage range of the storage capacitor. The nonvolatile multi-value storage device described. 前記バッファ用キャパシタは、強誘電体キャパシタであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の不揮発性多値記憶装置。  The nonvolatile multilevel storage device according to claim 1, wherein the buffer capacitor is a ferroelectric capacitor. 前記バッファ用キャパシタは、常誘電体キャパシタであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の不揮発性多値記憶装置。  The nonvolatile multi-value storage device according to claim 1, wherein the buffer capacitor is a paraelectric capacitor.
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