JP3805659B2 - Driving method of semiconductor memory device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体キャパシタを備えた半導体記憶装置及びその駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体キャパシタを備えた半導体記憶装置としては、無制限の読み出し回数を提供できる不揮発メモリとして期待されている。
【0003】
以下、従来の強誘電体キャパシタを備えた半導体記憶装置について図8を参照しながら説明する。
【0004】
図8に示すように、シリコン基板1の表面部にソース領域2及びドレイン領域3が形成されている。そして、シリコン基板1の上におけるソース領域2とドレイン領域3との間には、シリコン酸化膜4、ジルコン−チタン酸鉛(PZT)又はタンタル酸ビスマスストロンチウム(SBT)等の金属酸化物からなる強誘電体膜5及びゲート電極6が順次形成されており、これらによって、強誘電体FETが構成されている。
【0005】
この構成において、強誘電体膜5の分極の方向は上向き又は下向きに設定することができ、この分極の2つの状態(上向き又は下向きの状態)に対応して、シリコン基板1におけるゲート電極6の下側領域の界面ポテンシャルの深さを異なる2つの状態に設定することができる。この界面ポテンシャルの深さは、強誘電体FETのソース・ドレイン間の抵抗と対応するため、強誘電体膜5の分極の向きによってソース・ドレイン間の抵抗は高い値及び低い値のうちのいずれかとなる。強誘電体膜5の分極が保持される限り、分極の上向き又は下向きの状態は保持(記憶)されるので、強誘電体FETは不揮発性のメモリ装置として用いることができる。
【0006】
このような構成の強誘電体FETにおいては、例えば強誘電体膜5の分極が下向きである状態をデータ“1”に対応させると共に、分極が上向きである状態をデータ“0”に対応させる。例えばシリコン基板1の下面に接地電位を印加すると共にゲート電極6に強い正の電圧を印加すると強誘電体膜5の分極を下向きに設定することができ、また、シリコン基板1の下面に接地電位を印加すると共にゲート電極6に強い負の電圧を印加すると強誘電体膜5の分極を上向きに設定することができる。尚、強誘電体膜5の分極を下向き又は上向きに設定した後には、ゲート電極6の電位は接地電位にする。
【0007】
図9(a)、(b)及び(c)は、シリコン基板1の導電型をp型とし、ソース領域2及びドレイン領域3の導電型をn型としたときのエネルギーバンド図を示しており、図9(a)は分極が下向きの場合(データ“1”の場合)を示し、図9(b)は分極が上向きの場合(データ“0”の場合)を示し、図9(c)は熱平衡のエネルギー状態を示している。図9(a)〜(c)において、11はゲート電極6の伝導帯を示し、12は強誘電体膜5のエネルギーバンドを示し、13はシリコン酸化膜4のエネルギーバンドを示し、14はシリコン基板1のエネルギーバンドを示し、15はシリコン基板1の表面近傍に形成された空乏層のエネルギーバンドを示している。また、白抜きの矢印は強誘電体膜5の分極の方向を示している。
【0008】
分極が下向きの場合(データ“1”の場合)には、図9(a)に示すように、負にイオン化した空乏層15がシリコン基板1における深い領域にまで拡がるので、シリコン基板1の界面ポテンシャルは接地電位よりも下がる。
【0009】
一方、分極が上向きの場合(データ“0”の場合)には、図9(b)に示すように、シリコン基板1の表面にp型のキャリアである正孔が蓄積され、シリコン基板1には空乏層が形成されないから、シリコン基板1の界面ポテンシャルは接地電位になる。
【0010】
このように、分極の向きによって、シリコン基板1におけるゲート電極6の下側の界面ポテンシャルが異なるので、ドレイン・ソース間に電位差を与えると、分極の向きによってドレイン・ソース間を流れる電流が異なることになる。すなわち、シリコン基板1の界面ポテンシャルが接地電位よりも下がった状態(データ“1”の状態)では、ドレイン・ソース間は低抵抗(ON状態)であるから、ドレイン・ソース間に大きな電流が流れ、一方、シリコン基板1の界面ポテンシャルが接地電位である状態(データ“0”の状態)では、ドレイン・ソース間は高抵抗(OFF状態)であるから、ドレイン・ソース間に電流は殆ど流れない。このようにしてドレイン・ソース間の電流値を検出すれば、強誘電体FETがデータ“1”の状態にあるか又はデータ“0”の状態にあるかを知ることができる。
【0011】
このようにして、強誘電体FETがデータ“1”の状態か又はデータ“0”の状態かを知ることができるため、強誘電体FETからデータを読み出したときに、強誘電体膜5の分極は反転しないので、いわゆる非破壊方式のデータ読み出しが可能になる。つまり、データの読み出し後に、分極の向き又は大きさを回復させる動作つまり再書き込み動作を必要としない。
【0012】
このように、強誘電体FETは、非破壊方式の読み出し動作が可能であるから、分極の反転を伴う破壊方式の読み出し動作において生じる強誘電体膜の分極の疲労及び劣化という問題は発生しない。従って、強誘電体FETは無制限の読み出し回数を提供できる不揮発メモリとして期待されている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常、強誘電体FETにおける強誘電体膜5は多数の欠陥準位を有する半導体であって、電子及び正孔は強誘電体膜5の内部を容易に移動できる。
【0014】
このため、図9(a)に示すように強誘電体FETがON状態のときには、電子がゲート電極6の伝導帯11から強誘電体膜5に注入されるため、分極の先頭の電荷が中和され、V字形のポテンシャルの底が次第に上がるので、図9(c)に示すような熱平衡のエネルギー状態に移行する。
【0015】
一方、図9(b)に示すように強誘電体FETがOFF状態のときには、正孔がゲート電極6の伝導帯11から強誘電体膜5に注入されるため、分極の先頭の電荷が中和され、Λ字形のポテンシャルの頂が次第に下がるので、やはり図9(c)に示す熱平衡のエネルギー状態に移行する。
【0016】
その結果、分極は上向き又は下向きというように異なる方向を向いているにも拘わらず、シリコン基板1の界面ポテンシャルが同じレベルになるので、2つの状態をドレイン・ソース間の電流によって区別することが困難であるという問題がある。
【0017】
この問題は、図10に示す分極−電圧(Q−V)平面に描かれた、強誘電体キャパシタのヒステリシス曲線20及び強誘電体FETのゲート容量の負荷線21によって説明することができる。図8に示す強誘電体FETの構造は、強誘電体膜5とシリコン酸化膜4との間に仮想的な電極を介在させると、強誘電体キャパシタと金属−酸化膜−シリコン(MOS)容量との直列回路とみなすことができる。
【0018】
この直列回路において分極が下向き状態(データ“1”の状態)(図8(a)のエネルギーバンド図に相当する状態)である場合、データ書き込み直後の分極は点22にあるが、強誘電体膜5には原点Oから点22までの負のバイアス電圧が印加されている。このバイアス電圧は強誘電体膜5への電子注入の誘因となるので、分極は点22から原点Oに移動する。
【0019】
一方、分極が上向き状態(データ“0”の状態)(図8(b)のエネルギーバンド図に相当する状態)である場合、データ書き込み直後の分極は点23にあるが、強誘電体膜5には原点Oから点23までの正のバイアス電圧が印加されている。このバイアス電圧は強誘電体膜5への正孔注入の誘因となるので、分極は点23から原点Oに移動する。
【0020】
このように、従来の強誘電体FETでは、データ“1”とデータ“0”との差異を、分極の向きにより強誘電体膜5とシリコン酸化膜4との間に誘起される電位の差によって区別するものであるが、強誘電体膜5とシリコン酸化膜4との間に誘起される電位は、誘起された電位を消失させる電子又は正孔が注入される駆動力になる。つまり、強誘電体FETにおいては、強誘電体膜5への電子又は正孔の注入による電圧の消失は避けられないという問題がある。
【0021】
前記に鑑み、本発明は、強誘電体キャパシタに印加される電位差が電子又は正孔の注入により消失しても、強誘電体キャパシタが保持するデータを読み出すことができるようにすることを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第1の半導体記憶装置は、半導体基板上に形成されており、強誘電体膜、強誘電体膜の上に形成された第1の電極及び強誘電体膜の下に形成された第2の電極を有する強誘電体キャパシタと、強誘電体膜の分極の方向が第1の電極から第2の電極に向かう方向又は第2の電極から第1の電極に向かう方向であって且つ強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態、又は強誘電体膜の分極の方向が第1の状態と同じ方向であって且つ強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態を発生させることにより、強誘電体キャパシタに第1の状態又は第2の状態と対応するデータを書き込む手段と、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出することにより、強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出す手段とを備えている。
【0023】
第1の半導体記憶装置によると、強誘電体キャパシタが異なるデータ(例えばデータ“1”とデータ“0”)を保持する2つの状態を、強誘電体膜の分極の方向が互いに同じであって、強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態(例えばデータ“1”の状態)と強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態(例えばデータ“0”の状態)とによって区別するため、強誘電体キャパシタに印加される電位差が電子又は正孔の注入により消失しても、強誘電体キャパシタが保持しているデータを読み出すことができる。
【0024】
第1の半導体記憶装置において、データを書き込む手段は、第1の電極に接続された第1の信号線と第2の電極に接続された第2の信号線との間に電圧を印加して、強誘電体キャパシタに第1の状態又は第2の状態を生じさせることが好ましい。
【0025】
このようにすると、強誘電体キャパシタに第1の状態又は第2の状態を生じさせて、強誘電体キャパシタにデータ“1”又はデータ“0”を書き込む動作を、簡易且つ直接的に行なうことができる。
【0026】
第1の半導体記憶装置において、データを読み出す手段は、第1の電極と第2の電極との間に、強誘電体膜の分極の方向と同じ方向の電場が強誘電体膜に誘起されるような電圧を発生させる手段を有していることが好ましい。
【0027】
このようにすると、強誘電体キャパシタに読み出し電圧が印加されても、強誘電体膜の分極の方向が変化しないため、強誘電体キャパシタはデータを保持し続けることができ、強誘電体の分極の疲労劣化を低減することができる。
【0028】
第1の半導体記憶装置において、データを読み出す手段は、強誘電体キャパシタに直列に接続された容量性負荷と、強誘電体キャパシタと容量性負荷とからなる直列回路の両端に読み出し電圧を印加する手段とを有し、読み出し電圧が強誘電体キャパシタの容量値と容量性負荷の容量値との比に基づき分割されて容量性負荷に誘起される電圧を検出することによって、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出することが好ましい。
【0029】
このようにすると、強誘電体キャパシタと容量性負荷とからなる直列回路の両端に読み出し電圧を印加したときに容量性負荷に誘起される電圧を検出することにより、強誘電体キャパシタに保持されているデータを読み出すことができるので、読み出し動作が簡易になる。
【0030】
第1の半導体記憶装置において、データを読み出す手段は、半導体基板上に形成されておりゲート電極が第2の電極に接続された電界効果型トランジスタと、第1の電極と半導体基板又は電界効果型トランジスタのソース電極との間に読み出し電圧を印加する手段とを有し、読み出し電圧が強誘電体キャパシタの容量値と電界効果型トランジスタのゲート容量値との比に基づき分割されてゲート電極に誘起されることにより電界効果型トランジスタのチャネルコンダクタンスに現われる変化を検出することによって、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出することが好ましい。
【0031】
このようにすると、第1の電極と半導体基板又は電界効果型トランジスタのソース電極との間に読み出し電圧を印加したときに電界効果型トランジスタのゲート電極に誘起される電圧の変化を、電界効果型トランジスタのチャネルコンダクタンスの変化として検出することができるので、読み出し動作が簡易且つ確実になる。
【0032】
第1の半導体記憶装置において、データを読み出す手段は、第2の電極に接続されたビット線と、第1の電極とビット線との間に読み出し電圧を印加する手段とを有し、読み出し電圧が強誘電体キャパシタの容量値とビット線の容量値との比に基づき分割されてビット線に誘起される電圧を検出することによって、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出する手段であってもよい。
【0033】
本発明に係る第2の半導体記憶装置は、強誘電体膜、強誘電体膜の上に形成された第1の電極及び強誘電体膜の下に形成された第2の電極を有する強誘電体キャパシタと、強誘電体キャパシタに直列に接続されたセル選択トランジスタとをそれぞれ有する複数のメモリセルが連続に接続されてなるメモリセルブロックと、メモリセルブロックに接続される共通ノードに書き込み電圧を印加して、複数の強誘電体キャパシタのうちセル選択トランジスタにより選択されている強誘電体キャパシタの強誘電体膜の分極の方向が第1の電極から第2の電極に向かう方向又は第2の電極から第1の電極に向かう方向であって且つ強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態、又は選択されている強誘電体キャパシタの強誘電体膜の分極の方向が第1の状態と同じ方向であって且つ強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態を発生させることにより、選択されている強誘電体キャパシタに第1の状態又は第2の状態と対応するデータを書き込む手段と、
前記共通ノードと前記容量性負荷との間に読み出し電圧を印加する手段とを有し、読み出し電圧が複数の強誘電体キャパシタのうちセル選択トランジスタにより選択されている強誘電体キャパシタの容量値と容量性負荷の容量値との比に基づき分割されて容量性負荷に誘起される電圧を検出することにより、選択されている強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出することによって、選択されている強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出す手段とを備えている。
【0034】
第2の半導体記憶装置によると、強誘電体キャパシタが異なるデータ(例えばデータ“1”とデータ“0”)を保持する2つの状態を、強誘電体膜の分極の方向が互いに同じであって、強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態(例えばデータ“1”の状態)と強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態(例えばデータ“0”の状態)とによって区別するため、強誘電体キャパシタに印加される電位差が電子又は正孔の注入により消失しても、強誘電体キャパシタが保持しているデータを読み出せるメモリセルアレイを実現することができる。
【0035】
本発明に係る第1の半導体記憶装置の駆動方法は、半導体基板上に形成されており、強誘電体膜、強誘電体膜の上に形成された第1の電極及び強誘電体膜の下に形成された第2の電極を有する強誘電体キャパシタにデータを書き込む工程と、強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出す工程とを備え、データを書き込む工程は、強誘電体膜の分極が第1の電極から第2の電極に向かう方向又は第2の電極から第1の電極に向かう方向となり且つ強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態、又は強誘電体膜の分極が第1の状態と同じ方向となり且つ強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態を発生させることにより、強誘電体キャパシタに第1の状態又は第2の状態と対応するデータを書き込む工程を含み、データを読み出す工程は、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出することにより、強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出す工程を含む。
【0036】
第1の半導体記憶装置の駆動方法によると、強誘電体キャパシタが異なるデータ(例えばデータ“1”とデータ“0”)を保持する2つの状態を、強誘電体膜の分極の方向が互いに同じであって、強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態(例えばデータ“1”の状態)と強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態(例えばデータ“0”の状態)とによって区別するため、強誘電体キャパシタに印加される電位差が電子又は正孔の注入により消失しても、強誘電体キャパシタはデータを保持し続けることができ、強誘電体の分極の疲労劣化を低減することができる。
【0037】
第1の半導体記憶装置の駆動方法において、データを書き込む工程は、第1の電極に接続された第1の信号線と第2の電極に接続された第2の信号線との間に電圧を印加して、強誘電体キャパシタに第1の状態又は第2の状態を生じさせる工程を含むことが好ましい。
【0038】
このようにすると、強誘電体キャパシタに第1の状態又は第2の状態を生じさせて、強誘電体キャパシタにデータ“1”又はデータ“0”を書き込む動作を、簡易且つ直接的に行なうことができる。
【0039】
第1の半導体記憶装置の駆動方法において、データを読み出す工程は、第2の信号線の電位を接地電位に設定した後、第2の電極と第2の信号線との接続を切断して第2の電極を浮遊状態とし、その後、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出することにより、強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出す工程を含むことが好ましい。
【0040】
このように、第2の信号線の電位を一旦接地電位に設定すると、第2の電極の電位が確定されるため、読み出し動作よりも前に行なわれた書き込み動作又は読み出し動作により第2の電極に蓄積されている不要な電荷が除去される。また、第2の電極と第2の信号線との接続を切断して第2の電極を浮遊状態にしておいてから読み出し電圧を印加すると、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを確実に検出することができる。
【0041】
第1の半導体記憶装置の駆動方法において、データを読み出す工程は、第1の電極と第2の電極との間に、強誘電体膜の分極の方向と同じ方向の電場が強誘電体膜に誘起されるような電圧を発生させる工程を含むことが好ましい。
【0042】
このようにすると、強誘電体キャパシタに読み出し電圧が印加されても、強誘電体膜の分極の方向が変化しないので、強誘電体キャパシタはデータを保持し続けることができる。
【0043】
第1の半導体記憶装置の駆動方法において、データを読み出す工程は、強誘電体キャパシタと強誘電体キャパシタに直列に接続された容量性負荷とからなる直列回路の両端に読み出し電圧を印加し、読み出し電圧が強誘電体キャパシタの容量値と容量性負荷の容量値との比に基づき分割されて容量性負荷に誘起される電圧を検出することによって、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出する工程を含むことが好ましい。
【0044】
このようにすると、強誘電体キャパシタと容量性負荷とからなる直列回路の両端に読み出し電圧を印加したときに容量性負荷に誘起される電圧を検出することにより、強誘電体キャパシタに保持されているデータを読み出すことができるので、読み出し動作が簡易になる。
【0045】
第1の半導体記憶装置の駆動方法において、データを読み出す工程は、第1の電極と、半導体基板上に形成されておりゲート電極が第2の電極に接続された電界効果型トランジスタのソース電極又は半導体基板との間に読み出し電圧を印加し、読み出し電圧が強誘電体キャパシタの容量値と電界効果型トランジスタのゲート容量値との比に基づき分割されてゲート電極に誘起されることにより電界効果型トランジスタのチャネルコンダクタンスに現われる変化を検出することによって、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出する工程を含むことが好ましい。
【0046】
このようにすると、第1の電極と半導体基板又は電界効果型トランジスタのソース電極との間に読み出し電圧を印加したときに電界効果型トランジスタのゲート電極に誘起される電圧を、電界効果型トランジスタのチャネルコンダクタンスに現われる変化を検出することにより検知することができるので、読み出し動作が簡易且つ確実になる。
【0047】
第1の半導体記憶装置の駆動方法において、データを読み出す工程は、第1の電極と、第2の電極に接続されたビット線との間に読み出し電圧を印加し、読み出し電圧が強誘電体キャパシタの容量値とビット線の容量値との比に基づき分割されてビット線に誘起される電圧を検出することによって、強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出する工程を含んでいてもよい。
【0048】
第1の半導体記憶装置の駆動方法は、強誘電体キャパシタが少なくとも第2の状態である場合、データを読み出す工程において第1の電極に印加された読み出し電圧を除去した後、第2の電極の電位を接地電位に設定する工程をさらに備えていることが好ましい。
【0049】
このようにすると、強誘電体膜の分極はデータが読み出される前の状態に戻るため、強誘電体キャパシタが第2の状態であっても、データの読み出し動作を繰り返し行なうことができる。
【0050】
本発明に係る第2の半導体記憶装置の駆動方法は、強誘電体膜、強誘電体膜の上に形成された第1の電極及び強誘電体膜の下に形成された第2の電極を有する強誘電体キャパシタと、強誘電体キャパシタに直列に接続されたセル選択トランジスタとをそれぞれ有する複数のメモリセルが連続に接続されてなるメモリセルブロックを構成する複数の強誘電体キャパシタのうちセル選択トランジスタにより選択されている強誘電体キャパシタにデータを書き込む工程と、メモリセルブロックを構成する複数の強誘電体キャパシタのうちセル選択トランジスタにより選択されている強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出す工程とを備え、データを書き込む工程は、メモリセルブロックに接続される共通ノードに書き込み電圧を印加して、セル選択トランジスタにより選択されている強誘電体キャパシタの強誘電体膜の分極の方向が第1の電極から第2の電極に向かう方向又は第2の電極から第1の電極に向かう方向であって且つ強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態、又は選択されている強誘電体キャパシタの強誘電体膜の分極の方向が第1の状態と同じ方向であって且つ強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態を発生させることにより、選択されている強誘電体キャパシタに第1の状態又は第2の状態と対応するデータを書き込む工程を含み、データを読み出す工程は、前記共通ノードと前記容量性負荷との間に読み出し電圧を印加し、読み出し電圧がセル選択トランジスタにより選択されている強誘電体キャパシタの容量値と容量性負荷の容量値との比に基づき分割されて容量性負荷に誘起される電圧を検出することにより、選択されている強誘電体キャパシタが第1の状態であるか又は第2の状態であるかを検出することにより、強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出す工程を含む。
【0051】
第2の半導体記憶装置の駆動方法によると、強誘電体キャパシタが異なるデータ(例えばデータ“1”とデータ“0”)を保持する2つの状態を、強誘電体膜の分極の方向が互いに同じであって、強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態(例えばデータ“1”の状態)と強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態(例えばデータ“0”の状態)とによって区別するため、強誘電体キャパシタに印加される電位差が電子又は正孔の注入により消失しても、メモリセルアレイを構成する強誘電体キャパシタが保持しているデータを読み出すことができる。
【0052】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置及びその駆動方法について、図1〜図5を参照しながら説明する。
【0053】
図1は、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の断面構造を示しており、例えばp型のシリコン基板100の表面部には、n型不純物層よりなるソース領域101及びドレイン領域102が形成されており、シリコン基板100の表面部におけるソース領域101とドレイン領域102との間にチャネル領域103が形成される。シリコン基板100の上におけるソース領域101とドレイン領域102との間には、シリコン酸化膜よりなるゲート絶縁膜104を介して浮遊ゲート電極105が設けられている。ソース領域101、ドレイン領域102、チャネル領域103、ゲート絶縁膜104及び浮遊ゲート電極105によって電界効果型トランジスタトランジスタ(以下、FETという)が構成されている。
【0054】
浮遊ゲート電極105の上側には、図示しない絶縁膜を介して強誘電体キャパシタ113が設けられており、該強誘電体キャパシタ113は、強誘電体膜110と、強誘電体膜110の上に形成された第1の電極111と、強誘電体膜110の下に形成された第2の電極112とからなる。第1の電極111には第1の信号線121が接続されていると共に、第2の電極112及び浮遊ゲート電極105には第2の信号線122が接続されている。つまり、第2の電極112と浮遊ゲート電極105とは第2の信号線122を介して接続されている。強誘電体膜110は例えばSBTよりなり、その膜厚は例えば200nmである。この場合、強誘電体膜110の抗電圧はほぼ1Vである。
【0055】
第1の実施形態に係る半導体記憶装置の特徴は、データを書き込む動作時に、強誘電体膜110の分極を変化させるための電圧を第1の信号線121と第2の信号線122との間に直接に印加できる点と、データの読み出し動作の前に、第2の信号線122により浮遊ゲート電極105の電位を確定できる点とである。
【0056】
(データの書き込み動作)
第1の実施形態に係る半導体記憶装置においては、データを書き込む動作は、強誘電体膜110の分極の方向が第1の電極111から第2の電極112に向かう方向(下向きの方向)又は第2の電極112から第1の電極111に向かう方向(上向きの方向)であって且つ強誘電体膜110がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態(例えば、データ“1”)を発生させるか、又は、強誘電体膜110の分極の方向が第1の状態と同じ方向であって且つ強誘電体膜110がほぼ零の分極値を持つ第2の状態(例えばデータ“0”)を発生させることにより行なわれる。つまり、データ“1”の状態とデータ“0”の状態とは、分極の方向は同じであるが分極値が異なる2つの状態により区別される。
【0057】
以下、データの書き込み動作の具体例について、図2に示すQ−V平面に描かれたヒステリシス曲線を参照しながら説明する。図2において、実線は第1の実施形態に係る半導体記憶装置の強誘電体膜110のヒステリシス曲線を示し、破線は従来の強誘電体FETの強誘電体膜5のヒステリシス曲線を示している。
【0058】
尚、以下の説明においては、シリコン基板100の電位は常に接地電位であると仮定し、また、分極の方向が下向きである場合の分極値を正とする。
【0059】
第1の実施形態に係る半導体記憶装置においては、データを書き込む前の強誘電体膜110の分極値はほぼ零であるから、分極の位置は原点Oの近傍にある。
【0060】
強誘電体膜110にデータ“1”を書き込む場合には、例えば第2の信号線122の電位を接地電位に設定すると共に、第1の信号線121の電位を3Vに設定する。このようにすると、強誘電体膜110の分極は実線に沿って原点Oから点a1 まで移動する。その後、第1の信号線121の電位を接地電位にすると、分極は、実線に沿って点a1 から点a0 に移動し、強誘電体膜110は約10μC/cm2 の電荷をデータ“1”として保持する。
【0061】
次に、データ“1”をデータ“0”に書き換える場合には、第2の信号線122の電位を接地電位に設定したまま、第1の信号線121の電位を約−1Vに設定する。このようにすると、強誘電体膜110の分極は、実線に沿って点a0 から点b1 まで移動する。その後、第1の信号線121の電位を接地電位にすると、分極は、実線に沿って点b1 から点b0 に移動する。尚、点b0 は、正で且つ原点Oの近傍の点である。これにより、強誘電体膜110は正であって且つ約0μC/cm2 である電荷をデータ“0”として保持する。
【0062】
尚、データ“0”を書き込むためには、第2の信号線122の電位を接地電位に設定し且つ第1の信号線121の電位を約−1Vに設定する代わりに、第1の信号線121の電位を接地電位に設定し且つ第2の信号線122の電位を1Vに設定してもよい。
【0063】
第1の実施形態においては、データ“0”を書き込むためには、第2の信号線122の電位を接地電位に設定し且つ第1の信号線121の電位を−3Vに設定する必要はない。その理由は、本発明においては、分極による電荷が正であって且つ約0μC/cm2 である状態をデータ“0”と定義するので、データ“0”が書き込まれたときの分極値はほぼ0μC/cm2 であればよいからである。
【0064】
(データの読み出し動作)
第1の実施形態に係る半導体記憶装置においては、データを読み出す動作は、強誘電体膜110がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態(例えば、データ“1”を保持している状態)であるか、又は、強誘電体膜110がほぼ零の分極値を持つ第2の状態(例えばデータ“0”を保持している状態)であるかを検出することにより行なわれる。
【0065】
以下、データの読み出し動作の具体例について説明する。
【0066】
まず、第2の信号線122の電位を接地電位に設定して、浮遊ゲート電極105の電位を確定する。これは、この度の読み出し動作までに行なわれた、書き込み動作及び読み出し動作によって浮遊ゲート電極105に蓄積された不要な電荷を除去するためである。
【0067】
次に、第2の信号線122を周辺回路から切断した後、第1の信号線121に所定の読み出し電圧VR を印加する。読み出し電圧VR は、強誘電体キャパシタ113の容量値とFETのゲート容量値との比に基づいて、強誘電体膜110に加わる電圧とゲート絶縁膜105に加わる電圧とに分割される。
【0068】
以下、この動作について図3を参照しながら説明する。尚、図3において、131は第1の電極111の電位が0VであるときのFETのゲート容量を表す第1の負荷線であり、132は第1の電極111の電位がVR (約2V)であるときのFETのゲート容量を表す第2の負荷線である。
【0069】
強誘電体膜110の分極値が大きい場合(データ“1”を保持している場合)には、浮遊ゲート電極105にはシリコン基板100からみて図3のVG1で表わされる電位が発生している。この場合、強誘電体膜110に印加される電場の方向とデータ“1”を保持している分極の方向とは一致しており、分極は点a0 からa2 まで移動する。分極値はほぼ飽和しているので、読み出し電圧VR を除去しても、分極の向き及び大きさは読み出し動作の前の状態と変わらない。
【0070】
一方、強誘電体膜110の分極値が小さい場合(データ“0”を保持している場合)には、浮遊ゲート電極105にはシリコン基板100からみて図3のVG0で表わされる電位が発生している。この場合にも、強誘電体膜110に印加される電場の方向とデータ“0”を保持している分極の方向とは一致しており、分極は点b0 からb2 まで移動する。
【0071】
ところで、強誘電体膜110の分極値が小さい場合(データ“0”を保持している場合)にデータの読み出し動作を繰り返すと、分極値が次第に大きくなって、データ“1”とデータ“0”との分極値の差が小さくなって、データの区別ができなくなってしまう。
【0072】
そこで、第2の信号線122を開放した状態で第1の信号線121を接地して、読み出し電圧VR を除去する。このようにすると、強誘電体膜110にはVR と逆の電位差が生じるので、分極は小さいヒステリシス曲線に沿って点b2 から点b3 を経て点b4 に移動する。その後、第2の信号線122を接地すると、分極は点b4 から点b0 に戻るので、強誘電体膜110の分極値が小さい状態(データ“0”を保持している状態)が復元される。
【0073】
従って、強誘電体膜110の分極値が小さい場合(データ“0”を保持している場合)にデータの読み出し動作を繰り返し行なっても、データを読み出すことができる。
【0074】
ところで、読み出し電圧VR の印加によってFETの浮遊ゲート電極105に印加される電圧には、図3から明らかなように、VG0>VG1の関係がある。
【0075】
本件発明者らの実験によれば、強誘電体キャパシタの容量値をFETのゲート容量値のほぼ4倍に設定した場合に、読み出し電圧VR を2Vにすると、浮遊ゲート電極105にはほぼ0.5Vの電圧が誘起され、VG0とVG1との差はほぼ60mVになった。
【0076】
このように、第1の実施形態によると、データ“1”及びデータ“0”のいずれを読み出す場合でも、分極は読み出し動作の後に元の位置に自動的に復帰するので、読み出し動作後に再書き込み動作を必要とせず、いわゆる非破壊方式の読み出し動作を実現することができる。
【0077】
また、第1の実施形態によると、データ“1”及びデータ“0”のいずれも読み出しても、分極は反転しない(分極が負にならない)ので、分極の疲労劣化は大幅に低減する。
【0078】
以下、第1の実施形態に係る半導体記憶装置を評価するために行なったテスト結果について図4及び図5を参照しながら説明する。
【0079】
図4に示す等価回路において、データ“1”を書き込むときには強誘電体キャパシタCFの第1の電極と第2の電極との間に書き込み電圧VW =5Vを印加する一方、データ“0”を書き込むときには強誘電体キャパシタCFの第1の電極と第2の電極との間に書き込み電圧VW =−1Vを印加し、また、データを読み出すときには、セット線SETに読み出し電圧VR =2.2Vをパルス状に連続して印加し、読み出し用電界効果型トランジスタQa の出力VOUT を測定した。
【0080】
図5は、図4に示す等価回路を用いてデータを読み出したときにおける、読み出し回数と出力VOUT との関係を示している。図5から分かるように、読み出し電圧VR を1012回印加しても、データ“1”及びデータ“0”のいずれにおいても、出力レベルの差に変化は殆ど現われず、出力レベルの差がほぼ一定であること、つまり分極の疲労劣化が現れないことが実証された。
【0081】
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体記憶装置及びその駆動方法について、図6を参照しながら説明する。
【0082】
図6に示すように、第2の実施形態に係る半導体記憶装置は、第1の実施形態に係る強誘電体キャパシタ113と同様の構成であって、強誘電体膜、強誘電体膜の上に形成された第1の電極及び強誘電体膜の下に形成された第2の電極を有する強誘電体キャパシタCF0 、CF1 、……、CFn と、ソース領域が各強誘電体キャパシタCF0 、CF1 、……、CFn の第2の電極に接続されたセル選択トランジスタQ0 、Q1 、……、Qn とを有する複数のメモリセルが連続に接続されてなるメモリセルブロックを備えている。
【0083】
メモリセルブロックは、一端がセル選択トランジスタQ0 、Q1 、……、Qn の各ドレイン領域に共通に接続された第1の共通ノード201と、一端が各強誘電体キャパシタCF0 、CF1 、……、CFn の第1の電極に共通に接続された第2の共通ノード202と、一端が第1の共通ノード201の他端に接続された制御線203と、ゲート電極が第1の共通ノード201の他端に接続された読み出しトランジスタ(容量性負荷)204と、ドレイン領域がセット線SETに接続され且つソース領域が第2の共通ノード202の他端に接続されたブロック選択トランジスタ205と、ドレイン領域が制御線203の他端に接続され且つソース領域がリセット線RSTに接続されたリセットトランジスタ206とを備えている。
【0084】
また、セル選択トランジスタQ0 、Q1 、……、Qn の各ゲート電極にはワード線WL0 、WL1 、……、WLn が接続され、読み出しトランジスタ204のドレイン領域はリセット線RSTに接続され、読み出しトランジスタ204のソース領域はビット線BLに接続されている。
【0085】
尚、リセット線RSTは、読み出しトランジスタ204のソース領域に接続されているが、これに代えて、読み出しトランジスタ204が形成されている半導体基板(図6において上向きの矢印で示す部分)に接続されていてもよい。
【0086】
(データの書き込み動作)
以下、データを書き込む動作について説明する。
【0087】
まず、ブロック選択トランジスタ205をON状態にしてセット線SETと第2の共通ノード202とを導通させると共に、リセットトランジスタ206をON状態してリセット線RSTと制御線203とを導通させる。また、データを書き込むメモリセルのワード線をON状態にして、データを書き込むメモリセルを構成するセル選択トランジスタを導通させる。
【0088】
次に、セット線SETとリセット線RSTとの間に電位差を与えて、第2の共通ノード202と制御線203との間に書き込み電圧VWRを印加すると、複数の強誘電体キャパシタCF0 、CF1 、……、CFn のうち選択された強誘電体キャパシタの第1の電極と第2の電極との間に書き込み電圧VWRが直接に印加されるので、選択された強誘電体キャパシタにデータが書き込まれる。
【0089】
書き込み電圧VWRの大きさは、第1の実施形態と同様であって、強誘電体膜の分極が第1の電極から第2の電極に向かう方向又は第2の電極から第1の電極に向かう方向であって且つ強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態(データ“1”の状態)を発生させるか、又は、強誘電体膜の分極が第1の状態と同じ方向であって且つ強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態(データ“0”の状態)を発生させることにより行なわれる。
【0090】
(データの読み出し動作)
以下、データの読み出し動作について説明する。
【0091】
まず、ブロック選択トランジスタ205をON状態にしてセット線SETと第2の共通ノード202とを接続させる。また、リセットトランジスタ206をオン状態にして制御線203を一旦接地した後、リセットトランジスタ206をオフ状態にして制御線203とリセット線RSTとの接続を切断して制御線203を浮遊電位にする。また、データを読み出すメモリセルのワード線をON状態にして、データを書き込むメモリセルを構成するセル選択トランジスタを導通させる。
【0092】
次に、セット線SETとリセット線RSTとの間に電位差を与えて、第2の共通ノード202とリセット線RSTとの間に読み出し電圧VR を印加すると、該読み出し電圧VR は選択された強誘電体キャパシタの容量値と読み出しトランジスタ204のゲート容量値との比に基づいて分割され、分割された電圧が読み出しトランジスタ204のゲート電極に印加される。すなわち、選択された強誘電体キャパシタに記憶されているデータ(“1”又は“0”)に応じて決まる電圧が読み出しトランジスタ204のゲート電極に印加されるので、読み出しトランジスタ204のドレイン・ソース間を流れる電流、ひいては読み出しトランジスタ204のチャネルコンダクタンスを検出することにより、選択された強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出すことができる。
【0093】
第2の実施形態によると、第1の実施形態と同様、データ“1”及びデータ“0”のいずれを読み出す場合でも、読み出し動作後に再書き込み動作を必要とせず、いわゆる非破壊方式の読み出し動作を実現することができる。
【0094】
また、第2の実施形態によると、データを読み出した後に分極が反転しない(分極が負にならない)ので、分極の疲労劣化は大幅に低減する。
【0095】
さらに、読み出しトランジスタ204を複数の強誘電体キャパシタで共有するため、面積効率に優れた集積度の高いメモリアレイを実現できる。
【0096】
(第2の実施形態の変形例)
以下、本発明の第2の実施形態の変形例に係る半導体記憶装置及びその駆動方法について、図7を参照しながら説明する。
【0097】
第2の実施形態の変形例は、第2の実施形態に比べて、第1の共通ノード201がビット線になると共に、該第1の共通ノード201の他端に接続される容量性負荷が異なるのみであり、その他の構成については第2の実施形態と同様であるから、以下においては、容量性負荷についてのみ説明する。
【0098】
第1の共通ノード201にビット線容量207が接続されていると共に、第1の共通ノード201の他端にはセンスアンプ208が接続されている。
【0099】
データの読み出し動作において、第2の共通ノード202とリセット線RSTとの間に読み出し電圧VR を印加すると、該読み出し電圧VR は選択された強誘電体キャパシタの容量値とビット線容量207の容量値との比に基づいて分割され、分割された電圧がセンスアンプ208に印加される。すなわち、選択された強誘電体キャパシタに記憶されているデータ(“1”又は“0”)に応じて決まる電圧をセンスアンプ208により検出することにより、選択された強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出すことができる。
【0100】
【発明の効果】
本発明に係る第1若しくは第2の半導体記憶装置又は第1若しくは第2の半導体記憶装置の駆動方法によると、強誘電体キャパシタが異なるデータを保持する2つの状態を、強誘電体膜の分極の方向が互いに同じであって、強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態と強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態とによって区別するため、強誘電体キャパシタに印加される電位差が電子又は正孔の注入により消失しても、強誘電体キャパシタはデータを保持し続けることができ、強誘電体の分極の疲労劣化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る半導体記憶装置の断面図である。
【図2】第1の実施形態に係る半導体記憶装置にデータ“1”又はデータ“0”を書き込む際における、第1の電極の電位と強誘電体膜の分極との関係を示す図である。
【図3】第1の実施形態に係る半導体記憶装置からデータ“1”又はデータ“0”を読み出す際における、浮遊ゲート電極の電位と強誘電体膜の分極との関係を示す図である。
【図4】第1の実施形態に係る半導体記憶装置の等価回路図である。
【図5】第1の実施形態に係る半導体記憶装置に読み出し電圧をパルス的に印加したときの読み出し回数と出力との関係を示す図である。
【図6】第2の実施形態に係る半導体記憶装置の構成を示す回路図である。
【図7】第2の実施形態の変形例に係る半導体記憶装置の構成を示す回路図である。
【図8】従来の半導体記憶装置の断面を示す図である。
【図9】(a)〜(c)は従来の半導体記憶装置におけるゲート電極とシリコン基板との間のエネルギーバンド図である。
【図10】従来の半導体記憶装置にデータ“1”又はデータ“0”を書き込む際における、ゲート電極の電位と強誘電体膜の分極との関係を示す図である。
【符号の説明】
100 シリコン基板
101 ソース領域
102 ドレイン領域
103 チャネル領域
104 ゲート絶縁膜
105 浮遊ゲート電極
110 強誘電体膜
111 第1の電極
112 第2の電極
113 強誘電体キャパシタ
121 第1の信号
122 第2の信号
131 第1の負荷線
132 第2の負荷線
201 第1の共通ノード
202 第2の共通ノード
203 制御線
204 読み出しトランジスタ
205 ブロック選択トランジスタ
206 リセットトランジスタ
207 ビット線容量
208 センスアンプ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device including a ferroelectric capacitor and a driving method thereof.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor memory device including a ferroelectric capacitor is expected as a nonvolatile memory that can provide an unlimited number of readings.
[0003]
Hereinafter, a conventional semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor will be described with reference to FIG.
[0004]
As shown in FIG. 8, a source region 2 and a drain region 3 are formed on the surface portion of the silicon substrate 1. Between the source region 2 and the drain region 3 on the silicon substrate 1, a strong oxide made of a metal oxide such as a silicon oxide film 4, zircon-lead zirconate titanate (PZT) or bismuth strontium tantalate (SBT). A dielectric film 5 and a gate electrode 6 are sequentially formed, and a ferroelectric FET is constituted by these.
[0005]
In this configuration, the direction of polarization of the ferroelectric film 5 can be set upward or downward, and the gate electrode 6 of the silicon substrate 1 corresponds to two states (upward or downward) of this polarization. The depth of the interface potential in the lower region can be set to two different states. Since the depth of the interface potential corresponds to the resistance between the source and the drain of the ferroelectric FET, the resistance between the source and the drain is either a high value or a low value depending on the polarization direction of the ferroelectric film 5. It becomes. As long as the polarization of the ferroelectric film 5 is maintained, the upward or downward polarization state is maintained (stored), so that the ferroelectric FET can be used as a nonvolatile memory device.
[0006]
In the ferroelectric FET having such a configuration, for example, a state in which the polarization of the ferroelectric film 5 is downward is associated with data “1”, and a state in which the polarization is upward is associated with data “0”. For example, when a ground potential is applied to the lower surface of the silicon substrate 1 and a strong positive voltage is applied to the gate electrode 6, the polarization of the ferroelectric film 5 can be set downward, and the ground potential is applied to the lower surface of the silicon substrate 1. When a strong negative voltage is applied to the gate electrode 6, the polarization of the ferroelectric film 5 can be set upward. Note that after the polarization of the ferroelectric film 5 is set downward or upward, the potential of the gate electrode 6 is set to the ground potential.
[0007]
FIGS. 9A, 9B and 9C show energy band diagrams when the conductivity type of the silicon substrate 1 is p-type and the conductivity type of the source region 2 and the drain region 3 is n-type. 9A shows the case where the polarization is downward (data “1”), FIG. 9B shows the case where the polarization is upward (data “0”), and FIG. Indicates the energy state of thermal equilibrium. 9A to 9C, 11 indicates the conduction band of the gate electrode 6, 12 indicates the energy band of the ferroelectric film 5, 13 indicates the energy band of the silicon oxide film 4, and 14 indicates silicon. An energy band of the substrate 1 is shown, and 15 is an energy band of a depletion layer formed near the surface of the silicon substrate 1. A white arrow indicates the direction of polarization of the ferroelectric film 5.
[0008]
When the polarization is downward (in the case of data “1”), as shown in FIG. 9A, the negatively ionized depletion layer 15 extends to a deep region in the silicon substrate 1. Potential drops below ground potential.
[0009]
On the other hand, when the polarization is upward (in the case of data “0”), holes as p-type carriers are accumulated on the surface of the silicon substrate 1 as shown in FIG. Since no depletion layer is formed, the interface potential of the silicon substrate 1 becomes the ground potential.
[0010]
As described above, since the interface potential on the lower side of the gate electrode 6 in the silicon substrate 1 differs depending on the direction of polarization, if a potential difference is given between the drain and source, the current flowing between the drain and source differs depending on the direction of polarization. become. That is, when the interface potential of the silicon substrate 1 is lower than the ground potential (data “1” state), the drain and the source have a low resistance (ON state), and thus a large current flows between the drain and the source. On the other hand, in the state where the interface potential of the silicon substrate 1 is the ground potential (data “0” state), the drain-source has a high resistance (OFF state), so that almost no current flows between the drain-source. . By detecting the current value between the drain and the source in this way, it is possible to know whether the ferroelectric FET is in the data “1” state or the data “0” state.
[0011]
In this manner, since it is possible to know whether the ferroelectric FET is in the data “1” state or the data “0” state, when the data is read from the ferroelectric FET, the ferroelectric film 5 Since the polarization is not reversed, so-called nondestructive data reading becomes possible. That is, after the data is read, an operation for restoring the direction or size of polarization, that is, a rewriting operation is not required.
[0012]
Thus, since the ferroelectric FET can perform a nondestructive read operation, the problem of fatigue and deterioration of the polarization of the ferroelectric film that occurs in the destructive read operation accompanied by polarization inversion does not occur. Accordingly, the ferroelectric FET is expected as a nonvolatile memory that can provide an unlimited number of readings.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, normally, the ferroelectric film 5 in the ferroelectric FET is a semiconductor having a large number of defect levels, and electrons and holes can easily move inside the ferroelectric film 5.
[0014]
Therefore, as shown in FIG. 9A, when the ferroelectric FET is in the ON state, electrons are injected from the conduction band 11 of the gate electrode 6 into the ferroelectric film 5, so that the charge at the beginning of the polarization is medium. As a result, the bottom of the V-shaped potential gradually rises, and a transition is made to a thermal equilibrium energy state as shown in FIG.
[0015]
On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the ferroelectric FET is in the OFF state, holes are injected from the conduction band 11 of the gate electrode 6 into the ferroelectric film 5, so that the charge at the head of polarization is medium. Since the sum of the Λ-shaped potential is gradually lowered, the energy state of the thermal equilibrium shown in FIG.
[0016]
As a result, the interface potential of the silicon substrate 1 becomes the same level even though the polarization is directed in different directions such as upward or downward, so that the two states can be distinguished by the current between the drain and the source. There is a problem that it is difficult.
[0017]
This problem can be explained by the hysteresis curve 20 of the ferroelectric capacitor and the load line 21 of the gate capacitance of the ferroelectric FET drawn on the polarization-voltage (QV) plane shown in FIG. The structure of the ferroelectric FET shown in FIG. 8 is that when a virtual electrode is interposed between the ferroelectric film 5 and the silicon oxide film 4, the ferroelectric capacitor and the metal-oxide film-silicon (MOS) capacitor are provided. It can be regarded as a series circuit.
[0018]
In this series circuit, when the polarization is in the downward state (the state of data “1”) (the state corresponding to the energy band diagram of FIG. 8A), the polarization immediately after the data writing is at point 22, but the ferroelectric substance A negative bias voltage from the origin O to the point 22 is applied to the film 5. Since this bias voltage causes the injection of electrons into the ferroelectric film 5, the polarization moves from the point 22 to the origin O.
[0019]
On the other hand, when the polarization is in the upward state (the state of data “0”) (the state corresponding to the energy band diagram of FIG. 8B), the polarization immediately after the data writing is at the point 23, but the ferroelectric film 5 A positive bias voltage from origin O to point 23 is applied to. Since this bias voltage causes hole injection into the ferroelectric film 5, the polarization moves from the point 23 to the origin O.
[0020]
Thus, in the conventional ferroelectric FET, the difference between the data “1” and the data “0” is the difference in potential induced between the ferroelectric film 5 and the silicon oxide film 4 due to the direction of polarization. The potential induced between the ferroelectric film 5 and the silicon oxide film 4 becomes a driving force for injecting electrons or holes that eliminate the induced potential. That is, in the ferroelectric FET, there is a problem that voltage disappearance due to injection of electrons or holes into the ferroelectric film 5 cannot be avoided.
[0021]
In view of the above, an object of the present invention is to make it possible to read data held in a ferroelectric capacitor even if a potential difference applied to the ferroelectric capacitor disappears due to injection of electrons or holes. To do.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first semiconductor memory device according to the present invention is formed on a semiconductor substrate, and includes a ferroelectric film, a first electrode formed on the ferroelectric film, and a ferroelectric film. A ferroelectric capacitor having a second electrode formed under the dielectric film; and a direction of polarization of the ferroelectric film from the first electrode to the second electrode or from the second electrode to the first A first state in which the ferroelectric film has a polarization value almost saturated, or a direction of polarization of the ferroelectric film is the same direction as the first state, and the ferroelectric film Means for writing the first state or data corresponding to the second state to the ferroelectric capacitor by generating a second state in which the film has a substantially zero polarization value; By detecting whether the state is the second state or the second state, the ferroelectric key And a means for reading data stored in Pashita.
[0023]
According to the first semiconductor memory device, the two directions in which the ferroelectric capacitor holds different data (for example, data “1” and data “0”) have the same direction of polarization of the ferroelectric film. The first state (for example, the state of data “1”) in which the ferroelectric film has a substantially saturated polarization value and the second state (for example, in the case of data “0”) in which the ferroelectric film has a substantially zero polarization value. Therefore, even if the potential difference applied to the ferroelectric capacitor disappears due to the injection of electrons or holes, the data held in the ferroelectric capacitor can be read out.
[0024]
In the first semiconductor memory device, the means for writing data applies a voltage between the first signal line connected to the first electrode and the second signal line connected to the second electrode. It is preferable that the first state or the second state is generated in the ferroelectric capacitor.
[0025]
In this way, the operation of writing the data “1” or the data “0” to the ferroelectric capacitor by causing the first state or the second state to occur in the ferroelectric capacitor can be performed easily and directly. Can do.
[0026]
In the first semiconductor memory device, the means for reading data induces an electric field in the same direction as the polarization direction of the ferroelectric film between the first electrode and the second electrode in the ferroelectric film. It is preferable to have means for generating such a voltage.
[0027]
In this way, even if a read voltage is applied to the ferroelectric capacitor, the direction of polarization of the ferroelectric film does not change, so the ferroelectric capacitor can continue to hold data, and the polarization of the ferroelectric capacitor It is possible to reduce fatigue deterioration.
[0028]
In the first semiconductor memory device, the means for reading data applies a read voltage to both ends of a capacitive load connected in series to the ferroelectric capacitor and a series circuit composed of the ferroelectric capacitor and the capacitive load. Means for detecting the voltage induced in the capacitive load by dividing the read voltage based on the ratio between the capacitance value of the ferroelectric capacitor and the capacitance value of the capacitive load, It is preferable to detect whether the state is the first state or the second state.
[0029]
In this way, the voltage induced in the capacitive load when the read voltage is applied to both ends of the series circuit composed of the ferroelectric capacitor and the capacitive load is held in the ferroelectric capacitor. Since the stored data can be read, the read operation is simplified.
[0030]
In the first semiconductor memory device, means for reading data includes a field effect transistor formed on the semiconductor substrate and having a gate electrode connected to the second electrode, and the first electrode and the semiconductor substrate or the field effect transistor. Means for applying a read voltage between the source electrode of the transistor and the read voltage is divided based on a ratio of a capacitance value of the ferroelectric capacitor and a gate capacitance value of the field effect transistor to be induced in the gate electrode. Thus, it is preferable to detect whether the ferroelectric capacitor is in the first state or the second state by detecting a change appearing in the channel conductance of the field effect transistor.
[0031]
In this way, a change in voltage induced in the gate electrode of the field effect transistor when a read voltage is applied between the first electrode and the semiconductor substrate or the source electrode of the field effect transistor is determined. Since it can be detected as a change in the channel conductance of the transistor, the read operation is simple and reliable.
[0032]
In the first semiconductor memory device, the means for reading data includes a bit line connected to the second electrode and a means for applying a read voltage between the first electrode and the bit line. Is divided based on the ratio between the capacitance value of the ferroelectric capacitor and the capacitance value of the bit line, and detects the voltage induced in the bit line, whereby the ferroelectric capacitor is in the first state or the second state. It may be a means for detecting whether this is the state.
[0033]
A second semiconductor memory device according to the present invention includes a ferroelectric film, a first electrode formed on the ferroelectric film, and a second electrode formed below the ferroelectric film. A memory cell block in which a plurality of memory cells each having a body capacitor and a cell selection transistor connected in series to a ferroelectric capacitor are connected, and a memory cell block Common node connected to The direction of polarization of the ferroelectric film of the ferroelectric capacitor selected by the cell selection transistor among the plurality of ferroelectric capacitors is directed from the first electrode to the second electrode. Or the first state in which the ferroelectric film is in the direction from the second electrode to the first electrode and the ferroelectric film has a substantially saturated polarization value, or the polarization of the ferroelectric film of the selected ferroelectric capacitor The second state is the same direction as the first state and the ferroelectric film has a substantially zero polarization value, thereby causing the selected ferroelectric capacitor to have the first state or Means for writing data corresponding to the second state;
The common node And a means for applying a read voltage between the capacitive load and the capacitance value of the ferroelectric capacitor selected by the cell selection transistor among the plurality of ferroelectric capacitors and the capacitive load Whether the selected ferroelectric capacitor is in the first state or the second state by detecting the voltage induced in the capacitive load by being divided based on the ratio to the capacitance value of Means for reading out data stored in the selected ferroelectric capacitor by detection.
[0034]
According to the second semiconductor memory device, the two directions in which the ferroelectric capacitor holds different data (for example, data “1” and data “0”) have the same direction of polarization of the ferroelectric film. The first state (for example, the state of data “1”) in which the ferroelectric film has a substantially saturated polarization value and the second state (for example, in the case of data “0”) in which the ferroelectric film has a substantially zero polarization value. Therefore, even if the potential difference applied to the ferroelectric capacitor disappears due to injection of electrons or holes, it is possible to realize a memory cell array that can read data held in the ferroelectric capacitor. it can.
[0035]
The first semiconductor memory device driving method according to the present invention is formed on a semiconductor substrate, under the ferroelectric film, the first electrode formed on the ferroelectric film, and the ferroelectric film. A step of writing data to a ferroelectric capacitor having a second electrode formed on the substrate, and a step of reading data stored in the ferroelectric capacitor, wherein the step of writing data comprises polarization of the ferroelectric film. Is a first state in which the direction from the first electrode toward the second electrode or the direction from the second electrode toward the first electrode and the ferroelectric film has a substantially saturated polarization value, or the ferroelectric film The second state is generated in the same direction as the first state and the ferroelectric film generates a second state having a substantially zero polarization value, so that the ferroelectric capacitor corresponds to the first state or the second state. Including the process of writing the data to be read. Out step, by detecting whether the ferroelectric capacitor is or second in the first state condition, comprising the step of reading the data stored in the ferroelectric capacitor.
[0036]
According to the driving method of the first semiconductor memory device, the two directions in which the ferroelectric capacitor holds different data (for example, data “1” and data “0”) are the same in the polarization direction of the ferroelectric film. The first state (for example, the state of data “1”) where the ferroelectric film has a substantially saturated polarization value and the second state (for example, the data “1” where the ferroelectric film has a substantially zero polarization value). Therefore, even if the potential difference applied to the ferroelectric capacitor disappears due to the injection of electrons or holes, the ferroelectric capacitor can continue to hold data. It is possible to reduce the fatigue deterioration of polarization.
[0037]
In the driving method of the first semiconductor memory device, in the data writing step, a voltage is applied between the first signal line connected to the first electrode and the second signal line connected to the second electrode. Preferably, the method includes a step of applying and causing the ferroelectric capacitor to generate the first state or the second state.
[0038]
In this way, the operation of writing the data “1” or the data “0” to the ferroelectric capacitor by causing the first state or the second state to occur in the ferroelectric capacitor can be performed easily and directly. Can do.
[0039]
In the driving method of the first semiconductor memory device, in the step of reading data, the potential of the second signal line is set to the ground potential, and then the connection between the second electrode and the second signal line is disconnected. A step of reading data stored in the ferroelectric capacitor by setting the two electrodes in a floating state and then detecting whether the ferroelectric capacitor is in the first state or the second state. It is preferable to include.
[0040]
As described above, once the potential of the second signal line is set to the ground potential, the potential of the second electrode is determined. Therefore, the second electrode is formed by the write operation or the read operation performed before the read operation. Unnecessary charges accumulated in the substrate are removed. In addition, when the read voltage is applied after the connection between the second electrode and the second signal line is cut to leave the second electrode in a floating state, the ferroelectric capacitor is in the first state or Whether the state is the second state can be reliably detected.
[0041]
In the driving method of the first semiconductor memory device, the step of reading data includes an electric field in the same direction as the polarization direction of the ferroelectric film between the first electrode and the second electrode. It is preferable to include a step of generating a voltage that can be induced.
[0042]
In this way, even if a read voltage is applied to the ferroelectric capacitor, the direction of polarization of the ferroelectric film does not change, so the ferroelectric capacitor can continue to hold data.
[0043]
In the first method for driving a semiconductor memory device, the step of reading data is performed by applying a read voltage to both ends of a series circuit including a ferroelectric capacitor and a capacitive load connected in series to the ferroelectric capacitor. Whether the ferroelectric capacitor is in the first state by detecting a voltage induced in the capacitive load by dividing the voltage based on a ratio between the capacitance value of the ferroelectric capacitor and the capacitance value of the capacitive load Or it is preferable to include the process of detecting whether it is a 2nd state.
[0044]
In this way, the voltage induced in the capacitive load when the read voltage is applied to both ends of the series circuit composed of the ferroelectric capacitor and the capacitive load is held in the ferroelectric capacitor. Since the stored data can be read, the read operation is simplified.
[0045]
In the driving method of the first semiconductor memory device, the step of reading data includes a first electrode and a source electrode of a field effect transistor formed on the semiconductor substrate and having a gate electrode connected to the second electrode. A field-effect type is applied by applying a readout voltage to the semiconductor substrate and inducing the readout voltage to the gate electrode by dividing the readout voltage based on the ratio between the capacitance value of the ferroelectric capacitor and the gate capacitance value of the field-effect transistor. Preferably, the method includes detecting whether the ferroelectric capacitor is in the first state or the second state by detecting a change appearing in the channel conductance of the transistor.
[0046]
In this manner, when a read voltage is applied between the first electrode and the semiconductor substrate or the source electrode of the field effect transistor, a voltage induced in the gate electrode of the field effect transistor is reduced. Since it can be detected by detecting a change appearing in the channel conductance, the read operation is simple and reliable.
[0047]
In the first method for driving a semiconductor memory device, in the step of reading data, a read voltage is applied between the first electrode and the bit line connected to the second electrode, and the read voltage is a ferroelectric capacitor. Whether the ferroelectric capacitor is in the first state or the second state by detecting the voltage induced in the bit line by being divided based on the ratio between the capacitance value of the capacitor and the capacitance value of the bit line May be included.
[0048]
In the method for driving the first semiconductor memory device, when the ferroelectric capacitor is at least in the second state, the read voltage applied to the first electrode is removed in the step of reading data, and then the second electrode It is preferable to further include a step of setting the potential to the ground potential.
[0049]
In this way, the polarization of the ferroelectric film returns to the state before the data is read, so that the data read operation can be repeated even when the ferroelectric capacitor is in the second state.
[0050]
A second semiconductor memory device driving method according to the present invention includes a ferroelectric film, a first electrode formed on the ferroelectric film, and a second electrode formed below the ferroelectric film. Cell among a plurality of ferroelectric capacitors constituting a memory cell block in which a plurality of memory cells each having a ferroelectric capacitor and a cell selection transistor connected in series to the ferroelectric capacitor are connected in series A process of writing data to the ferroelectric capacitor selected by the selection transistor, and data stored in the ferroelectric capacitor selected by the cell selection transistor among the plurality of ferroelectric capacitors constituting the memory cell block And the step of writing data is a memory cell block. To the common node connected to When a write voltage is applied, the direction of polarization of the ferroelectric film of the ferroelectric capacitor selected by the cell selection transistor is the direction from the first electrode to the second electrode or from the second electrode to the first A first state in which the ferroelectric film has a polarization value almost saturated, or a direction of polarization of the ferroelectric film of the selected ferroelectric capacitor is the same as the first state. By generating a second state in which the ferroelectric film has a polarization value of substantially zero, the data corresponding to the first state or the second state is stored in the selected ferroelectric capacitor. A process of reading data, including a process of writing Is the common node Is applied between the capacitive load and the capacitive load, and the readout voltage is divided based on the ratio between the capacitance value of the ferroelectric capacitor selected by the cell selection transistor and the capacitance value of the capacitive load, and thus capacitive. By detecting the voltage induced in the load, it is stored in the ferroelectric capacitor by detecting whether the selected ferroelectric capacitor is in the first state or the second state. A step of reading out the existing data.
[0051]
According to the driving method of the second semiconductor memory device, the two directions in which the ferroelectric capacitor holds different data (for example, data “1” and data “0”) are the same in the polarization direction of the ferroelectric film. The first state (for example, the state of data “1”) where the ferroelectric film has a substantially saturated polarization value and the second state (for example, the data “1” where the ferroelectric film has a substantially zero polarization value). The data stored in the ferroelectric capacitor constituting the memory cell array is read even if the potential difference applied to the ferroelectric capacitor disappears due to the injection of electrons or holes. be able to.
[0052]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
The semiconductor memory device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0053]
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the semiconductor memory device according to the first embodiment. For example, a source region 101 and a drain region 102 made of an n-type impurity layer are formed on a surface portion of a p-type silicon substrate 100. Thus, a channel region 103 is formed between the source region 101 and the drain region 102 in the surface portion of the silicon substrate 100. A floating gate electrode 105 is provided between the source region 101 and the drain region 102 on the silicon substrate 100 via a gate insulating film 104 made of a silicon oxide film. The source region 101, the drain region 102, the channel region 103, the gate insulating film 104, and the floating gate electrode 105 constitute a field effect transistor transistor (hereinafter referred to as FET).
[0054]
A ferroelectric capacitor 113 is provided above the floating gate electrode 105 via an insulating film (not shown). The ferroelectric capacitor 113 is formed on the ferroelectric film 110 and the ferroelectric film 110. The first electrode 111 is formed, and the second electrode 112 is formed under the ferroelectric film 110. A first signal line 121 is connected to the first electrode 111, and a second signal line 122 is connected to the second electrode 112 and the floating gate electrode 105. That is, the second electrode 112 and the floating gate electrode 105 are connected via the second signal line 122. The ferroelectric film 110 is made of, for example, SBT and has a film thickness of, for example, 200 nm. In this case, the coercive voltage of the ferroelectric film 110 is approximately 1V.
[0055]
The semiconductor memory device according to the first embodiment is characterized in that a voltage for changing the polarization of the ferroelectric film 110 is changed between the first signal line 121 and the second signal line 122 during an operation of writing data. And the potential of the floating gate electrode 105 can be determined by the second signal line 122 before the data read operation.
[0056]
(Data write operation)
In the semiconductor memory device according to the first embodiment, the operation of writing data is performed in the direction in which the polarization direction of the ferroelectric film 110 is directed from the first electrode 111 toward the second electrode 112 (downward direction) or A first state (for example, data “1”) is generated in a direction (upward direction) from the second electrode 112 to the first electrode 111 and the ferroelectric film 110 has a substantially saturated polarization value. Or the second state (for example, data “0”) in which the direction of polarization of the ferroelectric film 110 is the same as that of the first state and the ferroelectric film 110 has a substantially zero polarization value. This is done by generating. That is, the state of data “1” and the state of data “0” are distinguished by two states having the same polarization direction but different polarization values.
[0057]
A specific example of the data writing operation will be described below with reference to a hysteresis curve drawn on the QV plane shown in FIG. In FIG. 2, the solid line shows the hysteresis curve of the ferroelectric film 110 of the semiconductor memory device according to the first embodiment, and the broken line shows the hysteresis curve of the ferroelectric film 5 of the conventional ferroelectric FET.
[0058]
In the following description, it is assumed that the potential of the silicon substrate 100 is always the ground potential, and the polarization value when the polarization direction is downward is positive.
[0059]
In the semiconductor memory device according to the first embodiment, the polarization value of the ferroelectric film 110 before the data is written is substantially zero, so the position of the polarization is in the vicinity of the origin O.
[0060]
When data “1” is written to the ferroelectric film 110, for example, the potential of the second signal line 122 is set to the ground potential, and the potential of the first signal line 121 is set to 3V. In this way, the polarization of the ferroelectric film 110 changes from the origin O to the point a along the solid line. 1 Move up. Thereafter, when the potential of the first signal line 121 is set to the ground potential, the polarization is changed along the solid line to the point a. 1 To point a 0 The ferroelectric film 110 is about 10 μC / cm 2 Are stored as data “1”.
[0061]
Next, when data “1” is rewritten to data “0”, the potential of the first signal line 121 is set to about −1V while the potential of the second signal line 122 is set to the ground potential. In this way, the polarization of the ferroelectric film 110 is caused by the point a along the solid line. 0 To point b 1 Move up. Thereafter, when the potential of the first signal line 121 is set to the ground potential, the polarization is along the solid line at the point b. 1 To point b 0 Move to. Note that point b 0 Are positive and near the origin O. Thereby, the ferroelectric film 110 is positive and about 0 μC / cm. 2 Is stored as data “0”.
[0062]
In order to write data “0”, instead of setting the potential of the second signal line 122 to the ground potential and setting the potential of the first signal line 121 to about −1V, the first signal line The potential of 121 may be set to the ground potential, and the potential of the second signal line 122 may be set to 1V.
[0063]
In the first embodiment, in order to write the data “0”, it is not necessary to set the potential of the second signal line 122 to the ground potential and the potential of the first signal line 121 to −3V. . The reason is that in the present invention, the charge due to polarization is positive and about 0 μC / cm. 2 Is defined as data “0”, the polarization value when data “0” is written is approximately 0 μC / cm. 2 This is because it is sufficient.
[0064]
(Data read operation)
In the semiconductor memory device according to the first embodiment, the operation of reading data is performed in a first state where the ferroelectric film 110 has a substantially saturated polarization value (for example, a state where data “1” is held). Or whether the ferroelectric film 110 is in the second state (for example, the state holding data “0”) having a substantially zero polarization value.
[0065]
Hereinafter, a specific example of the data reading operation will be described.
[0066]
First, the potential of the second signal line 122 is set to the ground potential, and the potential of the floating gate electrode 105 is determined. This is for removing unnecessary charges accumulated in the floating gate electrode 105 by the write operation and the read operation performed until this read operation.
[0067]
Next, after the second signal line 122 is disconnected from the peripheral circuit, a predetermined read voltage V is applied to the first signal line 121. R Apply. Read voltage V R Is divided into a voltage applied to the ferroelectric film 110 and a voltage applied to the gate insulating film 105 based on the ratio between the capacitance value of the ferroelectric capacitor 113 and the gate capacitance value of the FET.
[0068]
Hereinafter, this operation will be described with reference to FIG. In FIG. 3, 131 is a first load line representing the gate capacitance of the FET when the potential of the first electrode 111 is 0V, and 132 is the potential of the first electrode 111 being V. R It is the 2nd load line showing the gate capacity of FET when it is (about 2V).
[0069]
When the polarization value of the ferroelectric film 110 is large (when data “1” is held), the floating gate electrode 105 has V in FIG. G1 Is generated. In this case, the direction of the electric field applied to the ferroelectric film 110 coincides with the direction of polarization holding the data “1”, and the polarization is a point a. 0 To a 2 Move up. Since the polarization value is almost saturated, the read voltage V R However, the direction and magnitude of the polarization remain the same as before the reading operation.
[0070]
On the other hand, when the polarization value of the ferroelectric film 110 is small (when data “0” is held), the floating gate electrode 105 has a V of FIG. G0 Is generated. Also in this case, the direction of the electric field applied to the ferroelectric film 110 coincides with the direction of polarization holding data “0”, and the polarization is the point b. 0 To b 2 Move up.
[0071]
By the way, when the data reading operation is repeated when the polarization value of the ferroelectric film 110 is small (when data “0” is held), the polarization value gradually increases, and data “1” and data “0” The difference in the polarization value from “is reduced, and the data cannot be distinguished.
[0072]
Therefore, the first signal line 121 is grounded with the second signal line 122 opened, and the read voltage V R Remove. In this way, the ferroelectric film 110 has V R The opposite of the potential difference, the polarization will follow the point b along the small hysteresis curve 2 To point b Three Through point b Four Move to. Thereafter, when the second signal line 122 is grounded, the polarization is the point b. Four To point b 0 Therefore, the state in which the polarization value of the ferroelectric film 110 is small (the state in which the data “0” is retained) is restored.
[0073]
Therefore, data can be read even if the data read operation is repeated when the polarization value of the ferroelectric film 110 is small (when data “0” is held).
[0074]
By the way, the read voltage V R As is apparent from FIG. 3, the voltage applied to the floating gate electrode 105 of the FET by the application of V G0 > V G1 There is a relationship.
[0075]
According to the experiments by the present inventors, when the capacitance value of the ferroelectric capacitor is set to approximately four times the gate capacitance value of the FET, the read voltage V R Is set to 2V, a voltage of approximately 0.5V is induced in the floating gate electrode 105, and V G0 And V G1 The difference from this was almost 60 mV.
[0076]
As described above, according to the first embodiment, the polarization is automatically restored to the original position after the read operation regardless of whether the data “1” or the data “0” is read. No operation is required, and a so-called non-destructive read operation can be realized.
[0077]
Further, according to the first embodiment, even if both data “1” and data “0” are read, the polarization is not reversed (the polarization does not become negative), so that the fatigue deterioration of the polarization is greatly reduced.
[0078]
Hereinafter, test results performed for evaluating the semiconductor memory device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
[0079]
In the equivalent circuit shown in FIG. 4, when data “1” is written, a write voltage V between the first electrode and the second electrode of the ferroelectric capacitor CF is written. W = 5V is applied, and when data “0” is written, the write voltage V is applied between the first electrode and the second electrode of the ferroelectric capacitor CF. W = -1V is applied, and when reading data, the read voltage V is applied to the set line SET. R = 2.2V is applied continuously in a pulsed manner, and a field effect transistor Q for reading is applied. a Output V OUT Was measured.
[0080]
FIG. 5 shows the number of reads and the output V when data is read using the equivalent circuit shown in FIG. OUT Shows the relationship. As can be seen from FIG. 5, the read voltage V R 10 12 Even when applied repeatedly, there is almost no change in the difference in output level in both data “1” and data “0”, and the difference in output level is almost constant, that is, the fatigue deterioration of polarization does not appear. It was proved.
[0081]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor memory device and a driving method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0082]
As shown in FIG. 6, the semiconductor memory device according to the second embodiment has the same configuration as that of the ferroelectric capacitor 113 according to the first embodiment, and is formed on the ferroelectric film and the ferroelectric film. Ferroelectric capacitor CF having a first electrode formed on the substrate and a second electrode formed below the ferroelectric film 0 , CF 1 , ..., CF n And the source region of each ferroelectric capacitor CF 0 , CF 1 , ..., CF n Cell select transistor Q connected to the second electrode of 0 , Q 1 , ..., Q n And a memory cell block formed by connecting a plurality of memory cells connected in succession.
[0083]
One end of the memory cell block is a cell selection transistor Q 0 , Q 1 , ..., Q n A first common node 201 commonly connected to each drain region of the first and second ferroelectric capacitors CF 0 , CF 1 , ..., CF n A second common node 202 commonly connected to the first electrode, a control line 203 having one end connected to the other end of the first common node 201, and a gate electrode other than the first common node 201. A read transistor (capacitive load) 204 connected to the end, a block select transistor 205 having a drain region connected to the set line SET and a source region connected to the other end of the second common node 202, and a drain region The reset transistor 206 is connected to the other end of the control line 203 and the source region is connected to the reset line RST.
[0084]
The cell selection transistor Q 0 , Q 1 , ..., Q n Each gate electrode has a word line WL 0 , WL 1 , ... WL n Are connected, the drain region of the read transistor 204 is connected to the reset line RST, and the source region of the read transistor 204 is connected to the bit line BL.
[0085]
The reset line RST is connected to the source region of the read transistor 204, but is instead connected to the semiconductor substrate on which the read transistor 204 is formed (portion indicated by an upward arrow in FIG. 6). May be.
[0086]
(Data write operation)
Hereinafter, an operation of writing data will be described.
[0087]
First, the block selection transistor 205 is turned on to make the set line SET and the second common node 202 conductive, and the reset transistor 206 is turned on to make the reset line RST and the control line 203 conductive. In addition, the word line of the memory cell to which data is written is turned on, and the cell selection transistor constituting the memory cell to which data is written is turned on.
[0088]
Next, a potential difference is applied between the set line SET and the reset line RST, and the write voltage V is applied between the second common node 202 and the control line 203. WR Is applied, a plurality of ferroelectric capacitors CF 0 , CF 1 , ..., CF n The write voltage V between the first electrode and the second electrode of the selected ferroelectric capacitor WR Is directly applied, so that data is written to the selected ferroelectric capacitor.
[0089]
Write voltage V WR The size of the ferroelectric film is the same as that in the first embodiment, and the polarization of the ferroelectric film is in the direction from the first electrode toward the second electrode or in the direction from the second electrode toward the first electrode. And the ferroelectric film generates a first state (data “1” state) having a substantially saturated polarization value, or the polarization of the ferroelectric film is in the same direction as the first state. In addition, the ferroelectric film is generated by generating a second state (data “0” state) having a substantially zero polarization value.
[0090]
(Data read operation)
The data read operation will be described below.
[0091]
First, the block selection transistor 205 is turned on to connect the set line SET and the second common node 202. Further, after the reset transistor 206 is turned on and the control line 203 is once grounded, the reset transistor 206 is turned off and the connection between the control line 203 and the reset line RST is disconnected to bring the control line 203 to a floating potential. In addition, the word line of the memory cell from which data is read is turned on, and the cell selection transistor constituting the memory cell to which data is written is turned on.
[0092]
Next, a potential difference is applied between the set line SET and the reset line RST, and the read voltage V is applied between the second common node 202 and the reset line RST. R Is applied to the read voltage V R Is divided based on the ratio between the capacitance value of the selected ferroelectric capacitor and the gate capacitance value of the read transistor 204, and the divided voltage is applied to the gate electrode of the read transistor 204. That is, since a voltage determined according to data (“1” or “0”) stored in the selected ferroelectric capacitor is applied to the gate electrode of the read transistor 204, the voltage between the drain and source of the read transistor 204 The data stored in the selected ferroelectric capacitor can be read out by detecting the current flowing through, and thus the channel conductance of the read transistor 204.
[0093]
According to the second embodiment, as in the first embodiment, when reading either data “1” or data “0”, a rewrite operation is not required after the read operation, and a so-called nondestructive read operation is performed. Can be realized.
[0094]
Further, according to the second embodiment, since the polarization is not reversed after the data is read (the polarization does not become negative), the fatigue deterioration of the polarization is greatly reduced.
[0095]
Furthermore, since the read transistor 204 is shared by a plurality of ferroelectric capacitors, a highly integrated memory array with excellent area efficiency can be realized.
[0096]
(Modification of the second embodiment)
Hereinafter, a semiconductor memory device and a driving method thereof according to a modification of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0097]
In the modification of the second embodiment, the first common node 201 becomes a bit line and the capacitive load connected to the other end of the first common node 201 is different from that of the second embodiment. Since only the difference is the same and the other configuration is the same as that of the second embodiment, only the capacitive load will be described below.
[0098]
A bit line capacitor 207 is connected to the first common node 201, and a sense amplifier 208 is connected to the other end of the first common node 201.
[0099]
In the data read operation, a read voltage V between the second common node 202 and the reset line RST. R Is applied to the read voltage V R Is divided based on the ratio between the capacitance value of the selected ferroelectric capacitor and the capacitance value of the bit line capacitance 207, and the divided voltage is applied to the sense amplifier 208. In other words, the sense amplifier 208 detects the voltage determined according to the data (“1” or “0”) stored in the selected ferroelectric capacitor, and is stored in the selected ferroelectric capacitor. Data can be read.
[0100]
【The invention's effect】
According to the first or second semiconductor memory device or the driving method of the first or second semiconductor memory device according to the present invention, two states in which the ferroelectric capacitor holds different data are changed in the polarization of the ferroelectric film. Are distinguished from each other by a first state in which the ferroelectric film has a polarization value that is substantially saturated and a second state in which the ferroelectric film has a polarization value that is substantially zero. Even if the potential difference applied to the body capacitor disappears due to the injection of electrons or holes, the ferroelectric capacitor can continue to hold data, and fatigue deterioration of the polarization of the ferroelectric can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between the potential of the first electrode and the polarization of the ferroelectric film when data “1” or data “0” is written in the semiconductor memory device according to the first embodiment. .
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the potential of a floating gate electrode and the polarization of a ferroelectric film when reading data “1” or data “0” from the semiconductor memory device according to the first embodiment.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor memory device according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the number of reads and the output when a read voltage is applied in a pulse manner to the semiconductor memory device according to the first embodiment.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor memory device according to a second embodiment.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor memory device according to a modification of the second embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor memory device.
FIGS. 9A to 9C are energy band diagrams between a gate electrode and a silicon substrate in a conventional semiconductor memory device.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the potential of the gate electrode and the polarization of the ferroelectric film when data “1” or data “0” is written in the conventional semiconductor memory device.
[Explanation of symbols]
100 silicon substrate
101 Source area
102 Drain region
103 channel region
104 Gate insulation film
105 Floating gate electrode
110 Ferroelectric film
111 first electrode
112 second electrode
113 Ferroelectric capacitor
121 first signal
122 Second signal
131 First load line
132 Second load line
201 first common node
202 second common node
203 Control line
204 Read transistor
205 Block selection transistor
206 Reset transistor
207 bit line capacity
208 sense amplifier

Claims (5)

半導体基板上に形成されており、強誘電体膜、前記強誘電体膜の上に形成された第1の電極および前記強誘電体膜の下に形成された第2の電極を有する強誘電体キャパシタにデータを書き込む工程と、前記強誘電体キャパシタの第1の電極及び第2の電極のうちの一方の電極に接続された容量負荷を有する検出手段により記強誘電体キャパシタに記憶されているデータを検出して読み出す工程とを備え、
前記データを書き込む工程は、
前記強誘電体膜の分極の方向が前記第1の電極から前記第2の電極に向かう方向又は前記第2の電極から前記第1の電極に向かう方向であって且つ前記強誘電体膜がほぼ飽和した分極値を持つ第1の状態、又は前記強誘電体膜の分極の方向が第1の状態と同じ方向であって且つ前記強誘電体膜がほぼ零の分極値を持つ第2の状態を発生させることにより、前記強誘電体キャパシタに前記第1の状態又は前記第2の状態と対応するデータを書き込む工程を含み、
前記データを読み出す工程は、
1回のデータ読み出し毎に、
前記強誘電体キャパシタと前記容量負荷とからなる直列回路の両端に読み出し電圧を印加し、前記読み出し電圧が前記強誘電体キャパシタの容量値と前記容量負荷の容量値との比に基づき分割されて前記容量負荷に印加される電圧を検出して前記強誘電体膜の分極の偏位を検出することにより、前記データを読み出す第1の工程と、
前記第1の工程の後に、前記読み出し電圧を除去する第2の工程と、
前記第2の工程の後に、前記第2の工程後に発生している前記強誘電体キャパシタの前記第1の電極と前記第2の電極との間の電位差を零にする第3の工程とを行なうことにより、
前記強誘電体キャパシタが前記第1の状態であるか又は前記第2の状態であるかを前記検出手段により検出して前記強誘電体キャパシタに記憶されているデータを読み出す工程を含み、
前記第1の工程で印加される前記読み出し電圧の大きさは、読み出し電圧が印加される際に前記強誘電体膜の分極の方向が変化しない程度の大きさであって、
前記第2の工程で前記読み出し電圧が除去され、その後前記第3の工程で前記強誘電体膜の偏位した分極状態が前記データを読み出す前の分極状態に戻される
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
A ferroelectric formed on a semiconductor substrate and having a ferroelectric film, a first electrode formed on the ferroelectric film, and a second electrode formed below the ferroelectric film The data is stored in the ferroelectric capacitor by a step of writing data to the capacitor and detection means having a capacitive load connected to one of the first electrode and the second electrode of the ferroelectric capacitor. A step of detecting and reading data,
The step of writing the data includes
The direction of polarization of the ferroelectric film is a direction from the first electrode to the second electrode or a direction from the second electrode to the first electrode, and the ferroelectric film is substantially A first state having a saturated polarization value, or a second state in which the direction of polarization of the ferroelectric film is the same direction as the first state and the ferroelectric film has a polarization value of approximately zero And writing data corresponding to the first state or the second state to the ferroelectric capacitor by generating
The step of reading the data includes
Every time data is read once,
A read voltage is applied to both ends of a series circuit including the ferroelectric capacitor and the capacitive load, and the read voltage is divided based on a ratio between a capacitance value of the ferroelectric capacitor and a capacitance value of the capacitive load. A first step of reading the data by detecting a voltage applied to the capacitive load and detecting a polarization deviation of the ferroelectric film;
A second step of removing the read voltage after the first step;
After the second step, a third step of setting a potential difference between the first electrode and the second electrode of the ferroelectric capacitor generated after the second step to zero. By doing
Detecting by the detecting means whether the ferroelectric capacitor is in the first state or the second state, and reading data stored in the ferroelectric capacitor;
The magnitude of the read voltage applied in the first step is such that the polarization direction of the ferroelectric film does not change when the read voltage is applied,
In the semiconductor memory, the read voltage is removed in the second step, and then the polarized state in which the ferroelectric film is displaced is returned to the polarization state before the data is read in the third step. Device driving method.
前記データを書き込む手段は、前記第1の電極に接続された第1の信号線と前記第2の電極に接続された第2の電極に接続された第2の信号線との間に電圧を印加して、前記強誘電体キャパシタに前記第1の状態又は前記第2の状態を生じさせることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置の駆動方法。  The data writing means is configured to apply a voltage between a first signal line connected to the first electrode and a second signal line connected to the second electrode connected to the second electrode. 2. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first state or the second state is generated in the ferroelectric capacitor by applying the ferroelectric capacitor. 前記容量負荷が、前記第2の電極に接続された電界効果型トランジスタであり、
前記データを読み出す工程は、
前記読み出し電圧が前記強誘電体キャパシタの容量値と前記電界効果型トランジスタのゲート容量値との比に基づき分割された電圧が前記電界効果型トランジスタのゲート電極に印加されるときに、前記電界効果型トランジスタのドレイン領域とソース領域との間に流れる電流を検出することによって、前記強誘電体キャパシタが前記第1の状態であるか又は前記第2の状態であるかを検出する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置の駆動方法。
The capacitive load is a field effect transistor connected to the second electrode;
The step of reading the data includes
When the voltage divided based on the ratio of the capacitance value of the ferroelectric capacitor and the gate capacitance value of the field effect transistor is applied to the gate electrode of the field effect transistor, the field effect is obtained. Detecting whether the ferroelectric capacitor is in the first state or the second state by detecting a current flowing between the drain region and the source region of the transistor. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 1.
前記容量負荷が、前記第2の電極に接続されたビット線であり、
前記データを読み出す工程は、
前記読み出し電圧が前記強誘電体キャパシタの容量値と前記ビット線の容量値との比に基づき分割されて前記ビット線に誘起された電圧を検出することによって、前記強誘電体キャパシタが前記第1の状態であるか又は前記第2の状態であるかを検出する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置の駆動方法。
The capacitive load is a bit line connected to the second electrode;
The step of reading the data includes
The read voltage is divided based on a ratio between a capacitance value of the ferroelectric capacitor and a capacitance value of the bit line, and a voltage induced in the bit line is detected, so that the ferroelectric capacitor is the first capacitor. 2. The method of driving a semiconductor memory device according to claim 1, further comprising a step of detecting whether the state is the second state or the second state.
それぞれが強誘電体膜の分極の偏位によってデータを記憶し、互いに直列に接続された複数の強誘電体キャパシタと、前記複数個の強誘電体キャパシタのそれぞれに並列に接続され、前記データを読み出す前記強誘電体キャパシタを選択する複数の選択トランジスタと、直列に接続されている前記複数の強誘電体キャパシタの一端側に接続され、前記選択トランジスタにより選択された前記強誘電体キャパシタの前記強誘電体膜の分極の偏位を検出することにより前記データを読み出すと共に容量負荷を持つ検出手段とを有する半導体記憶装置の駆動方法であって、
前記データを読み出す工程は、
1回のデータ読み出し毎に、
前記強誘電体キャパシタと前記容量負荷とからなる直列回路の両端に読み出し電圧を印加し、前記読み出し電圧が前記強誘電体キャパシタの容量値と前記容量負荷の容量値との比に基づき分割されて前記容量負荷に印加された電圧を検出して前記強誘電体膜の分極の偏位を検出することにより、前記データを読み出す第1の工程と、
前記第1の工程の後に、前記読み出し電圧を除去する第2の工程と、
前記第2の工程の後に、前記第2の工程後に発生している前記強誘電体キャパシタの前記第1の電極と前記第2の電極との間の電位差を零にする第3の工程とを含み、
前記第1の工程で印加される前記読み出し電圧の大きさは、前記強誘電体キャパシタの前記一方の電極と前記他方の電極との間に印加される際に前記強誘電体膜の分極の方向が変化しない程度の大きさであって、
前記第2の工程で前記読み出し電圧が除去され、その後前記第3の工程で前記強誘電体膜の偏位した分極状態が前記データを読み出す前の分極状態に戻される
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
Each stores data according to the polarization deviation of the ferroelectric film, and is connected in parallel to each of the plurality of ferroelectric capacitors connected in series to each other and the plurality of ferroelectric capacitors. A plurality of selection transistors for selecting the ferroelectric capacitors to be read, and one end side of the plurality of ferroelectric capacitors connected in series, and the ferroelectric capacitors selected by the selection transistors are selected. A method for driving a semiconductor memory device having detection means for reading out the data by detecting a polarization deviation of the dielectric film and having a capacitive load,
The step of reading the data includes
Every time data is read once,
A read voltage is applied to both ends of a series circuit including the ferroelectric capacitor and the capacitive load, and the read voltage is divided based on a ratio between a capacitance value of the ferroelectric capacitor and a capacitance value of the capacitive load. A first step of reading the data by detecting a voltage applied to the capacitive load and detecting a polarization deviation of the ferroelectric film;
A second step of removing the read voltage after the first step;
After the second step, a third step of setting a potential difference between the first electrode and the second electrode of the ferroelectric capacitor generated after the second step to zero. Including
The magnitude of the read voltage applied in the first step is the direction of polarization of the ferroelectric film when applied between the one electrode and the other electrode of the ferroelectric capacitor. Is a size that does not change,
In the semiconductor memory, the read voltage is removed in the second step, and then the polarized state in which the ferroelectric film is displaced is returned to the polarization state before the data is read in the third step. Device driving method.
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