JP4069607B2 - Ferroelectric nonvolatile semiconductor memory - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所謂ゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、大容量の強誘電体型不揮発性半導体メモリに関する研究が盛んに行われている。強誘電体型不揮発性半導体メモリ(以下、不揮発性メモリと略称する場合がある)は、高速アクセスが可能で、しかも、不揮発性であり、また、小型で低消費電力であり、更には、衝撃にも強く、例えば、ファイルのストレージやレジューム機能を有する各種電子機器、例えば、携帯用コンピュータや携帯電話、ゲーム機の主記憶装置としての利用、あるいは、音声や映像を記録するための記録メディアとしての利用が期待されている。
【0003】
この不揮発性メモリは、強誘電体薄膜の高速分極反転とその残留分極を利用し、メモリセル(キャパシタ部)における強誘電体層の蓄積電荷量の変化を検出する方式の、高速書き換えが可能な不揮発性メモリであり、基本的には、メモリセル(キャパシタ部)と選択用トランジスタ(スイッチング用トランジスタ)とから構成されている。メモリセルは、例えば、下部電極、上部電極、及び、これらの電極間に挟まれた強誘電体層から構成されている。この不揮発性メモリにおけるデータの書き込みや読み出しは、図28に示す強誘電体のP−Eヒステリシスループを応用して行われる。即ち、強誘電体層に外部電界を加えた後、外部電界を除いたとき、強誘電体層は自発分極を示す。そして、強誘電体層の残留分極は、プラス方向の外部電界が印加されたとき+Pr、マイナス方向の外部電界が印加されたとき−Prとなる。ここで、残留分極が+Prの状態(図28の「D」参照)の場合を「0」とし、残留分極が−Prの状態(図28の「A」参照)の場合を「1」とする。
【0004】
「1」あるいは「0」の状態を判別するために、強誘電体層に例えばプラス方向の外部電界を印加する。これによって、強誘電体層の分極は図28の「C」の状態となる。このとき、データが「0」であれば、強誘電体層の分極状態は、「D」から「C」の状態に変化する。一方、データが「1」であれば、強誘電体層の分極状態は、「A」から「B」を経由して「C」の状態に変化する。データが「0」の場合には、強誘電体層の分極反転は生じない。一方、データが「1」の場合には、強誘電体層に分極反転が生じる。その結果、メモリセルの蓄積電荷量に差が生じる。選択された不揮発性メモリの選択用トランジスタをオンにすることで、この蓄積電荷を信号電流として検出する。データの読み出し後、外部電界を0にすると、データが「0」のときでも「1」のときでも、強誘電体層の分極状態は図28の「D」の状態となってしまう。即ち、読み出し時、データ「1」は、一旦、破壊されてしまう。それ故、データが「1」の場合、マイナス方向の外部電界を印加して、「D」、「E」という経路で「A」の状態とし、データ「1」を再度書き込む。
【0005】
現在主流となっている不揮発性メモリの構造及びその動作は、米国特許第4873664号において、S.Sheffiledらが提案したものである。この不揮発性メモリは、図29に回路図を示すように、2つの不揮発性メモリセルから構成されている。尚、図29において、1つの不揮発性メモリを点線で囲った。各不揮発性メモリセルは、例えば、選択用トランジスタTR11,TR12、メモリセルMC11,MC12から構成されている。
【0006】
尚、2桁、例えば添字「11」は、本来、添字「1,1」と表示すべき添字であるが、表示の簡素化のため、2桁の添字で表示する。3桁の添字も同様である。また、添字「M」を、例えば複数のメモリセルやプレート線を総括的に表示する場合に使用し、添字「m」を、例えば複数のメモリセルやプレート線を個々に表示する場合に使用し、添字「N」を、例えば選択用トランジスタやメモリユニットを総括的に表示する場合に使用し、添字「n」を、例えば選択用トランジスタやメモリユニットを個々に表示する場合に使用する。
【0007】
そして、それぞれの不揮発性メモリセルに相補的なデータを書き込むことにより、1ビットを記憶する。図29において、符号「WL」はワード線を示し、符号「BL」はビット線を示し、符号「PL」はプレート線を意味する。1つの不揮発性メモリに着目すると、ワード線WL1は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。また、ビット線BL1,BL2は、センスアンプSAに接続されている。更には、プレート線PL1は、プレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。
【0008】
このような構造を有する不揮発性メモリにおいて、記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WL1を選択し、更には、プレート線PL1を駆動すると、相補的なデータが、対となったメモリセルMC11,MC12から選択用トランジスタTR11,TR12を介して対となったビット線BL1,BL2に電圧(ビット線電位)として現れる。かかる対となったビット線BL1,BL2の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。
【0009】
1つの不揮発性メモリは、ワード線WL1、及び、対となったビット線BL1,BL2によって囲まれた領域を占めている。従って、仮に、ワード線及びビット線が最短ピッチで配置されるとすると、1つの不揮発性メモリの最小面積は、加工最小寸法をFとしたとき、8F2である。従って、このような構造を有する不揮発性メモリの最小面積は8F2である。
【0010】
このような構造の不揮発性メモリを大容量化しようとした場合、その実現は加工寸法の微細化に依存するしかない。また、1つの不揮発性メモリを構成するために2つの選択用トランジスタ及び2つのメモリセルが必要とされる。更には、ワード線と同じピッチでプレート線を配設する必要がある。それ故、不揮発性メモリを最小ピッチで配置することは殆ど不可能であり、現実には、1つの不揮発性メモリの占める面積は、8F2よりも大幅に増加してしまう。
【0011】
しかも、不揮発性メモリと同等のピッチで、ワード線デコーダ/ドライバWD及びプレート線デコーダ/ドライバPDを配設する必要がある。言い換えれば、1つのロー・アドレスを選択するために2つのデコーダ/ドライバが必要とされる。従って、周辺回路のレイアウトが困難となり、しかも、周辺回路の占有面積も大きなものとなる。
【0012】
不揮発性メモリの面積を縮小する手段の1つが、特開平9−121032号公報から公知である。図30に等価回路を示すように、この特許公開公報に開示された不揮発性メモリは、メモリセルMC1M(例えば、M=4)と、これらのメモリセルMC1Mの一端が並列に接続された選択用トランジスタTR1と、かかる複数のメモリセルMC1Mと対となった複数のメモリセルMC2Mと、これらのメモリセルMC2Mの一端が並列に接続された選択用トランジスタTR2から構成されている。選択用トランジスタTR1,TR2の他端は、それぞれ、ビット線BL1,BL2に接続されている。対となったビット線BL1,BL2は、センスアンプSAに接続されている。また、メモリセルMC1m,MC2m(m=1,2・・・M)の他端はプレート線PLmに接続されており、プレート線PLmはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WLは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。
【0013】
そして、対となったメモリセルMC1m,MC2m(m=1,2・・・M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC1m,MC2m(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLを選択し、プレート線PLj(j≠m)には(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLmを駆動する。ここで、Vccは、例えば、電源電圧である。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC1m,MC2mから選択用トランジスタTR1,TR2を介して対となったビット線BL1,BL2に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL1,BL2の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。
【0014】
対となった不揮発性メモリにおける一対の選択用トランジスタTR1及びTR2は、ワード線WL、及び、対となったビット線BL1,BL2によって囲まれた領域を占めている。従って、仮に、ワード線及びビット線が最短ピッチで配置されるとすると、対となった不揮発性メモリにおける一対の選択用トランジスタTR1及びTR2の最小面積は、8F2である。しかしながら、一対の選択用トランジスタTR1,TR2を、M組の対となったメモリセルMC1m,MC2m(m=1,2・・・M)で共有するが故に、1ビット当たりの選択用トランジスタTR1,TR2の数が少なくて済み、また、ワード線WLの配置も緩やかなので、不揮発性メモリの縮小化を図り易い。しかも、周辺回路についても、1本のワード線デコーダ/ドライバWDとM本のプレート線デコーダ/ドライバPDでMビットを選択することができる。従って、このような構成を採用することで、セル面積が8F2に近いレイアウトを実現可能であり、DRAM並のチップサイズを実現することができる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これらの構造を有する不揮発性メモリに対して微細化を進めた場合、メモリセルの面積を小さくせざるを得ない。しかも、強誘電体層において分極に基づきデータを記憶するので、DRAMにおける絶縁膜のように、強誘電体層の膜厚を薄くしても、強誘電体層における蓄積電荷量が増加せず、蓄積電荷量は、メモリセルの面積に比例して少なくなっていく。
【0016】
例えば、256Mビットの不揮発性メモリを実現する場合、メモリセルの面積は0.1μm2程度となる。このとき、蓄積電荷量は10fC程度となり、ビット線容量を200fFとした場合、50mV程度のセンス信号量(読み出し動作時にビット線に現れる電位)しか得ることができない。このようなセンス信号量では、センスマージンが不十分であり、更に不揮発性メモリに対して微細化を進めた場合、ついには不揮発性メモリに記憶されたデータの読み出しができなくなってしまう。
【0017】
また、プレート線PLmを駆動して、ビット線BL1,BL2から信号を読み出すとき、非選択メモリセルMCjもビット線BL1,BL2に接続されるため、ビット線BL1,BL2には、非選択メモリセルMCjの容量が駆動負荷として追加されてしまう。ビット線BL1,BL2のそれぞれには、通常、数十の不揮発性メモリが選択用トランジスタを介して接続されており、その配線容量と接合容量は相当大きな負荷容量となっている。従って、この負荷容量に、更に、複数の非選択メモリセルの容量が追加されることになり、不揮発性メモリの駆動が著しく困難となる。更に、非選択メモリセルMCjには分極劣化方向に電圧が加わるケースが生じ、この場合、分極量が減少することも、不揮発性メモリの駆動が著しく困難となる一因となる。
【0018】
このような問題を解決するためには、ビット線BL1,BL2を細かく分割して、ビット線BL1,BL2に接続された不揮発性メモリの数を減らし、非選択メモリセルMCj以外の負荷容量を少なくするしかない。しかしながら、このような方策ではセンスアンプの数が増加してしまう。センスアンプは、フリップフロップやバスへの接続用トランジスタ等、多数の構成要素から成るため、センスアンプの占有面積が増大するといった問題が生じる。
【0019】
DRAMにおけるセンス信号量の減少に対処する方策の1つに、ゲインセルと呼ばれる増幅型のメモリセルがある(例えば、特開昭62−67861号公報、特開平1−255269号公報参照)。等価回路図を図31の(A)に示すゲインセルは、書込用トランジスタTRWと、読出用トランジスタTRRと、検出用トランジスタTRDと、キャパシタ部Cから構成されている。ゲインセルへのデータの書き込み時、書込用トランジスタTRWをオン状態とし、キャパシタ部Cに電荷を蓄積させる。ゲインセルからのデータの読み出し時、読出用トランジスタTRRをオン状態とする。一方、検出用トランジスタTRDは、キャパシタ部Cに記憶されたデータに依存して、オン状態あるいはオフ状態となる。
【0020】
このような構成のゲインセルを従来の米国特許第4873664号に開示された不揮発性メモリに適用した場合の等価回路図を、図31の(B)に示す。このようなゲインセルタイプの不揮発性メモリセルは、書込用トランジスタTRW、読出用トランジスタTRR、検出用トランジスタTRD、及び、メモリセルMCから構成することができる。書込用トランジスタTRWの一方のソース/ドレイン領域はビット線BLに接続され、他方のソース/ドレイン領域はメモリセルMCの下部電極に接続されている。検出用トランジスタTRDの一端は所定の電位Vccを有する配線(例えば、不純物層から構成された電源線)に接続され、他端は読出用トランジスタTRRを介してビット線BLに接続されている。更には、メモリセルMCの下部電極は、検出用トランジスタTRDのゲート電極に接続されている。
【0021】
このような構成の不揮発性メモリセルにおいては、データの読み出し時、プレート線PLにパルス電圧を印加し、メモリセルMCにおける分極反転の有無に起因した蓄積電荷量に依存して、ディプレッション型のNMOSFETから構成された検出用トランジスタTRDの動作状態が制御される。即ち、ビット線BLを0ボルトにイコライズした後、読出用トランジスタTRRをオン状態とすると、電源Vccから検出用トランジスタTRD及び読出用トランジスタTRRを介して電流が流れ、ビット線BLに電位が現れるが、かかるビット線BL上の電位は、不揮発性メモリセルに記憶されたデータに依存する。これによって、メモリセルMCに記憶されたデータが「1」であるか「0」であるかを知ることができる。即ち、メモリセルMCにおける小さな蓄積電荷に基づき、大きなビット線負荷を駆動することができる。
【0022】
しかしながら、このような構成の不揮発性メモリにおいては、1つの不揮発性メモリセル当たり、3つのトランジスタが必要とされ、1ビット当たりのセル面積が大幅に増加し、ビット当たりのコストが増加するという問題がある。
【0023】
また、データの読み出し時、プレート線PLにパルス電圧を印加した際、メモリセルを構成する、プレート線PLに接続された上部電極と、検出用トランジスタTRDのゲート電極に接続された下部電極との間に十分な電位差が生じないと、メモリセルMCに分極反転が生じない。然るに、データの読み出し時、検出用トランジスタTRDのゲート電極に接続された下部電極は浮遊状態であり、その負荷容量は検出用トランジスタTRDのゲート容量分程度しかない。従って、プレート線PLにパルス電圧を印加した際、上部電極と下部電極とのカップリングにより、下部電極の電位が大きく上昇してしまい、上部電極と下部電極との間に十分なる電界が形成されず、強誘電体層に分極反転が生じないといった問題がある。逆に、このようなカップリングによる下部電極の電位上昇を抑制するためには、下部電極にメモリセルMCの数倍程度の負荷容量を追加する必要があり、そのためには、別途、キャパシタを追加しなければならなくなる。しかしながら、これでは、セル面積が大幅に増加してしまう。
【0024】
従って、本発明の目的は、1ビット当たりの面積が縮小することができ、しかも、記憶されたデータを確実に読み出すことができる、即ち、十分なセンス信号量を得ることを可能にする、所謂ゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリを提供することにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の第1の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(B−1)選択用トランジスタと、
(B−2)M個(但し、M≧2)のメモリセルから構成されたメモリユニットと、
(B−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックのメモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの選択用トランジスタを介して、信号検出回路に接続されており、
各メモリユニットブロックのメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックの第m番目のプレート線に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
前記信号検出回路は、各メモリユニットブロックのメモリユニットにおける共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果をビット線に電流又は電圧として伝達することを特徴とする。
【0026】
上記の目的を達成するための本発明の第2の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)ビット線と、
(B)書込用トランジスタと、
(C)読出用トランジスタと、
(D)検出用トランジスタと、
(E)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(E−1)選択用トランジスタと、
(E−2)M個(但し、M≧2)のメモリセルから構成されたメモリユニットと、
(E−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックのメモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、及び、書込用トランジスタを介して、ビット線に接続されており、各メモリユニットブロックのメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックの第m番目のプレート線に接続されており、
検出用トランジスタの一端は所定の電位を有する配線に接続され、他端は読出用トランジスタを介してビット線に接続されており、
メモリユニットブロックのメモリセルへのデータの書き込み時、
▲1▼ 書込用トランジスタ、及び、
▲2▼ 該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタ、及び、
▲4▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックのメモリセルに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタ、及び、
▲2▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタ、及び、
▲4▼ 該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、該メモリユニットブロックの該メモリセルに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極に生じた電位により、検出用トランジスタの動作が制御されることを特徴とする。
【0027】
上記の目的を達成するための本発明の第3の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(B−1)選択用トランジスタと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個(但し、N≧2)のメモリユニットと、
(B−3)M×N本のプレート線、
から成り、
各メモリユニットブロックのN個のメモリユニットは、絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの選択用トランジスタを介して、信号検出回路に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックの第[(n−1)M+m]番目のプレート線に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
前記信号検出回路は、各メモリユニットブロックのメモリユニットにおける共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果をビット線に電流又は電圧として伝達することを特徴とする。
【0028】
上記の目的を達成するための本発明の第4の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)ビット線と、
(B)書込用トランジスタと、
(C)読出用トランジスタと、
(D)検出用トランジスタと、
(E)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(E−1)選択用トランジスタと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個(但し、N≧2)のメモリユニットと、
(E−3)M×N本のプレート線、
から成り、
各メモリユニットブロックのN個のメモリユニットは、絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、及び、書込用トランジスタを介して、ビット線に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックの第[(n−1)M+m]番目のプレート線に接続されており、
検出用トランジスタの一端は所定の電位を有する配線に接続され、他端は読出用トランジスタを介してビット線に接続されており、
メモリユニットブロックのメモリセルへのデータの書き込み時、
▲1▼ 書込用トランジスタ、及び、
▲2▼ 該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタ、及び、
▲4▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックのメモリセルに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタ、及び、
▲2▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタ、及び、
▲4▼ 該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、該メモリユニットブロックの該メモリセルに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極に生じた電位により、検出用トランジスタの動作が制御されることを特徴とする。
【0029】
上記の目的を達成するための本発明の第5の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(B−1)N個(但し、N≧2)の選択用トランジスタと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(B−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
各メモリユニットブロックの第n番目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおける共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタを介して、信号検出回路に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックのメモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
前記信号検出回路は、各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおける共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果をビット線に電流又は電圧として伝達することを特徴とする。
【0030】
上記の目的を達成するための本発明の第6の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)ビット線と、
(B)書込用トランジスタと、
(C)読出用トランジスタと、
(D)検出用トランジスタと、
(E)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(E−1)N個(但し、N≧2)の選択用トランジスタと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(E−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
各メモリユニットブロックの第n番目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおける共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、及び、書込用トランジスタを介して、ビット線に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックのメモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されており、
検出用トランジスタの一端は所定の電位を有する配線に接続され、他端は読出用トランジスタを介してビット線に接続されており、
メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットのメモリセルへのデータの書き込み時、
▲1▼ 書込用トランジスタ、及び、
▲2▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタ、
▲4▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ以外の選択用トランジスタ、及び、
▲5▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットのメモリセルに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタ、
▲2▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ以外の選択用トランジスタ、及び、
▲3▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
▲4▼ 読出用トランジスタ、及び、
▲5▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、該メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットの該メモリセルに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極に生じた電位により、検出用トランジスタの動作が制御されることを特徴とする。
【0031】
上記の目的を達成するための本発明の第7の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)N個(但し、N≧2)の信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(B−1)N個の選択用トランジスタと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(B−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
各メモリユニットブロックの第n番目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおける共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタを介して、第n番目の信号検出回路に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックのメモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
第n番目の信号検出回路は、各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおける共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果を第n番目のビット線に電流又は電圧として伝達することを特徴とする。
【0032】
上記の目的を達成するための本発明の第8の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)N本(但し、N≧2)のビット線と、
(B)N個の書込用トランジスタと、
(C)N個の読出用トランジスタと、
(D)N個の検出用トランジスタと、
(E)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(E−1)N個の選択用トランジスタと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(E−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
各メモリユニットブロックの第n番目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおける共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、及び、第n番目の書込用トランジスタを介して、第n番目のビット線に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックのメモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されており、
第n番目の検出用トランジスタの一端は所定の電位を有する配線に接続され、他端は第n番目の読出用トランジスタを介して第n番目のビット線に接続されており、
メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットのメモリセルへのデータの書き込み時、
▲1▼ 第n番目の書込用トランジスタ、及び、
▲2▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、
▲3▼ 第n番目の書込用トランジスタ以外の書込用トランジスタ、
▲4▼ 読出用トランジスタ、
▲5▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ以外の選択用トランジスタ、及び、
▲6▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットのメモリセルに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタ、
▲2▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の読出用トランジスタ以外の読出用トランジスタ、
▲3▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ以外の選択用トランジスタ、及び、
▲4▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
▲5▼ 第n番目の読出用トランジスタ、及び、
▲6▼ 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、該メモリユニットブロックの第n層目のメモリユニットの該メモリセルに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極に生じた電位により、第n番目の検出用トランジスタの動作が制御されることを特徴とする。
【0033】
上記の目的を達成するための本発明の第9の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)2N個(但し、N≧1)の信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(B−1)2N個の選択用トランジスタと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、2N個のメモリユニットと、
(B−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリユニットブロックの2N個のメモリユニットは、絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
各メモリユニットブロックの第n層目(但し、n=1,2・・・,2N)のメモリユニットにおける共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタを介して、第n番目の信号検出回路に接続されており、各メモリユニットブロックの第n層目のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックのメモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
メモリユニットブロックの第(2n’−1)層目及び第2n’層目(但し、n’=1,2・・・,N)のメモリユニットにおけるプレート線が共通とされた2つのメモリセルへのデータの書き込み、及び、データの読み出しが行われ、
第(2n’−1)番目及び第2n’番目の信号検出回路は、各メモリユニットブロックの第(2n’−1)層目及び第2n’層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果を第(2n’−1)番目及び第2n’番目のビット線に電流又は電圧として伝達することを特徴とする。
【0034】
上記の目的を達成するための本発明の第10の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)2N本(但し、N≧1)のビット線と、
(B)2N個の書込用トランジスタと、
(C)2N個の読出用トランジスタと、
(D)2N個の検出用トランジスタと、
(E)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(E−1)2N個の選択用トランジスタと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、2N個のメモリユニットと、
(E−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリユニットブロックの2N個のメモリユニットは、絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
各メモリユニットブロックの第n層目(但し、n=1,2・・・,2N)のメモリユニットにおける共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、及び、第n番目の書込用トランジスタを介して、第n番目のビット線に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n層目のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックのメモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されており、
第n番目の検出用トランジスタの一端は所定の電位を有する配線に接続され、他端は第n番目の読出用トランジスタを介して第n番目のビット線に接続されており、
メモリユニットブロックの第(2n’−1)層目及び第2n’層目(但し、n’=1,2・・・,N)のメモリユニットにおけるプレート線が共通とされた2つのメモリセルへのデータの書き込み時、
▲1▼ 第(2n’−1)番目及び第2n’番目の書込用トランジスタ、及び、
▲2▼ 該メモリユニットブロックの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、
▲3▼ 第(2n’−1)番目及び第2n’番目の書込用トランジスタ以外の書込用トランジスタ、
▲4▼ 読出用トランジスタ、
▲5▼ 該メモリユニットブロックの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の選択用トランジスタ以外の選択用トランジスタ、及び、
▲6▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックの第(2n’−1)層目及び第2n’層目のメモリユニットにおけるプレート線が共通とされた2つのメモリセルに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタ、
▲2▼ 該メモリユニットブロックの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の読出用トランジスタ以外の読出用トランジスタ、
▲3▼ 該メモリユニットブロックの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の選択用トランジスタ以外の選択用トランジスタ、及び、
▲4▼ 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
▲5▼ 第(2n’−1)番目及び第2n’番目の読出用トランジスタ、及び、
▲6▼ 該メモリユニットブロックの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、該メモリユニットブロックの第(2n’−1)層目及び第2n’層目のメモリユニットにおけるプレート線が共通とされた該2つのメモリセルに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極のそれぞれに生じた電位により、第(2n’−1)番目及び第2n’番目の検出用トランジスタの動作が制御されることを特徴とする。
【0035】
尚、本発明の第9の態様あるいは第10の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、或るメモリユニットブロックの第(2n’−1)層目及び第2n’層目(但し、n’=1,2・・・,N)のメモリユニットにおけるプレート線が共通とされた2つのメモリセルへのデータの書き込み、あるいは、データの読み出しを、2つのメモリセルに対して同時に行う。即ち、対となった2つのメモリセルに相補的な1ビットを記憶させる。データの書き込み、あるいは、データの読み出しを2つのメモリセルに対して別々に行えば、実質的に、本発明の第7の態様あるいは第8の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリに包含される。
【0036】
本発明の第1の態様、第3の態様、第5の態様、第7の態様、第9の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいて、信号検出回路は共通の第1の電極の電位変化を検出するが、この電位変化は、選択メモリセルに記憶されたデータに基づいた電位である。
【0037】
本発明の第1の態様〜第10の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリ(以下、これらを総称して、単に、本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリと呼ぶ場合がある)においては、Mの値は、2≦M≦128、好ましくは、4≦M≦32を満足することが望ましい。
【0038】
本発明の第3の態様〜第8の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。また、本発明の第9の態様あるいは第10の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、N≧1を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、1あるいは2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0039】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリにあっては、メモリユニットブロックの数を、選択用トランジスタのソース/ドレイン領域の容量や、信号検出回路あるいは書込用トランジスタと選択用トランジスタとを結ぶ配線の配線容量が、非選択のメモリセルによる負荷容量に対して十分小さな値となるような数とすることが望ましい。より具体的には、メモリユニットブロックの数は、Mの値の2倍以下であることが好ましい。これによって、十分に大きなセンス信号量(ビット線電位)を得ることができる。
【0040】
本発明の第1の態様、第3の態様、第5の態様、第7の態様、第9の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、選択用トランジスタ及び信号検出回路は半導体基板に設けられており、メモリユニットは半導体基板上に形成された絶縁層上に設けられていることが好ましい。
【0041】
本発明の第2の態様、第4の態様、第6の態様、第8の態様、第10の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、例えば、シリコン半導体基板に各種のトランジスタを作製し、かかる各種のトランジスタ上に絶縁層を形成し、この絶縁層上にメモリセルを形成することが、セル面積の縮小化といった観点から好ましい。
【0042】
本発明の第2の態様、第4の態様、第6の態様、第8の態様、第10の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリの具体的な構成として、各種のトランジスタをFETから構成する場合、以下の構成を挙げることができる。即ち、書込用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域はビット線に接続され、他方のソース/ドレイン領域は選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されている。また、検出用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、所定の電位を有する配線(例えば、不純物層から構成された電源線あるいは接地線)に接続され、他方のソース/ドレイン領域は、読出用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続され、読出用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域はビット線に接続されている。更には、選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は共通の第1の電極に接続されている。また、書込用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域あるいは選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、検出用トランジスタのゲート電極に接続されている。尚、例えば、検出用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域が読出用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続された構成には、検出用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域と読出用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域とが1つのソース/ドレイン領域を占める構成が包含される。
【0043】
本発明の第1の態様、第2の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、複数の強誘電体型不揮発性半導体メモリのメモリユニットを絶縁層を介して積層してもよい。また、本発明の第5の態様〜第8の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、メモリユニットブロックを構成するN個のメモリユニットは、同じ絶縁層上に形成されていてもよいし、絶縁層を介して積層されていてもよい。
【0044】
本発明の第3の態様、第4の態様、第9の態様、第10の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、あるいは又、本発明の第5の態様〜第8の態様の好ましい形態に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、メモリユニットを積層構造とすることにより、半導体基板表面を占有するトランジスタの数に制約されることが無くなり、従来の強誘電体型不揮発性半導体メモリに比べて飛躍的に記憶容量を増大させることができ、ビット記憶単位の実効占有面積を大幅に縮小することが可能となる。
【0045】
本発明の第3の態様〜第10の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、更には、ロー方向のアドレス選択は選択用トランジスタとプレート線とによって構成された二次元マトリクスにて行う。例えば、8個の選択用トランジスタとプレート線8本とでロー・アドレスの選択単位を構成すれば、16個のデコーダ/ドライバ回路で、例えば、64ビットあるいは32ビットのメモリセルを選択することができる。従って、強誘電体型不揮発性半導体メモリの集積度が従来と同等でも、記憶容量を4倍あるいは2倍とすることができる。また、アドレス選択における周辺回路や駆動配線数を削減することができる。
【0046】
本発明の第1の態様〜第8の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、実用的には、かかる強誘電体型不揮発性半導体メモリを一対とし(便宜上、不揮発性メモリ−A、不揮発性メモリ−Bと呼ぶ)、一対の強誘電体型不揮発性半導体メモリを構成するビット線は、同一のセンスアンプに接続されている構成とすることができる。そして、この場合、不揮発性メモリ−Aを構成する選択用トランジスタと、不揮発性メモリ−Bを構成する選択用トランジスタとは、同一のワード線に接続されていてもよいし、異なるワード線に接続されていてもよい。不揮発性メモリ−A及び不揮発性メモリ−Bの構成及び駆動方法に依り、不揮発性メモリ−Aと不揮発性メモリ−Bとを構成するそれぞれのメモリセルに1ビットを記憶させることもできるし、不揮発性メモリ−Aを構成するメモリセルの1つと、このメモリセルと同じプレート線に接続された不揮発性メモリ−Bを構成するメモリセルの1つとを対として、これらの対となったメモリセルに相補的なデータを記憶させることもできる。
【0047】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリにあっては、選択用トランジスタのワード線、プレート線が共有された複数の強誘電体型不揮発性半導体メモリ(メモリアレイ)に対して、一括して、データの書き込み、あるいは、データの読み出し及び再書き込みを行う。即ち、メモリアレイ内の全ての強誘電体型不揮発性半導体メモリが一括して、順次、作動状態となり、あるいは又、一括して不作動(待機)状態となる。
【0048】
本発明の第3の態様、第4の態様、第9の態様、第10の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、あるいは又、本発明の第5の態様〜第8の態様の好ましい形態に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、上方に位置するメモリユニットのメモリセルを構成する強誘電体層の結晶化温度が、下方に位置するメモリユニットのメモリセルを構成する強誘電体層の結晶化温度よりも低いことが好ましい。ここで、メモリセルを構成する強誘電体層の結晶化温度は、例えば、X線回折装置や表面走査型電子顕微鏡を用いて調べることができる。具体的には、例えば、強誘電体材料層を形成した後、強誘電体材料層の結晶化を行うための熱処理温度を種々変えて結晶化促進のための熱処理を行い、熱処理後の強誘電体材料層のX線回折分析を行い、強誘電体材料に特有の回折パターン強度(回折ピークの高さ)を評価することによって、強誘電体層の結晶化温度を求めることができる。
【0049】
ところで、メモリユニットが積層された構成を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリを製造する場合、強誘電体層、あるいは、強誘電体層を構成する強誘電体薄膜の結晶化のために、熱処理(結晶化熱処理と呼ぶ)を積層されたメモリユニットの段数だけ行わなければならない。従って、下段に位置するメモリユニットほど長時間の結晶化熱処理を受け、上段に位置するほどメモリユニットは短時間の結晶化熱処理を受けることになる。それ故、上段に位置するメモリユニットに対して最適な結晶化熱処理を施すと、下段に位置するメモリユニットは過度の熱負荷を受ける虞があり、下段に位置するメモリユニットの特性劣化が生じる虞がある。尚、多段のメモリユニットを作製した後、一度で結晶化熱処理を行う方法も考えられるが、結晶化の際に強誘電体層に大きな体積変化が生じたり、各強誘電体層から脱ガスが生じる可能性が高く、強誘電体層にクラックや剥がれが生じるといった問題が発生し易い。上方に位置するメモリユニットを構成する強誘電体層の結晶化温度を、下方に位置するメモリユニットを構成する強誘電体層の結晶化温度よりも低くすれば、積層されたメモリユニットの段数だけ結晶化熱処理を行っても、下方に位置するメモリユニットを構成するメモリセルの特性劣化といった問題は生じない。また、各段におけるメモリユニットを構成するメモリセルに対して、最適な条件での結晶化熱処理を行うことができ、特性の優れた強誘電体型不揮発性半導体メモリを得ることができる。以下の表1に、強誘電体層を構成する代表的な材料の結晶化温度を示すが、強誘電体層を構成する材料をかかる材料に限定するものではない。
【0050】
[表1]
材料名 結晶化温度
Bi2SrTa29 700〜800゜C
Bi2Sr(Ta1.5,Nb0.5)O9 650〜750゜C
Bi4Ti312 600〜700゜C
Pb(Zr0.48,Ti0.52)O3 550〜650゜C
PbTiO3 500〜600゜C
【0051】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおける強誘電体層を構成する材料として、ビスマス層状化合物、より具体的には、Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料を挙げることができる。Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料は、所謂不定比化合物に属し、金属元素、アニオン(O等)元素の両サイトにおける組成ずれに対する寛容性がある。また、化学量論的組成からやや外れたところで最適な電気的特性を示すことも珍しくない。Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料は、例えば、一般式(Bi222+(Am-1m3m+12-で表すことができる。ここで、「A」は、Bi、Pb、Ba、Sr、Ca、Na、K、Cd等の金属から構成された群から選択された1種類の金属を表し、「B」は、Ti、Nb、Ta、W、Mo、Fe、Co、Crから成る群から選択された1種類、若しくは複数種の任意の比率による組み合わせを表す。また、mは1以上の整数である。
【0052】
あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
(BiX,Sr1-X2(SrY,Bi1-Y)(TaZ,Nb1-Z2d 式(1)
(但し、0.9≦X≦1.0、0.7≦Y≦1.0、0≦Z≦1.0、8.7≦d≦9.3)で表される結晶相を主たる結晶相として含んでいることが好ましい。あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
BiXSrYTa2d 式(2)
(但し、X+Y=3、0.7≦Y≦1.3、8.7≦d≦9.3)で表される結晶相を主たる結晶相として含んでいることが好ましい。これらの場合、式(1)若しくは式(2)で表される結晶相を主たる結晶相として85%以上含んでいることが一層好ましい。尚、式(1)中、(BiX,Sr1-X)の意味は、結晶構造における本来Biが占めるサイトをSrが占め、このときのBiとSrの割合がX:(1−X)であることを意味する。また、(SrY,Bi1-Y)の意味は、結晶構造における本来Srが占めるサイトをBiが占め、このときのSrとBiの割合がY:(1−Y)であることを意味する。式(1)若しくは式(2)で表される結晶相を主たる結晶相として含む強誘電体層を構成する材料には、Biの酸化物、TaやNbの酸化物、Bi、TaやNbの複合酸化物が若干含まれている場合もあり得る。
【0053】
あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
BiX(Sr,Ca,Ba)Y(TaZ,Nb1-Z2d 式(3)
(但し、1.7≦X≦2.5、0.6≦Y≦1.2、0≦Z≦1.0、8.0≦d≦10.0)で表される結晶相を含んでいてもよい。尚、「(Sr,Ca,Ba)」は、Sr、Ca及びBaから構成された群から選択された1種類の元素を意味する。これらの各式で表される強誘電体層を構成する材料の組成を化学量論的組成で表せば、例えば、Bi2SrTa29、Bi2SrNb29、Bi2BaTa29、Bi2Sr(Ta,Nb)29等を挙げることができる。あるいは又、強誘電体層を構成する材料として、Bi4SrTi415、Bi3TiNbO9、Bi3TiTaO9、Bi4Ti312、Bi2PbTa29等を例示することができるが、これらの場合においても、各金属元素の比率は、結晶構造が変化しない程度に変化させ得る。即ち、金属元素及び酸素元素の両サイトにおける組成ずれがあってもよい。
【0054】
あるいは又、強誘電体層を構成する材料として、PbTiO3、ペロブスカイト型構造を有するPbZrO3とPbTiO3の固溶体であるチタン酸ジルコン酸鉛[PZT,Pb(Zr1-y,Tiy)O3(但し、0<y<1)]、PZTにLaを添加した金属酸化物であるPLZT、あるいはPZTにNbを添加した金属酸化物であるPNZTといったPZT系化合物を挙げることができる。
【0055】
以上に説明した強誘電体層を構成する材料において、これらの組成を化学量論的組成から外すことによって、結晶化温度を変化させることが可能である。
【0056】
強誘電体層を得るためには、強誘電体薄膜を形成した後の工程において、強誘電体薄膜をパターニングすればよい。場合によっては、強誘電体薄膜のパターニングは不要である。強誘電体薄膜の形成は、例えば、MOCVD法、パルスレーザアブレーション法、スパッタ法、ゾル−ゲル法といった強誘電体薄膜を構成する材料に適宜適した方法にて行うことができる。また、強誘電体薄膜のパターニングは、例えば異方性イオンエッチング(RIE)法にて行うことができる。
【0057】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、強誘電体層の下に第1の電極を形成し、強誘電体層の上に第2の電極を形成する構成(即ち、第1の電極は下部電極に相当し、第2の電極は上部電極に相当する)とすることもできるし、強誘電体層の上に第1の電極を形成し、強誘電体層の下に第2の電極を形成する構成(即ち、第1の電極は上部電極に相当し、第2の電極は下部電極に相当する)とすることもできる。プレート線は、第2の電極から延在している構成とすることが、配線構造の簡素化といった観点から好ましい。第1の電極が共通である構造として、具体的には、ストライプ状の第1の電極を形成し、かかるストライプ状の第1の電極の全面を覆うように強誘電体層を形成する構成を挙げることができる。尚、このような構造においては、第1の電極と強誘電体層と第2の電極の重複領域がメモリセルに相当する。第1の電極が共通である構造として、その他、第1の電極の所定の領域に、それぞれの強誘電体層が形成され、強誘電体層上に第2の電極が形成された構造、あるいは又、配線層の所定の表面領域に、それぞれの第1の電極が形成され、かかるそれぞれの第1の電極上に強誘電体層が形成され、強誘電体層上に第2の電極が形成された構造を挙げることができるが、これらの構成に限定するものではない。
【0058】
更には、本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいて、強誘電体層の下に第1の電極を形成し、強誘電体層の上に第2の電極を形成する構成の場合、メモリセルを構成する第1の電極は、所謂ダマシン構造を有しており、強誘電体層の上に第1の電極を形成し、強誘電体層の下に第2の電極を形成する構成の場合、メモリセルを構成する第2の電極は、所謂ダマシン構造を有していることが、強誘電体層を平坦な下地上に形成することができるといった観点から好ましい。
【0059】
本発明において、第1の電極あるいは第2の電極を構成する材料として、例えば、Ir、IrO2-X、Ir/IrO2-X、SrIrO3、Ru、RuO2-X、SrRuO3、Pt、Pt/IrO2-X、Pt/RuO2-X、Pd、Pt/Tiの積層構造、Pt/Taの積層構造、Pt/Ti/Taの積層構造、La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)、Pt/LSCOの積層構造、YBa2Cu37を挙げることができる。ここで、Xの値は、0≦X<2である。尚、積層構造においては、「/」の後ろに記載された材料が強誘電体層と接する。第1の電極と第2の電極とは、同じ材料から構成されていてもよいし、同種の材料から構成されていてもよいし、異種の材料から構成されていてもよい。第1の電極あるいは第2の電極を形成するためには、第1の電極を構成する導電材料層あるいは第2の電極を構成する導電材料層を形成した後の工程において、導電材料層をパターニングすればよい。導電材料層の形成は、例えばスパッタ法、反応性スパッタ法、電子ビーム蒸着法、MOCVD法、あるいはパルスレーザアブレーション法といった導電材料層を構成する材料に適宜適した方法にて行うことができる。また、導電材料層のパターニングは、例えばイオンミーリング法やRIE法にて行うことができる。
【0060】
選択用トランジスタや書込用トランジスタ、読出用トランジスタ、検出用トランジスタは、例えば、周知のMIS型FETやMOS型FETから構成することができる。ビット線や配線を構成する材料として、不純物がドーピングされたポリシリコンや高融点金属材料を挙げることができる。選択用トランジスタと共通の第1の電極との接続、選択用トランジスタとビット線との接続等は、接続孔を介して行えばよく、接続孔は、例えば、タングステンプラグや不純物をドーピングされたポリシリコンを埋め込むことによって得ることができる。
【0061】
本発明において、絶縁層を構成する材料として、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、SiON、SOG、NSG、BPSG、PSG、BSGあるいはLTOを例示することができる。
【0062】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、1つの書込用トランジスタと1つの検出用トランジスタと1つの読出用トランジスタに対して、少なくとも2M個のメモリセルが設けられているが故に、1ビット当たりのセル面積を減少させることができる。更には、複数のメモリユニットブロックを備えているが故に、一層、1ビット当たりのセル面積の減少を図ることができる。しかも、記憶されたデータに相当する共通の第1の電極の電位変化を信号検出回路によって検出し、あるいは又、メモリセルに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極に生じた電位により検出用トランジスタの動作が制御されるが、第1の電極はM個のメモリセルに共通であるが故に、第1の電極に一種の追加の負荷容量が付加された状態となっている。その結果、データの読み出し時、プレート線に電圧を印加した際、第1の電極の電位上昇を抑制することができ、第1の電極と第2の電極との間に十分な電位差が生じる結果、強誘電体層に確実に分極反転が発生する。
【0063】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、発明の実施の形態(以下、実施の形態と略称する)に基づき本発明を説明する。
【0064】
(実施の形態1)
実施の形態1は、本発明の第1の態様及び第2の態様に係るゲインセルタイプの強誘電体型不揮発性半導体メモリ(以下、不揮発性メモリと略称する)に関する。実施の形態1の不揮発性メモリの回路図を図1に示し、図1におけるメモリユニットのより具体的な回路図を図2に示す。また、不揮発性メモリを構成する各種のトランジスタの模式的なレイアウトを図3に示す。尚、図3において、各種のトランジスタの領域を点線で囲み、活性領域及び配線を実線で示し、ゲート電極あるいはワード線を一点鎖線で示した。また、図3の矢印A−Aに沿って不揮発性メモリを切断したときのビット線の延びる方向と平行における実施の形態1の不揮発性メモリの模式的な一部断面図を図4に示し、図3の矢印B−Bに沿って不揮発性メモリを切断したときのビット線の延びる方向と平行における実施の形態1の不揮発性メモリの模式的な一部断面図を図5に示す。図においては、ビット線方向に隣接する2つのメモリユニットブロック(1つの不揮発性メモリを構成する)を図示するが、メモリユニットブロックの一方の構成要素の参照番号には「’」を付した。図1における参照番号17,17’等は、図3〜図5における接続孔や配線の参照番号と対応している。2つのメモリユニットブロックは同一の構成であるが故に、以下、一方のメモリユニットブロックについて説明を行う。また、図1において、メモリユニット内にプレート線が延びているメモリユニットにあっては、メモリユニットを構成するメモリセルが係るプレート線によって制御されることを意味する。一方、メモリユニット内にプレート線が延びていないメモリユニットにあっては、メモリユニットを構成するメモリセルが係るプレート線によって制御されないことを意味する。
【0065】
実施の形態1の不揮発性メモリは、
(A)信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロックMB,MB’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBは、
(B−1)選択用トランジスタTRSと、
(B−2)M個(但し、M≧2であり、実施の形態1においては、M=8)のメモリセルMCMから構成されたメモリユニットMUと、
(B−3)M本のプレート線PLM
から成る。
【0066】
そして、各メモリセルMCmは、第1の電極21と強誘電体層22と第2の電極23とから成り、メモリユニットブロックMBのメモリユニットMUにおいて、メモリセルMCmの第1の電極21は共通であり、この共通の第1の電極21(共通ノードCNと呼ぶ場合がある)は、メモリユニットブロックMBの選択用トランジスタTRSを介して、信号検出回路に接続されている。また、メモリユニットブロックMBのメモリユニットMUにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMCmの第2の電極23は、メモリユニットブロックMBの第m番目のプレート線PLmに接続されている。そして、信号検出回路は、メモリユニットブロックMBのメモリユニットMUにおける共通の第1の電極21(共通ノードCN)の電位変化(メモリセルMCmに記憶されたデータに基づく)を検出し、この検出結果をビット線BLに電流又は電圧として伝達する。この信号検出回路は、具体的には、次に説明する書込用トランジスタTRWと、読出用トランジスタTRRと、検出用トランジスタTRDから構成されている。
【0067】
あるいは又、実施の形態1の不揮発性メモリは、
(A)ビット線BLと、
(B)書込用トランジスタTRWと、
(C)読出用トランジスタTRRと、
(D)検出用トランジスタTRDと、
(E)複数のメモリユニットブロックMB,MB’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBは、
(E−1)選択用トランジスタTRSと、
(E−2)M個(但し、M≧2であり、実施の形態1においては、M=8)のメモリセルMCMから構成されたメモリユニットMUと、
(E−3)M本のプレート線PLM
から成る。
【0068】
そして、各メモリセルMCmは、第1の電極21と強誘電体層22と第2の電極23とから成り、メモリユニットブロックMBのメモリユニットMUにおいて、メモリセルMCMの第1の電極21は共通であり、この共通の第1の電極21(共通ノードCN)は、メモリユニットブロックMBの選択用トランジスタTRS、及び、書込用トランジスタTRWを介して、ビット線BLに接続されている。更には、メモリユニットブロックMBのメモリユニットMUにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMCmの第2の電極23は、メモリユニットブロックMBの第m番目のプレート線PLmに接続されている。また、検出用トランジスタTRDの一端は所定の電位(例えば、電源Vcc)を有する配線に接続され、他端は読出用トランジスタTRRを介してビット線BLに接続されている。
【0069】
より具体的には、各種のトランジスタはMOS型FETから構成され、書込用トランジスタTRWの一方のソース/ドレイン領域14は接続孔15を介してビット線BLに接続され、他方のソース/ドレイン領域14は接続孔18B、配線(サブビット線と呼ぶ場合がある)19、接続孔18Cを介して選択用トランジスタTRSの一方のソース/ドレイン領域14に接続されている。また、検出用トランジスタTRDの一方のソース/ドレイン領域14は、所定の電位(電源Vcc)を有する配線(例えば、不純物層から構成された電源線)に接続され、他方のソース/ドレイン領域14は、読出用トランジスタTRRの一方のソース/ドレイン領域14に接続されている。尚、検出用トランジスタTRDの他方のソース/ドレイン領域14と読出用トランジスタTRRの一方のソース/ドレイン領域14とは1つのソース/ドレイン領域14を占めている。ここで、或るトランジスタのソース/ドレイン領域14と他のトランジスタのソース/ドレイン領域14とが共通であるとは、1つのソース/ドレイン領域14を占めていることを意味し、あるいは又、配線で接続されていることを意味する。以下の説明においても同様である。
【0070】
更には、読出用トランジスタTRRの他方のソース/ドレイン領域14は接続孔15を介してビット線BLに接続されている。読出用トランジスタTRRの他方のソース/ドレイン領域14と書込用トランジスタTRWの一方のソース/ドレイン領域14とは1つのソース/ドレイン領域14を占めている。また、選択用トランジスタTRSの他方のソース/ドレイン領域14は、接続孔17を介して共通の第1の電極21(共通ノードCN)に接続されている。書込用トランジスタTRWの他方のソース/ドレイン領域14及び選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域14は、接続孔18B,18C、サブビット線19、接続孔18Aを介して検出用トランジスタTRDのゲート電極に接続されている。尚、メモリユニットブロックMBA’を構成する選択用トランジスタTRS’の一方のソース/ドレイン領域14は、接続孔18C、サブビット線19、接続孔18Bを介して書込用トランジスタTRWの他方のソース/ドレイン領域14に接続され、他方のソース/ドレイン領域14は接続孔17’を介してメモリユニットブロックMBA’を構成する共通の第1の電極21(共通ノード)に接続されている。
【0071】
そして、メモリユニットブロックMBの例えばメモリセルMCmへのデータの書き込み時、
▲1▼ 書込用トランジスタTRW、及び、
▲2▼ メモリユニットブロックMBの選択用トランジスタTRS
が導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタTRR、及び、
▲4▼ メモリユニットブロックMB以外のメモリユニットブロックMB’の選択用トランジスタTRS’、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックMBの例えばメモリセルMCmに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタTRW、及び、
▲2▼ メモリユニットブロックMB以外のメモリユニットブロックMB’の選択用トランジスタTRS’、
が非導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタTRR、及び、
▲4▼ メモリユニットブロックMBの選択用トランジスタTRS
が導通状態とされ、メモリユニットブロックMBのメモリセルMCmに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極21(共通ノードCN)に生じた電位により、検出用トランジスタTRDの動作が制御される。
【0072】
書込用トランジスタTRW、読出用トランジスタTRR、及び、選択用トランジスタTRS,TRS’の動作を制御するためのワード線WLW,WLR,WLS,WLS’は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。これらのワード線は、図4及び図5の紙面垂直方向に延びている。一方、ビット線BLは、センスアンプSAに接続されている。プレート線PLMはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。各ワード線WLW,WLR,WLS,WLS’は、図4及び図5の紙面垂直方向に隣接する別の不揮発性メモリとで共通である。また、不揮発性メモリを構成するメモリセルMCmの第2の電極23は、図4及び図5の紙面垂直方向に隣接する別の不揮発性メモリを構成するメモリセルの第2の電極と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。
【0073】
先ず、実施の形態1の不揮発性メモリへのデータの書き込み動作を、以下、説明する。尚、一例として、プレート線PLmに接続されたメモリセルMCmにデータを書き込むものとする。図6に動作波形を示す。尚、図6及び後述する図7中、括弧内の数字は、以下に説明する工程の番号と対応している。
【0074】
(1A)待機状態では、ビット線、全ワード線、全プレート線が0ボルトとなっている。更には、共通ノードCNも0ボルトで浮遊状態となっている。書き込み動作時、読出用トランジスタTRR、及び、メモリユニットブロックMB以外のメモリユニットブロックMB’の選択用トランジスタTRS’は、常にオフ状態にある。
【0075】
(2A)データ書き込みの開始時、選択プレート線PLmの電位をVccとし、非選択プレート線PLj(j≠m)の電位を(1/2)Vccとする。これによって、浮遊状態の共通ノードCNの電位は、プレート線PLMとのカップリングにより、概ね(1/2)Vcc近傍まで上昇する。また、選択メモリセルにデータ「1」を書き込む場合には、ビット線BLの電位をVccとし、データ「0」を書き込む場合には、ビット線BLの電位を0ボルトとする。
【0076】
(3A)その後、書込用トランジスタTRW及び選択用トランジスタTRSをオン状態とする。これによって、共通ノードCNの電位は、選択メモリセルにデータ「1」を書き込む場合には、Vccとなり、データ「0」を書き込む場合には、0ボルトとなる。尚、選択プレート線PLmにはVccが印加された状態にあるので、共通ノードCNの電位が0ボルトの場合、選択メモリセルMCmにデータ「0」が書き込まれる。一方、共通ノードCNの電位がVccの場合、選択メモリセルMCmには何らデータが書き込まれない。
【0077】
(4A)次いで、選択プレート線PLmの電位を0ボルトとする。共通ノードCNの電位がVccの場合、選択メモリセルMCmにデータ「1」が書き込まれる。選択メモリセルMCmに既にデータ「0」が書き込まれている場合には、選択メモリセルMCmに何ら変化は生じない。
【0078】
(5A)その後、ビット線BLを0ボルトと印加する。
【0079】
(6A)更に、非選択プレート線PLjを0ボルトとし、書込用トランジスタTRW及び選択用トランジスタTRSをオフ状態とする。
【0080】
他のメモリセルMCmにデータを書き込む場合には、同様の操作を繰り返す。このような書き込み動作においては、非選択メモリセルMCjに(±1/2)Vccのディスターブが発生するが、Vccの値を適切に設定することによって、非選択メモリセルMCjにおけるデータの破壊を確実に防止することができる。
【0081】
次に、実施の形態1の不揮発性メモリからデータを読み出し、データを再書き込みする動作を、以下、説明する。尚、一例として、プレート線PLmに接続されたメモリセルMCmからデータを読み出し、データを再書き込みするものとする。図7に動作波形を示す。
【0082】
(1B)待機状態では、ビット線、ワード線、全プレート線が0ボルトとなっている。更には、共通ノードCNも0ボルトで浮遊状態となっている。データの読出し時、及び、再書込み時、メモリユニットブロックMB以外のメモリユニットブロックMB’の選択用トランジスタTRS’は、常にオフ状態にある。
【0083】
(2B)データ読み出し時、選択プレート線PLmにVccを印加する。このとき、選択メモリセルMCmにデータ「1」が記憶されていれば、強誘電体層に分極反転が生じ、蓄積電荷量が増加し、共通ノードCNの電位が上昇する。一方、選択メモリセルMCmにデータ「0」が記憶されていれば、強誘電体層に分極反転が生ぜず、共通ノードCNの電位は殆ど上昇しない。即ち、共通ノードCNは、非選択メモリセルの強誘電体層を介して複数の非選択プレート線PLjにカップリングされているので、共通ノードCNの電位は0ボルトに比較的近いレベルに保たれる。このようにして、選択メモリセルMCmに記憶されたデータに依存して共通ノードCNの電位に変化が生じる。従って、選択メモリセルの強誘電体層には、分極反転に十分な電界を与えることができる。
【0084】
(3B)次に、ビット線BLを浮遊状態とし、選択用トランジスタTRS及び読出用トランジスタTRRをオン状態とする。これによって、選択メモリセルMCmに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCN)に生じた電位により、検出用トランジスタTRDの動作が制御される。具体的には、検出用トランジスタTRDの一方のソース/ドレイン領域14は所定の電位Vccを有する配線に接続されているので、選択メモリセルMCmにデータ「1」が記憶されていれば、検出用トランジスタTRDがオン状態となり、かかる配線から検出用トランジスタTRD及び読出用トランジスタTRRを介してビット線BLに電流が流れ、ビット線BLの電位が上昇する。一方、選択メモリセルMCmにデータ「0」が記憶されていれば、検出用トランジスタTRDはオフ状態となり、ビット線BLの電位は上昇しない。ここで、検出用トランジスタTRDの閾値をVth、検出用トランジスタTRDのゲート電極の電位(即ち、共通ノードCNの電位)をVgとすれば、ビット線BLの電位は概ね(Vg−Vth)となる。尚、検出用トランジスタTRDをディプレッション型のNMOSFETとすれば、閾値Vthは負の値をとる。これにより、ビット線BLの負荷の大小に拘わらず、安定したセンス信号量を確保できる。尚、検出用トランジスタTRDをPMOSFETから構成することもできる。以下の実施の形態においても同様である。
【0085】
(4B)次いで、選択用トランジスタTRS及び読出用トランジスタTRRをオフ状態とする。
【0086】
(5B)その後、ビット線BLに接続されたセンスアンプSAを活性化してデータを増幅し、データの読み出し動作を完了する。
【0087】
以上の動作によって、選択メモリセルMCmに記憶されていたデータが一旦破壊されてしまうので、データの再書き込み動作を行う。
【0088】
(6B)そのために、先ず、非選択プレート線PLj(j≠m)の電位を(1/2)Vccとする。
【0089】
(7B)その後、選択用トランジスタTRS及び書込用トランジスタTRWをオン状態とする。これによって、共通ノードCNの電位はビット線BLの電位と等しくなる。即ち、選択メモリセルMCmに記憶されていたデータが「1」の場合には、共通ノードCNの電位はVccとなり、選択メモリセルMCmに記憶されていたデータが「0」の場合には、共通ノードCNの電位は0ボルトとなる。選択プレート線PLmの電位はVccのままであるが故に、共通ノードCNの電位が0ボルトの場合、選択メモリセルMCmにはデータ「0」が再書き込みされる。
【0090】
(8B)次に、選択プレート線PLmの電位を0ボルトとする。これによって、選択メモリセルMCmに記憶されていたデータが「1」の場合には、共通ノードCNの電位がVccであるが故に、データ「1」が再書き込みされる。選択メモリセルMCmにデータ「0」が既に再書き込みされていた場合には、選択メモリセルに変化は生じない。
【0091】
(9B)その後、ビット線BLを0ボルトとする。
【0092】
(10B)最後に、非選択プレート線PLjを0ボルトとし、選択用トランジスタTRS及び書込用トランジスタTRWをオフ状態とする。
【0093】
他のメモリセルMCmからデータを読み出し、データを再書き込みする場合には、同様の操作を繰り返す。
【0094】
上述の工程(2B)において、メモリユニットMUを構成するメモリセルの個数(M)は、選択メモリセルの強誘電体層に十分に大きな電界を与えて、かかる強誘電体層に確実に分極反転が生じるような個数とする必要がある。即ち、Mの値が値が小さ過ぎると、工程(2B)において、選択プレート線PLmにVccを印加したとき、第2の電極と第1の電極とのカップリングによって、浮遊状態にある第1の電極の電位が大きく上昇してしまい、第2の電極と第1の電極との間に十分なる電界が形成されず、強誘電体層に分極反転が生じなくなる。一方、第1の電極に現れる電位(信号電位と呼ぶ)は、蓄積電荷量を負荷容量で除したものなので、Mの値が大き過ぎると、第1の電極に現れる電位が低くなり過ぎる。
【0095】
図8に、Mの値と信号電位との関係をシミュレーションした結果を示す。ここでは、メモリセルにおける強誘電体層のヒステリシス実測値を基に、図1及び図2に示した回路におけるメモリセルの個数(M)と信号電位の関係を求めた。尚、各メモリセルを構成する強誘電体層の面積を0.5μm2とし、共通ノードCNのメモリセル以外の負荷容量(主に、検出用トランジスタTRDのゲート容量)を2fF、電源電圧Vccを2.5ボルトとした。
【0096】
選択プレート線PLmにVccを印加したとき、選択メモリセルにデータ「1」が記憶されていれば、第1の電極と第2の電極との間にあっては、強誘電体層の分極を反転する方向に電界が生じる。従って、このような選択メモリセルからの信号電位(浮遊状態の第1の電極に現れる電位であり、検出用トランジスタTRDのゲート電極に印加される電位Vg)は、データ「0」が記憶されていた場合よりも高くなる。そして、データ「1」が記憶されていた場合の信号電位と、データ「0」が記憶されていた場合の信号電位との差が大きいほど、データ読み出しの信頼性が高くなる。
【0097】
Mの値が1の場合、図31の(B)に示した回路と等価となり、共通ノードCNにおける負荷容量が小さ過ぎる結果、データ「1」が記憶されていた場合の信号電位と、データ「0」が記憶されていた場合の信号電位は、共に2.2ボルト程度まで上昇してしまい、選択プレート線PLmに印加されたVcc(=2.5ボルト)との間の電位差は、約0.3ボルトしかない。従って、強誘電体層の分極反転が不十分であり、選択メモリセルからのデータの読み出しが困難となる。
【0098】
一方、Mの値が2以上となると、選択メモリセルにおいては、選択プレート線PLmに印加されたVcc(=2.5ボルト)と信号電位との間の電位差(図8では、「信号量」で表示する)が十分に大きくなり、選択メモリセルからデータを確実に読み出すことが可能となる。尚、Mの値を増加させるに従い、共通ノードCNの負荷容量が増加し、Mの値が或るレベルを超えると、今度は、選択プレート線PLmに印加されたVccと信号電位との間の電位差である信号量の値が低下し始める。
【0099】
このように、Mの値には最適値が存在し、かかるMの最適値は、2≦M≦128、好ましくは、4≦M≦32であることが判った。
【0100】
サブビット線19には、共通ノードがN個(実施の形態1においては2つ)しか接続されておらず、サブビット線容量や接合容量に起因する寄生容量は非常に小さい。従って、サブビット線19の負荷容量は、選択されたメモリユニットの非選択メモリセルの数で規定され、メモリユニットを構成するメモリセルの数を適切に設定すれば、十分大きなセンス信号量を得ることができる。しかも、サブビット線の負荷容量の殆どが非選択メモリセルに起因するものであるが故に、不揮発性メモリの微細化が進み、メモリセルが縮小化しても、負荷容量も同時にスケーリングされる。従って、センス信号量は、メモリセルが縮小化されても、殆ど変化しない。
【0101】
以下、実施の形態1の不揮発性メモリの製造方法を説明するが、他の実施の形態における不揮発性メモリも同様の方法で製造することができる。
【0102】
[工程−100]
先ず、不揮発性メモリにおける各種のトランジスタTRW,TRR,TRD,TRSとして機能するMOS型FETを半導体基板10に形成する。そのために、例えばLOCOS構造を有する素子分離領域11を公知の方法に基づき形成する。尚、素子分離領域は、トレンチ構造を有していてもよいし、LOCOS構造とトレンチ構造の組合せとしてもよい。その後、半導体基板10の表面を例えばパイロジェニック法により酸化し、ゲート絶縁膜12を形成する。次いで、不純物がドーピングされたポリシリコン層をCVD法にて全面に形成した後、ポリシリコン層をパターニングし、ゲート電極13を形成する。このゲート電極13はワード線を兼ねている。尚、ゲート電極13をポリシリコン層から構成する代わりに、ポリサイドや金属シリサイドから構成することもできる。次に、半導体基板10にイオン注入を行い、LDD構造を形成する。その後、全面にCVD法にてSiO2層を形成した後、このSiO2層をエッチバックすることによって、ゲート電極13の側面にゲートサイドウオール(図示せず)を形成する。次いで、半導体基板10にイオン注入を施した後、イオン注入された不純物の活性化アニール処理を行うことによって、ソース/ドレイン領域14を形成する。
【0103】
[工程−110]
次いで、SiO2から成る下層絶縁層16AをCVD法にて形成した後、書込用トランジスタTRWの一方のソース/ドレイン領域14及び読出用トランジスタTRRの他方のソース/ドレイン領域14、書込用トランジスタTRWの他方のソース/ドレイン領域14、検出用トランジスタTRDのゲート電極、選択用トランジスタTRSの一方のソース/ドレイン領域14のそれぞれの上方の下層絶縁層16Aに開口部をRIE法にて形成する。そして、かかる開口部内を含む下層絶縁層16A上に不純物がドーピングされたポリシリコン層をCVD法にて形成する。これによって、接続孔(コンタクトホール)15,18A,18B,18Cを得ることができる。次に、下層絶縁層16A上のポリシリコン層をパターニングすることによって、ビット線BL及びサブビット線19を形成する。サブビット線19によって、接続孔18A,18B,18Cが電気的に接続される。その後、BPSGから成る上層絶縁層16BをCVD法にて全面に形成する。尚、BPSGから成る上層絶縁層16Bの形成後、窒素ガス雰囲気中で例えば900゜C×20分間、上層絶縁層をリフローさせることが好ましい。更には、必要に応じて、例えば化学的機械的研磨法(CMP法)にて上層絶縁層16Bの頂面を化学的及び機械的に研磨し、上層絶縁層16Bを平坦化することが望ましい。尚、下層絶縁層と上層絶縁層を纏めて、絶縁層16と呼ぶ場合がある。
【0104】
[工程−120]
次に、選択用トランジスタTRSの他方のソース/ドレイン領域14の上方の絶縁層16に開口部をRIE法にて形成した後、かかる開口部内を、不純物をドーピングしたポリシリコンで埋め込み、接続孔(コンタクトホール)17を完成させる。ビット線BLは、下層絶縁層16A上を、図の左右方向に接続孔17と接触しないように延びている。
【0105】
尚、接続孔15,18A,18B,18C,17は、絶縁層16に形成された開口部内に、例えば、タングステン、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiNW、WSi2、MoSi2等の高融点金属や金属シリサイドから成る金属配線材料を埋め込むことによって形成することもできる。接続孔17の頂面は上層絶縁層16Bの表面と略同じ平面に存在していてもよいし、接続孔17の頂部が上層絶縁層16Bの表面に延在していてもよい。タングステンにて開口部を埋め込み、接続孔17を形成する条件を、以下の表2に例示する。尚、タングステンにて開口部を埋め込む前に、Ti層及びTiN層を順に例えばマグネトロンスパッタ法にて開口部内を含む絶縁層16の上に形成することが好ましい。ここで、Ti層及びTiN層を形成する理由は、オーミックな低コンタクト抵抗を得ること、ブランケットタングステンCVD法における半導体基板10の損傷発生の防止、タングステンの密着性向上のためである。
【0106】
[表2]
Ti層(厚さ:20nm)のスパッタ条件
プロセスガス:Ar=35sccm
圧力 :0.52Pa
RFパワー :2kW
基板の加熱 :無し
TiN層(厚さ:100nm)のスパッタ条件
プロセスガス:N2/Ar=100/35sccm
圧力 :1.0Pa
RFパワー :6kW
基板の加熱 :無し
タングステンのCVD形成条件
使用ガス:WF6/H2/Ar=40/400/2250sccm
圧力 :10.7kPa
形成温度:450゜C
タングステン層及びTiN層、Ti層のエッチング条件
第1段階のエッチング:タングステン層のエッチング
使用ガス :SF6/Ar/He=110:90:5sccm
圧力 :46Pa
RFパワー:275W
第2段階のエッチング:TiN層/Ti層のエッチング
使用ガス :Ar/Cl2=75/5sccm
圧力 :6.5Pa
RFパワー:250W
【0107】
[工程−130]
次に、絶縁層16上に、TiNから成る密着層(図示せず)を形成することが望ましい。そして、密着層上にIrから成る第1の電極(下部電極)21を構成する第1の電極材料層を、例えばスパッタ法にて形成し、第1の電極材料層及び密着層をフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術に基づきパターニングすることによって、第1の電極21(共通ノードCN)を得ることができる。
【0108】
[工程−140]
その後、例えば、MOCVD法によって、Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料(具体的には、例えば、結晶化温度750゜CのBi2SrTa29)から成る強誘電体薄膜を全面に形成する。その後、250゜Cの空気中で乾燥処理を行った後、750゜Cの酸素ガス雰囲気で1時間の熱処理を施し、結晶化を促進させた後、必要に応じて、フォトリソグラフィ技術、ドライエッチング技術に基づき強誘電体薄膜をパターニングして、強誘電体層22を得る。
【0109】
[工程−150]
次に、IrO2-X層、Pt層を、スパッタ法にて、順次、全面に形成した後、フォトリソグラフィ技術、ドライエッチング技術に基づき、Pt層、IrO2-X層、強誘電体層22を順次、パターニングして、プレート線PLmを兼ねた第2の電極23及び強誘電体層22を形成する。尚、エッチングによって、強誘電体層22にダメージが加わる場合には、ダメージ回復に必要とされる温度にて、熱処理を行えばよい。その後、絶縁層16及び第2の電極23の上に絶縁膜26Aを形成する。
【0110】
尚、後述する実施の形態2〜実施の形態5における不揮発性メモリの製造においては、その後、
・層間絶縁層26の形成及び平坦化処理
・開口部の形成及び接続孔27の形成
・第1の電極31、結晶化温度700゜CのBi2Sr(Ta1.5Nb0.5)O9から成る強誘電体層32、及び第2の電極33の形成
・絶縁膜36Aの形成
を、順次、行えばよい。尚、Bi2Sr(Ta1.5Nb0.5)O9から成る強誘電体層32に対して、結晶化促進のための熱処理を、700゜Cの酸素ガス雰囲気で1時間、行えばよい。
【0111】
尚、各第2の電極はプレート線を兼ねていなくともよい。この場合には、絶縁膜26A,36Aの形成完了後、第2の電極23、第2の電極33を接続孔(ビアホール)によって接続し、併せて、絶縁膜26A,36A上に、かかる接続孔と接続したプレート線を形成すればよい。
【0112】
例えば、Bi2SrTa29から成る強誘電体薄膜の形成条件を、以下の表3に例示する。尚、表3中、「thd」は、テトラメチルヘプタンジオネートの略である。また、表3に示したソース原料はテトラヒドロフラン(THF)を主成分とする溶媒中に溶解されている。
【0113】

Figure 0004069607
【0114】
あるいは又、Bi2SrTa29から成る強誘電体薄膜をパルスレーザアブレーション法、ゾル−ゲル法、あるいはRFスパッタ法にて全面に形成することもできる。これらの場合の形成条件を、以下の表4、表5、表6に例示する。尚、ゾル−ゲル法によって厚い強誘電体薄膜を形成する場合、所望の回数、スピンコート及び乾燥、あるいはスピンコート及び焼成(又は、アニール処理)を繰り返せばよい。
【0115】
[表4]
パルスレーザアブレーション法による形成
ターゲット:Bi2SrTa29
使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、パルス幅25n秒、5Hz)
形成温度 :400〜800゜C
酸素濃度 :3Pa
【0116】
Figure 0004069607
【0117】
[表6]
RFスパッタ法による形成
ターゲット:Bi2SrTa29セラミックターゲット
RFパワー:1.2W〜2.0W/ターゲット1cm2
雰囲気圧力:0.2〜1.3Pa
形成温度 :室温〜600゜C
プロセスガス:Ar/O2の流量比=2/1〜9/1
【0118】
強誘電体層を、PZTあるいはPLZTから構成するときの、マグネトロンスパッタ法によるPZTあるいはPLZTの形成条件を以下の表7に例示する。あるいは又、PZTやPLZTを、反応性スパッタ法、電子ビーム蒸着法、ゾル−ゲル法、又はMOCVD法にて形成することもできる。
【0119】
[表7]
ターゲット :PZTあるいはPLZT
プロセスガス:Ar/O2=90体積%/10体積%
圧力 :4Pa
パワー :50W
形成温度 :500゜C
【0120】
更には、PZTやPLZTをパルスレーザアブレーション法にて形成することもできる。この場合の形成条件を以下の表8に例示する。
【0121】
[表8]
ターゲット:PZT又はPLZT
使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、パルス幅25n秒、3Hz)
出力エネルギー:400mJ(1.1J/cm2
形成温度 :550〜600゜C
酸素濃度 :40〜120Pa
【0122】
プレート線の延びる方向に隣接した実施の形態1の2つの不揮発性メモリのそれぞれを構成するメモリセル(これらのメモリセルは同じプレート線を共通している)を、同時に動作させることによって、2つのメモリセルに相補的に1ビットを記憶させることもできるし、独立して動作させることによって、2つのメモリセルのPそれぞれに1ビットを記憶させることもできる。これらの動作のより詳細は、実施の形態2において説明する。
【0123】
(実施の形態2)
実施の形態2は、本発明の第3の態様及び第4の態様に係るゲインセルタイプの不揮発性メモリに関する。実施の形態2の不揮発性メモリの回路図を図9に示し、図9におけるメモリユニットのより具体的な回路図を図10に示す。また、不揮発性メモリを切断したときのビット線の延びる方向と平行における実施の形態2の不揮発性メモリの模式的な一部断面図を図11に示す。図においては、ビット線方向に隣接する2つのメモリユニットブロック(1つの不揮発性メモリを構成する)を図示するが、メモリユニットブロックの一方の構成要素の参照番号には「’」を付した。尚、2つのメモリユニットブロックは同一の構成であるが故に、以下、一方のメモリユニットブロックについて説明を行う。ここで、図10には、プレート線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBにおける1つのメモリユニットブロックMBBを示すが、このメモリユニットブロックMBBはメモリユニットブロックMBAと同じ構成を有する。
【0124】
実施の形態2の不揮発性メモリMAは、
(A)信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロックMBA,MBA’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBAは、
(B−1)選択用トランジスタTRSAと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態2においては、M=8)のメモリセルMCANMから構成された、N個(但し、N≧2であり、実施の形態2においては、N=2)のメモリユニットMUANと、
(B−3)M×N本のプレート線、
から成る。
【0125】
そして、メモリユニットブロックMBAのN個のメモリユニットMUANは、絶縁層26(以下、便宜上、層間絶縁層26と呼ぶ)を介して積層されており、各メモリセルMCANMは、第1の電極21,31と強誘電体層22,32と第2の電極23,33とから成る。そして、メモリユニットブロックMBAの各メモリユニットMUAnにおいて、メモリセルMCAnmの第1の電極は共通であり、これらの共通の第1の電極は、メモリユニットブロックMBAの選択用トランジスタTRSAを介して、信号検出回路に接続されている。更には、メモリユニットブロックMBAの第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUAnにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMCAnmの第2の電極は、メモリユニットブロックMBAの第[(n−1)M+m]番目のプレート線PL(n-1)M+mに接続されている。そして、信号検出回路は、メモリユニットブロックMBAのメモリユニットMUAnにおける共通の第1の電極の電位変化(メモリセルMCAnmに記憶されたデータに基づく)を検出し、この検出結果をビット線BLAに電流又は電圧として伝達する。この信号検出回路は、具体的には、次に説明する書込用トランジスタTRWと、読出用トランジスタTRRと、検出用トランジスタTRDから構成されている。
【0126】
あるいは又、実施の形態2の不揮発性メモリMAは、
(A)ビット線BLAと、
(B)書込用トランジスタTRWと、
(C)読出用トランジスタTRRと、
(D)検出用トランジスタTRDと、
(E)複数のメモリユニットブロックMBA,MBA’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBAは、
(E−1)選択用トランジスタTRSAと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態2においては、M=8)のメモリセルMCANMから構成された、N個(但し、N≧2であり、実施の形態2においては、N=2)のメモリユニットMUANと、
(E−3)M×N本のプレート線、
から成る。
【0127】
そして、メモリユニットブロックMBAのN個のメモリユニットMUANは、層間絶縁層26を介して積層されており、各メモリセルMCANMは、第1の電極21,31と強誘電体層22,32と第2の電極23,33とから成る。メモリユニットブロックMBAの各メモリユニットMUAnにおいて、メモリセルMCAnmの第1の電極は共通であり、これらの共通の第1の電極は、メモリユニットブロックMBAの選択用トランジスタTRSA、及び、書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。具体的には、メモリユニットMUA1において、メモリセルMCA1Mの第1の電極21は共通であり(この共通の第1の電極を第1の共通ノードCNA1と呼ぶ)、共通の第1の電極21(第1の共通ノードCNA1)は、選択用トランジスタTRSA、及び、書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。また、メモリユニットMUA2において、メモリセルMCA2Mの第1の電極31は共通であり(この共通の第1の電極を第2の共通ノードCNA2と呼ぶ)、共通の第1の電極31(第2の共通ノードCNA2)は、選択用トランジスタTRSA、及び、書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。更には、第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUAnにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMCAnmの第2の電極23,33は、第[(n−1)M+m]番目のプレート線PL(n-1)M+mに接続されている。尚、このプレート線PL(n-1)M+mは、プレート線の延びる方向に隣接する不揮発性メモリMBのメモリユニットブロックMBBを構成する各メモリセルMCBNMの第2の電極23,33にも接続されている。実施の形態2においては、より具体的には、各プレート線は、第2の電極23,33から延在している。
【0128】
選択用トランジスタTRSAの一方のソース/ドレイン領域14は、接続孔18C、サブビット線19、接続孔18B、書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。一方、選択用トランジスタTRSAの他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に設けられた接続孔17を介して、第1層目のメモリユニットMUA1における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCNA1)に接続されている。更には、選択用トランジスタTRSAの他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に設けられた接続孔17、及び、層間絶縁層26に設けられた接続孔27を介して、第2層目のメモリユニットMUA2における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCNA2)に接続されている。尚、図中、参照番号36Aは絶縁膜である。
【0129】
ビット線BLAは、センスアンプSAに接続されている。また、プレート線PL(n-1)M+mはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WLSは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。ワード線WLは、図11の紙面垂直方向に延びている。また、不揮発性メモリMAのメモリユニットブロックMBAを構成するメモリセルMCA1mの第2の電極23は、図11の紙面垂直方向に隣接する別の不揮発性メモリMBのメモリユニットブロックMBBを構成するメモリセルMCB1mの第2の電極と共通であり、プレート線PL(n-1)M+mを兼ねている。更には、不揮発性メモリMAのメモリユニットブロックMBAを構成するメモリセルMCA2mの第2の電極33は、図11の紙面垂直方向に隣接する別の不揮発性メモリMBのメモリユニットブロックMBBを構成するメモリセルMCB2mの第2の電極と共通であり、プレート線PL(n-1)M+mを兼ねている。また、ワード線WLSは、不揮発性メモリMAを構成する選択用トランジスタTRSAと、図11の紙面垂直方向に隣接する別の不揮発性メモリMBを構成する選択用トランジスタTRSBとで共通である。
【0130】
検出用トランジスタTRDの一端は所定の電位(例えば、電源Vcc)を有する配線に接続され、他端は読出用トランジスタTRRを介してビット線BLAに接続されている。書込用トランジスタTRW、読出用トランジスタTRR、及び、検出用トランジスタTRDの構成、これらの動作、これらとメモリユニットブロックとの関係は、実質的に実施の形態1と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0131】
そして、メモリユニットブロックMBAの例えばメモリセルMCAnmへのデータの書き込み時、
▲1▼ 書込用トランジスタTRW、及び、
▲2▼ メモリユニットブロックMBAの選択用トランジスタTRSA
が導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタTRR、及び、
▲4▼ メモリユニットブロックMBA以外のメモリユニットブロックMBA’の選択用トランジスタTRSA’、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックMBAの例えばメモリセルMCAnmに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタTRW、及び、
▲2▼ メモリユニットブロックMBA以外のメモリユニットブロックMBA’の選択用トランジスタTRSA’、
が非導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタTRR、及び、
▲4▼ メモリユニットブロックMBAの選択用トランジスタTRSA
が導通状態とされ、メモリユニットブロックMBAの例えばメモリセルMCAnmに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(CNAn)に生じた電位により、検出用トランジスタTRDの動作が制御される。
【0132】
図10に回路図を示す不揮発性メモリMA,MBにおいて、不揮発性メモリMA,MBを構成する選択用トランジスタTRSA,TRSBは同じワード線WLSに接続されている。そして、対となったメモリセルMCAnm,MCBnm(n=1,2・・・,N、及び、m=1,2・・・,M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMCAnm,MCBnm(ここで、mは1,2・・・,8のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLSを選択し、プレート線PLj(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PL(n-1)M+mを駆動する。ここで、Vccは、例えば、電源電圧である。これによって、相補的なデータに相当する電位が、対となったメモリセルMCAnm,MCBnmから共通ノードCNAn,CNBnに出現し、その結果、検出用トランジスタTRD,検出用トランジスタTRBD(この検出用トランジスタTRBDは、不揮発性メモリMBを構成する検出用トランジスタである)の動作が制御され、相補的なデータに相当する電位が、検出用トランジスタTRD、読出用トランジスタTRR、及び、検出用トランジスタTRBD、読出用トランジスタTRBR(この読出用トランジスタTRBRは、不揮発性メモリMBを構成する読出用トランジスタである)を介して対となったビット線BLA,BLBに電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BLA,BLBの電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。
【0133】
以下、実施の形態2の不揮発性メモリからデータを読み出し、再書き込みする方法について説明する。尚、一例として、対となった不揮発性メモリMA,MBにおける対となった(即ち、プレート線が共通である)メモリセルMCA11,MCB11からデータを読み出すものとし、メモリセルMCA11にはデータ「1」が、メモリセルMCB11にはデータ「0」が記憶されているとする。図12に動作波形を示す。尚、図12中、括弧内の数字は、以下に説明する工程の番号と対応している。
【0134】
(1C)待機状態では、ビット線、ワード線、全プレート線が0ボルトとなっている。更には、共通ノードCNA1,CNA2,CNB1,CNB2も0ボルトで浮遊状態となっている。データの読出し時、及び、再書込み時、メモリユニットブロックMBA,MBB以外のメモリユニットブロックMBA’,MBBの選択用トランジスタは、常にオフ状態にある。
【0135】
(2C)データ読み出し時、選択プレート線PL1にVccを印加する。このとき、選択メモリセルMCA11にはデータ「1」が記憶されているので、強誘電体層に分極反転が生じ、蓄積電荷量が増加し、共通ノードCNA1,CNA2の電位が上昇する。一方、選択メモリセルMCB11にはデータ「0」が記憶されているので、強誘電体層に分極反転が生ぜず、共通ノードCNB1,CNB2の電位は殆ど上昇しない。即ち、共通ノードCNB1,CNB2は、非選択メモリセルの強誘電体層を介して複数の非選択プレート線PLjにカップリングされているので、共通ノードCNB1,CNB2の電位は0ボルトに比較的近いレベルに保たれる。このようにして、選択メモリセルMCA11,MCB11に記憶されたデータに依存して共通ノードCNA1,CNA2,CNB1,CNB2の電位に変化が生じる。従って、選択メモリセルの強誘電体層には、分極反転に十分な電界を与えることができる。
【0136】
(3C)次に、ビット線BLA,BLBを浮遊状態とし、選択用トランジスタTRSA,TRSB及び読出用トランジスタTRR,TRBR(この読出用トランジスタTRBRは、不揮発性メモリMBを構成する読出用トランジスタである)をオン状態とする。これによって、選択メモリセルMCA11に記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCNA1,CNA2)に生じた電位により、検出用トランジスタTRDの動作が制御され、選択メモリセルMCB11に記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCNB1,CNB2)に生じた電位により、検出用トランジスタTRBD(この検出用トランジスタTRBDは、不揮発性メモリMBを構成する検出用トランジスタである)の動作が制御される。具体的には、検出用トランジスタTRDの一方のソース/ドレイン領域14は所定の電位Vccを有する配線(電位:Vcc)に接続されており、選択メモリセルMCA11にデータ「1」が記憶されているので、検出用トランジスタTRDがオン状態となり、かかる配線から検出用トランジスタTRD及び読出用トランジスタTRRを介してビット線BLAに電流が流れ、ビット線BLAの電位が上昇する。一方、選択メモリセルMCB11にはデータ「0」が記憶されているので、検出用トランジスタTRBDはオフ状態となり、ビット線BLBの電位は上昇しない。
【0137】
(4C)次いで、選択用トランジスタTRSA,TRSB及び読出用トランジスタTRR,TRBRをオフ状態とする。
【0138】
(5C)その後、ビット線BLに接続されたセンスアンプSAを活性化してデータを増幅し、データの読み出し動作を完了する。
【0139】
以上の動作によって、選択メモリセルMCA11,MCB11に記憶されていたデータが一旦破壊されてしまうので、データの再書き込み動作を行う。
【0140】
(6C)そのために、先ず、非選択プレート線PLj(j≠1)の電位を(1/2)Vccとする。
【0141】
(7C)その後、選択用トランジスタTRSA,TRSB、及び、書込用トランジスタTRW,TRBW(この書込用トランジスタTRBWは、不揮発性メモリMBを構成する書込用トランジスタである)をオン状態とする。これによって、共通ノードCNA1,CNA2,CNB1,CNB2の電位はビット線BLA,BLBの電位と等しくなる。即ち、選択メモリセルMCA11に記憶されていたデータが「1」の場合には、共通ノードCNA1,CNA2の電位はVccとなり、選択メモリセルMCB11に記憶されていたデータが「0」の場合には、共通ノードCNB1,CNB2の電位は0ボルトとなる。選択プレート線PL1の電位はVccのままであるが故に、共通ノードCNB1,CNB2の電位が0ボルトの場合、選択メモリセルMCB11にはデータ「0」が再書き込みされる。
【0142】
(8C)次に、選択プレート線PL1の電位を0ボルトとする。これによって、選択メモリセルMCA11に記憶されていたデータが「1」の場合には、共通ノードCNA1,CNA2の電位がVccであるが故に、データ「1」が再書き込みされる。選択メモリセルMCB11にデータ「0」が既に再書き込みされていた場合には、選択メモリセルに変化は生じない。
【0143】
(9C)その後、ビット線BLを0ボルトとする。
【0144】
(10C)最後に、非選択プレート線PLjを0ボルトとし、選択用トランジスタTRSA,TRSB、及び、書込用トランジスタTRW,TRBWをオフ状態とする。
【0145】
他のメモリセル(MCAnm,MCBnm)からデータを読み出し、データを再書き込みする場合には、同様の操作を繰り返す。
【0146】
不揮発性メモリMA,MBを構成する選択用トランジスタTRSA,TRSBを、それぞれ、異なるワード線WLSA,WLSBに接続し、メモリセルMCAnm,MCBnmを独立して制御し、例えばダミーセル等を用いて、対となったビット線BLA,BLBの一方に参照電圧(データ「1」の読み出し電位と、データ「0」の読み出し電位の中間の参照電位)を印加することによって、メモリセルMCAnm,MCBnmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の回路図は、図13を参照のこと。尚、選択用トランジスタTRSA,TRSBを同時に駆動すれば、図10に示した回路と等価となる。
【0147】
このように、各メモリセルMCAnm,MCBnm(n=1,2であり、m=1,2・・・,8)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図13の参照)、あるいは又、対となったメモリセルMCAnm,MCBnmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図10参照)。実際の不揮発性メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶するメモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。そして、選択用トランジスタのワード線WLS(WLSA,WLSB)、プレート線PL(n-1)M+mが共有された複数のアクセス単位ユニットに対して、一括して、データの書き込み、あるいは、データの読み出し及び再書き込みを行う。即ち、メモリアレイにおいては、全ての不揮発性メモリが一括して、順次、作動状態となり、あるいは又、一括して不作動(待機)状態となる。
【0148】
対となった不揮発性メモリにおける一対の選択用トランジスタTRSA及びTRSBは、ワード線WLS、及び、対となったビット線BLA,BLBによって囲まれた領域を占めている。従って、仮に、ワード線及びビット線が最短ピッチで配置されるとすると、対となった不揮発性メモリにおける一対の選択用トランジスタTRSA及びTRSBの最小面積は、8F2である。しかしながら、トランジスタTRSA,TRSB,TRW,TRR,TRDを、M組の対となったメモリセルMCA1m,MCA2m,MCB1m,MCB2m(m=1,2・・・,M)で共有するが故に、1ビット当たりの選択用トランジスタTRSA,TRSBの数が少なくて済み、また、ワード線WLSの配置も緩やかなので、不揮発性メモリの縮小化を図り易い。しかも、周辺回路についても、1本のワード線デコーダ/ドライバWDとM本のプレート線デコーダ/ドライバPDでMビットを選択することができる。従って、このような構成を採用することで、セル面積が8F2に近いレイアウトを実現可能であり、DRAM並のチップサイズを実現することができる。
【0149】
(実施の形態3)
実施の形態3は、本発明の第5の態様及び第6の態様に係るゲインセルタイプの不揮発性メモリに関する。実施の形態3の不揮発性メモリの回路図を図14に示し、図14におけるメモリユニットのより具体的な回路図を図15に示す。また、不揮発性メモリを切断したときのビット線の延びる方向と平行における実施の形態3の不揮発性メモリの模式的な一部断面図を図16に示す。図においては、ビット線方向に隣接する2つのメモリユニットブロック(1つの不揮発性メモリを構成する)を図示するが、メモリユニットブロックの一方の構成要素の参照番号には「’」を付した。尚、2つのメモリユニットブロックは同一の構成であるが故に、以下、一方のメモリユニットブロックについて説明を行う。ここで、図15には、プレート線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBにおける1つのメモリユニットブロックMBBを示すが、このメモリユニットブロックMBBはメモリユニットブロックMBAと同じ構成を有する。
【0150】
実施の形態3の不揮発性メモリMAは、
(A)信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロックMBA,MBA’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBAは、
(B−1)N個(但し、N≧2であり、実施の形態3においては、N=2)の選択用トランジスタTRSANと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態3においては、M=8)のメモリセルMCANMから構成された、N個のメモリユニットMUANと、
(B−3)M本のプレート線PLM
から成る。
【0151】
そして、メモリユニットブロックMBAにおけるN個のメモリユニットMUANは、絶縁層(層間絶縁層26)を介して積層されている。各メモリセルMCAnmは、第1の電極21,31と強誘電体層22,32と第2の電極23,33とから成り、メモリユニットブロックMBAの各メモリユニットMUAnにおいて、メモリセルMCAnmの第1の電極21,31は共通であり、メモリユニットブロックMBAの第n番目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUAnにおける共通の第1の電極は、メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAnを介して、信号検出回路に接続されている。更には、メモリユニットブロックMBAの第n番目のメモリユニットMUAnにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMCAnmの第2の電極は、メモリユニットブロックMBAのメモリユニットMUAn間で共通とされた第m番目のプレート線PLmに接続されている。そして、信号検出回路は、メモリユニットブロックMBAのメモリユニットMUAnにおける共通の第1の電極の電位変化(メモリセルMCAnmに記憶されたデータに基づく)を検出し、この検出結果をビット線BLAに電流又は電圧として伝達する。この信号検出回路は、具体的には、次に説明する書込用トランジスタTRWと、読出用トランジスタTRRと、検出用トランジスタTRDから構成されている。
【0152】
あるいは又、実施の形態3の不揮発性メモリMAは、
(A)ビット線BLAと、
(B)書込用トランジスタTRWと、
(C)読出用トランジスタTRRと、
(D)検出用トランジスタTRDと、
(E)複数のメモリユニットブロックMBA,MBA’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBAは、
(E−1)N個(但し、N≧2であり、実施の形態3においては、M=2)の選択用トランジスタTRSANと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態3においては、M=8)のメモリセルMCANMから構成された、N個のメモリユニットMUANと、
(E−3)M本のプレート線PLM
から成る。
【0153】
そして、メモリユニットブロックMBAにおけるN個のメモリユニットMUANは、絶縁層(層間絶縁層26)を介して積層されている。各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成る。具体的には、第1番目(以下、第1層目と呼ぶ)のメモリユニットMUA1を構成する各メモリセルMCA1Mは、第1の電極21と強誘電体層22と第2の電極23とから成り、第2番目(以下、第2層目と呼ぶ)のメモリユニットMUA2を構成する各メモリセルMCA2Mは、第1の電極31と強誘電体層32と第2の電極33とから成る。更には、各メモリユニットMUAnにおいて、メモリセルMCAnmの第1の電極21,31は共通である。具体的には、第1層目のメモリユニットMUA1において、メモリセルMCA1Mの第1の電極21は共通である。この共通の第1の電極21を第1の共通ノードCNA1と呼ぶ場合がある。また、第2層目のメモリユニットMUA2において、メモリセルMCA2Mの第1の電極31は共通である。この共通の第1の電極31を第2の共通ノードCNA2と呼ぶ場合がある。更には、第n番目(但し、n=1,2・・・,Nであり、第n層目と呼ぶ)のメモリユニットMUAnにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極23,33は、メモリユニットMUAn間で共通とされた第m番目のプレート線PLmに接続されている。実施の形態3においては、より具体的には、各プレート線は、第2の電極23,33から延在している。
【0154】
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUAnにおける共通の第1の電極は、第n番目の選択用トランジスタTRSAn、及び、書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。具体的には、各選択用トランジスタTRSA1,TRSA2の一方のソース/ドレイン領域14は、接続孔18C、サブビット線19、接続孔18B、書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。一方、第1番目の選択用トランジスタTRSA1の他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に設けられた接続孔17を介して、第1層目のメモリユニットMUA1における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCNA1)に接続されている。また、第2番目の選択用トランジスタTRSA2の他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に設けられた接続孔17、パッド部25、及び、層間絶縁層26に設けられた接続孔27を介して、第2層目のメモリユニットMUA2における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCNA2)に接続されている。
【0155】
ビット線BLAは、センスアンプSAに接続されている。また、プレート線PLMはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WLS1,WLS2は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。ワード線WLS1,WLS2は、図16の紙面垂直方向に延びている。また、不揮発性メモリMAを構成するメモリセルMCA1mの第2の電極23は、図16の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリMBを構成するメモリセルMCB1mの第2の電極23と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。更には、不揮発性メモリMAを構成するメモリセルMCA2Mの第2の電極33は、図16の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリMBを構成するメモリセルMCB2mの第2の電極33と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。これらのプレート線PLmは、図示しない領域において接続されている。また、ワード線WLS1は、不揮発性メモリMAを構成する選択用トランジスタTRSA1と、図16の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリMBを構成する選択用トランジスタTRSB1とで共通である。更には、ワード線WLS2は、不揮発性メモリMAを構成する選択用トランジスタTRSA2と、図16の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリMBを構成する選択用トランジスタTRSB2とで共通である。
【0156】
検出用トランジスタTRDの一端は所定の電位(例えば、電源Vcc)を有する配線に接続され、他端は読出用トランジスタTRRを介してビット線BLAに接続されている。書込用トランジスタTRW、読出用トランジスタTRR、及び、検出用トランジスタTRDの構成、これらの動作、これらとメモリユニットブロックとの関係は、実質的に実施の形態1と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0157】
そして、例えば、メモリユニットブロックMBAの第n番目のメモリユニットMUAnのメモリセルMCAnmへのデータの書き込み時、
▲1▼ 書込用トランジスタTRW、及び、
▲2▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAn、が導通状態とされ、
▲3▼ 読出用トランジスタTRR
▲4▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAn以外の選択用トランジスタ、及び、
▲5▼ メモリユニットブロックMBA以外のメモリユニットブロックMBA’の選択用トランジスタTRSAN’、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックMBAの第n番目のメモリユニットMUAnのメモリセルMCAnmに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタTRW
▲2▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAn以外の選択用トランジスタ、及び、
▲3▼ メモリユニットブロックMBA以外のメモリユニットブロックMBA’の選択用トランジスタTRSAN’、
が非導通状態とされ、
▲4▼ 読出用トランジスタTRR、及び、
▲5▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAn、が導通状態とされ、メモリユニットブロックMBAの第n番目のメモリユニットMUAnのメモリセルMCAnmに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCNAn)に生じた電位により、検出用トランジスタTRDの動作が制御される。
【0158】
図15に回路図を示す不揮発性メモリMA,MBにおいて、選択用トランジスタTRSAn,TRSBnは同じワード線WLSnに接続されている。そして、対となったメモリセルMCAnm,MCBnm(n=1,2・・・,N、及び、m=1,2・・・,M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMCAnm,MCBnm(ここで、mは1,2・・・,8のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLSnを選択し、プレート線PLj(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLmを駆動する。ここで、Vccは、例えば、電源電圧である。これによって、相補的なデータに相当する電位が、対となったメモリセルMCAnm,MCBnmから共通ノードCNAn,CNBnに出現し、その結果、検出用トランジスタTRD,検出用トランジスタTRBD(この検出用トランジスタTRBDは、不揮発性メモリMBを構成する検出用トランジスタである)の動作が制御され、相補的なデータに相当する電位が、検出用トランジスタTRD、読出用トランジスタTRR、及び、検出用トランジスタTRBD、読出用トランジスタTRBR(この読出用トランジスタTRBRは、不揮発性メモリMBを構成する読出用トランジスタである)を介して対となったビット線BLA,BLBに電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BLA,BLBの電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。
【0159】
以下、実施の形態3の不揮発性メモリからデータを読み出し、再書き込みする方法について説明する。尚、一例として、対となった不揮発性メモリMA,MBにおける対となった(即ち、プレート線が共通である)メモリセルMCA11,MCB 11からデータを読み出すものとし、メモリセルMCA11にはデータ「1」が、メモリセルMCB11にはデータ「0」が記憶されているとする。図17に動作波形を示す。尚、図17中、括弧内の数字は、以下に説明する工程の番号と対応している。
【0160】
(1D)待機状態では、ビット線、ワード線、全プレート線が0ボルトとなっている。更には、共通ノードCNも0ボルトで浮遊状態となっている。データの読出し時、及び、再書込み時、メモリユニットブロックMBA,MBB以外のメモリユニットブロックMBA’,MBB’の選択用トランジスタは、常にオフ状態にある。
【0161】
(2D)データ読み出しが開始されると、先ず、選択されたメモリユニット(アクセス単位ユニット)における全プレート線PLm(m=1,2,・・・,8)を(1/2)Vcc(但し、Vccは電源電圧)にプレチャージし、更に、ビット線BLA,BLBを(1/2)Vccにプレチャージする。その後、ワード線WLW、ワード線WLS1,WLS2をハイレベルとすることによって、書込用トランジスタTRW,TRBW(この書込用トランジスタTRBWは、不揮発性メモリMBを構成する書込用トランジスタである)、選択用トランジスタTRSA1,TRSA2,TRSB1,TRSB2をオン状態とする。これによって、共通の第1の電極21(共通ノードCNA1,CNA2、CNB1,CNB2)がビット線BLA,BLBに接続され、共通ノードCNA1,CNA2,CNB1,CNB2の電位は(1/2)Vccとなる。
【0162】
(3D)次いで、非選択のワード線WLS2をロウレベルとすることによって、選択用トランジスタTRSA2,TRSB2をオフ状態とする。これによって、非選択の共通ノードCNA2,CNB2は、電位が(1/2)Vccのまま、浮遊状態となる。
【0163】
(4D)その後、選択プレート線PL1、及び、ビット線BLA,BLBを接地線(図示せず)を介して0ボルトまで放電させる。このとき、ビット線BLA,BLBに接続されている共通ノードCNA1,CNB1も0ボルトとなる。ビット線BLA,BLBの放電が完了したならば、接地線とビット線BLA,BLBとの電気的な接続を解き、ビット線BLA,BLBを浮遊状態とする。
【0164】
(5D)次に、ワード線WLWをロウレベルとすることによって、書込用トランジスタTRW,TRBWをオフ状態し、次いで、ワード線WLRをハイレベルとすることによって、読出用トランジスタTRR,TRBR(この読出用トランジスタTRBRは、不揮発性メモリMBを構成する読出用トランジスタである)をオン状態とする。一方、選択プレート線PL1にVccを印加する。これによって、データ「1」を記憶していたメモリセルMCA11からは、反転電荷が放出され、その結果、検出用トランジスタTRDがオン状態となり、配線(電位:Vcc)から検出用トランジスタTRD及び読出用トランジスタTRRを介してビット線BLAに電流が流れ、ビット線BLAの電位が上昇する。一方、選択メモリセルMCB11にはデータ「0」が記憶されているので、検出用トランジスタTRBD(この検出用トランジスタTRBDは、不揮発性メモリMBを構成する検出用トランジスタである)はオフ状態となり、ビット線BLBの電位は上昇しない。このようにして、ビット線BLA,BLBの間に電位差が生じる。次に、センスアンプSAを活性化して、かかるビット線BLA,BLBの間の電位差をデータとして読み出す。
【0165】
(6D)次いで、読出用トランジスタTRR,TRBRをオフ状態とする。
【0166】
(7D)その後、ビット線BLA,BLBを、センスアンプSAによって充放電させ、ビット線BLAにはVccを印加し、ビット線BLBには0ボルトを印加する。
【0167】
(8D)次いで、書込用トランジスタTRW,TRBWをオン状態とする。その結果、メモリセルMCB11には、データ「0」が再び書き込まれる。
【0168】
(9D)その後、選択プレート線PL1を0ボルトとすることによって、メモリセルMCA11には、データ「1」が再び書き込まれる。
【0169】
(10D)データの読み出しを終了する場合には、次いで、ビット線BLA,BLBを0ボルトまで放電する。次に、プレート線PLm(m=1,2,・・・,8)を0ボルトまで放電した後、非選択のワード線WLS2を再びハイレベルとし、選択用トランジスタTRSA2,TRSB2をオン状態として、メモリユニット(アクセス単位ユニット)の全ての共通ノードCNA1,CNA2,CNB1,CNB2を0ボルトとする。
【0170】
尚、引き続き、対となった次のメモリセルのデータを読み出す場合には、再び、全プレート線PLm(m=1,2,・・・,8)を(1/2)Vccにプレチャージし、上述の(2D)〜(9D)の動作を繰り返す。
【0171】
以上のシーケンスに従えば、非選択のメモリセルに加わるディスターブは、常に、(1/2)Vcc以下に抑えられる。
【0172】
尚、非選択状態であって、しかも、浮遊状態の共通ノードCNB1,CNB2の電位は、選択プレート線PL1と(1/2)Vccに固定された非選択プレート線PLj(j=2,・・・,8)とのカップリング比に従って変動するが、非選択プレート線側のカップリング容量の方が大きい。従って、共通ノードCNA2,CNB2の電位変動は、(1/2)Vcc〜Vccの範囲に抑えられ、メモリセルMCA2m,MCB2m(m=1〜8)に加わるディスターブは、(1/2)Vcc以下である。
【0173】
また、このような回路構成においては、ディスターブ回数を有限回に制限するために、プレート線又は共通ノードを共有する全メモリセルを一括して、且つ、連続してシリアルにアクセスする仕様とすることが望ましい。即ち、ワード線WLS1にアクセスした場合には、共通ノードCNA1,CNB1に関連したメモリセルA1m,MCB1m(m=1,2,・・・,8)の全てを、順次アクセスする。続いて、ワード線WLS2にアクセスし、共通ノードCNA2,CNB2に関連したメモリセルMCA2m,MCB2m(m=1,2,・・・,8)の全てを、順次アクセスする。これにより、メモリユニット(アクセス単位ユニット)内のメモリセルの全てからデータを読み出し、その後、再書き込みを行って、ディスターブによる劣化を回復させる。このようにすれば、ディスターブ回数の上限は、メモリユニット(アクセス単位ユニット)に記憶されるビット数から1を減じた回数となり、信頼性を保証することができる。以上に説明した実施の形態3におけるディスターブ回数は7回である。
【0174】
不揮発性メモリMA,MBを構成する選択用トランジスタTRSAn,TRSBnを、それぞれ、異なるワード線WLSAn,WLSBnに接続し、メモリセルMCAnm,MCBnmを独立して制御し、例えばダミーセル等を用いて、対となったビット線BLA,BLBの一方に参照電圧(データ「1」の読み出し電位と、データ「0」の読み出し電位の中間の参照電位)を印加することによって、メモリセルMCAnm,MCBnmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の回路図は、図18を参照のこと。尚、選択用トランジスタTRSAn,TRSBnを同時に駆動すれば、図15に示した回路と等価となる。
【0175】
このように、各メモリセルMCAnm,MCBnm(n=1,2であり、m=1,2・・・,8)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図18の参照)、あるいは又、対となったメモリセルMCAnm,MCBnmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図15参照)。実際の不揮発性メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶するメモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。そして、選択用トランジスタのワード線WLSn(WLSAn,WLSBn)、プレート線PLmが共有された複数のアクセス単位ユニットに対して、一括して、データの書き込み、あるいは、データの読み出し及び再書き込みを行う。即ち、メモリアレイにおいては、全ての不揮発性メモリが一括して、順次、作動状態となり、あるいは又、一括して不作動(待機)状態となる。
【0176】
(実施の形態4)
実施の形態4は、本発明の第7の態様及び第8の態様に係るゲインセルタイプの不揮発性メモリに関する。実施の形態4の不揮発性メモリの回路図を図19に示す。図19におけるメモリユニットのより具体的な回路図を図20に示す。また、不揮発性メモリを切断したときのビット線の延びる方向と平行における実施の形態4の不揮発性メモリの模式的な一部断面図は、実質的に、図16に示したと同様である。図19においては、ビット線方向に隣接する2つのメモリユニットブロック(1つの不揮発性メモリを構成する)の一部分を図示するが、メモリユニットブロックの一方の構成要素の参照番号には「’」を付した。尚、2つのメモリユニットブロックは同一の構成であるが故に、以下、一方のメモリユニットブロックについて説明を行う。ここで、図20には、プレート線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBにおける1つのメモリユニットブロックMBBを示すが、このメモリユニットブロックMBBはメモリユニットブロックMBAと同じ構成を有する。
【0177】
また、図19には、ビット線BLAn、書込用トランジスタTRWn、読出用トランジスタTRRn、検出用トランジスタTRDn、2つの選択用トランジスタTRSAn,TRSAn’、及び、2つのメモリユニットMUAn,MUAn’を1組として図示したが、実際には、1つの不揮発性メモリには、この組がN組、備えられている。
【0178】
実施の形態4の不揮発性メモリMAは、
(A)N個(但し、N≧2であり、実施の形態4においては、N=2)の信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロックMBA,MBA’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBAは、
(B−1)N個の選択用トランジスタTRSANと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態4においては、M=8)のメモリセルMCANMから構成された、N個のメモリユニットMUANと、
(B−3)M本のプレート線PLM
から成る。
【0179】
そして、メモリユニットブロックMBAのN個のメモリユニットMUANは、絶縁層(層間絶縁層26)を介して積層されている。各メモリセルMCAnmは、第1の電極21,31と強誘電体層22,32と第2の電極23,33とから成る。メモリユニットブロックMBAの各メモリユニットMUAnにおいて、メモリセルMCAnmの第1の電極21,31は共通であり、メモリユニットブロックMBAの第n番目(第n層目)(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUAnにおける共通の第1の電極は、メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAnを介して、第n番目の信号検出回路に接続されている。更には、メモリユニットブロックMBAの第n番目(第n層目)のメモリユニットMUAnにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMCAnmの第2の電極は、メモリユニットブロックMBAのメモリユニットMUAn間で共通とされた第m番目のプレート線PLmに接続されている。そして、第n番目の信号検出回路は、メモリユニットブロックMBAの第n層目のメモリユニットMUAnにおける共通の第1の電極の電位変化(メモリセルMCAnmに記憶されたデータに基づく)を検出し、この検出結果を第n番目のビット線BLAnに電流又は電圧として伝達する。第n番目の信号検出回路は、具体的には、次に説明する書込用トランジスタTRWnと、読出用トランジスタTRRnと、検出用トランジスタTRDnから構成されている。
【0180】
あるいは又、実施の形態4の不揮発性メモリMAは、
(A)N本(但し、N≧2であり、実施の形態4においては、N=2)のビット線BLANと、
(B)N個の書込用トランジスタTRWNと、
(C)N個の読出用トランジスタTRRNと、
(D)N個の検出用トランジスタTRDNと、
(E)複数のメモリユニットブロックMBA,MBA’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBAは、
(E−1)N個の選択用トランジスタTRSANと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態4においては、M=8)のメモリセルMCANMから構成された、N個のメモリユニットMUANと、
(E−3)M本のプレート線PLM
から成る。
【0181】
そして、メモリユニットブロックMBAのN個のメモリユニットは、絶縁層(層間絶縁層26)を介して積層されている。各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成る。具体的には、第1番目(第1層目)のメモリユニットMUA1を構成する各メモリセルMCA1Mは、第1の電極21と強誘電体層22と第2の電極23とから成り、第2番目(第2層目)のメモリユニットMUA2を構成する各メモリセルMCA2Mは、第1の電極31と強誘電体層32と第2の電極33とから成る。メモリユニットブロックMBAの各メモリユニットMUAnにおいて、メモリセルMCAnmの第1の電極は共通である。具体的には、第1層目のメモリユニットMUA1において、メモリセルMCA1Mの第1の電極21は共通である。この共通の第1の電極21を第1の共通ノードCNA1と呼ぶ場合がある。また、第2層目のメモリユニットMUA2において、メモリセルMCA2Mの第1の電極31は共通である。この共通の第1の電極31を第2の共通ノードCNA2と呼ぶ場合がある。更には、メモリユニットブロックMBAの第n番目(第n層目)(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUAnにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極23,33は、メモリユニットMUAn間で共通とされた第m番目のプレート線PLmに接続されている。実施の形態4においては、より具体的には、各プレート線は、第2の電極23,33から延在している。これらのプレート線PLmは、図示しない領域において接続されている。
【0182】
メモリユニットブロックMBAの第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUAnにおける共通の第1の電極は、第n番目の選択用トランジスタTRSAn、及び、第n番目の書込用トランジスタTRWnを介して、第n番目のビット線BLAnに接続されている。具体的には、第n番目の選択用トランジスタTRSAnの一方のソース/ドレイン領域14は接続孔18C、サブビット線19、接続孔18B、第n番目の書込用トランジスタTRWnを介して第n番目のビット線BLAnに接続されている。一方、第1番目の選択用トランジスタTRSA1の他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に設けられた接続孔17を介して、第1層目のメモリユニットMUA1における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCNA1)に接続されている。また、第2番目の選択用トランジスタTRSA2の他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に設けられた接続孔17、パッド部25、及び、層間絶縁層26に設けられた接続孔27を介して、第2層目のメモリユニットMUA2における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCNA2)に接続されている。
【0183】
ビット線BLA1はセンスアンプSA1に接続され、ビット線BLA2はセンスアンプSA2に接続されている。また、プレート線PLMはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WLSnは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。また、不揮発性メモリMAを構成するメモリセルMCA1mの第2の電極23は、プレート線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBを構成するメモリセルMCB1mの第2の電極23と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。更には、不揮発性メモリMAを構成するメモリセルMCA2Mの第2の電極33は、プレート線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBを構成するメモリセルMCB2mの第2の電極33と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。これらのプレート線PLmは、図示しない領域において接続されている。また、ワード線WLSnは、不揮発性メモリMAを構成する選択用トランジスタTRSAnと、ワード線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBを構成する選択用トランジスタTRSBnとで共通である。
【0184】
第n番目の検出用トランジスタTRDnの一端は所定の電位(例えば、電源Vcc)を有する配線に接続され、他端は第n番目の読出用トランジスタTRRnを介して第n番目のビット線BLAnに接続されている。書込用トランジスタTRWn、読出用トランジスタTRRn、及び、検出用トランジスタTRDnの構成、これらの動作、これらとメモリユニットブロックとの関係は、実質的に実施の形態1と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0185】
そして、例えば、メモリユニットブロックMBAの第n番目(第n層目)のメモリユニットMUAnのメモリセルMCAnmへのデータの書き込み時、
▲1▼ 第n番目の書込用トランジスタTRWn、及び、
▲2▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAn、が導通状態とされ、
▲3▼ 第n番目の書込用トランジスタTRWn以外の書込用トランジスタ、
▲4▼ 読出用トランジスタTRRN
▲5▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAn以外の選択用トランジスタ、及び、
▲6▼ メモリユニットブロックMBA以外のメモリユニットブロックMBA’の選択用トランジスタTRSAN’、
が非導通状態とされ、
例えば、メモリユニットブロックMBAの第n番目(第n層目)のメモリユニットMUAnのメモリセルMCAnmに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタTRWN
▲2▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の読出用トランジスタTRRn以外の読出用トランジスタ、及び、
▲3▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAn以外の選択用トランジスタ、
▲4▼ メモリユニットブロックMBA以外のメモリユニットブロックMBA’の選択用トランジスタTRSAn’、
が非導通状態とされ、
▲5▼ 第n番目の読出用トランジスタTRRn、及び、
▲6▼ メモリユニットブロックMBAの第n番目の選択用トランジスタTRSAn、が導通状態とされ、メモリユニットブロックMBAの第n層目のメモリユニットMUAnのメモリセルMCAnmに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCNAn)に生じた電位により、第n番目の検出用トランジスタTRDnの動作が制御される。
【0186】
実施の形態4における不揮発性メモリにおけるデータの書込み動作、並びに、データの読出し及び再書込み動作は、実質的に実施の形態2にて説明した動作と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0187】
図20に回路図を示す不揮発性メモリMA,MBにおいては、選択用トランジスタTRSA1,TRSB1は同じワード線WLS1に接続され、選択用トランジスタTRSA2,TRSB2は同じワード線WLS2に接続されている。そして、対となったメモリセルMCAnm,MCBnm(n=1,2、及び、m=1,2・・・,M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMCA1m,MCB1m(ここで、mは1,2・・・,8のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLS1を選択し、プレート線PLj(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLmを駆動する。これによって、相補的なデータに相当する電位が、対となったメモリセルMCAnm,MCBnmから共通ノードCNAn,CNBnに出現し、その結果、検出用トランジスタTRDn,検出用トランジスタTRBDn(この検出用トランジスタTRBDnは、不揮発性メモリMBを構成する検出用トランジスタである)の動作が制御され、相補的なデータに相当する電位が、検出用トランジスタTRDn、読出用トランジスタTRRn、及び、検出用トランジスタTRBDn、読出用トランジスタTRBRn(この読出用トランジスタTRBRnは、不揮発性メモリMBを構成する読出用トランジスタである)を介して対となったビット線BLAn,BLBnに電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BLAn,BLBnの電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAnで検出する。
【0188】
不揮発性メモリMA,MBを構成する選択用トランジスタTRSAn,TRSBnを、それぞれ、異なるワード線WLSAn,WLSBnに接続し、メモリセルMCAnm,MCBnmを独立して制御し、例えばダミーセル等を用いて、対となったビット線BLAn,BLBnの一方に参照電圧(データ「1」の読み出し電位と、データ「0」の読み出し電位の中間の参照電位)を印加することによって、メモリセルMCAnm,MCBnmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の回路図は、図21を参照のこと。尚、選択用トランジスタTRSAn,TRSBnを同時に駆動すれば、図20に示した回路と等価となる。
【0189】
このように、各メモリセルMCAnm,MCBnm(n=1,2であり、m=1,2・・・,8)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図21の参照)、あるいは又、対となったメモリセルMCAnm,MCBnmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図20参照)。実際の不揮発性メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶するメモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。そして、選択用トランジスタのワード線WLSn(WLSAn,WLSBn)、プレート線PLmが共有された複数のアクセス単位ユニットに対して、一括して、データの書き込み、あるいは、データの読み出し及び再書き込みを行う。即ち、メモリアレイにおいては、全ての不揮発性メモリが一括して、順次、作動状態となり、あるいは又、一括して不作動(待機)状態となる。
【0190】
(実施の形態5)
実施の形態5は、本発明の第9の態様及び第10の態様に係るゲインセルタイプの不揮発性メモリに関する。実施の形態5の不揮発性メモリの回路図を図22に示し、図22におけるメモリユニットのより具体的な回路図を図23に示す。また、不揮発性メモリを切断したときのビット線の延びる方向と平行における実施の形態5の不揮発性メモリの模式的な一部断面図は、実質的に、図16に示したと同様である。図22においては、ビット線方向に隣接する2つのメモリユニットブロック(1つの不揮発性メモリを構成する)を図示するが、メモリユニットブロックの一方の構成要素の参照番号には「’」を付した。尚、2つのメモリユニットブロックは同一の構成であるが故に、以下、一方のメモリユニットブロックについて説明を行う。ここで、図23には、プレート線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBにおける1つのメモリユニットブロックMBBを示すが、このメモリユニットブロックMBBはメモリユニットブロックMBと同じ構成を有する。
【0191】
また、図22には、ビット線BLAn、書込用トランジスタTRWn、読出用トランジスタTRRn、検出用トランジスタTRDn、2つの選択用トランジスタTRSAn,TRSAn’、及び、2つのメモリユニットMUAn,MUAn’を1組として図示したが、実際には、1つの不揮発性メモリには、この組がN組、備えられている。
【0192】
実施の形態5の不揮発性メモリMは、
(A)2N個(但し、N≧1であり、実施の形態5においては、N=1)の信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロックMB,MB’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBは、
(B−1)2N個の選択用トランジスタTRSと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルMCNMから構成された、2N個のメモリユニットMUNと、
(B−3)M本のプレート線PLM
から成る。
【0193】
そして、メモリユニットブロックMBの2N個のメモリユニットMUnは、絶縁層(層間絶縁層26)を介して積層されている。各メモリセルMCnmは、第1の電極21,31と強誘電体層22,32と第2の電極23,33とから成る。そして、メモリユニットブロックMBの各メモリユニットMUnにおいて、メモリセルMCnmの第1の電極21,31は共通であり、メモリユニットブロックMBの第n層目(但し、n=1,2・・・,2N)のメモリユニットMUnにおける共通の第1の電極21,31は、このメモリユニットブロックMBの第n番目の選択用トランジスタTRSnを介して、第n番目のビット線BLnに接続されている。更には、メモリユニットブロックMBの第n層目のメモリユニットMUnにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMCnmの第2の電極23,33は、このメモリユニットブロックMBのメモリユニットMUn間で共通とされた第m番目のプレート線PLmに接続されている。そして、メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)層目及び第2n’層目(但し、n’=1,2・・・,N)のメモリユニットMU(2n'-1),MU2n'におけるプレート線が共通とされた2つのメモリセルMC(2n'-1),m,MC2n',mへのデータの書き込み、及び、データの読み出しが行われる。そして、第(2n’−1)番目及び第2n’番目の信号検出回路は、メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)層目及び第2n’層目のメモリユニットMU(2n'-1),MU2n'における共通の第1の電極の電位変化(メモリセルMC(2n'-1),m,MC2n',mに記憶されたデータに基づく)を検出し、これらの検出結果を第(2n’−1)番目及び第2n’番目のビット線BL(2n'-1),BL2n'に電流又は電圧として伝達する。各信号検出回路は、具体的には、次に説明する書込用トランジスタTRWnと、読出用トランジスタTRRnと、検出用トランジスタTRDnから構成されている。
【0194】
あるいは又、実施の形態5の不揮発性メモリMは、
(A)2N本(但し、N≧1であり、実施の形態5においては、N=1)のビット線BLNと、
(B)2N個の書込用トランジスタTRWNと、
(C)2N個の読出用トランジスタTRRNと、
(D)2N個の検出用トランジスタTRDNと、
(E)複数のメモリユニットブロックMB,MB’、
から成り、
例えば、メモリユニットブロックMBは、
(E−1)2N個の選択用トランジスタTRSNと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態5においては、M=8)のメモリセルMCNMから構成された、2N個のメモリユニットMUNと、
(E−3)M本のプレート線PLM
から成る。
【0195】
そして、メモリユニットブロックMBのN個のメモリユニットは、絶縁層(層間絶縁層26)を介して積層されている。各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成る。具体的には、第1層目のメモリユニットMU1を構成する各メモリセルMC1Mは、第1の電極21と強誘電体層22と第2の電極23とから成り、第2層目のメモリユニットMU2を構成する各メモリセルMC2Mは、第1の電極31と強誘電体層32と第2の電極33とから成る。メモリユニットブロックMBの各メモリユニットMUnにおいて、メモリセルMCnmの第1の電極は共通である。具体的には、第1層目のメモリユニットMU1において、メモリセルMC1Mの第1の電極21は共通である。この共通の第1の電極21を第1の共通ノードCN1と呼ぶ場合がある。また、第2層目のメモリユニットMU2において、メモリセルMC2Mの第1の電極31は共通である。この共通の第1の電極31を第2の共通ノードCN2と呼ぶ場合がある。更には、メモリユニットブロックMBの第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUnにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極23,33は、メモリユニットMUn間で共通とされた第m番目のプレート線PLmに接続されている。実施の形態5においては、より具体的には、各プレート線は、第2の電極23,33から延在している。これらのプレート線PLmは、図示しない領域において接続されている。
【0196】
メモリユニットブロックMBの第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMUnにおける共通の第1の電極は、第n番目の選択用トランジスタTRSn、及び、第n番目の書込用トランジスタTRWnを介して、第n番目のビット線BLnに接続されている。具体的には、第n番目の選択用トランジスタTRSnの一方のソース/ドレイン領域14は接続孔18C、サブビット線19、接続孔18B、第n番目の書込用トランジスタTRWnを介して第n番目のビット線BLnに接続されている。一方、第1番目の選択用トランジスタTRS1の他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に設けられた接続孔17を介して、第1層目のメモリユニットMU1における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCN1)に接続されている。また、第2番目の選択用トランジスタTRS2の他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に設けられた接続孔17、パッド部25、及び、層間絶縁層26に設けられた接続孔27を介して、第2層目のメモリユニットMU2における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCN2)に接続されている。
【0197】
ビット線BL1,BL2はセンスアンプSA1に接続されている。また、プレート線PLMはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WLSnは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。また、不揮発性メモリMを構成するメモリセルMC1mの第2の電極23は、プレート線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBを構成するメモリセルMCB1mの第2の電極23と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。更には、不揮発性メモリMを構成するメモリセルMC2Mの第2の電極33は、プレート線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBを構成するメモリセルMCB2mの第2の電極33と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。これらのプレート線PLmは、図示しない領域において接続されている。また、ワード線WLSnは、不揮発性メモリMを構成する選択用トランジスタTRSnと、ワード線の延びる方向に隣接する別の不揮発性メモリMBを構成する選択用トランジスタTRSBnとで共通である。
【0198】
第n番目の検出用トランジスタTRDnの一端は所定の電位(例えば、電源Vcc)を有する配線に接続され、他端は第n番目の読出用トランジスタTRRnを介して第n番目のビット線BLnに接続されている。書込用トランジスタTRWn、読出用トランジスタTRRn、及び、検出用トランジスタTRDnの構成、これらの動作、これらとメモリユニットブロックとの関係は、実質的に実施の形態1と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0199】
そして、メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)層目及び第2n’層目(但し、n’=1,2・・・,N)の例えばメモリユニットMU(2n'-1),MU2n'におけるプレート線PLMが共通とされた2つのメモリセルMC(2n'-1),m,MC2n',mへのデータの書き込み時、
▲1▼ 第(2n’−1)番目及び第2n’番目の書込用トランジスタTRW,(2n'-1)、TRW,2n'、及び、
▲2▼ メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の選択用トランジスタTRS,(2n'-1)、TRS,2n'
が導通状態とされ、
▲3▼ 第(2n’−1)番目及び第2n’番目の書込用トランジスタTRW,(2n'-1)、TRW,2n'以外の書込用トランジスタ、
▲4▼ 読出用トランジスタTRRn
▲5▼ メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の選択用トランジスタTRS,(2n'-1)、TRS,2n'以外の選択用トランジスタ、及び、
▲6▼ メモリユニットブロックMB以外のメモリユニットブロックMB’の選択用トランジスタTRSN’、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)層目及び第2n’層目のメモリユニットMU(2n'-1),MU2n'におけるプレート線PLmが共通とされた2つのメモリセルMC(2n'-1),m,MC2n',mに記憶されたデータの読み出し時、
▲1▼ 書込用トランジスタTRWN
▲2▼ メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の読出用トランジスタTRR,(2n'-1)、TRR,2n'以外の読出用トランジスタ、
▲3▼ メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の選択用トランジスタTRS,(2n'-1)、TRS,2n'以外の選択用トランジスタ、及び、
▲4▼ メモリユニットブロックMB以外のメモリユニットブロックMB’の選択用トランジスタTRSN’、
が非導通状態とされ、
▲5▼ 第(2n’−1)番目及び第2n’番目の読出用トランジスタTRR,(2n'-1)、TRR,2n'、及び、
▲6▼ メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)番目及び第2n’番目の選択用トランジスタTRS,(2n'-1)、TRS,2n'
が導通状態とされ、メモリユニットブロックMBの第(2n’−1)層目及び第2n’層目のメモリユニットMU(2n'-1),MU2n'におけるプレート線PLmが共通とされた2つのメモリセルMC(2n'-1),m,MC2n',mに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCN(2n'-1),CN2n')のそれぞれに生じた電位により、第(2n’−1)番目及び第2n’番目の検出用トランジスタTRD,(2n'-1)、TRD,2n'の動作が制御される。
【0200】
実施の形態5における不揮発性メモリMにおけるデータの書込み動作、並びに、データの読出し及び再書込み動作は、実質的に実施の形態2にて説明した動作と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0201】
図23に回路図を示す不揮発性メモリMにおいては、不揮発性メモリMを構成する選択用トランジスタTRS1,TRS1は異なるワード線WLS1,WLS2に接続されている。そして、対となったメモリセルMC1m,MC2mに相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC1m,MC2m(ここで、mは1,2・・・,8のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLS1及びワード線WLS2を選択し、プレート線PLj(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLmを駆動する。これによって、相補的なデータに相当する電位が、対となったメモリセルMC1m,MC2mから共通ノードCN1,CN2に出現し、その結果、検出用トランジスタTRD1,検出用トランジスタTRD2の動作が制御され、相補的なデータに相当する電位が、検出用トランジスタTRD1、読出用トランジスタTRR1、及び、検出用トランジスタTRD2、読出用トランジスタTRR2を介して対となったビット線BL1,BL2に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL1,BL2の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSA1で検出する。
【0202】
このように、対となったメモリセルMC(2n'-1),m,MC2n',mに相補的なデータが1ビットとして記憶される。実際の不揮発性メモリにおいては、この8ビットを記憶するメモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。そして、選択用トランジスタのワード線WLS1,WLS2、プレート線PLmが共有された複数のアクセス単位ユニットに対して、一括して、データの書き込み、あるいは、データの読み出し及び再書き込みを行う。即ち、メモリアレイにおいては、全ての不揮発性メモリが一括して、順次、作動状態となり、あるいは又、一括して不作動(待機)状態となる。
【0203】
メモリセルMC1m,MC2mを独立して制御し、対となったビット線BL1,BL2の一方に参照電圧を印加することによって、メモリセルMC1m,MC2mのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成は、実質的に、実施の形態4にて説明した不揮発性メモリの動作と同じとなる。
【0204】
以上、本発明を、発明の実施の形態に基づき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。発明の実施の形態にて説明した不揮発性メモリの構造、使用した材料、各種の形成条件、回路構成、駆動方法等は例示であり、適宜変更することができる。
【0205】
検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位はVccに限定されず、例えば、接地されていてもよい。即ち、検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位を0ボルトとしてもよい。但し、この場合には、選択メモリセルにおけるデータの読み出し時に電位(Vcc)がビット線に現れた場合、再書き込み時には、ビット線の電位を0ボルトとし、選択メモリセルにおけるデータの読み出し時に0ボルトがビット線に現れた場合、再書き込み時には、ビット線の電位をVccとする必要がある。そのためには、図24に例示するような、トランジスタTRIV-1,TRIV-2,TRIV-3,TRIV-4から構成された一種のスイッチ回路(反転回路)をビット線間に配設し、データの読み出し時には、トランジスタTRIV-2,TRIV-4をオン状態とし,データの再書き込み時には、トランジスタTRIV-1,TRIV-3をオン状態とすればよい。
【0206】
Mの値は8に限定されない。Mの値は、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8,16・・・)を挙げることができる。また、実施の形態1〜実施の形態4において、Nの値は、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。更には、実施の形態5において、Nの値は、N≧1を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、1あるいは2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。メモリユニットブロックの数も2つに限定されない。
【0207】
一般に、単位ユニットの駆動用の信号線の合計本数をA本、その内のワード線本数をB本、プレート線の本数をC本とすると、A=B+Cである。ここで、合計本数Aを一定とした場合、単位ユニットの総アドレス数(=B×C)が最大となるには、B=Cを満足すればよい。従って、最も効率良く周辺回路を配置するためには、単位ユニットにおけるワード線本数Bとプレート線の本数Cとを等しくすればよい。また、ロー・アドレスのアクセス単位ユニットにおけるワード線本数は、例えば、メモリセルの積層段数(N)に一致し、プレート線本数はメモリユニットを構成するメモリセルの数(M)に一致するが、これらのワード線本数、プレート線本数が多いほど、実質的な不揮発性メモリの集積度は向上する。そして、ワード線本数とプレート線本数の積がアクセス可能なアドレス回数である。ここで、一括して、且つ、連続したアクセスを前提とすると、その積から「1」を減じた値がディスターブ回数である。従って、ワード線本数とプレート線本数の積の値は、メモリセルのディスターブ耐性、プロセス要因等から決定される。ここで、ディスターブとは、非選択のメモリセルを構成する強誘電体層に対して、分極が反転する方向に、即ち、保存されていたデータが劣化若しくは破壊される方向に、電界が加わる現象を指す。
【0208】
実施の形態3にて説明した不揮発性メモリを、図25に示す構造のように変形することもできる。尚、回路図を図26に示す。尚、図25、図26においては、書込用トランジスタ、読出用トランジスタ、検出用トランジスタの図示を省略した。
【0209】
この不揮発性メモリは、センスアンプSAに接続されているビット線BLAと、MOS型FETから構成されたN個(但し、N≧2であり、この例においてはN=4)の選択用トランジスタTRS1,TRS2,TRS3,TRS4と、N個のメモリユニットMUA1,MUA2,MUA3,MUA4と、プレート線から構成されている。第1層目のメモリユニットMUA1は、M個(但し、M≧2であり、この例においてはM=8)のメモリセルMCA1m(m=1,2,・・・,8)から構成されている。また、第2層目のメモリユニットMUA2も、M個(M=8)のメモリセルMCA2m(m=1,2・・・,8)から構成されている。更には、第3層目のメモリユニットMUA3も、M個(M=8)のメモリセルMCA3m(m=1,2・・・,8)から構成され、第4層目のメモリユニットMUA4も、M個(M=8)のメモリセルMCA4m(m=1,2・・・,8)から構成されている。プレート線の数は、M本(この例においては8本)であり、PLm(m=1,2・・・,8)で表している。選択用トランジスタTRSnのゲート電極に接続されたワード線WLSnは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。一方、各プレート線PLmは、プレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。
【0210】
また、第1層目のメモリユニットMUA1を構成する各メモリセルMCA1mは、第1の電極21Aと強誘電体層22Aと第2の電極23とから成り、第2層目のメモリユニットMUA2を構成する各メモリセルMCA2mは、第1の電極21Bと強誘電体層22Bと第2の電極23とから成り、第3層目のメモリユニットMUA3を構成する各メモリセルMCA3mは、第1の電極31Aと強誘電体層32Aと第2の電極33とから成り、第4層目のメモリユニットMUA4を構成する各メモリセルMCA4mは、第1の電極31Bと強誘電体層32Bと第2の電極33とから成る。そして、各メモリユニットMUA1,MUA2,MUA3,MUA4において、メモリセルの第1の電極21A,21B,31A,31Bは共通である。この共通の第1の電極21A,21B,31A,31Bを、便宜上、共通ノードCNA1,CNA2,CNA3,CNA4と呼ぶ。
【0211】
ここで、第1層目のメモリユニットMUA1における共通の第1の電極21A(第1の共通ノードCNA1)は、第1番目の選択用トランジスタTRS1及び例えば書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。また、第2層目のメモリユニットMUA2における共通の第1の電極21B(第2の共通ノードCNA2)は、第2番目の選択用トランジスタTRS2及び例えば書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。更には、第3層目のメモリユニットMUA3における共通の第1の電極31A(第3の共通ノードCNA3)は、第3番目の選択用トランジスタTRS3及び例えば書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。また、第4層目のメモリユニットMUA4における共通の第1の電極31B(第4の共通ノードCNA4)は、第4番目の選択用トランジスタTRS4及び例えば書込用トランジスタTRWを介してビット線BLAに接続されている。
【0212】
また、第1層目のメモリユニットMUA1を構成するメモリセルMCA1mと、第2層目のメモリユニットMUA2を構成するメモリセルMCA2mは、第2の電極23を共有しており、この共有された第m番目の第2の電極23はプレート線PLmに接続されている。更には、第3層目のメモリユニットMUA3を構成するメモリセルMCA3mと、第4層目のメモリユニットMUA4を構成するメモリセルMCA4mは、第2の電極33を共有しており、この共有された第m番目の第2の電極33はプレート線PLmに接続されている。具体的には、この共有された第m番目の第2の電極23の延在部からプレート線PLmが構成され、この共有された第m番目の第2の電極33の延在部からプレート線PLmが構成されており、各プレート線PLmは図示しない領域で接続されている。
【0213】
この不揮発性メモリにおいては、メモリユニットMUA1,MUA2とメモリユニットMUA3,MUA4は、絶縁層(層間絶縁層26)を介して積層されている。メモリユニットMUA4は絶縁膜36Aで被覆されている。また、メモリユニットMUA1は、半導体基板10の上方に絶縁層16を介して形成されている。半導体基板10には素子分離領域11が形成されている。また、選択用トランジスタTRS1,TRS2,TRS3,TRS4は、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、ソース/ドレイン領域14から構成されている。そして、第1の選択用トランジスタTRS1、第2の選択用トランジスタTRS2、第3の選択用トランジスタTRS3、第4の選択用トランジスタTRS4の一方のソース/ドレイン領域14は接続孔、サブビット線、例えば書込用トランジスタTRWnを介してビット線BLAに接続されている。また、第1の選択用トランジスタTRS1の他方のソース/ドレイン領域14は、絶縁層16に形成された開口部中に設けられた接続孔17を介して第1の共通ノードCNA1に接続されている。更には、第2の選択用トランジスタTRS2の他方のソース/ドレイン領域14は、接続孔17を介して第2の共通ノードCNA2に接続されている。また、第3の選択用トランジスタTRS3の他方のソース/ドレイン領域14は、接続孔17、パッド部25、層間絶縁層26に形成された開口部中に設けられた接続孔27を介して第3の共通ノードCNA3に接続されている。更には、第4の選択用トランジスタTRS4の他方のソース/ドレイン領域14は、接続孔17、パッド部25、接続孔27を介して第4の共通ノードCNA4に接続されている。
【0214】
以上に説明した不揮発性メモリの構造は、他の発明の実施の形態における不揮発性メモリにも適宜適用することができる。
【0215】
また、例えば、図27に示すように、実施の形態3の不揮発性メモリの変形例として、第1の電極21’,31’を上部電極とし、第2の電極23’,33’を下部電極とすることもできる。このような構造は、他の発明の実施の形態における不揮発性メモリにも適宜適用することができる。尚、図27には、書込用トランジスタ、読出用トランジスタ、検出用トランジスタの図示を省略した。
【0216】
【発明の効果】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、複数のメモリセルが設けられているが故に、1ビット当たりのセル面積の減少を図ることができるし、更には、複数のメモリユニットブロックを備えているが故に、一層、1ビット当たりのセル面積の減少を図ることができる。しかも、第1の電極は、メモリユニットを構成する複数のメモリセルの第1の電極が共通であるが故に、第1の電極に一種の追加の負荷容量が付加された状態にあり、データの読み出し時、プレート線に電圧を印加した際、浮遊状態にある第1の電極の電位上昇を抑制することができ、第1の電極と第2の電極との間に十分な電位差を生じさせることができるので、強誘電体層に分極反転を確実に発生させることが可能となる。また、書込用トランジスタや、読出用トランジスタ、検出用トランジスタを設けるが、これらのトランジスタの面積的なオーバーヘッドは極く僅かである。しかも、スケーリングが向上し、メモリセルが縮小化されても、ほぼ同等のセンス信号量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図2】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおけるメモリユニットの部分のより具体的な回路図である。
【図3】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリを構成する各種のトランジスタの模式的なレイアウトを示す図である。
【図4】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリを、図3の矢印A−Aに沿って切断したときのビット線の延びる方向と平行における模式的な一部断面図である。
【図5】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリを、図3の矢印B−Bに沿って切断したときのビット線の延びる方向と平行における模式的な一部断面図である。
【図6】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリのデータ書き込み動作における動作波形を示す図である。
【図7】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリのデータ読み出し及び再書き込み動作における動作波形を示す図である。
【図8】発明の実施の形態1において、メモリユニットを構成するメモリセルの個数(M)の値と信号電位との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図9】発明の実施の形態2の強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図10】発明の実施の形態2の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおけるメモリユニットの部分のより具体的な回路図である。
【図11】発明の実施の形態2の強誘電体型不揮発性半導体メモリのビット線の延びる方向と平行における模式的な一部断面図である。
【図12】発明の実施の形態2の強誘電体型不揮発性半導体メモリのデータ読み出し及び再書き込み動作における動作波形を示す図である。
【図13】発明の実施の形態2の強誘電体型不揮発性半導体メモリの変形例におけるメモリユニットの部分のより具体的な回路図である。
【図14】発明の実施の形態3の強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図15】発明の実施の形態3の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおけるメモリユニットの部分のより具体的な回路図である。
【図16】発明の実施の形態3の強誘電体型不揮発性半導体メモリのビット線の延びる方向と平行における模式的な一部断面図である。
【図17】発明の実施の形態3の強誘電体型不揮発性半導体メモリのデータ読み出し及び再書き込み動作における動作波形を示す図である。
【図18】発明の実施の形態3の強誘電体型不揮発性半導体メモリの変形例におけるメモリユニットの部分のより具体的な回路図である。
【図19】発明の実施の形態4の強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図20】発明の実施の形態4の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおけるメモリユニットの部分のより具体的な回路図である。
【図21】発明の実施の形態4の強誘電体型不揮発性半導体メモリの変形例におけるメモリユニットの部分のより具体的な回路図である。
【図22】発明の実施の形態5の強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図23】発明の実施の形態5の強誘電体型不揮発性半導体メモリにおけるメモリユニットの部分のより具体的な回路図である。
【図24】検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位を0ボルトとした場合の、ビット線間に配設された一種のスイッチ回路を示す回路図である。
【図25】発明の実施の形態3にて説明した強誘電体型不揮発性半導体メモリの変形例を示す模式的な一部断面図である。
【図26】図25に示す強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図27】発明の実施の形態3の強誘電体型不揮発性半導体メモリの別の変形例の模式的な一部断面図である。
【図28】強誘電体のP−Eヒステリシスループ図である。
【図29】米国特許第4873664号に開示された強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図30】特開平9−121032号公報に開示された強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図31】DRAMにおけるゲインセルの等価回路図、及び、従来の米国特許第4873664号に開示された不揮発性メモリにこのゲインセルを適用した場合の等価回路図である。
【符号の説明】
10・・・シリコン半導体基板、11・・・素子分離領域、12・・・ゲート絶縁膜、13・・・ゲート電極、14・・・ソース/ドレイン領域、15,17,18A,18B,18C,27・・・接続孔(コンタクトホール)、16・・・絶縁層、21,21A,21B,21’,31,31A,31B,31’・・・第1の電極、22,22A,22B,32,32A,32B・・・強誘電体層、23,23’,33,33’・・・第2の電極、25・・・パッド部、26・・・絶縁層(層間絶縁層)、26A,36A・・・絶縁膜、M・・・強誘電体型不揮発性半導体メモリ、MB・・・メモリユニットブロック、MC・・・メモリセル、TRS・・・選択用トランジスタ、TRW・・・書込用トランジスタ、TRR・・・読出用トランジスタ、TRD・・・検出用トランジスタ、WL・・・ワード線、BL・・・ビット線、PL・・・プレート線、WD・・・ワード線デコーダ/ドライバ、SA・・・センスアンプ、PD・・・プレート線デコーダ/ドライバ、CN・・・共通ノード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a so-called gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory.
[0002]
[Prior art]
In recent years, research on large-capacity ferroelectric nonvolatile semiconductor memories has been actively conducted. A ferroelectric type nonvolatile semiconductor memory (hereinafter sometimes abbreviated as “nonvolatile memory”) is capable of high-speed access, is nonvolatile, is small in size and has low power consumption, and is also susceptible to impact. For example, various electronic devices having file storage and resume functions, such as portable computers, mobile phones, game machines as main storage devices, or recording media for recording audio and video Use is expected.
[0003]
This non-volatile memory uses a high-speed polarization inversion of the ferroelectric thin film and its remanent polarization, and is capable of high-speed rewriting of a method of detecting a change in the accumulated charge amount of the ferroelectric layer in the memory cell (capacitor portion). The nonvolatile memory is basically composed of a memory cell (capacitor portion) and a selection transistor (switching transistor). The memory cell includes, for example, a lower electrode, an upper electrode, and a ferroelectric layer sandwiched between these electrodes. Data is written into and read from the nonvolatile memory by applying a ferroelectric PE hysteresis loop shown in FIG. That is, when an external electric field is applied to the ferroelectric layer and then the external electric field is removed, the ferroelectric layer exhibits spontaneous polarization. The residual polarization of the ferroelectric layer is + P when an external electric field in the positive direction is applied.rWhen an external electric field in the negative direction is applied, -PrIt becomes. Here, the remanent polarization is + PrIn the case of the state (see “D” in FIG. 28), the residual polarization is −P.rIn this state (see “A” in FIG. 28), “1” is set.
[0004]
In order to determine the state of “1” or “0”, for example, an external electric field in the positive direction is applied to the ferroelectric layer. As a result, the polarization of the ferroelectric layer becomes the state “C” in FIG. At this time, if the data is “0”, the polarization state of the ferroelectric layer changes from “D” to “C”. On the other hand, if the data is “1”, the polarization state of the ferroelectric layer changes from “A” to “C” via “B”. When the data is “0”, the polarization inversion of the ferroelectric layer does not occur. On the other hand, when the data is “1”, polarization inversion occurs in the ferroelectric layer. As a result, a difference occurs in the amount of charge stored in the memory cells. By turning on the selection transistor of the selected nonvolatile memory, this accumulated charge is detected as a signal current. When the external electric field is set to 0 after the data is read, the polarization state of the ferroelectric layer becomes the state “D” in FIG. 28 regardless of whether the data is “0” or “1”. That is, at the time of reading, the data “1” is once destroyed. Therefore, when the data is “1”, an external electric field in the negative direction is applied to make the state “A” along the paths “D” and “E”, and the data “1” is written again.
[0005]
The structure and operation of nonvolatile memories which are currently mainstream are disclosed in US Pat. Shefiled et al. This non-volatile memory is composed of two non-volatile memory cells as shown in the circuit diagram of FIG. In FIG. 29, one nonvolatile memory is surrounded by a dotted line. Each nonvolatile memory cell includes, for example, a selection transistor TR11, TR12, Memory cell MC11, MC12It is composed of
[0006]
Note that a 2-digit number, for example, the subscript “11” is originally a subscript to be displayed as the subscript “1, 1”, but is displayed with a 2-digit subscript for simplification of display. The same applies to the 3-digit subscript. The subscript “M” is used, for example, when collectively displaying a plurality of memory cells or plate lines, and the subscript “m” is used, for example, when displaying a plurality of memory cells or plate lines individually. The subscript “N” is used, for example, when the selection transistors and memory units are displayed collectively, and the subscript “n” is used, for example, when the selection transistors and memory units are individually displayed.
[0007]
Then, 1 bit is stored by writing complementary data in each nonvolatile memory cell. In FIG. 29, symbol “WL” indicates a word line, symbol “BL” indicates a bit line, and symbol “PL” indicates a plate line. Focusing on one nonvolatile memory, the word line WL1Are connected to a word line decoder / driver WD. In addition, the bit line BL1, BL2Are connected to the sense amplifier SA. Furthermore, plate line PL1Are connected to a plate line decoder / driver PD.
[0008]
When reading stored data in a nonvolatile memory having such a structure, the word line WL1And, further, plate line PL1, The complementary data is stored in a pair of memory cells MC.11, MC12To transistor for selection TR11, TR12Bit line BL paired via1, BL2Appears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL1, BL2Is detected by the sense amplifier SA.
[0009]
One nonvolatile memory is a word line WL1And paired bit lines BL1, BL2Occupies the area surrounded by. Therefore, if the word lines and the bit lines are arranged at the shortest pitch, the minimum area of one nonvolatile memory is 8F when the minimum processing dimension is F.2It is. Therefore, the minimum area of the nonvolatile memory having such a structure is 8F.2It is.
[0010]
In order to increase the capacity of the nonvolatile memory having such a structure, the realization of the nonvolatile memory depends only on the miniaturization of the processing dimensions. In addition, two selection transistors and two memory cells are required to form one nonvolatile memory. Furthermore, it is necessary to arrange plate lines at the same pitch as the word lines. Therefore, it is almost impossible to arrange the nonvolatile memories at the minimum pitch, and in reality, the area occupied by one nonvolatile memory is 8F.2Will increase significantly.
[0011]
Moreover, it is necessary to dispose the word line decoder / driver WD and the plate line decoder / driver PD at the same pitch as that of the nonvolatile memory. In other words, two decoders / drivers are required to select one row address. Therefore, the layout of the peripheral circuit becomes difficult, and the area occupied by the peripheral circuit becomes large.
[0012]
One means for reducing the area of the nonvolatile memory is known from Japanese Patent Laid-Open No. 9-121022. As shown in an equivalent circuit in FIG. 30, the nonvolatile memory disclosed in this patent publication includes a memory cell MC.1M(For example, M = 4) and these memory cells MC1MTransistor TR having one end connected in parallel1And a plurality of such memory cells MC1MMemory cells MC paired with2MAnd these memory cells MC2MTransistor TR having one end connected in parallel2It is composed of Selection transistor TR1, TR2The other end of each bit line BL1, BL2It is connected to the. Paired bit lines BL1, BL2Are connected to the sense amplifier SA. In addition, the memory cell MC1m, MC2mThe other end of (m = 1, 2,... M) is the plate line PLmIs connected to the plate line PLmAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WL is connected to a word line decoder / driver WD.
[0013]
The paired memory cells MC1m, MC2mComplementary data is stored in (m = 1, 2,... M). For example, the memory cell MC1m, MC2mWhen data stored in (where m is any one of 1, 2, 3 and 4) is read, the word line WL is selected and the plate line PLj(J ≠ m) has (1/2) VccWith the voltage ofmDrive. Where VccIs, for example, a power supply voltage. As a result, the complementary data is converted into a pair of memory cells MC.1m, MC2mTo transistor for selection TR1, TR2Bit line BL paired via1, BL2Appears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL1, BL2Is detected by the sense amplifier SA.
[0014]
A pair of selection transistors TR in a paired nonvolatile memory1And TR2Are the word line WL and the paired bit line BL.1, BL2Occupies the area surrounded by. Accordingly, if the word lines and the bit lines are arranged at the shortest pitch, a pair of selection transistors TR in the paired nonvolatile memory is assumed.1And TR2The minimum area is 8F2It is. However, a pair of selection transistors TR1, TR2M pairs of memory cells MC1m, MC2m(M = 1, 2,... M), so that the selection transistor TR per bit is shared.1, TR2Since the number of memory cells is small and the arrangement of the word lines WL is gradual, it is easy to reduce the size of the nonvolatile memory. In addition, for the peripheral circuit, M bits can be selected by one word line decoder / driver WD and M plate line decoder / driver PD. Therefore, by adopting such a configuration, the cell area is 8F.2A layout close to that of a DRAM can be realized, and a chip size comparable to that of a DRAM can be realized.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the miniaturization of the nonvolatile memory having these structures is advanced, the area of the memory cell has to be reduced. In addition, since data is stored based on polarization in the ferroelectric layer, the accumulated charge amount in the ferroelectric layer does not increase even if the thickness of the ferroelectric layer is reduced like the insulating film in DRAM. The amount of stored charge decreases in proportion to the area of the memory cell.
[0016]
For example, when realizing a 256 Mbit nonvolatile memory, the memory cell area is 0.1 μm.2It will be about. At this time, the accumulated charge amount is about 10 fC, and when the bit line capacitance is 200 fF, only a sense signal amount (potential appearing on the bit line during the read operation) of about 50 mV can be obtained. With such a sense signal amount, the sense margin is insufficient, and if the non-volatile memory is further miniaturized, the data stored in the non-volatile memory cannot be read.
[0017]
Plate wire PLmDriving the bit line BL1, BL2When reading a signal from the non-selected memory cell MCjBit line BL1, BL2Bit line BL1, BL2Includes an unselected memory cell MC.jIs added as a driving load. Bit line BL1, BL2In general, dozens of non-volatile memories are connected to each of these via a selection transistor, and their wiring capacitance and junction capacitance are considerably large load capacitances. Therefore, the capacity of a plurality of non-selected memory cells is further added to the load capacity, and driving of the nonvolatile memory becomes extremely difficult. Further, the unselected memory cell MCjIn some cases, a voltage is applied in the direction of polarization deterioration, and in this case, the amount of polarization is reduced, which also contributes to the difficulty of driving the nonvolatile memory.
[0018]
In order to solve such a problem, the bit line BL1, BL2Is divided into bit lines BL1, BL2Reduce the number of non-volatile memories connected to the non-selected memory cells MCjThere is no choice but to reduce the load capacity. However, such a measure increases the number of sense amplifiers. Since the sense amplifier is composed of a large number of components such as flip-flops and transistors for connection to the bus, there is a problem that the occupied area of the sense amplifier increases.
[0019]
One measure for dealing with a decrease in the amount of sense signal in a DRAM is an amplification type memory cell called a gain cell (see, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-67861 and 1-255269). The gain cell shown in the equivalent circuit diagram of FIG.WAnd reading transistor TRRAnd detection transistor TRDAnd the capacitor portion C. Write transistor TR when writing data to gain cellWIs turned on, and charges are accumulated in the capacitor portion C. When reading data from the gain cell, the reading transistor TRRIs turned on. On the other hand, the detection transistor TRDDepending on the data stored in the capacitor part C, it is turned on or off.
[0020]
FIG. 31B shows an equivalent circuit diagram in the case where the gain cell having such a configuration is applied to a nonvolatile memory disclosed in US Pat. No. 4,873,664. Such a gain cell type nonvolatile memory cell includes a write transistor TR.WRead transistor TRR, Detection transistor TRDAnd the memory cell MC. Write transistor TRWOne source / drain region is connected to the bit line BL, and the other source / drain region is connected to the lower electrode of the memory cell MC. Detection transistor TRDOne end of theccIs connected to a wiring (for example, a power supply line composed of an impurity layer), and the other end is a reading transistor TRRTo the bit line BL. Further, the lower electrode of the memory cell MC is connected to the detection transistor TR.DConnected to the gate electrode.
[0021]
In the nonvolatile memory cell having such a configuration, when data is read, a pulse voltage is applied to the plate line PL, and the depletion type NMOSFET depends on the amount of accumulated charge caused by the presence or absence of polarization inversion in the memory cell MC. Detecting transistor TR composed ofDIs controlled. That is, after the bit line BL is equalized to 0 volts, the read transistor TRRIs turned on, the power supply VccTo TR for detection TRDAnd reading transistor TRRCurrent flows through the bit line BL, and a potential appears on the bit line BL. The potential on the bit line BL depends on data stored in the nonvolatile memory cell. Thereby, it is possible to know whether the data stored in the memory cell MC is “1” or “0”. That is, a large bit line load can be driven based on a small accumulated charge in the memory cell MC.
[0022]
However, in the nonvolatile memory having such a configuration, three transistors are required for each nonvolatile memory cell, and the cell area per bit greatly increases, resulting in an increase in cost per bit. There is.
[0023]
Further, when data is read, when a pulse voltage is applied to the plate line PL, an upper electrode connected to the plate line PL and a detection transistor TR constituting a memory cell.DIf a sufficient potential difference does not occur with the lower electrode connected to the gate electrode, polarization inversion does not occur in the memory cell MC. However, when reading data, the detection transistor TRDThe lower electrode connected to the gate electrode of the transistor is in a floating state, and its load capacitance is the detection transistor TRDThere is only about the gate capacity. Therefore, when a pulse voltage is applied to the plate line PL, the coupling between the upper electrode and the lower electrode greatly increases the potential of the lower electrode, and a sufficient electric field is formed between the upper electrode and the lower electrode. Therefore, there is a problem that polarization inversion does not occur in the ferroelectric layer. Conversely, in order to suppress the potential increase of the lower electrode due to such coupling, it is necessary to add a load capacity several times that of the memory cell MC to the lower electrode. For this purpose, a capacitor is added separately. Will have to do. However, this greatly increases the cell area.
[0024]
Accordingly, an object of the present invention is to reduce the area per bit, and to read out stored data reliably, that is, to obtain a sufficient sense signal amount. It is an object of the present invention to provide a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first aspect of the present invention comprises:
(A) a signal detection circuit;
(B) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(B-1) a selection transistor;
(B-2) a memory unit composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(B-3) M plate wires,
Consisting of
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In the memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected to the signal detection circuit via the selection transistor of the memory unit block. ,
In the memory unit of each memory unit block, the second electrode of the mth (where m = 1, 2,..., M) memory cell is connected to the mth plate line of the memory unit block. A ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory,
The signal detection circuit detects a potential change of the common first electrode in the memory units of the memory unit blocks, and transmits the detection result to the bit line as a current or a voltage.
[0026]
In order to achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second aspect of the present invention comprises:
(A) a bit line;
(B) a writing transistor;
(C) a reading transistor;
(D) a detection transistor;
(E) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(E-1) a selection transistor;
(E-2) a memory unit composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(E-3) M plate wires,
Consisting of
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In the memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is a bit through the selection transistor and the writing transistor of the memory unit block. And the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is connected to the line in the memory unit of each memory unit block. Connected to the second plate wire,
One end of the detection transistor is connected to a wiring having a predetermined potential, and the other end is connected to the bit line via the reading transistor,
When writing data to memory cells in the memory unit block,
(1) Write transistor and
(2) Transistor for selecting the memory unit block,
Is turned on,
(3) Reading transistor and
(4) Transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
When reading the data stored in the memory cells of the memory unit block,
(1) Write transistor and
(2) Transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
(3) Reading transistor and
(4) Transistor for selecting the memory unit block,
Is made conductive, and the operation of the detection transistor is controlled by the potential generated in the common first electrode based on the data stored in the memory cell of the memory unit block.
[0027]
In order to achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect of the present invention comprises:
(A) a signal detection circuit;
(B) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(B-1) a selection transistor;
(B-2) N (where N ≧ 2) memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(B-3) M × N plate wires,
Consisting of
N memory units of each memory unit block are stacked via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected to the signal detection circuit via the selection transistor of the memory unit block. And
In the memory unit in the nth layer (where n = 1, 2,..., N) of each memory unit block, the mth (where m = 1, 2,..., M) memory cells The second electrode is a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory connected to the [(n−1) M + m] th plate line of the memory unit block,
The signal detection circuit detects a potential change of the common first electrode in the memory units of the memory unit blocks, and transmits the detection result to the bit line as a current or a voltage.
[0028]
In order to achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the fourth aspect of the present invention comprises:
(A) a bit line;
(B) a writing transistor;
(C) a reading transistor;
(D) a detection transistor;
(E) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(E-1) a selection transistor;
(E-2) N (where N ≧ 2) memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(E-3) M × N plate wires,
Consisting of
N memory units of each memory unit block are stacked via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected via the selection transistor and the write transistor of the memory unit block. Connected to the bit line,
In the memory unit in the nth layer (where n = 1, 2,..., N) of each memory unit block, the mth (where m = 1, 2,..., M) memory cells The second electrode is connected to the [(n−1) M + m] th plate line of the memory unit block,
One end of the detection transistor is connected to a wiring having a predetermined potential, and the other end is connected to the bit line via the reading transistor,
When writing data to memory cells in the memory unit block,
(1) Write transistor and
(2) Transistor for selecting the memory unit block,
Is turned on,
(3) Reading transistor and
(4) Transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
When reading the data stored in the memory cells of the memory unit block,
(1) Write transistor and
(2) Transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
(3) Reading transistor and
(4) Transistor for selecting the memory unit block,
Is made conductive, and the operation of the detection transistor is controlled by the potential generated in the common first electrode based on the data stored in the memory cell of the memory unit block.
[0029]
To achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a fifth aspect of the present invention comprises:
(A) a signal detection circuit;
(B) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(B-1) N selection transistors (where N ≧ 2),
(B-2) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(B-3) M plate wires,
Consisting of
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common,
The common first electrode in the nth (where n = 1, 2,..., N) memory unit of each memory unit block is connected via the nth selection transistor of the memory unit block. Connected to the signal detection circuit,
In the nth memory unit of each memory unit block, the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is common among the memory units of the memory unit block. A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory connected to the m-th plate line,
The signal detection circuit detects a potential change of a common first electrode in the nth memory unit of each memory unit block, and transmits the detection result as a current or a voltage to a bit line.
[0030]
To achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the sixth aspect of the present invention comprises:
(A) a bit line;
(B) a writing transistor;
(C) a reading transistor;
(D) a detection transistor;
(E) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(E-1) N selection transistors (where N ≧ 2),
(E-2) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(E-3) M plate wires,
Consisting of
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common,
The common first electrode in the nth (where n = 1, 2,..., N) memory unit of each memory unit block is the nth selection transistor in the memory unit block and the write It is connected to the bit line through the embedded transistor,
In the nth memory unit of each memory unit block, the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is common among the memory units of the memory unit block. Connected to the m-th plate wire,
One end of the detection transistor is connected to a wiring having a predetermined potential, and the other end is connected to the bit line via the reading transistor,
When writing data to the memory cell of the nth memory unit in the memory unit block,
(1) Write transistor and
(2) nth selection transistor of the memory unit block,
Is turned on,
(3) Reading transistor,
(4) Selection transistors other than the nth selection transistor of the memory unit block, and
(5) A transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
When reading the data stored in the memory cell of the nth memory unit of the memory unit block,
(1) Writing transistor,
(2) Selection transistors other than the nth selection transistor of the memory unit block, and
(3) A transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
(4) Reading transistor, and
(5) nth selection transistor of the memory unit block,
Is made conductive, and the operation of the detection transistor is controlled by the potential generated at the common first electrode based on the data stored in the memory cell of the nth memory unit of the memory unit block. It is characterized by.
[0031]
To achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a seventh aspect of the present invention comprises:
(A) N (where N ≧ 2) signal detection circuits;
(B) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(B-1) N selection transistors;
(B-2) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(B-3) M plate wires,
Consisting of
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common,
The common first electrode in the nth (where n = 1, 2,..., N) memory unit of each memory unit block is connected via the nth selection transistor of the memory unit block. Connected to the nth signal detection circuit;
In the nth memory unit of each memory unit block, the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is common among the memory units of the memory unit block. A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory connected to the m-th plate line,
The nth signal detection circuit detects a potential change of the common first electrode in the nth memory unit of each memory unit block, and transmits the detection result to the nth bit line as a current or a voltage. It is characterized by doing.
[0032]
To achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to an eighth aspect of the present invention comprises:
(A) N bit lines (where N ≧ 2),
(B) N write transistors;
(C) N read transistors;
(D) N detection transistors;
(E) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(E-1) N selection transistors;
(E-2) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(E-3) M plate wires,
Consisting of
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common,
The common first electrode in the nth (where n = 1, 2,..., N) memory unit of each memory unit block is the nth selection transistor in the memory unit block, and It is connected to the nth bit line via the nth write transistor,
In the nth memory unit of each memory unit block, the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is common among the memory units of the memory unit block. Connected to the m-th plate wire,
One end of the nth detection transistor is connected to a wiring having a predetermined potential, and the other end is connected to the nth bit line via the nth read transistor,
When writing data to the memory cell of the nth memory unit in the memory unit block,
(1) The nth write transistor, and
(2) nth selection transistor of the memory unit block,
Is turned on,
(3) Write transistors other than the nth write transistor,
(4) Reading transistor,
(5) Selection transistors other than the nth selection transistor of the memory unit block, and
(6) A transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
When reading the data stored in the memory cell of the nth memory unit of the memory unit block,
(1) Writing transistor,
(2) Readout transistors other than the nth readout transistor of the memory unit block,
(3) Selection transistors other than the nth selection transistor of the memory unit block, and
(4) Transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
(5) n-th reading transistor, and
(6) nth selection transistor of the memory unit block,
Is turned on, and the operation of the nth detection transistor is performed by the potential generated at the common first electrode based on the data stored in the memory cell of the nth memory unit of the memory unit block. Is controlled.
[0033]
In order to achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a ninth aspect of the present invention comprises:
(A) 2N (where N ≧ 1) signal detection circuits;
(B) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(B-1) 2N selection transistors;
(B-2) 2N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(B-3) M plate wires,
Consisting of
2N memory units of each memory unit block are stacked via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common,
A common first electrode in the memory unit of the nth layer (where n = 1, 2,..., 2N) of each memory unit block is connected to the nth selection transistor of the memory unit block. , Connected to the nth signal detection circuit, and in the nth memory unit of each memory unit block, the mth (where m = 1, 2,..., M) th memory cell. The second electrode is a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory connected to the mth plate line common to the memory units of the memory unit block,
To two memory cells having the same plate line in the (2n′-1) th layer and the second n′th layer (where n ′ = 1, 2,..., N) of the memory unit block. Data writing and data reading are performed,
The (2n′−1) th and 2n′th signal detection circuits are connected to the first electrode common to the memory units in the (2n′-1) th layer and the second n′th layer of each memory unit block. A potential change is detected, and the detection result is transmitted as a current or a voltage to the (2n′−1) th and 2n′th bit lines.
[0034]
To achieve the above object, a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a tenth aspect of the present invention comprises:
(A) 2N (where N ≧ 1) bit lines;
(B) 2N write transistors;
(C) 2N read transistors;
(D) 2N detection transistors;
(E) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(E-1) 2N selection transistors;
(E-2) 2N memory units each consisting of M (where M ≧ 2) memory cells;
(E-3) M plate wires,
Consisting of
2N memory units of each memory unit block are stacked via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common,
The common first electrode in the memory unit of the nth layer (where n = 1, 2,..., 2N) of each memory unit block is the nth selection transistor in the memory unit block, and Connected to the nth bit line via the nth write transistor,
In the memory unit of the nth layer of each memory unit block, the second electrode of the mth (where m = 1, 2,..., M) memory cell is connected between the memory units of the memory unit block. Connected to the mth plate line,
One end of the nth detection transistor is connected to a wiring having a predetermined potential, and the other end is connected to the nth bit line via the nth read transistor,
To two memory cells having the same plate line in the (2n′-1) th layer and the second n′th layer (where n ′ = 1, 2,..., N) of the memory unit block. When writing the data of
(1) The (2n'-1) th and 2n'th write transistors, and
(2) The (2n′-1) th and 2n′th selection transistors of the memory unit block,
Is turned on,
(3) Write transistors other than the (2n′-1) th and 2n′th write transistors,
(4) Reading transistor,
(5) Selection transistors other than the (2n′-1) th and 2n′th selection transistors of the memory unit block, and
(6) A transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
When reading data stored in two memory cells having the same plate line in the memory units of the (2n′-1) th layer and the second n′th layer of the memory unit block,
(1) Writing transistor,
(2) Read transistors other than the (2n′-1) th and 2n′th read transistors of the memory unit block,
(3) Selection transistors other than the (2n′-1) th and 2n′th selection transistors of the memory unit block, and
(4) Transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block,
Is turned off,
(5) The (2n′-1) th and 2n′th read transistors, and
(6) The (2n'-1) th and 2n'th selection transistors of the memory unit block,
Is connected based on data stored in the two memory cells in which the plate lines in the (2n′-1) th layer and the second n′th layer memory unit of the memory unit block are made common. The operations of the (2n′−1) th and the 2n′th detection transistors are controlled by the potential generated in each of the first electrodes.
[0035]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the ninth aspect or the tenth aspect of the present invention, the (2n′−1) th layer and the second n′th layer (however, Data writing to or reading from the two memory cells having the same plate line in the memory unit of n ′ = 1, 2,..., N) is performed simultaneously on the two memory cells. That is, a complementary 1 bit is stored in two memory cells in a pair. If data writing or data reading is separately performed for two memory cells, the data is substantially included in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the seventh aspect or the eighth aspect of the present invention. The
[0036]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first, third, fifth, seventh, and ninth aspects of the present invention, the signal detection circuit has a common first electrode potential. A change is detected, but this potential change is a potential based on data stored in the selected memory cell.
[0037]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first to tenth aspects of the present invention (hereinafter, these may be collectively referred to simply as the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory of the present invention). , M satisfies 2 ≦ M ≦ 128, preferably 4 ≦ M ≦ 32.
[0038]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third to eighth aspects of the present invention, it is sufficient that N ≧ 2 is satisfied. As a practical value of N, for example, a power of 2 (2, 4 , 8... Further, in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the ninth aspect or the tenth aspect of the present invention, it is only necessary to satisfy N ≧ 1, and the practical value of N should be, for example, 1 or 2. Numbers (2, 4, 8...) Can be mentioned.
[0039]
In the ferroelectric type nonvolatile semiconductor memory of the present invention, the number of memory unit blocks is determined based on the capacity of the source / drain region of the selection transistor, or the wiring connecting the signal detection circuit or the write transistor and the selection transistor. It is desirable that the wiring capacity be a number that is sufficiently small with respect to the load capacity of the non-selected memory cells. More specifically, the number of memory unit blocks is preferably not more than twice the value of M. Thereby, a sufficiently large sense signal amount (bit line potential) can be obtained.
[0040]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first aspect, the third aspect, the fifth aspect, the seventh aspect, and the ninth aspect of the present invention, the selection transistor and the signal detection circuit are provided on the semiconductor substrate. The memory unit is preferably provided on an insulating layer formed on a semiconductor substrate.
[0041]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second aspect, the fourth aspect, the sixth aspect, the eighth aspect, and the tenth aspect of the present invention, for example, various transistors are formed on a silicon semiconductor substrate. From the viewpoint of reducing the cell area, it is preferable to form an insulating layer on such various transistors and form a memory cell on this insulating layer.
[0042]
As a specific configuration of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second aspect, the fourth aspect, the sixth aspect, the eighth aspect, and the tenth aspect of the present invention, various transistors are composed of FETs. In this case, the following configuration can be given. That is, one source / drain region of the writing transistor is connected to the bit line, and the other source / drain region is connected to one source / drain region of the selection transistor. In addition, one source / drain region of the detection transistor is connected to a wiring having a predetermined potential (for example, a power supply line or a ground line composed of an impurity layer), and the other source / drain region is a read transistor. The other source / drain region of the reading transistor is connected to the bit line. Further, the other source / drain region of the selection transistor is connected to the common first electrode. The other source / drain region of the writing transistor or one source / drain region of the selection transistor is connected to the gate electrode of the detection transistor. For example, in the configuration in which the other source / drain region of the detection transistor is connected to one source / drain region of the readout transistor, the other source / drain region of the detection transistor and one of the readout transistors are A configuration in which the source / drain region occupies one source / drain region is included.
[0043]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first and second aspects of the present invention, a plurality of memory units of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory may be stacked via an insulating layer. In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the fifth to eighth aspects of the present invention, the N memory units constituting the memory unit block may be formed on the same insulating layer. Then, they may be laminated via an insulating layer.
[0044]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect, the fourth aspect, the ninth aspect, and the tenth aspect of the present invention, or alternatively, according to the fifth to eighth aspects of the present invention. In the ferroelectric type nonvolatile semiconductor memory according to the preferred embodiment, the memory unit has a stacked structure, so that the number of transistors occupying the surface of the semiconductor substrate is not restricted, and the conventional ferroelectric type nonvolatile semiconductor memory As compared with the above, the storage capacity can be dramatically increased, and the effective occupation area of the bit storage unit can be greatly reduced.
[0045]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third to tenth aspects of the present invention, furthermore, the address selection in the row direction is performed by a two-dimensional matrix constituted by a selection transistor and a plate line. . For example, if a row address selection unit is formed by eight selection transistors and eight plate lines, for example, a 64-bit or 32-bit memory cell can be selected by 16 decoder / driver circuits. it can. Therefore, even if the integration degree of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory is equivalent to the conventional one, the storage capacity can be increased four times or twice. Further, it is possible to reduce the number of peripheral circuits and drive wirings in address selection.
[0046]
In the ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory according to the first to eighth aspects of the present invention, practically, the ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory is paired (for convenience, nonvolatile memory-A, nonvolatile memory). The bit lines constituting the pair of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories can be connected to the same sense amplifier. In this case, the selection transistor constituting the nonvolatile memory-A and the selection transistor constituting the nonvolatile memory-B may be connected to the same word line or connected to different word lines. May be. Depending on the configuration and driving method of the nonvolatile memory-A and the nonvolatile memory-B, one bit can be stored in each memory cell constituting the nonvolatile memory-A and the nonvolatile memory-B. One of the memory cells constituting the volatile memory-A and one of the memory cells constituting the nonvolatile memory-B connected to the same plate line as the memory cell are used as a pair. Complementary data can also be stored.
[0047]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory of the present invention, data is collectively collected for a plurality of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories (memory arrays) sharing the word lines and plate lines of the selection transistors. Or data reading and rewriting. That is, all the ferroelectric type nonvolatile semiconductor memories in the memory array are collectively turned on or sequentially turned off, or are collectively turned off (standby).
[0048]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect, the fourth aspect, the ninth aspect, and the tenth aspect of the present invention, or alternatively, according to the fifth to eighth aspects of the present invention. In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the preferred embodiment, the crystallization temperature of the ferroelectric layer constituting the memory cell of the memory unit located above is the ferroelectric constituting the memory cell of the memory unit located below. It is preferably lower than the crystallization temperature of the body layer. Here, the crystallization temperature of the ferroelectric layer constituting the memory cell can be examined using, for example, an X-ray diffractometer or a surface scanning electron microscope. Specifically, for example, after the ferroelectric material layer is formed, the heat treatment temperature for crystallization of the ferroelectric material layer is changed variously to perform the heat treatment for promoting crystallization. The crystallization temperature of the ferroelectric layer can be determined by performing X-ray diffraction analysis of the body material layer and evaluating the diffraction pattern intensity (diffraction peak height) peculiar to the ferroelectric material.
[0049]
By the way, when manufacturing a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory having a structure in which memory units are stacked, a heat treatment (for the crystallization of the ferroelectric layer or the ferroelectric thin film constituting the ferroelectric layer) The number of stages of the stacked memory units must be performed. Therefore, the lower the memory unit, the longer the crystallization heat treatment, and the higher the memory unit, the shorter the crystallization heat treatment. Therefore, if an optimal crystallization heat treatment is applied to the memory unit located in the upper stage, the memory unit located in the lower stage may be subjected to an excessive heat load, and the characteristics of the memory unit located in the lower stage may be deteriorated. There is. Although a method of performing crystallization heat treatment once after manufacturing a multi-stage memory unit is conceivable, a large volume change occurs in the ferroelectric layer during crystallization, or degassing occurs from each ferroelectric layer. This is likely to occur, and problems such as cracking and peeling off of the ferroelectric layer are likely to occur. If the crystallization temperature of the ferroelectric layer constituting the upper memory unit is set lower than the crystallization temperature of the ferroelectric layer constituting the lower memory unit, the number of stacked memory units is the same. Even if the crystallization heat treatment is performed, there is no problem of deterioration in characteristics of the memory cells constituting the memory unit located below. In addition, the crystallization heat treatment can be performed on the memory cells constituting the memory unit in each stage under optimum conditions, and a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory having excellent characteristics can be obtained. Table 1 below shows crystallization temperatures of typical materials constituting the ferroelectric layer, but the material constituting the ferroelectric layer is not limited to such materials.
[0050]
[Table 1]
Material name Crystallization temperature
Bi2SrTa2O9                   700-800 ° C
Bi2Sr (Ta1.5, Nb0.5) O9    650-750 ° C
BiFourTiThreeO12                      600-700 ° C
Pb (Zr0.48, Ti0.52) OThree       550-650 ° C
PbTiOThree                         500-600 ° C
[0051]
Examples of the material constituting the ferroelectric layer in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory of the present invention include a bismuth layered compound, more specifically, a Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric material. Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric materials belong to so-called non-stoichiometric compounds and are tolerant of compositional shifts at both sites of metal elements and anion (O, etc.) elements. It is also not uncommon for optimal electrical characteristics to be exhibited at a slight deviation from the stoichiometric composition. Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric materials include, for example, a general formula (Bi2O2)2+(Am-1BmO3m + 1)2-Can be expressed as Here, “A” represents one type of metal selected from the group consisting of metals such as Bi, Pb, Ba, Sr, Ca, Na, K, and Cd, and “B” represents Ti, Nb. , Ta, W, Mo, Fe, Co, Cr, and one type selected from the group consisting of a plurality of types, or a combination based on an arbitrary ratio. M is an integer of 1 or more.
[0052]
Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
(BiX, Sr1-X)2(SrY, Bi1-Y) (TaZ, Nb1-Z)2Od  Formula (1)
(However, 0.9 ≦ X ≦ 1.0, 0.7 ≦ Y ≦ 1.0, 0 ≦ Z ≦ 1.0, 8.7 ≦ d ≦ 9.3) It is preferable to include as a phase. Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
BiXSrYTa2Od  Formula (2)
However, it is preferable that a crystal phase represented by (X + Y = 3, 0.7 ≦ Y ≦ 1.3, 8.7 ≦ d ≦ 9.3) is included as a main crystal phase. In these cases, it is more preferable that 85% or more of the crystal phase represented by the formula (1) or (2) is contained as the main crystal phase. In formula (1), (BiX, Sr1-X) Means that Sr occupies the site originally occupied by Bi in the crystal structure, and the ratio of Bi and Sr at this time is X: (1-X). Also, (SrY, Bi1-Y) Means that Bi occupies the site originally occupied by Sr in the crystal structure, and the ratio of Sr and Bi at this time is Y: (1-Y). The material constituting the ferroelectric layer including the crystal phase represented by the formula (1) or (2) as a main crystal phase includes Bi oxide, Ta and Nb oxide, Bi, Ta and Nb. There may be some composite oxides.
[0053]
Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
BiX(Sr, Ca, Ba)Y(TaZ, Nb1-Z)2Od  Formula (3)
(However, the crystal phase represented by 1.7 ≦ X ≦ 2.5, 0.6 ≦ Y ≦ 1.2, 0 ≦ Z ≦ 1.0, 8.0 ≦ d ≦ 10.0) is included. May be. “(Sr, Ca, Ba)” means one type of element selected from the group consisting of Sr, Ca, and Ba. If the composition of the material constituting the ferroelectric layer represented by each of these formulas is represented by the stoichiometric composition, for example, Bi2SrTa2O9, Bi2SrNb2O9, Bi2BaTa2O9, Bi2Sr (Ta, Nb)2O9Etc. Alternatively, as a material constituting the ferroelectric layer, BiFourSrTiFourO15, BiThreeTiNbO9, BiThreeTiTaO9, BiFourTiThreeO12, Bi2PbTa2O9In these cases, the ratio of each metal element can be changed to such an extent that the crystal structure does not change. That is, there may be a composition shift at both sites of the metal element and the oxygen element.
[0054]
Alternatively, as a material constituting the ferroelectric layer, PbTiOThreePbZrO having a perovskite structureThreeAnd PbTiOThreeZirconate titanate [PZT, Pb (Zr1-y, Tiy) OThree(However, 0 <y <1)], PZT compounds such as PLZT, which is a metal oxide in which La is added to PZT, or PNZT, which is a metal oxide in which Nb is added to PZT.
[0055]
In the materials constituting the ferroelectric layer described above, the crystallization temperature can be changed by removing these compositions from the stoichiometric composition.
[0056]
In order to obtain the ferroelectric layer, the ferroelectric thin film may be patterned in the process after the ferroelectric thin film is formed. In some cases, patterning of the ferroelectric thin film is not necessary. The ferroelectric thin film can be formed by a method suitable for the material constituting the ferroelectric thin film, such as MOCVD, pulse laser ablation, sputtering, or sol-gel. The patterning of the ferroelectric thin film can be performed by, for example, an anisotropic ion etching (RIE) method.
[0057]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory of the present invention, the first electrode is formed under the ferroelectric layer, and the second electrode is formed over the ferroelectric layer (that is, the first electrode). Corresponds to the lower electrode, and the second electrode corresponds to the upper electrode), the first electrode is formed on the ferroelectric layer, and the second electrode is formed below the ferroelectric layer. An electrode may be formed (that is, the first electrode corresponds to the upper electrode and the second electrode corresponds to the lower electrode). The plate line is preferably configured to extend from the second electrode from the viewpoint of simplifying the wiring structure. As a structure in which the first electrode is common, specifically, a configuration in which a stripe-shaped first electrode is formed and a ferroelectric layer is formed so as to cover the entire surface of the stripe-shaped first electrode. Can be mentioned. In such a structure, the overlapping region of the first electrode, the ferroelectric layer, and the second electrode corresponds to a memory cell. As a structure in which the first electrode is common, a structure in which each ferroelectric layer is formed in a predetermined region of the first electrode and the second electrode is formed on the ferroelectric layer, or In addition, each first electrode is formed on a predetermined surface region of the wiring layer, a ferroelectric layer is formed on each first electrode, and a second electrode is formed on the ferroelectric layer. However, the present invention is not limited to these configurations.
[0058]
Further, in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the present invention, in the case where the first electrode is formed below the ferroelectric layer and the second electrode is formed on the ferroelectric layer, the memory cell 1 has a so-called damascene structure, and the first electrode is formed on the ferroelectric layer, and the second electrode is formed below the ferroelectric layer. The second electrode constituting the memory cell preferably has a so-called damascene structure from the viewpoint that the ferroelectric layer can be formed on a flat base.
[0059]
In the present invention, as a material constituting the first electrode or the second electrode, for example, Ir, IrO2-X, Ir / IrO2-X, SrIrOThree, Ru, RuO2-X, SrRuOThree, Pt, Pt / IrO2-X, Pt / RuO2-X, Pd, Pt / Ti laminated structure, Pt / Ta laminated structure, Pt / Ti / Ta laminated structure, La0.5Sr0.5CoOThree(LSCO), Pt / LSCO laminated structure, YBa2CuThreeO7Can be mentioned. Here, the value of X is 0 ≦ X <2. In the laminated structure, the material described after “/” is in contact with the ferroelectric layer. The first electrode and the second electrode may be made of the same material, may be made of the same kind of material, or may be made of different materials. In order to form the first electrode or the second electrode, the conductive material layer is patterned in a step after forming the conductive material layer constituting the first electrode or the conductive material layer constituting the second electrode. do it. The conductive material layer can be formed by a method suitable for the material constituting the conductive material layer, such as sputtering, reactive sputtering, electron beam evaporation, MOCVD, or pulsed laser ablation. The patterning of the conductive material layer can be performed by, for example, an ion milling method or an RIE method.
[0060]
The selection transistor, the write transistor, the read transistor, and the detection transistor can be constituted by, for example, a well-known MIS type FET or MOS type FET. Examples of the material constituting the bit line and the wiring include polysilicon doped with impurities and a refractory metal material. The connection between the selection transistor and the common first electrode, the connection between the selection transistor and the bit line, etc. may be made through a connection hole. It can be obtained by embedding silicon.
[0061]
In the present invention, silicon oxide (SiO2), Silicon nitride (SiN), SiON, SOG, NSG, BPSG, PSG, BSG, or LTO.
[0062]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory of the present invention, since at least 2M memory cells are provided for one write transistor, one detection transistor, and one read transistor, 1 The cell area per bit can be reduced. Furthermore, since a plurality of memory unit blocks are provided, the cell area per bit can be further reduced. In addition, a change in the potential of the common first electrode corresponding to the stored data is detected by the signal detection circuit, or is detected by the potential generated at the common first electrode based on the data stored in the memory cell. Although the operation of the transistor is controlled, since the first electrode is common to the M memory cells, a kind of additional load capacitance is added to the first electrode. As a result, when data is read, when a voltage is applied to the plate line, the potential increase of the first electrode can be suppressed, and a sufficient potential difference is generated between the first electrode and the second electrode. The polarization inversion surely occurs in the ferroelectric layer.
[0063]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments of the invention (hereinafter abbreviated as embodiments) with reference to the drawings.
[0064]
(Embodiment 1)
The first embodiment relates to a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory (hereinafter abbreviated as a nonvolatile memory) according to the first and second aspects of the present invention. A circuit diagram of the nonvolatile memory of Embodiment 1 is shown in FIG. 1, and a more specific circuit diagram of the memory unit in FIG. 1 is shown in FIG. Further, FIG. 3 shows a schematic layout of various transistors constituting the nonvolatile memory. In FIG. 3, various transistor regions are surrounded by dotted lines, active regions and wirings are indicated by solid lines, and gate electrodes or word lines are indicated by alternate long and short dash lines. FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory according to the first embodiment in parallel with the extending direction of the bit line when the nonvolatile memory is cut along the arrow AA in FIG. FIG. 5 shows a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory according to the first embodiment in a direction parallel to the extending direction of the bit line when the nonvolatile memory is cut along the arrow BB in FIG. In the figure, two memory unit blocks (which constitute one nonvolatile memory) adjacent to each other in the bit line direction are illustrated, but a reference numeral of one component of the memory unit block is denoted by “′”. Reference numerals 17, 17 'and the like in FIG. 1 correspond to the reference numbers of the connection holes and wirings in FIGS. Since the two memory unit blocks have the same configuration, one memory unit block will be described below. Further, in FIG. 1, in a memory unit in which a plate line extends in the memory unit, it means that the memory cells constituting the memory unit are controlled by the plate line. On the other hand, in the memory unit in which the plate line does not extend in the memory unit, it means that the memory cells constituting the memory unit are not controlled by the plate line.
[0065]
The nonvolatile memory in the first embodiment is
(A) a signal detection circuit;
(B) A plurality of memory unit blocks MB, MB ′,
Consisting of
For example, the memory unit block MB is
(B-1) Selection transistor TRSWhen,
(B-2) M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 8 in the first embodiment)MA memory unit MU comprising:
(B-3) M plate lines PLM,
Consists of.
[0066]
And each memory cell MCmIs composed of a first electrode 21, a ferroelectric layer 22, and a second electrode 23. In the memory unit MU of the memory unit block MB, the memory cell MCmThe first electrodes 21 are common, and the common first electrode 21 (sometimes referred to as a common node CN) is a selection transistor TR of the memory unit block MB.SAnd connected to a signal detection circuit. Further, in the memory unit MU of the memory unit block MB, the mth (where m = 1, 2,..., M) memory cell MC.mThe second electrode 23 is connected to the mth plate line PL of the memory unit block MB.mIt is connected to the. The signal detection circuit then changes the potential (memory cell MC) of the common first electrode 21 (common node CN) in the memory unit MU of the memory unit block MB.mBased on the data stored in (1), and the detection result is transmitted to the bit line BL as a current or voltage. More specifically, this signal detection circuit includes a write transistor TR described below.WAnd reading transistor TRRAnd detection transistor TRDIt is composed of
[0067]
Alternatively, the nonvolatile memory of Embodiment 1 is
(A) a bit line BL;
(B) Write transistor TRWWhen,
(C) Reading transistor TRRWhen,
(D) Detection transistor TRDWhen,
(E) a plurality of memory unit blocks MB, MB ′,
Consisting of
For example, the memory unit block MB is
(E-1) Selection transistor TRSWhen,
(E-2) M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 8 in the first embodiment)MA memory unit MU comprising:
(E-3) M plate lines PLM,
Consists of.
[0068]
And each memory cell MCmIs composed of a first electrode 21, a ferroelectric layer 22, and a second electrode 23. In the memory unit MU of the memory unit block MB, the memory cell MCMThe first electrodes 21 are common, and the common first electrode 21 (common node CN) is a selection transistor TR of the memory unit block MB.SAnd the writing transistor TRWTo the bit line BL. Furthermore, in the memory unit MU of the memory unit block MB, the mth (where m = 1, 2,..., M) memory cell MC.mThe second electrode 23 is connected to the mth plate line PL of the memory unit block MB.mIt is connected to the. Also, the detection transistor TRDIs connected to a predetermined potential (for example, power supply Vcc), And the other end is connected to the read transistor TR.RTo the bit line BL.
[0069]
More specifically, the various transistors are composed of MOS type FETs, and the write transistor TRWOne source / drain region 14 is connected to the bit line BL through the connection hole 15, and the other source / drain region 14 has a connection hole 18B, a wiring (may be called a sub-bit line) 19, and a connection hole 18C. Select transistor TRSAre connected to one of the source / drain regions 14. Also, the detection transistor TRDOne source / drain region 14 has a predetermined potential (power source Vcc), And the other source / drain region 14 is connected to the read transistor TR.RAre connected to one of the source / drain regions 14. The detection transistor TRDSource / drain region 14 and read transistor TRROne source / drain region 14 occupies one source / drain region 14. Here, the fact that the source / drain region 14 of a certain transistor and the source / drain region 14 of another transistor are common means that the source / drain region 14 occupies one, or wiring Means connected. The same applies to the following description.
[0070]
Further, the reading transistor TRRThe other source / drain region 14 is connected to the bit line BL via the connection hole 15. Read transistor TRRSource / drain region 14 and write transistor TRWOne source / drain region 14 occupies one source / drain region 14. The selection transistor TRSThe other source / drain region 14 is connected to the common first electrode 21 (common node CN) via the connection hole 17. Write transistor TRWThe other source / drain region 14 and the one source / drain region 14 of the selection transistor are connected to the detection transistor TR via the connection holes 18B and 18C, the sub bit line 19, and the connection hole 18A.DConnected to the gate electrode. Memory unit block MBASelection transistor TR constituting 'SThe one source / drain region 14 of 'is connected to the writing transistor TR via the connection hole 18C, the sub bit line 19, and the connection hole 18B.WIs connected to the other source / drain region 14, and the other source / drain region 14 is connected to the memory unit block MB via the connection hole 17 '.A'Is connected to a common first electrode 21 (common node) constituting'.
[0071]
For example, the memory cell MC of the memory unit block MBmWhen writing data to
(1) Writing transistor TRW,as well as,
(2) Transistor TR for selecting memory unit block MBS,
Is turned on,
(3) Reading transistor TRR,as well as,
(4) Transistor TR for selection of memory unit block MB 'other than memory unit block MBS’,
Is turned off,
For example, the memory cell MC of the memory unit block MBmWhen reading the data stored in
(1) Writing transistor TRW,as well as,
(2) Transistor TR for selection of memory unit block MB 'other than memory unit block MBS’,
Is turned off,
(3) Reading transistor TRR,as well as,
(4) Transistor TR for selecting memory unit block MBS,
Is rendered conductive, and the memory cell MC of the memory unit block MBmTransistor TR for detection based on the potential generated at the common first electrode 21 (common node CN) based on the data stored inDIs controlled.
[0072]
Write transistor TRWRead transistor TRR, And a selection transistor TRS, TRSWord line WL for controlling the operation of 'W, WLR, WLS, WLS'Is connected to a word line decoder / driver WD. These word lines extend in the direction perpendicular to the plane of FIG. 4 and FIG. On the other hand, the bit line BL is connected to the sense amplifier SA. Plate wire PLMAre connected to a plate line decoder / driver PD. Each word line WLW, WLR, WLS, WLS'Is common to another non-volatile memory adjacent in the direction perpendicular to the plane of FIG. 4 and FIG. In addition, the memory cell MC constituting the nonvolatile memorymThe second electrode 23 is the same as the second electrode of the memory cell constituting another nonvolatile memory adjacent in the direction perpendicular to the plane of FIG. 4 and FIG.mDoubles as
[0073]
First, a data write operation to the nonvolatile memory according to the first embodiment will be described below. As an example, plate wire PLmMemory cell MC connected tomData shall be written to FIG. 6 shows operation waveforms. In FIG. 6 and FIG. 7 to be described later, the numbers in parentheses correspond to the numbers of the steps described below.
[0074]
(1A) In the standby state, the bit lines, all word lines, and all plate lines are at 0 volts. Furthermore, the common node CN is also floating at 0 volts. Read transistor TR during write operationRAnd a transistor TR for selecting a memory unit block MB 'other than the memory unit block MBS'Is always in the off state.
[0075]
(2A) At the start of data writing, the selected plate line PLmThe potential of VccUnselected plate line PLjThe potential of (j ≠ m) is set to (1/2) VccAnd As a result, the potential of the common node CN in the floating state becomes the plate line PL.M(1/2) V due to coupling withccIt rises to the vicinity. When data “1” is written to the selected memory cell, the potential of the bit line BL is set to VccWhen data “0” is written, the potential of the bit line BL is set to 0 volts.
[0076]
(3A) Thereafter, the writing transistor TRWAnd selection transistor TRSIs turned on. As a result, the potential of the common node CN becomes V V when data “1” is written in the selected memory cell.ccThus, when data “0” is written, it becomes 0 volt. Select plate line PLmVccWhen the potential of the common node CN is 0 volt, the selected memory cell MC ismData “0” is written in On the other hand, the potential of the common node CN is VccIn the case of the selected memory cell MCmNo data is written to.
[0077]
(4A) Next, the selected plate line PLmIs set to 0 volts. The potential of the common node CN is VccIn the case of the selected memory cell MCmData “1” is written in Selected memory cell MCmIf data “0” has already been written to the selected memory cell MCmThere will be no change.
[0078]
(5A) Thereafter, the bit line BL is applied with 0 volt.
[0079]
(6A) Further, non-selected plate line PLjIs 0 volt, and the writing transistor TRWAnd selection transistor TRSIs turned off.
[0080]
Other memory cells MCmThe same operation is repeated when data is written to. In such a write operation, the non-selected memory cell MCj(± 1/2) VccDisturbance occurs but VccBy appropriately setting the value of the unselected memory cell MCjCan reliably prevent data destruction.
[0081]
Next, an operation of reading data from the nonvolatile memory of Embodiment 1 and rewriting the data will be described below. As an example, plate wire PLmMemory cell MC connected tomIt is assumed that data is read from and data is rewritten. FIG. 7 shows operation waveforms.
[0082]
(1B) In the standby state, the bit lines, word lines, and all plate lines are at 0 volts. Furthermore, the common node CN is also floating at 0 volts. A transistor TR for selecting a memory unit block MB 'other than the memory unit block MB at the time of data reading and rewritingS'Is always in the off state.
[0083]
(2B) When reading data, select plate line PLmVccApply. At this time, the selected memory cell MCmIf data “1” is stored in the ferroelectric layer, polarization inversion occurs in the ferroelectric layer, the amount of stored charge increases, and the potential of the common node CN increases. On the other hand, the selected memory cell MCmIf data “0” is stored in the ferroelectric layer, polarization inversion does not occur in the ferroelectric layer, and the potential of the common node CN hardly increases. That is, the common node CN is connected to a plurality of unselected plate lines PL via the ferroelectric layers of the unselected memory cells.jTherefore, the potential of the common node CN is kept at a level relatively close to 0 volts. In this way, the selected memory cell MCmThe potential of the common node CN changes depending on the data stored in the memory. Therefore, an electric field sufficient for polarization inversion can be applied to the ferroelectric layer of the selected memory cell.
[0084]
(3B) Next, the bit line BL is brought into a floating state, and the selection transistor TRSAnd reading transistor TRRIs turned on. As a result, the selected memory cell MCmTransistor TR for detection based on the potential generated at the common first electrode (common node CN) based on the data stored inDIs controlled. Specifically, the detection transistor TRDOne source / drain region 14 has a predetermined potential VccSelected memory cell MCmIf the data “1” is stored in the detection transistor TRDIs turned on, and the detection transistor TRDAnd reading transistor TRRA current flows through the bit line BL through the bit line, and the potential of the bit line BL rises. On the other hand, the selected memory cell MCmIf data “0” is stored in the detection transistor TRDIs turned off, and the potential of the bit line BL does not rise. Here, the detection transistor TRDThreshold of Vth, Detection transistor TRDThe potential of the gate electrode (that is, the potential of the common node CN) is VgThen, the potential of the bit line BL is approximately (Vg-Vth) The detection transistor TRDIs a depletion type NMOSFET, the threshold VthTakes a negative value. Thereby, a stable sense signal amount can be ensured regardless of the load of the bit line BL. The detection transistor TRDCan also be constructed from PMOSFETs. The same applies to the following embodiments.
[0085]
(4B) Next, a selection transistor TRSAnd reading transistor TRRIs turned off.
[0086]
(5B) Thereafter, the sense amplifier SA connected to the bit line BL is activated to amplify the data, and the data read operation is completed.
[0087]
With the above operation, the selected memory cell MCmSince the data stored in the memory is once destroyed, the data rewrite operation is performed.
[0088]
(6B) Therefore, first, the non-selected plate line PLjThe potential of (j ≠ m) is set to (1/2) VccAnd
[0089]
(7B) Thereafter, the transistor for selection TRSAnd writing transistor TRWIs turned on. As a result, the potential of the common node CN becomes equal to the potential of the bit line BL. That is, the selected memory cell MCmWhen the data stored in “1” is “1”, the potential of the common node CN is VccThe selected memory cell MCmWhen the data stored in is “0”, the potential of the common node CN is 0 volts. Selection plate line PLmThe potential of V is VccTherefore, when the potential of the common node CN is 0 volt, the selected memory cell MCmThe data “0” is rewritten to.
[0090]
(8B) Next, the selected plate line PLmIs set to 0 volts. As a result, the selected memory cell MCmWhen the data stored in is “1”, the potential of the common node CN is VccTherefore, the data “1” is rewritten. Selected memory cell MCmIf data “0” has already been rewritten in the memory cell, no change occurs in the selected memory cell.
[0091]
(9B) Thereafter, the bit line BL is set to 0 volts.
[0092]
(10B) Finally, unselected plate line PLjIs set to 0 volts, and the transistor for selection TRSAnd writing transistor TRWIs turned off.
[0093]
Other memory cells MCmWhen data is read from and rewritten, the same operation is repeated.
[0094]
In the above-described step (2B), the number (M) of the memory cells constituting the memory unit MU applies a sufficiently large electric field to the ferroelectric layer of the selected memory cell, and the polarization inversion is reliably performed on the ferroelectric layer. It is necessary to make the number such that the above occurs. That is, if the value of M is too small, in the step (2B), the selected plate line PLmVccWhen the voltage is applied, the potential of the first electrode in a floating state increases greatly due to the coupling between the second electrode and the first electrode, and the gap between the second electrode and the first electrode is increased. A sufficient electric field is not formed, and polarization inversion does not occur in the ferroelectric layer. On the other hand, the potential appearing on the first electrode (referred to as signal potential) is obtained by dividing the amount of accumulated charge by the load capacitance. Therefore, if the value of M is too large, the potential appearing on the first electrode becomes too low.
[0095]
FIG. 8 shows the result of simulating the relationship between the value of M and the signal potential. Here, the relationship between the number of memory cells (M) in the circuits shown in FIGS. 1 and 2 and the signal potential was obtained based on the actual measured hysteresis value of the ferroelectric layer in the memory cell. The area of the ferroelectric layer constituting each memory cell is 0.5 μm.2And load capacitance other than the memory cell of the common node CN (mainly, the detection transistor TRD2fF, power supply voltage VccWas 2.5 volts.
[0096]
Selection plate line PLmVccWhen data “1” is stored in the selected memory cell when an electric field is applied, an electric field is generated in the direction of inverting the polarization of the ferroelectric layer between the first electrode and the second electrode. Accordingly, the signal potential from such a selected memory cell (the potential appearing on the first electrode in the floating state, and the detection transistor TRDPotential V applied to the gate electrode ofg) Is higher than when data “0” is stored. Then, the greater the difference between the signal potential when the data “1” is stored and the signal potential when the data “0” is stored, the higher the reliability of data reading.
[0097]
When the value of M is 1, it is equivalent to the circuit shown in FIG. 31B, and as a result of the load capacity at the common node CN being too small, the signal potential when data “1” is stored and the data “ The signal potential when “0” is stored rises to about 2.2 volts, and the selected plate line PLmV applied toccThe potential difference between (= 2.5 volts) is only about 0.3 volts. Therefore, the polarization inversion of the ferroelectric layer is insufficient, and it becomes difficult to read data from the selected memory cell.
[0098]
On the other hand, when the value of M is 2 or more, the selected plate line PL is selected in the selected memory cell.mV applied toccThe potential difference between (= 2.5 volts) and the signal potential (indicated by “signal amount” in FIG. 8) becomes sufficiently large, and data can be reliably read from the selected memory cell. As the value of M increases, the load capacity of the common node CN increases, and when the value of M exceeds a certain level, this time, the selected plate line PLmV applied toccThe value of the signal amount, which is the potential difference between the signal potential and the signal potential, starts to decrease.
[0099]
As described above, it has been found that there is an optimum value for M, and the optimum value for M is 2 ≦ M ≦ 128, preferably 4 ≦ M ≦ 32.
[0100]
Only N common nodes (two in the first embodiment) are connected to the sub-bit line 19, and the parasitic capacitance caused by the sub-bit line capacitance and the junction capacitance is very small. Therefore, the load capacity of the sub bit line 19 is defined by the number of non-selected memory cells of the selected memory unit, and a sufficiently large sense signal amount can be obtained if the number of memory cells constituting the memory unit is appropriately set. Can do. In addition, since most of the load capacity of the sub-bit line is caused by the non-selected memory cells, the load capacity is simultaneously scaled even if the non-volatile memory is miniaturized and the memory cells are reduced. Therefore, the sense signal amount hardly changes even when the memory cell is reduced.
[0101]
Hereinafter, although the manufacturing method of the non-volatile memory of Embodiment 1 is demonstrated, the non-volatile memory in other embodiment can also be manufactured by the same method.
[0102]
[Step-100]
First, various transistors TR in the nonvolatile memoryW, TRR, TRD, TRSThe MOS FET functioning as is formed on the semiconductor substrate 10. Therefore, for example, the element isolation region 11 having a LOCOS structure is formed based on a known method. The element isolation region may have a trench structure, or a combination of a LOCOS structure and a trench structure. Thereafter, the surface of the semiconductor substrate 10 is oxidized by, for example, a pyrogenic method to form the gate insulating film 12. Next, after a polysilicon layer doped with impurities is formed on the entire surface by a CVD method, the polysilicon layer is patterned to form the gate electrode 13. The gate electrode 13 also serves as a word line. The gate electrode 13 can be made of polycide or metal silicide instead of the polysilicon layer. Next, ion implantation is performed on the semiconductor substrate 10 to form an LDD structure. After that, the entire surface is SiO2After forming the layer, this SiO 22By etching back the layer, a gate sidewall (not shown) is formed on the side surface of the gate electrode 13. Next, after ion implantation is performed on the semiconductor substrate 10, a source / drain region 14 is formed by performing activation annealing of the implanted impurities.
[0103]
[Step-110]
Then SiO2After forming the lower insulating layer 16A made of CVD by the CVD method, the writing transistor TRWSource / drain region 14 and read transistor TRRSource / drain region 14 and write transistor TRWSource / drain region 14, and detection transistor TRDGate electrode, selection transistor TRSAn opening is formed in the lower insulating layer 16A above each one of the source / drain regions 14 by the RIE method. Then, a polysilicon layer doped with impurities is formed on the lower insulating layer 16A including the inside of the opening by a CVD method. Thereby, connection holes (contact holes) 15, 18A, 18B, 18C can be obtained. Next, the bit line BL and the sub bit line 19 are formed by patterning the polysilicon layer on the lower insulating layer 16A. The connection holes 18A, 18B, and 18C are electrically connected by the sub bit line 19. Thereafter, an upper insulating layer 16B made of BPSG is formed on the entire surface by a CVD method. Note that, after the formation of the upper insulating layer 16B made of BPSG, it is preferable to reflow the upper insulating layer in a nitrogen gas atmosphere, for example, at 900 ° C. for 20 minutes. Furthermore, it is desirable to planarize the upper insulating layer 16B by chemically and mechanically polishing the top surface of the upper insulating layer 16B, for example, by a chemical mechanical polishing method (CMP method) as necessary. The lower insulating layer and the upper insulating layer may be collectively referred to as an insulating layer 16 in some cases.
[0104]
[Step-120]
Next, the selection transistor TRSAn opening is formed in the insulating layer 16 above the other source / drain region 14 by the RIE method, and then the opening is filled with polysilicon doped with impurities to complete a connection hole (contact hole) 17. . The bit line BL extends on the lower insulating layer 16A so as not to contact the connection hole 17 in the left-right direction in the drawing.
[0105]
The connection holes 15, 18 </ b> A, 18 </ b> B, 18 </ b> C, 17 are, for example, tungsten, Ti, Pt, Pd, Cu, TiW, TiNW, WSi in the opening formed in the insulating layer 16.2, MoSi2It can also be formed by embedding a metal wiring material composed of a refractory metal such as metal or a metal silicide. The top surface of the connection hole 17 may exist in substantially the same plane as the surface of the upper insulating layer 16B, or the top portion of the connection hole 17 may extend to the surface of the upper insulating layer 16B. The conditions for filling the openings with tungsten and forming the connection holes 17 are illustrated in Table 2 below. Note that, before the opening is filled with tungsten, it is preferable that the Ti layer and the TiN layer are sequentially formed on the insulating layer 16 including the inside of the opening by, for example, magnetron sputtering. Here, the reason for forming the Ti layer and the TiN layer is to obtain an ohmic low contact resistance, to prevent damage to the semiconductor substrate 10 in the blanket tungsten CVD method, and to improve the adhesion of tungsten.
[0106]
[Table 2]
Sputtering conditions for Ti layer (thickness: 20 nm)
Process gas: Ar = 35 sccm
Pressure: 0.52 Pa
RF power: 2kW
Substrate heating: None
Sputtering conditions for TiN layer (thickness: 100 nm)
Process gas: N2/ Ar = 100 / 35sccm
Pressure: 1.0 Pa
RF power: 6kW
Substrate heating: None
Conditions for tungsten CVD
Gas used: WF6/ H2/ Ar = 40/400 / 2250sccm
Pressure: 10.7kPa
Formation temperature: 450 ° C
Etching conditions for tungsten layer, TiN layer, and Ti layer
First stage etching: Tungsten layer etching
Gas used: SF6/ Ar / He = 110: 90: 5 sccm
Pressure: 46Pa
RF power: 275W
Second stage etching: TiN layer / Ti layer etching
Gas used: Ar / Cl2= 75 / 5sccm
Pressure: 6.5Pa
RF power: 250W
[0107]
[Step-130]
Next, it is desirable to form an adhesion layer (not shown) made of TiN on the insulating layer 16. Then, a first electrode material layer constituting the first electrode (lower electrode) 21 made of Ir is formed on the adhesion layer by, for example, sputtering, and the first electrode material layer and the adhesion layer are formed by a photolithography technique. The first electrode 21 (common node CN) can be obtained by patterning based on the dry etching technique.
[0108]
[Step-140]
Thereafter, a Bi-based layered perovskite ferroelectric material (specifically, for example, Bi having a crystallization temperature of 750 ° C.) is formed by, for example, MOCVD.2SrTa2O9Is formed over the entire surface. Then, after drying in air at 250 ° C, heat treatment was performed in an oxygen gas atmosphere at 750 ° C for 1 hour to promote crystallization, and then, if necessary, photolithography technology, dry etching The ferroelectric thin film 22 is obtained by patterning the ferroelectric thin film based on the technology.
[0109]
[Step-150]
Next, IrO2-XAfter a layer and a Pt layer are sequentially formed on the entire surface by a sputtering method, a Pt layer, an IrO layer are formed based on a photolithography technique and a dry etching technique.2-XThe layer and the ferroelectric layer 22 are sequentially patterned to obtain the plate line PL.mThe second electrode 23 and the ferroelectric layer 22 that also serve as the above are formed. When the ferroelectric layer 22 is damaged by etching, heat treatment may be performed at a temperature required for damage recovery. Thereafter, an insulating film 26 </ b> A is formed on the insulating layer 16 and the second electrode 23.
[0110]
In the manufacture of the nonvolatile memory in Embodiments 2 to 5 described later,
-Formation and planarization of the interlayer insulating layer 26
-Formation of opening and formation of connection hole 27
First electrode 31, Bi at crystallization temperature 700 ° C2Sr (Ta1.5Nb0.5) O9Formation of the ferroelectric layer 32 and the second electrode 33
Formation of insulating film 36A
May be performed sequentially. Bi2Sr (Ta1.5Nb0.5) O9The ferroelectric layer 32 made of may be heat-treated for promoting crystallization in an oxygen gas atmosphere at 700 ° C. for 1 hour.
[0111]
Each second electrode may not serve as a plate line. In this case, after the formation of the insulating films 26A and 36A is completed, the second electrode 23 and the second electrode 33 are connected by connection holes (via holes), and the connection holes are also formed on the insulating films 26A and 36A. And a plate line connected to each other may be formed.
[0112]
For example, Bi2SrTa2O9Table 3 below illustrates conditions for forming a ferroelectric thin film made of In Table 3, “thd” is an abbreviation for tetramethylheptanedionate. The source materials shown in Table 3 are dissolved in a solvent containing tetrahydrofuran (THF) as a main component.
[0113]
Figure 0004069607
[0114]
Alternatively, Bi2SrTa2O9It is also possible to form a ferroelectric thin film made of the above by the pulse laser ablation method, the sol-gel method, or the RF sputtering method. The formation conditions in these cases are illustrated in Table 4, Table 5, and Table 6 below. When a thick ferroelectric thin film is formed by the sol-gel method, a desired number of times of spin coating and drying, or spin coating and baking (or annealing treatment) may be repeated.
[0115]
[Table 4]
Formation by pulsed laser ablation
Target: Bi2SrTa2O9
Laser used: KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns, 5 Hz)
Formation temperature: 400-800 ° C
Oxygen concentration: 3 Pa
[0116]
Figure 0004069607
[0117]
[Table 6]
Formation by RF sputtering
Target: Bi2SrTa2O9Ceramic target
RF power: 1.2W-2.0W / target 1cm2
Atmospheric pressure: 0.2 to 1.3 Pa
Formation temperature: Room temperature to 600 ° C
Process gas: Ar / O2Flow rate ratio = 2/1 to 9/1
[0118]
Table 7 below illustrates the formation conditions of PZT or PLZT by magnetron sputtering when the ferroelectric layer is made of PZT or PLZT. Alternatively, PZT or PLZT can be formed by reactive sputtering, electron beam evaporation, sol-gel, or MOCVD.
[0119]
[Table 7]
Target: PZT or PLZT
Process gas: Ar / O2= 90% by volume / 10% by volume
Pressure: 4Pa
Power: 50W
Formation temperature: 500 ° C
[0120]
Furthermore, PZT and PLZT can be formed by a pulse laser ablation method. The formation conditions in this case are illustrated in Table 8 below.
[0121]
[Table 8]
Target: PZT or PLZT
Laser used: KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns, 3 Hz)
Output energy: 400 mJ (1.1 J / cm2)
Formation temperature: 550-600 ° C
Oxygen concentration: 40 to 120 Pa
[0122]
By simultaneously operating the memory cells constituting each of the two nonvolatile memories of the first embodiment adjacent to each other in the direction in which the plate lines extend (these memory cells share the same plate line), One bit can be stored in a complementary manner in the memory cell, or one bit can be stored in each of the two memory cells P by operating independently. Details of these operations will be described in the second embodiment.
[0123]
(Embodiment 2)
The second embodiment relates to a gain cell type nonvolatile memory according to the third and fourth aspects of the present invention. A circuit diagram of the nonvolatile memory according to the second embodiment is shown in FIG. 9, and a more specific circuit diagram of the memory unit in FIG. 9 is shown in FIG. FIG. 11 is a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory according to the second embodiment parallel to the direction in which the bit line extends when the nonvolatile memory is cut. In the figure, two memory unit blocks (which constitute one nonvolatile memory) adjacent to each other in the bit line direction are illustrated, but a reference numeral of one component of the memory unit block is denoted by “′”. Since the two memory unit blocks have the same configuration, only one memory unit block will be described below. Here, FIG. 10 shows another nonvolatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BOne memory unit block MB inBThis memory unit block MBBIs memory unit block MBAHas the same configuration.
[0124]
Nonvolatile Memory M of Embodiment 2AIs
(A) a signal detection circuit;
(B) Multiple memory unit blocks MBA, MBA’,
Consisting of
For example, memory unit block MBAIs
(B-1) Selection transistor TRSAWhen,
(B-2) M memory cells MC each (where M ≧ 2 and M = 8 in the second embodiment)ANMN memory units MU (where N ≧ 2, and N = 2 in the second embodiment)ANWhen,
(B-3) M × N plate wires,
Consists of.
[0125]
And memory unit block MBAN memory units MUANAre stacked via an insulating layer 26 (hereinafter referred to as an interlayer insulating layer 26 for convenience), and each memory cell MCANMConsists of first electrodes 21, 31, ferroelectric layers 22, 32 and second electrodes 23, 33. And memory unit block MBAEach memory unit MUAnMemory cell MCAnmThe first electrodes are common, and these common first electrodes are the memory unit block MB.ASelection transistor TRSAAnd connected to a signal detection circuit. Furthermore, the memory unit block MBAN-th memory unit MU (where n = 1, 2,..., N)An, The mth memory cell MC (where m = 1, 2,..., M)AnmThe second electrode of the memory unit block MBA[(N-1) M + m] -th plate line PL(n-1) M + mIt is connected to the. The signal detection circuit is connected to the memory unit block MB.AMemory unit MUAnChange of the potential of the common first electrode in the memory cell MCAnmBased on the data stored in the bit line BL)AAs current or voltage. More specifically, this signal detection circuit includes a write transistor TR described below.WAnd reading transistor TRRAnd detection transistor TRDIt is composed of
[0126]
Alternatively, the nonvolatile memory M of the second embodimentAIs
(A) Bit line BLAWhen,
(B) Write transistor TRWWhen,
(C) Reading transistor TRRWhen,
(D) Detection transistor TRDWhen,
(E) Multiple memory unit blocks MBA, MBA’,
Consisting of
For example, memory unit block MBAIs
(E-1) Selection transistor TRSAWhen,
(E-2) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 8 in the second embodiment)ANMN memory units MU (where N ≧ 2, and N = 2 in the second embodiment)ANWhen,
(E-3) M × N plate wires,
Consists of.
[0127]
And memory unit block MBAN memory units MUANAre stacked via an interlayer insulating layer 26, and each memory cell MCANMConsists of first electrodes 21, 31, ferroelectric layers 22, 32 and second electrodes 23, 33. Memory unit block MBAEach memory unit MUAnMemory cell MCAnmThe first electrodes are common, and these common first electrodes are the memory unit block MB.ASelection transistor TRSAAnd the writing transistor TRWVia the bit line BLAIt is connected to the. Specifically, the memory unit MUA1Memory cell MCA1MThe first electrode 21 is common (this common first electrode is connected to the first common node CN).A1A common first electrode 21 (first common node CN).A1) Is a transistor for selection TRSAAnd the writing transistor TRWVia the bit line BLAIt is connected to the. In addition, the memory unit MUA2Memory cell MCA2MThe first electrode 31 is common (this common first electrode is used as the second common node CN).A2Common first electrode 31 (second common node CN).A2) Is a transistor for selection TRSAAnd the writing transistor TRWVia the bit line BLAIt is connected to the. Furthermore, the memory unit MU of the nth layer (where n = 1, 2,..., N)An, The mth memory cell MC (where m = 1, 2,..., M)AnmThe second electrodes 23 and 33 are connected to the [(n−1) M + m] -th plate line PL.(n-1) M + mIt is connected to the. This plate line PL(n-1) M + mIs a non-volatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BMemory unit block MBBEach memory cell MC comprisingBNMThe second electrodes 23 and 33 are also connected. In the second embodiment, more specifically, each plate line extends from the second electrodes 23 and 33.
[0128]
Selection transistor TRSAOne source / drain region 14 includes a connection hole 18C, a sub bit line 19, a connection hole 18B, and a writing transistor TR.WVia the bit line BLAIt is connected to the. On the other hand, the selection transistor TRSAThe other source / drain region 14 is connected to the first layer memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16.A1First electrode 21 (first common node CN)A1)It is connected to the. Furthermore, the transistor for selection TRSAThe other source / drain region 14 is connected to the second layer memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16 and a connection hole 27 provided in the interlayer insulating layer 26.A2First electrode 31 (second common node CN)A2)It is connected to the. In the figure, reference numeral 36A is an insulating film.
[0129]
Bit line BLAAre connected to the sense amplifier SA. Plate wire PL(n-1) M + mAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WLSAre connected to a word line decoder / driver WD. The word line WL extends in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. Nonvolatile memory MAMemory unit block MBAMemory cell MC constitutingA1mThe second electrode 23 is connected to another nonvolatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.BMemory unit block MBBMemory cell MC constitutingB1mThe second electrode of the plate line PL(n-1) M + mDoubles as Furthermore, the non-volatile memory MAMemory unit block MBAMemory cell MC constitutingA2mThe second electrode 33 is connected to another nonvolatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the plane of FIG.BMemory unit block MBBMemory cell MC constitutingB2mThe second electrode of the plate line PL(n-1) M + mDoubles as Also, the word line WLSIs a non-volatile memory MATransistor TR for configuringSAAnd another non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.BTransistor TR for configuringSBAnd is common.
[0130]
Detection transistor TRDIs connected to a predetermined potential (for example, power supply Vcc), And the other end is connected to the read transistor TR.RVia the bit line BLAIt is connected to the. Write transistor TRWRead transistor TRRAnd detection transistor TRDSince the configuration, the operation thereof, and the relationship between these and the memory unit block can be substantially the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0131]
And memory unit block MBAFor example, memory cell MCAnmWhen writing data to
(1) Writing transistor TRW,as well as,
(2) Memory unit block MBASelection transistor TRSA,
Is turned on,
(3) Reading transistor TRR,as well as,
(4) Memory unit block MBAMemory unit block MB other thanA′ Selection transistor TRSA’,
Is turned off,
Memory unit block MBAFor example, memory cell MCAnmWhen reading the data stored in
(1) Writing transistor TRW,as well as,
(2) Memory unit block MBAMemory unit block MB other thanA′ Selection transistor TRSA’,
Is turned off,
(3) Reading transistor TRR,as well as,
(4) Memory unit block MBASelection transistor TRSA,
Is rendered conductive and the memory unit block MBAFor example, memory cell MCAnmBased on the data stored in the common first electrode (CNAn), The detection transistor TRDIs controlled.
[0132]
Non-volatile memory M whose circuit diagram is shown in FIG.A, MBIn the non-volatile memory MA, MBTransistor TR for configuringSA, TRSBIs the same word line WLSIt is connected to the. The paired memory cells MCAnm, MCBnmComplementary data is stored (n = 1, 2,..., N and m = 1, 2,..., M). For example, the memory cell MCAnm, MCBnmWhen reading data stored in (where m is any one of 1, 2,..., 8), the word line WLSSelect the plate line PLj(M ≠ j) includes, for example, (1/2) VccWith the voltage of(n-1) M + mDrive. Where VccIs, for example, a power supply voltage. As a result, the potential corresponding to the complementary data becomes a pair of memory cells MC.Anm, MCBnmTo common node CNAn, CNBnAs a result, the detection transistor TRD, Detection transistor TRBD(This detection transistor TRBDIs a non-volatile memory MBThe potential corresponding to the complementary data is detected by the detection transistor TR.DRead transistor TRRAnd detection transistor TRBDRead transistor TRBR(This reading transistor TRBRIs a non-volatile memory MBBit line BL paired via a read transistor constitutingA, BLBAppears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BLA, BLBIs detected by the sense amplifier SA.
[0133]
Hereinafter, a method of reading and rewriting data from the nonvolatile memory of Embodiment 2 will be described. As an example, a pair of nonvolatile memories MA, MBPaired memory cells MC (ie, plate lines are common)A11, MCB11Data is read from the memory cell MCA11The data “1” is stored in the memory cell MC.B11Assume that data “0” is stored in. FIG. 12 shows operation waveforms. In FIG. 12, the numbers in parentheses correspond to the numbers of the steps described below.
[0134]
(1C) In the standby state, the bit line, word line, and all plate lines are at 0 volts. Furthermore, the common node CNA1, CNA2, CNB1, CNB2Is also floating at 0 volts. When reading and rewriting data, memory unit block MBA, MBBMemory unit block MB other thanA', MBBThe selection transistor is always in an off state.
[0135]
(2C) When reading data, select plate line PL1VccApply. At this time, the selected memory cell MCA11Since data “1” is stored in the ferroelectric layer, polarization inversion occurs in the ferroelectric layer, the amount of stored charge increases, and the common node CNA1, CNA2The potential increases. On the other hand, the selected memory cell MCB11Since data “0” is stored in the ferroelectric layer, polarization inversion does not occur in the ferroelectric layer, and the common node CNB1, CNB2The potential of is hardly increased. That is, the common node CNB1, CNB2Through the ferroelectric layer of the non-selected memory cell, a plurality of non-selected plate lines PLjTo the common node CNB1, CNB2Is maintained at a level relatively close to 0 volts. In this way, the selected memory cell MCA11, MCB11Depending on the data stored in the common node CNA1, CNA2, CNB1, CNB2Changes in the potential. Therefore, an electric field sufficient for polarization inversion can be applied to the ferroelectric layer of the selected memory cell.
[0136]
(3C) Next, the bit line BLA, BLBIs in a floating state, and the selection transistor TRSA, TRSBAnd reading transistor TRR, TRBR(This reading transistor TRBRIs a non-volatile memory MBIs turned on. As a result, the selected memory cell MCA11Based on the data stored in the common first electrode (common node CNA1, CNA2), The detection transistor TRDOf the selected memory cell MCB11Based on the data stored in the common first electrode (common node CNB1, CNB2), The detection transistor TRBD(This detection transistor TRBDIs a non-volatile memory MBThe operation of the detection transistor constituting the circuit is controlled. Specifically, the detection transistor TRDOne source / drain region 14 has a predetermined potential VccWiring (potential: Vcc) And the selected memory cell MCA11Since the data “1” is stored in the detection transistor TRDIs turned on, and the detection transistor TRDAnd reading transistor TRRVia the bit line BLACurrent flows through the bit line BLAThe potential increases. On the other hand, the selected memory cell MCB11Since data “0” is stored in the detection transistor TRBDTurns off and bit line BLBThe potential of does not rise.
[0137]
(4C) Next, the transistor for selection TRSA, TRSBAnd reading transistor TRR, TRBRIs turned off.
[0138]
(5C) Thereafter, the sense amplifier SA connected to the bit line BL is activated to amplify the data, and the data read operation is completed.
[0139]
With the above operation, the selected memory cell MCA11, MCB11Since the data stored in the memory is once destroyed, the data rewrite operation is performed.
[0140]
(6C) Therefore, first, the non-selected plate line PLjThe potential of (j ≠ 1) is set to (1/2) VccAnd
[0141]
(7C) Thereafter, the transistor for selection TRSA, TRSBAnd the writing transistor TRW, TRBW(This writing transistor TRBWIs a non-volatile memory MBIs turned on. As a result, the common node CNA1, CNA2, CNB1, CNB2Of the bit line BLA, BLBIs equal to the potential. That is, the selected memory cell MCA11If the data stored in is “1”, the common node CNA1, CNA2The potential of V is VccThe selected memory cell MCB11If the data stored in is “0”, the common node CNB1, CNB2The potential is 0 volts. Selection plate line PL1The potential of V is VccThe common node CNB1, CNB2When the potential of the memory cell is 0 volts, the selected memory cell MCB11The data “0” is rewritten to.
[0142]
(8C) Next, the selected plate line PL1Is set to 0 volts. As a result, the selected memory cell MCA11If the data stored in is “1”, the common node CNA1, CNA2Potential is VccTherefore, the data “1” is rewritten. Selected memory cell MCB11If data “0” has already been rewritten in the memory cell, no change occurs in the selected memory cell.
[0143]
(9C) Thereafter, the bit line BL is set to 0 volts.
[0144]
(10C) Finally, unselected plate line PLjIs set to 0 volts, and the transistor for selection TRSA, TRSBAnd the writing transistor TRW, TRBWIs turned off.
[0145]
Other memory cells (MCAnm, MCBnmThe same operation is repeated when data is read out from (1) and rewritten.
[0146]
Non-volatile memory MA, MBTransistor TR for configuringSA, TRSB, Different word lines WLSA, WLSBConnected to the memory cell MCAnm, MCBnmAre controlled independently, for example, by using a dummy cell, etc.A, BLBA reference voltage (a reference potential intermediate between a read potential of data “1” and a read potential of data “0”) is applied to one of the memory cells MCAnm, MCBnmData can also be read from each of the above. Refer to FIG. 13 for a circuit diagram when such a configuration is adopted. The selection transistor TRSA, TRSBAre simultaneously equivalent to the circuit shown in FIG.
[0147]
Thus, each memory cell MCAnm, MCBnm1 bit is stored as data in each of (n = 1, 2 and m = 1, 2,..., 8) (see FIG. 13) or a pair of memory cells MCAnm, MCBnmIs stored as one bit (see FIG. 10). In an actual nonvolatile memory, a set of memory units storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit unit. The word line WL of the selection transistorS(WLSA, WLSB), Plate wire PL(n-1) M + mFor a plurality of access unit units sharing the data, data writing or data reading and rewriting is performed in a lump. That is, in the memory array, all the non-volatile memories are collectively turned on sequentially, or are collectively turned off (standby).
[0148]
A pair of selection transistors TR in a paired nonvolatile memorySAAnd TRSBIs the word line WLSAnd paired bit lines BLA, BLBOccupies the area surrounded by. Accordingly, if the word lines and the bit lines are arranged at the shortest pitch, a pair of selection transistors TR in the paired nonvolatile memory is assumed.SAAnd TRSBThe minimum area is 8F2It is. However, transistor TRSA, TRSB, TRW, TRR, TRDM pairs of memory cells MCA1m, MCA2m, MCB1m, MCB2m(M = 1, 2,..., M), and therefore, a selection transistor TR per bit.SA, TRSBAnd the word line WLSSince the arrangement of the non-volatile memory is also gradual, it is easy to reduce the size of the nonvolatile memory. In addition, for the peripheral circuit, M bits can be selected by one word line decoder / driver WD and M plate line decoder / driver PD. Therefore, by adopting such a configuration, the cell area is 8F.2A layout close to that of a DRAM can be realized, and a chip size comparable to that of a DRAM can be realized.
[0149]
(Embodiment 3)
The third embodiment relates to a gain cell type nonvolatile memory according to the fifth and sixth aspects of the present invention. FIG. 14 shows a circuit diagram of the nonvolatile memory according to the third embodiment, and FIG. 15 shows a more specific circuit diagram of the memory unit in FIG. FIG. 16 is a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory according to the third embodiment parallel to the direction in which the bit line extends when the nonvolatile memory is cut. In the figure, two memory unit blocks (which constitute one nonvolatile memory) adjacent to each other in the bit line direction are illustrated, but a reference numeral of one component of the memory unit block is denoted by “′”. Since the two memory unit blocks have the same configuration, only one memory unit block will be described below. Here, FIG. 15 shows another nonvolatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BOne memory unit block MB inBThis memory unit block MBBIs memory unit block MBAHas the same configuration.
[0150]
Nonvolatile Memory M of Embodiment 3AIs
(A) a signal detection circuit;
(B) Multiple memory unit blocks MBA, MBA’,
Consisting of
For example, memory unit block MBAIs
(B-1) N transistors N (where N ≧ 2, N = 2 in the third embodiment).SANWhen,
(B-2) M memory cells MC each (where M ≧ 2 and M = 8 in the third embodiment)ANMN memory units MU composed ofANWhen,
(B-3) M plate lines PLM,
Consists of.
[0151]
And memory unit block MBAN memory units MU inANAre stacked via an insulating layer (interlayer insulating layer 26). Each memory cell MCAnmIs composed of first electrodes 21, 31, ferroelectric layers 22, 32, and second electrodes 23, 33, and includes a memory unit block MB.AEach memory unit MUAnMemory cell MCAnmThe first electrodes 21 and 31 are common and the memory unit block MBAN-th (where n = 1, 2,..., N) memory unit MUAnThe common first electrode in the memory unit block MBANth selection transistor TRSAnAnd connected to a signal detection circuit. Furthermore, the memory unit block MBANth memory unit MUAn, The mth memory cell MC (where m = 1, 2,..., M)AnmThe second electrode of the memory unit block MBAMemory unit MUAnThe mth plate line PL common to allmIt is connected to the. The signal detection circuit is connected to the memory unit block MB.AMemory unit MUAnChange of the potential of the common first electrode in the memory cell MCAnmBased on the data stored in the bit line BL)AAs current or voltage. More specifically, this signal detection circuit includes a write transistor TR described below.WAnd reading transistor TRRAnd detection transistor TRDIt is composed of
[0152]
Alternatively, the nonvolatile memory M of the third embodimentAIs
(A) Bit line BLAWhen,
(B) Write transistor TRWWhen,
(C) Reading transistor TRRWhen,
(D) Detection transistor TRDWhen,
(E) Multiple memory unit blocks MBA, MBA’,
Consisting of
For example, memory unit block MBAIs
(E-1) N transistors N (where N ≧ 2 and M = 2 in the third embodiment).SANWhen,
(E-2) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 8 in the third embodiment)ANMN memory units MU composed ofANWhen,
(E-3) M plate lines PLM,
Consists of.
[0153]
And memory unit block MBAN memory units MU inANAre stacked via an insulating layer (interlayer insulating layer 26). Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode. Specifically, the first (hereinafter referred to as the first layer) memory unit MUA1Each memory cell MC comprisingA1MIncludes a first electrode 21, a ferroelectric layer 22, and a second electrode 23, and a second (hereinafter referred to as a second layer) memory unit MU.A2Each memory cell MC comprisingA2MConsists of a first electrode 31, a ferroelectric layer 32 and a second electrode 33. Furthermore, each memory unit MUAnMemory cell MCAnmThe first electrodes 21 and 31 are common. Specifically, the memory unit MU in the first layerA1Memory cell MCA1MThe first electrode 21 is common. The common first electrode 21 is connected to the first common node CN.A1Sometimes called. In addition, the second layer memory unit MUA2Memory cell MCA2MThe first electrode 31 is common. The common first electrode 31 is connected to the second common node CN.A2Sometimes called. Furthermore, the nth memory unit MU (where n = 1, 2,..., N, which is called the nth layer)An, The second electrodes 23 and 33 of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) are connected to the memory unit MU.AnThe mth plate line PL common to allmIt is connected to the. In the third embodiment, more specifically, each plate line extends from the second electrodes 23 and 33.
[0154]
Memory unit MU in the nth layer (where n = 1, 2,..., N)AnThe common first electrode of the nth selection transistor TR is the nth selection transistor TR.SAnAnd the writing transistor TRWVia the bit line BLAIt is connected to the. Specifically, each selection transistor TRSA1, TRSA2One source / drain region 14 includes a connection hole 18C, a sub bit line 19, a connection hole 18B, and a writing transistor TR.WVia the bit line BLAIt is connected to the. On the other hand, the first selection transistor TRSA1The other source / drain region 14 is connected to the first layer memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16.A1First electrode 21 (first common node CN)A1)It is connected to the. The second selection transistor TRSA2The other source / drain region 14 is connected to the second layer memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16, a pad portion 25, and a connection hole 27 provided in the interlayer insulating layer 26.A2First electrode 31 (second common node CN)A2)It is connected to the.
[0155]
Bit line BLAAre connected to the sense amplifier SA. Plate wire PLMAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WLS1, WLS2Are connected to a word line decoder / driver WD. Word line WLS1, WLS2Extends in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. Nonvolatile memory MAMemory cell MC constitutingA1mThe second electrode 23 of the non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.BMemory cell MC constitutingB1mCommon to the second electrode 23 of the plate line PLmDoubles as Furthermore, the non-volatile memory MAMemory cell MC constitutingA2MThe second electrode 33 of the non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.BMemory cell MC constitutingB2mThe second electrode 33 is common to the plate line PLmDoubles as These plate lines PLmAre connected in a region not shown. Also, the word line WLS1Is a non-volatile memory MATransistor TR for configuringSA1And a non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the sheet of FIG.BTransistor TR for configuringSB1And is common. Furthermore, the word line WLS2Is a non-volatile memory MATransistor TR for configuringSA2And a non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the sheet of FIG.BTransistor TR for configuringSB2And is common.
[0156]
Detection transistor TRDIs connected to a predetermined potential (for example, power supply Vcc), And the other end is connected to the read transistor TR.RVia the bit line BLAIt is connected to the. Write transistor TRWRead transistor TRRAnd detection transistor TRDSince the configuration, the operation thereof, and the relationship between these and the memory unit block can be substantially the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0157]
For example, the memory unit block MBANth memory unit MUAnMemory cell MCAnmWhen writing data to
(1) Writing transistor TRW,as well as,
(2) Memory unit block MBANth selection transistor TRSAn, Is turned on,
(3) Reading transistor TRR,
(4) Memory unit block MBANth selection transistor TRSAnA selection transistor other than
(5) Memory unit block MBAMemory unit block MB other thanA′ Selection transistor TRSAN’,
Is turned off,
Memory unit block MBANth memory unit MUAnMemory cell MCAnmWhen reading the data stored in
(1) Writing transistor TRW,
(2) Memory unit block MBANth selection transistor TRSAnA selection transistor other than
(3) Memory unit block MBAMemory unit block MB other thanA′ Selection transistor TRSAN’,
Is turned off,
(4) Reading transistor TRR,as well as,
(5) Memory unit block MBANth selection transistor TRSAn, Is rendered conductive, and the memory unit block MBANth memory unit MUAnMemory cell MCAnmBased on the data stored in the common first electrode (common node CNAn), The detection transistor TRDIs controlled.
[0158]
The nonvolatile memory M whose circuit diagram is shown in FIG.A, MBThe transistor for selection TRSAn, TRSBnIs the same word line WLSnIt is connected to the. The paired memory cells MCAnm, MCBnmComplementary data is stored (n = 1, 2,..., N and m = 1, 2,..., M). For example, the memory cell MCAnm, MCBnmWhen reading data stored in (where m is any one of 1, 2,..., 8), the word line WLSnSelect the plate line PLj(M ≠ j) includes, for example, (1/2) VccWith the voltage ofmDrive. Where VccIs, for example, a power supply voltage. As a result, the potential corresponding to the complementary data becomes a pair of memory cells MC.Anm, MCBnmTo common node CNAn, CNBnAs a result, the detection transistor TRD, Detection transistor TRBD(This detection transistor TRBDIs a non-volatile memory MBThe potential corresponding to the complementary data is detected by the detection transistor TR.DRead transistor TRRAnd detection transistor TRBDRead transistor TRBR(This reading transistor TRBRIs a non-volatile memory MBBit line BL paired via a read transistor constitutingA, BLBAppears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BLA, BLBIs detected by the sense amplifier SA.
[0159]
Hereinafter, a method for reading and rewriting data from the nonvolatile memory according to Embodiment 3 will be described. As an example, a pair of nonvolatile memories MA, MBPaired memory cells MC (ie, plate lines are common)A11, MCB 11Data is read from the memory cell MCA11The data “1” is stored in the memory cell MC.B11Assume that data “0” is stored in. FIG. 17 shows operation waveforms. In FIG. 17, the numbers in parentheses correspond to the numbers of the steps described below.
[0160]
(1D) In the standby state, the bit lines, word lines, and all plate lines are at 0 volts. Furthermore, the common node CN is also floating at 0 volts. When reading and rewriting data, memory unit block MBA, MBBMemory unit block MB other thanA', MBBThe selection transistor of 'is always in an off state.
[0161]
(2D) When data reading is started, first, all plate lines PL in the selected memory unit (access unit unit)m(M = 1, 2,..., 8) to (1/2) Vcc(However, VccIs precharged to the power supply voltage), and the bit line BLA, BLB(1/2) VccTo precharge. Then, word line WLW, Word line WLS1, WLS2Is set to a high level, thereby writing transistor TRW, TRBW(This writing transistor TRBWIs a non-volatile memory MBAnd the transistor for selection TRSA1, TRSA2, TRSB1, TRSB2Is turned on. As a result, the common first electrode 21 (common node CNA1, CNA2, CNB1, CNB2) Is the bit line BLA, BLBConnected to the common node CNA1, CNA2, CNB1, CNB2Potential is (1/2) VccIt becomes.
[0162]
(3D) Next, a non-selected word line WLS2Is set to a low level to select transistor TRSA2, TRSB2Is turned off. As a result, the non-selected common node CNA2, CNB2Has a potential of (1/2) VccIt will be in a floating state.
[0163]
(4D) Then, the selected plate line PL1And bit line BLA, BLBIs discharged to 0 volts through a ground line (not shown). At this time, the bit line BLA, BLBCommon node CN connected toA1, CNB1Is also 0 volts. Bit line BLA, BLBWhen the discharge of the ground is completed, the ground line and the bit line BLA, BLBThe bit line BLA, BLBIs in a floating state.
[0164]
(5D) Next, the word line WLWIs set to a low level, thereby writing transistor TRW, TRBWOff, and then the word line WLRIs set to the high level to thereby read the transistor TRR, TRBR(This reading transistor TRBRIs a non-volatile memory MBIs turned on. On the other hand, the selected plate line PL1VccApply. As a result, the memory cell MC storing the data “1” is stored.A11, Inversion charges are released, and as a result, the detection transistor TRDTurns on and the wiring (potential: Vcc) To detection transistor TRDAnd reading transistor TRRVia the bit line BLACurrent flows through the bit line BLAThe potential increases. On the other hand, the selected memory cell MCB11Since data “0” is stored in the detection transistor TRBD(This detection transistor TRBDIs a non-volatile memory MBAre in the off state, and the bit line BLBThe potential of does not rise. In this way, the bit line BLA, BLBA potential difference occurs between the two. Next, the sense amplifier SA is activated and the bit line BL is activated.A, BLBThe potential difference between is read as data.
[0165]
(6D) Next, the reading transistor TRR, TRBRIs turned off.
[0166]
(7D) After that, the bit line BLA, BLBIs charged / discharged by the sense amplifier SA, and the bit line BLAVccBit line BLBIs applied with 0 volts.
[0167]
(8D) Next, the writing transistor TRW, TRBWIs turned on. As a result, the memory cell MCB11The data “0” is written again in.
[0168]
(9D) Then, the selected plate line PL1By setting the voltage to 0 volts, the memory cell MCA11The data “1” is written again in.
[0169]
(10D) To finish reading data, the bit line BLA, BLBIs discharged to 0 volts. Next, plate line PLmAfter discharging (m = 1, 2,..., 8) to 0 volts, the unselected word line WLS2Is again set to the high level, and the selection transistor TRSA2, TRSB2All the common nodes CN of the memory unit (access unit unit)A1, CNA2, CNB1, CNB2Is 0 volts.
[0170]
If the data of the next memory cell in the pair continues to be read, all the plate lines PL are again read.m(M = 1, 2,..., 8) to (1/2) VccThe above operations (2D) to (9D) are repeated.
[0171]
According to the above sequence, the disturbance applied to the non-selected memory cell is always (1/2) V.ccIt is suppressed to the following.
[0172]
Note that the common node CN is in a non-selected state and in a floating state.B1, CNB2Is the selected plate line PL1And (1/2) VccUnselected plate line PL fixed tojAlthough it fluctuates according to the coupling ratio with (j = 2,..., 8), the coupling capacitance on the non-selected plate line side is larger. Therefore, the common node CNA2, CNB2The potential fluctuation of (1/2) Vcc~ VccMemory cell MCA2m, MCB2mThe disturbance added to (m = 1-8) is (1/2) VccIt is as follows.
[0173]
In such a circuit configuration, in order to limit the number of disturbances to a finite number of times, all the memory cells sharing the plate line or the common node should be collectively and continuously accessed serially. Is desirable. That is, the word line WLS1When accessing the common node CNA1, CNB1Memory cells related toA1m, MCB1mAll of (m = 1, 2,..., 8) are sequentially accessed. Subsequently, the word line WLS2To the common node CNA2, CNB2Memory cell MC related toA2m, MCB2mAll of (m = 1, 2,..., 8) are sequentially accessed. As a result, data is read from all of the memory cells in the memory unit (access unit unit), and then rewritten to restore degradation due to disturbance. In this way, the upper limit of the number of disturbances is the number obtained by subtracting 1 from the number of bits stored in the memory unit (access unit unit), and the reliability can be guaranteed. In the third embodiment described above, the number of disturbances is seven.
[0174]
Non-volatile memory MA, MBTransistor TR for configuringSAn, TRSBn, Different word lines WLSAn, WLSBnConnected to the memory cell MCAnm, MCBnmAre controlled independently, for example, by using a dummy cell, etc.A, BLBA reference voltage (a reference potential intermediate between a read potential of data “1” and a read potential of data “0”) is applied to one of the memory cells MCAnm, MCBnmData can also be read from each of the above. Refer to FIG. 18 for a circuit diagram when such a configuration is adopted. The selection transistor TRSAn, TRSBnAre simultaneously equivalent to the circuit shown in FIG.
[0175]
Thus, each memory cell MCAnm, MCBnm1 bit is stored as data in each of (n = 1, 2 and m = 1, 2,..., 8) (see FIG. 18), or a pair of memory cells MCAnm, MCBnmIs stored as one bit (see FIG. 15). In an actual nonvolatile memory, a set of memory units storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit unit. The word line WL of the selection transistorSn(WLSAn, WLSBn), Plate wire PLmFor a plurality of access unit units sharing the data, data writing or data reading and rewriting is performed in a lump. That is, in the memory array, all the non-volatile memories are collectively turned on sequentially, or are collectively turned off (standby).
[0176]
(Embodiment 4)
The fourth embodiment relates to a gain cell type nonvolatile memory according to the seventh and eighth aspects of the present invention. FIG. 19 shows a circuit diagram of the nonvolatile memory according to the fourth embodiment. A more specific circuit diagram of the memory unit in FIG. 19 is shown in FIG. Further, a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory according to the fourth embodiment parallel to the extending direction of the bit line when the nonvolatile memory is cut is substantially the same as that shown in FIG. In FIG. 19, a part of two memory unit blocks (which constitute one nonvolatile memory) adjacent in the bit line direction is illustrated, but “′” is used as a reference number of one component of the memory unit block. It was attached. Since the two memory unit blocks have the same configuration, only one memory unit block will be described below. Here, FIG. 20 shows another nonvolatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BOne memory unit block MB inBThis memory unit block MBBIs memory unit block MBAHas the same configuration.
[0177]
FIG. 19 shows the bit line BL.An, Writing transistor TRWnRead transistor TRRn, Detection transistor TRDnTwo selection transistors TRSAn, TRSAn'And two memory units MUAn, MUAnAlthough 'is shown as one set, in practice, one non-volatile memory includes N sets.
[0178]
Nonvolatile Memory M of Embodiment 4AIs
(A) N signal detection circuits (where N ≧ 2, N = 2 in the fourth embodiment);
(B) Multiple memory unit blocks MBA, MBA’,
Consisting of
For example, memory unit block MBAIs
(B-1) N selection transistors TRSANWhen,
(B-2) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 8 in the fourth embodiment).ANMN memory units MU composed ofANWhen,
(B-3) M plate lines PLM,
Consists of.
[0179]
And memory unit block MBAN memory units MUANAre stacked via an insulating layer (interlayer insulating layer 26). Each memory cell MCAnmConsists of first electrodes 21, 31, ferroelectric layers 22, 32 and second electrodes 23, 33. Memory unit block MBAEach memory unit MUAnMemory cell MCAnmThe first electrodes 21 and 31 are common and the memory unit block MBAN-th (n-th layer) (where n = 1, 2,..., N) memory unit MUAnThe common first electrode in the memory unit block MBANth selection transistor TRSAnTo the nth signal detection circuit. Furthermore, the memory unit block MBAN-th (n-th layer) memory unit MUAn, The mth memory cell MC (where m = 1, 2,..., M)AnmThe second electrode of the memory unit block MBAMemory unit MUAnThe mth plate line PL common to allmIt is connected to the. The nth signal detection circuit is connected to the memory unit block MB.AN-th layer memory unit MUAnChange of the potential of the common first electrode in the memory cell MCAnmBased on the data stored in the nth bit line BL).AnAs current or voltage. Specifically, the nth signal detection circuit includes a write transistor TR described below.WnAnd reading transistor TRRnAnd detection transistor TRDnIt is composed of
[0180]
Alternatively, the nonvolatile memory M of the fourth embodimentAIs
(A) N number of bit lines BL (where N ≧ 2 and N = 2 in the fourth embodiment)ANWhen,
(B) N write transistors TRWNWhen,
(C) N read transistors TRRNWhen,
(D) N detection transistors TRDNWhen,
(E) Multiple memory unit blocks MBA, MBA’,
Consisting of
For example, memory unit block MBAIs
(E-1) N selection transistors TRSANWhen,
(E-2) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 8 in the fourth embodiment)ANMN memory units MU composed ofANWhen,
(E-3) M plate lines PLM,
Consists of.
[0181]
And memory unit block MBAThe N memory units are stacked via an insulating layer (interlayer insulating layer 26). Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode. Specifically, the first (first layer) memory unit MUA1Each memory cell MC comprisingA1MIncludes a first electrode 21, a ferroelectric layer 22, and a second electrode 23, and a second (second layer) memory unit MU.A2Each memory cell MC comprisingA2MConsists of a first electrode 31, a ferroelectric layer 32 and a second electrode 33. Memory unit block MBAEach memory unit MUAnMemory cell MCAnmThe first electrode is common. Specifically, the memory unit MU in the first layerA1Memory cell MCA1MThe first electrode 21 is common. The common first electrode 21 is connected to the first common node CN.A1Sometimes called. In addition, the second layer memory unit MUA2Memory cell MCA2MThe first electrode 31 is common. The common first electrode 31 is connected to the second common node CN.A2Sometimes called. Furthermore, the memory unit block MBAN-th (n-th layer) (where n = 1, 2,..., N) memory unit MUAn, The second electrodes 23 and 33 of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) are connected to the memory unit MU.AnThe mth plate line PL common to allmIt is connected to the. In the fourth embodiment, more specifically, each plate line extends from the second electrodes 23 and 33. These plate lines PLmAre connected in a region not shown.
[0182]
Memory unit block MBAN-th memory unit MU (where n = 1, 2,..., N)AnThe common first electrode of the nth selection transistor TR is the nth selection transistor TR.SAnAnd the nth write transistor TRWnThrough the nth bit line BLAnIt is connected to the. Specifically, the nth selection transistor TRSAnOne source / drain region 14 includes a connection hole 18C, a sub-bit line 19, a connection hole 18B, and an nth write transistor TR.WnThrough the nth bit line BLAnIt is connected to the. On the other hand, the first selection transistor TRSA1The other source / drain region 14 is connected to the first layer memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16.A1First electrode 21 (first common node CN)A1)It is connected to the. The second selection transistor TRSA2The other source / drain region 14 is connected to the second layer memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16, a pad portion 25, and a connection hole 27 provided in the interlayer insulating layer 26.A2First electrode 31 (second common node CN)A2)It is connected to the.
[0183]
Bit line BLA1Sense amplifier SA1Connected to the bit line BLA2Sense amplifier SA2It is connected to the. Plate wire PLMAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WLSnAre connected to a word line decoder / driver WD. Nonvolatile memory MAMemory cell MC constitutingA1mThe second electrode 23 is connected to another nonvolatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BMemory cell MC constitutingB1mCommon to the second electrode 23 of the plate line PLmDoubles as Furthermore, the non-volatile memory MAMemory cell MC constitutingA2MThe second electrode 33 is connected to another nonvolatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BMemory cell MC constitutingB2mThe second electrode 33 is common to the plate line PLmDoubles as These plate lines PLmAre connected in a region not shown. Also, the word line WLSnIs a non-volatile memory MATransistor TR for configuringSAnAnd another non-volatile memory M adjacent in the extending direction of the word lineBTransistor TR for configuringSBnAnd is common.
[0184]
Nth detection transistor TRDnIs connected to a predetermined potential (for example, power supply Vcc), And the other end is connected to the nth read transistor TR.RnThrough the nth bit line BLAnIt is connected to the. Write transistor TRWnRead transistor TRRnAnd detection transistor TRDnSince the configuration, the operation thereof, and the relationship between these and the memory unit block can be substantially the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0185]
For example, the memory unit block MBAN-th (n-th layer) memory unit MUAnMemory cell MCAnmWhen writing data to
(1) nth write transistor TRWn,as well as,
(2) Memory unit block MBANth selection transistor TRSAn, Is turned on,
(3) nth write transistor TRWnWriting transistors other than
(4) Reading transistor TRRN,
(5) Memory unit block MBANth selection transistor TRSAnA selection transistor other than
(6) Memory unit block MBAMemory unit block MB other thanA′ Selection transistor TRSAN’,
Is turned off,
For example, memory unit block MBAN-th (n-th layer) memory unit MUAnMemory cell MCAnmWhen reading the data stored in
(1) Writing transistor TRWN,
(2) Memory unit block MBAN-th reading transistor TRRnA reading transistor other than
(3) Memory unit block MBANth selection transistor TRSAnNon-selection transistor,
(4) Memory unit block MBAMemory unit block MB other thanA′ Selection transistor TRSAn’,
Is turned off,
(5) nth read transistor TRRn,as well as,
(6) Memory unit block MBANth selection transistor TRSAn, Is rendered conductive, and the memory unit block MBAN-th layer memory unit MUAnMemory cell MCAnmBased on the data stored in the common first electrode (common node CNAn), The nth detection transistor TRDnIs controlled.
[0186]
Since the data write operation and the data read and rewrite operations in the nonvolatile memory in the fourth embodiment can be substantially the same as the operations described in the second embodiment, a detailed description will be given. Omitted.
[0187]
Non-volatile memory M whose circuit diagram is shown in FIG.A, MBIn the selection transistor TRSA1, TRSB1Is the same word line WLS1Connected to the transistor for selection TRSA2, TRSB2Is the same word line WLS2It is connected to the. The paired memory cells MCAnm, MCBnmComplementary data is stored in (n = 1, 2, and m = 1, 2,..., M). For example, the memory cell MCA1m, MCB1mWhen reading data stored in (where m is any one of 1, 2,..., 8), the word line WLS1Select the plate line PLj(M ≠ j) includes, for example, (1/2) VccWith the voltage ofmDrive. As a result, the potential corresponding to the complementary data becomes a pair of memory cells MC.Anm, MCBnmTo common node CNAn, CNBnAs a result, the detection transistor TRDn, Detection transistor TRBDn(This detection transistor TRBDnIs a non-volatile memory MBThe potential corresponding to the complementary data is detected by the detection transistor TR.DnRead transistor TRRnAnd detection transistor TRBDnRead transistor TRBRn(This reading transistor TRBRnIs a non-volatile memory MBBit line BL paired via a read transistor constitutingAn, BLBnAppears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BLAn, BLBnVoltage (bit line potential) of the sense amplifier SAnDetect with.
[0188]
Non-volatile memory MA, MBTransistor TR for configuringSAn, TRSBn, Different word lines WLSAn, WLSBnConnected to the memory cell MCAnm, MCBnmAre controlled independently, for example, by using a dummy cell, etc.An, BLBnA reference voltage (a reference potential intermediate between a read potential of data “1” and a read potential of data “0”) is applied to one of the memory cells MCAnm, MCBnmData can also be read from each of the above. Refer to FIG. 21 for a circuit diagram when such a configuration is adopted. The selection transistor TRSAn, TRSBnAre simultaneously equivalent to the circuit shown in FIG.
[0189]
Thus, each memory cell MCAnm, MCBnm1 bit is stored as data in each of (n = 1, 2 and m = 1, 2,..., 8) (see FIG. 21), or a pair of memory cells MCAnm, MCBnmIs stored as one bit (see FIG. 20). In an actual nonvolatile memory, a set of memory units storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit unit. The word line WL of the selection transistorSn(WLSAn, WLSBn), Plate wire PLmFor a plurality of access unit units sharing the data, data writing or data reading and rewriting is performed in a lump. That is, in the memory array, all the non-volatile memories are collectively turned on sequentially, or are collectively turned off (standby).
[0190]
(Embodiment 5)
Embodiment 5 relates to a gain cell type nonvolatile memory according to the ninth and tenth aspects of the present invention. A circuit diagram of the nonvolatile memory of Embodiment 5 is shown in FIG. 22, and a more specific circuit diagram of the memory unit in FIG. 22 is shown in FIG. Further, a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory according to the fifth embodiment in parallel to the extending direction of the bit line when the nonvolatile memory is cut is substantially the same as that shown in FIG. In FIG. 22, two memory unit blocks (constituting one nonvolatile memory) adjacent to each other in the bit line direction are illustrated, but “′” is attached to the reference number of one component of the memory unit block. . Since the two memory unit blocks have the same configuration, only one memory unit block will be described below. Here, FIG. 23 shows another nonvolatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BOne memory unit block MB inBThis memory unit block MBBHas the same configuration as the memory unit block MB.
[0191]
FIG. 22 shows the bit line BL.An, Writing transistor TRWnRead transistor TRRn, Detection transistor TRDnTwo selection transistors TRSAn, TRSAn'And two memory units MUAn, MUAnAlthough 'is shown as one set, in practice, one non-volatile memory includes N sets.
[0192]
The nonvolatile memory M of the fifth embodiment is
(A) 2N signal detection circuits (where N ≧ 1, N = 1 in the fifth embodiment),
(B) A plurality of memory unit blocks MB, MB ′,
Consisting of
For example, the memory unit block MB is
(B-1) 2N selection transistors TRSWhen,
(B-2) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2)NM2N memory units MU composed ofNWhen,
(B-3) M plate lines PLM,
Consists of.
[0193]
And 2N memory units MU of the memory unit block MBnAre stacked via an insulating layer (interlayer insulating layer 26). Each memory cell MCnmConsists of first electrodes 21, 31, ferroelectric layers 22, 32 and second electrodes 23, 33. And each memory unit MU of the memory unit block MBnMemory cell MCnmThe first electrodes 21 and 31 are common, and the memory unit MU of the nth layer (where n = 1, 2,..., 2N) of the memory unit block MB.nThe common first electrodes 21 and 31 in the n are the nth selection transistors TR of the memory unit block MB.SnThrough the nth bit line BLnIt is connected to the. Furthermore, the memory unit MU of the nth layer of the memory unit block MBn, The mth memory cell MC (where m = 1, 2,..., M)nmThe second electrodes 23 and 33 are connected to the memory unit MU of the memory unit block MB.nThe mth plate line PL common to allmIt is connected to the. Then, the memory unit MU of the (2n′−1) th layer and the second n′th layer (where n ′ = 1, 2,..., N) of the memory unit block MB.(2n'-1), MU2n 'Memory cells MC having a common plate line(2n'-1), m, MC2n ', mData is written to and read from the data. The (2n′−1) th and 2n′th signal detection circuits are connected to the (2n′−1) th and second n′th layer memory units MU of the memory unit block MB.(2n'-1), MU2n 'Change of the potential of the common first electrode in the memory cell MC(2n'-1), m, MC2n ', mAnd (2n′−1) th and 2n′th bit lines BL are detected based on the detection results.(2n'-1), BL2n 'As current or voltage. Specifically, each signal detection circuit includes a write transistor TR described below.WnAnd reading transistor TRRnAnd detection transistor TRDnIt is composed of
[0194]
Alternatively, the nonvolatile memory M of the fifth embodiment is
(A) 2N bit lines BL (where N ≧ 1, N = 1 in the fifth embodiment)NWhen,
(B) 2N write transistors TRWNWhen,
(C) 2N read transistors TRRNWhen,
(D) 2N detection transistors TRDNWhen,
(E) a plurality of memory unit blocks MB, MB ′,
Consisting of
For example, the memory unit block MB is
(E-1) 2N selection transistors TRSNWhen,
(E-2) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 8 in the fifth embodiment)NM2N memory units MU composed ofNWhen,
(E-3) M plate lines PLM,
Consists of.
[0195]
The N memory units of the memory unit block MB are stacked via an insulating layer (interlayer insulating layer 26). Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode. Specifically, the memory unit MU in the first layer1Each memory cell MC comprising1MIncludes a first electrode 21, a ferroelectric layer 22, and a second electrode 23, and the second layer memory unit MU.2Each memory cell MC comprising2MConsists of a first electrode 31, a ferroelectric layer 32 and a second electrode 33. Each memory unit MU of the memory unit block MBnMemory cell MCnmThe first electrode is common. Specifically, the memory unit MU in the first layer1Memory cell MC1MThe first electrode 21 is common. The common first electrode 21 is connected to the first common node CN.1Sometimes called. In addition, the second layer memory unit MU2Memory cell MC2MThe first electrode 31 is common. The common first electrode 31 is connected to the second common node CN.2Sometimes called. Further, the memory unit MU in the nth layer (where n = 1, 2,..., N) of the memory unit block MB.n, The second electrodes 23 and 33 of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) are connected to the memory unit MU.nThe mth plate line PL common to allmIt is connected to the. In the fifth embodiment, more specifically, each plate line extends from the second electrodes 23 and 33. These plate lines PLmAre connected in a region not shown.
[0196]
Memory unit MU in the nth layer (where n = 1, 2,..., N) of the memory unit block MBnThe common first electrode of the nth selection transistor TR is the nth selection transistor TR.SnAnd the nth write transistor TRWnThrough the nth bit line BLnIt is connected to the. Specifically, the nth selection transistor TRSnOne source / drain region 14 includes a connection hole 18C, a sub-bit line 19, a connection hole 18B, and an nth write transistor TR.WnThrough the nth bit line BLnIt is connected to the. On the other hand, the first selection transistor TRS1The other source / drain region 14 is connected to the first layer memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16.1First electrode 21 (first common node CN)1)It is connected to the. The second selection transistor TRS2The other source / drain region 14 is connected to the second layer memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16, a pad portion 25, and a connection hole 27 provided in the interlayer insulating layer 26.2First electrode 31 (second common node CN)2)It is connected to the.
[0197]
Bit line BL1, BL2Sense amplifier SA1It is connected to the. Plate wire PLMAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WLSnAre connected to a word line decoder / driver WD. Further, the memory cell MC constituting the nonvolatile memory M1mThe second electrode 23 is connected to another nonvolatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BMemory cell MC constitutingB1mCommon to the second electrode 23 of the plate line PLmDoubles as Further, the memory cell MC constituting the nonvolatile memory M2MThe second electrode 33 is connected to another nonvolatile memory M adjacent in the direction in which the plate line extends.BMemory cell MC constitutingB2mThe second electrode 33 is common to the plate line PLmDoubles as These plate lines PLmAre connected in a region not shown. Also, the word line WLSnIs a transistor for selection TR constituting the nonvolatile memory MSnAnd another non-volatile memory M adjacent in the extending direction of the word lineBTransistor TR for configuringSBnAnd is common.
[0198]
Nth detection transistor TRDnIs connected to a predetermined potential (for example, power supply Vcc), And the other end is connected to the nth read transistor TR.RnThrough the nth bit line BLnIt is connected to the. Write transistor TRWnRead transistor TRRnAnd detection transistor TRDnSince the configuration, the operation thereof, and the relationship between these and the memory unit block can be substantially the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0199]
Then, for example, the memory unit MU of the (2n′−1) th layer and the second n′th layer (where n ′ = 1, 2,..., N) of the memory unit block MB.(2n'-1), MU2n 'Plate line atMTwo memory cells MC(2n'-1), m, MC2n ', mWhen writing data to
(1) The (2n'-1) th and 2n'th write transistors TRW, (2n'-1), TRW, 2n ',as well as,
(2) The (2n'-1) th and 2n'th selection transistors TR of the memory unit block MBS, (2n'-1), TRS, 2n ',
Is turned on,
(3) (2n'-1) th and 2n'th write transistors TRW, (2n'-1), TRW, 2n 'Writing transistors other than
(4) Reading transistor TRRn,
(5) The (2n'-1) th and 2n'th selection transistors TR of the memory unit block MBS, (2n'-1), TRS, 2n 'A selection transistor other than
(6) Selection transistor TR of memory unit block MB 'other than memory unit block MBSN’,
Is turned off,
Memory units MU in the (2n′−1) th layer and the second n′th layer of the memory unit block MB(2n'-1), MU2n 'Plate line atmTwo memory cells MC(2n'-1), m, MC2n ', mWhen reading the data stored in
(1) Writing transistor TRWN,
(2) (2n'-1) th and 2n'th read transistors TR of the memory unit block MBR, (2n'-1), TRR, 2n 'A reading transistor other than
(3) (2n'-1) th and 2n'th selection transistors TR of the memory unit block MBS, (2n'-1), TRS, 2n 'A selection transistor other than
(4) Transistor TR for selection of memory unit block MB 'other than memory unit block MBSN’,
Is turned off,
(5) The (2n′−1) th and 2n′th read transistors TRR, (2n'-1), TRR, 2n ',as well as,
(6) The (2n'-1) th and 2n'th selection transistors TR of the memory unit block MBS, (2n'-1), TRS, 2n ',
Is made conductive, and the memory unit MU in the (2n′−1) th layer and the second n′th layer of the memory unit block MB.(2n'-1), MU2n 'Plate line atmTwo memory cells MC(2n'-1), m, MC2n ', mBased on the data stored in the common first electrode (common node CN(2n'-1), CN2n '), The (2n′−1) th and second n′th detection transistors TRD, (2n'-1), TRD, 2n 'Is controlled.
[0200]
Since the data write operation and the data read and rewrite operations in the nonvolatile memory M in the fifth embodiment can be substantially the same as the operations described in the second embodiment, a detailed description will be given. Is omitted.
[0201]
In the nonvolatile memory M whose circuit diagram is shown in FIG. 23, the selection transistor TR constituting the nonvolatile memory MS1, TRS1Are different word lines WLS1, WLS2It is connected to the. The paired memory cells MC1m, MC2mComplementary data is stored. For example, the memory cell MC1m, MC2mWhen reading data stored in (where m is any one of 1, 2,..., 8), the word line WLS1And word line WLS2Select the plate line PLj(M ≠ j) includes, for example, (1/2) VccWith the voltage ofmDrive. As a result, the potential corresponding to the complementary data becomes a pair of memory cells MC.1m, MC2mTo common node CN1, CN2As a result, the detection transistor TRD1, Detection transistor TRD2The potential corresponding to the complementary data is detected by the detection transistor TR.D1Read transistor TRR1And detection transistor TRD2Read transistor TRR2Bit line BL paired via1, BL2Appears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL1, BL2Voltage (bit line potential) of the sense amplifier SA1Detect with.
[0202]
Thus, the paired memory cells MC(2n'-1), m, MC2n ', mComplementary data is stored as 1 bit. In an actual nonvolatile memory, a set of memory units for storing these 8 bits is arranged in an array as an access unit unit. The word line WL of the selection transistorS1, WLS2, Plate wire PLmFor a plurality of access unit units sharing the data, data writing or data reading and rewriting is performed in a lump. That is, in the memory array, all the non-volatile memories are collectively turned on sequentially, or are collectively turned off (standby).
[0203]
Memory cell MC1m, MC2mAre controlled independently to form a pair of bit lines BL1, BL2By applying a reference voltage to one of the memory cells MC1m, MC2mData can also be read from each of the above. Such a configuration is substantially the same as the operation of the nonvolatile memory described in the fourth embodiment.
[0204]
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment of this invention, this invention is not limited to these. The structure of the nonvolatile memory, the materials used, various formation conditions, the circuit configuration, the driving method, and the like described in the embodiment of the invention are examples, and can be changed as appropriate.
[0205]
The predetermined potential of the wiring to which one end of the detection transistor is connected is VccFor example, it may be grounded. That is, the predetermined potential of the wiring to which one end of the detection transistor is connected may be 0 volts. However, in this case, the potential (Vcc) Appears on the bit line, the potential of the bit line is set to 0 volt at the time of rewriting, and when 0 volt appears on the bit line at the time of reading data in the selected memory cell, the potential of the bit line is set to V at the time of rewriting.ccIt is necessary to. For this purpose, a transistor TR as illustrated in FIG.IV-1, TRIV-2, TRIV-3, TRIV-4A kind of switch circuit (inversion circuit) composed of the above is arranged between the bit lines, and when reading data, the transistor TRIV-2, TRIV-4Is turned on, and the transistor TRIV-1, TRIV-3Can be turned on.
[0206]
The value of M is not limited to 8. The value of M only needs to satisfy M ≧ 2. As an actual value of M, for example, a power of 2 (2, 4, 8, 16...) Can be mentioned. In the first to fourth embodiments, the value of N only needs to satisfy N ≧ 2, and as a practical value of N, for example, a power of 2 (2, 4, 8,... ). Furthermore, in the fifth embodiment, the value of N only needs to satisfy N ≧ 1, and as a practical value of N, for example, a power of 1 or 2 (2, 4, 8,...) Is used. Can be mentioned. The number of memory unit blocks is not limited to two.
[0207]
In general, A = B + C, where A is the total number of signal lines for driving the unit units, B is the number of word lines, and C is the number of plate lines. Here, when the total number A is constant, in order to maximize the total number of addresses (= B × C) of the unit unit, it is sufficient to satisfy B = C. Therefore, in order to arrange peripheral circuits most efficiently, the number B of word lines and the number C of plate lines in the unit unit may be made equal. In addition, the number of word lines in the row address access unit unit is equal to, for example, the number of stacked memory cells (N), and the number of plate lines is equal to the number of memory cells (M) constituting the memory unit. As the number of these word lines and plate lines increases, the degree of integration of the substantial nonvolatile memory increases. The product of the number of word lines and the number of plate lines is the number of accessible addresses. Here, on the premise of continuous and continuous access, the value obtained by subtracting “1” from the product is the number of disturbances. Therefore, the value of the product of the number of word lines and the number of plate lines is determined from the disturbance tolerance of the memory cells, process factors, and the like. Here, the disturbance is a phenomenon in which an electric field is applied to the ferroelectric layer constituting a non-selected memory cell in a direction in which polarization is reversed, that is, in a direction in which stored data is deteriorated or destroyed. Point to.
[0208]
The nonvolatile memory described in Embodiment 3 can be modified as in the structure shown in FIG. A circuit diagram is shown in FIG. 25 and 26, the writing transistor, the reading transistor, and the detection transistor are not shown.
[0209]
This nonvolatile memory includes a bit line BL connected to the sense amplifier SA.AN transistors (where N ≧ 2, N = 4 in this example) made up of MOS FETs are selected.S1, TRS2, TRS3, TRS4And N memory units MUA1, MUA2, MUA3, MUA4And a plate wire. First layer memory unit MUA1Is M memory cells (where M ≧ 2 and M = 8 in this example).A1m(M = 1, 2,..., 8). In addition, the second layer memory unit MUA2M memory cells MC (M = 8)A2m(M = 1, 2,..., 8). Furthermore, the third layer memory unit MUA3M memory cells MC (M = 8)A3m(M = 1, 2,..., 8) and the fourth layer memory unit MUA4M memory cells MC (M = 8)A4m(M = 1, 2,..., 8). The number of plate lines is M (8 in this example), and PLm(M = 1, 2,..., 8). Selection transistor TRSnWord line WL connected to the gate electrode ofSnAre connected to a word line decoder / driver WD. On the other hand, each plate line PLmAre connected to a plate line decoder / driver PD.
[0210]
Also, the memory unit MU in the first layerA1Each memory cell MC comprisingA1mIs composed of a first electrode 21A, a ferroelectric layer 22A, and a second electrode 23, and the second layer memory unit MU.A2Each memory cell MC comprisingA2mConsists of a first electrode 21B, a ferroelectric layer 22B, and a second electrode 23, and a third-layer memory unit MU.A3Each memory cell MC comprisingA3mIs composed of a first electrode 31A, a ferroelectric layer 32A, and a second electrode 33, and a fourth layer memory unit MU.A4Each memory cell MC comprisingA4mConsists of a first electrode 31B, a ferroelectric layer 32B, and a second electrode 33. And each memory unit MUA1, MUA2, MUA3, MUA4, The first electrodes 21A, 21B, 31A, 31B of the memory cells are common. For the sake of convenience, the common first electrodes 21A, 21B, 31A, 31B are connected to the common node CN.A1, CNA2, CNA3, CNA4Call it.
[0211]
Here, the memory unit MU of the first layerA1First electrode 21A (first common node CN)A1) Is the first selection transistor TRS1And, for example, a writing transistor TRWVia the bit line BLAIt is connected to the. In addition, the second layer memory unit MUA2First electrode 21B (second common node CN)A2) Is the second selection transistor TRS2And, for example, a writing transistor TRWVia the bit line BLAIt is connected to the. Furthermore, the third layer memory unit MUA3First electrode 31A (third common node CN)A3) Is the third selection transistor TRS3And, for example, a writing transistor TRWVia the bit line BLAIt is connected to the. Also, the fourth layer memory unit MUA4Common electrode 31B (fourth common node CN)A4) Is the fourth selection transistor TRS4And, for example, a writing transistor TRWVia the bit line BLAIt is connected to the.
[0212]
Also, the memory unit MU in the first layerA1Memory cell MC constitutingA1mAnd the second layer memory unit MUA2Memory cell MC constitutingA2mShare the second electrode 23, and the shared m-th second electrode 23 is the plate line PL.mIt is connected to the. Furthermore, the third layer memory unit MUA3Memory cell MC constitutingA3mAnd the fourth layer memory unit MUA4Memory cell MC constitutingA4mShare the second electrode 33, and the shared m-th second electrode 33 is the plate line PL.mIt is connected to the. Specifically, the plate line PL extends from the extended portion of the m-th second electrode 23 shared.mAnd the plate line PL extends from the extended portion of the shared m th second electrode 33.mEach plate line PLmAre connected in a region not shown.
[0213]
In this nonvolatile memory, the memory unit MUA1, MUA2And memory unit MUA3, MUA4Are stacked via an insulating layer (interlayer insulating layer 26). Memory unit MUA4Is covered with an insulating film 36A. In addition, the memory unit MUA1Is formed above the semiconductor substrate 10 via an insulating layer 16. An element isolation region 11 is formed in the semiconductor substrate 10. The selection transistor TRS1, TRS2, TRS3, TRS4Consists of a gate insulating film 12, a gate electrode 13, and source / drain regions 14. The first selection transistor TRS1, Second selection transistor TRS2, Third selection transistor TRS3, Fourth selection transistor TRS4One source / drain region 14 has a connection hole, a sub bit line, for example, a write transistor TR.WnVia the bit line BLAIt is connected to the. The first selection transistor TRS1The other source / drain region 14 is connected to the first common node CN via a connection hole 17 provided in an opening formed in the insulating layer 16.A1It is connected to the. Further, the second selection transistor TRS2The other source / drain region 14 is connected to the second common node CN via the connection hole 17.A2It is connected to the. The third selection transistor TRS3The other source / drain region 14 of the third common node CN is connected to the third common node CN via a connection hole 27 provided in an opening formed in the connection hole 17, the pad portion 25, and the interlayer insulating layer 26.A3It is connected to the. Furthermore, the fourth selection transistor TRS4The other source / drain region 14 is connected to the fourth common node CN via the connection hole 17, the pad portion 25, and the connection hole 27.A4It is connected to the.
[0214]
The structure of the non-volatile memory described above can be applied as appropriate to the non-volatile memory in other embodiments.
[0215]
For example, as shown in FIG. 27, as a modification of the nonvolatile memory according to the third embodiment, the first electrodes 21 ′ and 31 ′ are upper electrodes and the second electrodes 23 ′ and 33 ′ are lower electrodes. It can also be. Such a structure can be applied as appropriate to the non-volatile memory in other embodiments. In FIG. 27, the writing transistor, the reading transistor, and the detecting transistor are not shown.
[0216]
【The invention's effect】
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory of the present invention, since a plurality of memory cells are provided, the cell area per bit can be reduced, and further, a plurality of memory unit blocks are provided. Therefore, the cell area per bit can be further reduced. In addition, since the first electrode is common to the first electrodes of the plurality of memory cells constituting the memory unit, a kind of additional load capacitance is added to the first electrode, When a voltage is applied to the plate line during reading, an increase in potential of the first electrode in a floating state can be suppressed, and a sufficient potential difference is generated between the first electrode and the second electrode. Therefore, it is possible to reliably generate polarization inversion in the ferroelectric layer. In addition, a writing transistor, a reading transistor, and a detecting transistor are provided, but the area overhead of these transistors is very small. In addition, even if the scaling is improved and the memory cell is reduced, it is possible to ensure almost the same amount of sense signal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a more specific circuit diagram of a memory unit portion in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a schematic layout of various transistors constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the invention.
4 is a schematic partial cross-sectional view in parallel with the extending direction of the bit line when the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the invention is cut along the arrow AA in FIG. 3; FIG. is there.
5 is a schematic partial cross-sectional view in parallel with the extending direction of the bit line when the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention is cut along the arrow BB in FIG. 3; is there.
6 is a diagram showing operation waveforms in a data write operation of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention; FIG.
7 is a diagram showing operation waveforms in data read and rewrite operations of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 8 is a graph showing the result of simulating the relationship between the value of the number (M) of memory cells constituting the memory unit and the signal potential in the first embodiment of the invention.
FIG. 9 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment of the invention.
FIG. 10 is a more specific circuit diagram of a memory unit portion in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic partial cross-sectional view in parallel with the direction in which a bit line extends in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention;
12 is a diagram showing operation waveforms in data read and rewrite operations of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 13 is a more specific circuit diagram of a memory unit portion in a modification of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a third embodiment of the invention.
FIG. 15 is a more specific circuit diagram of a memory unit portion in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic partial cross-sectional view in parallel with the direction in which a bit line extends in a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 17 is a diagram showing operation waveforms in a data read and rewrite operation of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 18 is a more specific circuit diagram of a memory unit portion in a modification of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 20 is a more specific circuit diagram of the memory unit portion in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a more specific circuit diagram of a memory unit portion in a modification of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a more specific circuit diagram of the memory unit portion in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a circuit diagram showing a kind of switch circuit arranged between bit lines when a predetermined potential of a wiring to which one end of a detection transistor is connected is 0 volt.
FIG. 25 is a schematic partial cross-sectional view showing a modification of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory described in the third embodiment of the present invention.
26 is a circuit diagram of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory shown in FIG. 25. FIG.
FIG. 27 is a schematic partial cross-sectional view of another modified example of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a PE hysteresis loop diagram of a ferroelectric.
FIG. 29 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory disclosed in US Pat. No. 4,873,664.
FIG. 30 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-121032.
FIG. 31 is an equivalent circuit diagram of a gain cell in a DRAM, and an equivalent circuit diagram when this gain cell is applied to a nonvolatile memory disclosed in conventional US Pat. No. 4,873,664.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Silicon semiconductor substrate, 11 ... Element isolation region, 12 ... Gate insulating film, 13 ... Gate electrode, 14 ... Source / drain region, 15, 17, 18A, 18B, 18C, 27 ... connection hole (contact hole), 16 ... insulating layer, 21, 21A, 21B, 21 ', 31, 31A, 31B, 31' ... first electrode, 22, 22A, 22B, 32 32A, 32B ... ferroelectric layer, 23, 23 ', 33, 33' ... second electrode, 25 ... pad portion, 26 ... insulating layer (interlayer insulating layer), 26A, 36A ... Insulating film, M ... Ferroelectric nonvolatile semiconductor memory, MB ... Memory unit block, MC ... Memory cell, TRS... Selection transistors, TRW... Write transistors, TRR... Reading transistors, TRD... Detection transistor, WL ... Word line, BL ... Bit line, PL ... Plate line, WD ... Word line decoder / driver, SA ... Sense amplifier, PD ... Plate Line decoder / driver, CN ... Common node

Claims (4)

(A)信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(B−1)選択用トランジスタと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個(但し、N≧2)のメモリユニットと、
(B−3)M×N本のプレート線、
から成り、
各メモリユニットブロックのN個のメモリユニットは、絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの選択用トランジスタを介して、信号検出回路に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックの第[(n−1)M+m]番目のプレート線に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
前記信号検出回路は、各メモリユニットブロックのメモリユニットにおける共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果をビット線に電流又は電圧として伝達することを特徴とする強誘電体型不揮発性半導体メモリ。
(A) a signal detection circuit;
(B) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(B-1) a selection transistor;
(B-2) N (where N ≧ 2) memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(B-3) M × N plate wires,
Consisting of
N memory units of each memory unit block are stacked via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected to the signal detection circuit via the selection transistor of the memory unit block. And
In the memory unit in the nth layer (where n = 1, 2,..., N) of each memory unit block, the mth (where m = 1, 2,..., M) memory cells The second electrode is a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory connected to the [(n−1) M + m] th plate line of the memory unit block,
The signal detection circuit detects a potential change of a common first electrode in a memory unit of each memory unit block, and transmits the detection result as a current or a voltage to a bit line. Semiconductor memory.
(A)ビット線と、
(B)書込用トランジスタと、
(C)読出用トランジスタと、
(D)検出用トランジスタと、
(E)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(E−1)選択用トランジスタと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個(但し、N≧2)のメモリユニットと、
(E−3)M×N本のプレート線、
から成り、
各メモリユニットブロックのN個のメモリユニットは、絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、及び、書込用トランジスタを介して、ビット線に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックの第[(n−1)M+m]番目のプレート線に接続されており、
検出用トランジスタの一端は所定の電位を有する配線に接続され、他端は読出用トランジスタを介してビット線に接続されており、
メモリユニットブロックのメモリセルへのデータの書き込み時、
(1) 書込用トランジスタ、及び、
(2) 該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、
(3) 読出用トランジスタ、及び、
(4) 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックのメモリセルに記憶されたデータの読み出し時、
(1) 書込用トランジスタ、及び、
(2) 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
(3) 読出用トランジスタ、及び、
(4) 該メモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、該メモリユニットブロックの該メモリセルに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極に生じた電位により、検出用トランジスタの動作が制御されることを特徴とする強誘電体型不揮発性半導体メモリ。
(A) a bit line;
(B) a writing transistor;
(C) a reading transistor;
(D) a detection transistor;
(E) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(E-1) a selection transistor;
(E-2) N (where N ≧ 2) memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(E-3) M × N plate wires,
Consisting of
N memory units of each memory unit block are stacked via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected via the selection transistor and the write transistor of the memory unit block. Connected to the bit line,
In the memory unit in the nth layer (where n = 1, 2,..., N) of each memory unit block, the mth (where m = 1, 2,..., M) memory cells The second electrode is connected to the [(n−1) M + m] th plate line of the memory unit block,
One end of the detection transistor is connected to a wiring having a predetermined potential, and the other end is connected to the bit line via the reading transistor,
When writing data to memory cells in the memory unit block,
(1) a writing transistor, and
(2) a transistor for selecting the memory unit block;
Is turned on,
(3) a reading transistor, and
(4) a transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block;
Is turned off,
When reading the data stored in the memory cells of the memory unit block,
(1) a writing transistor, and
(2) a transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block;
Is turned off,
(3) a reading transistor, and
(4) a transistor for selecting the memory unit block;
Is made conductive, and the operation of the detection transistor is controlled by the potential generated at the common first electrode based on the data stored in the memory cell of the memory unit block. Non-volatile semiconductor memory.
(A)信号検出回路と、
(B)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(B−1)N個(但し、N≧2)の選択用トランジスタと、
(B−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(B−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
各メモリユニットブロックの第n番目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおける共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタを介して、信号検出回路に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックのメモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
前記信号検出回路は、各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおける共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果をビット線に電流又は電圧として伝達することを特徴とする強誘電体型不揮発性半導体メモリ。
(A) a signal detection circuit;
(B) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(B-1) N selection transistors (where N ≧ 2),
(B-2) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(B-3) M plate wires,
Consisting of
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common,
The common first electrode in the nth (where n = 1, 2,..., N) memory unit of each memory unit block is connected via the nth selection transistor of the memory unit block. Connected to the signal detection circuit,
In the nth memory unit of each memory unit block, the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is common among the memory units of the memory unit block. A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory connected to the m-th plate line,
The signal detection circuit detects a potential change of the common first electrode in the nth memory unit of each memory unit block, and transmits the detection result to the bit line as a current or a voltage. Dielectric type nonvolatile semiconductor memory.
(A)ビット線と、
(B)書込用トランジスタと、
(C)読出用トランジスタと、
(D)検出用トランジスタと、
(E)複数のメモリユニットブロック、
から成り、
各メモリユニットブロックは、
(E−1)N個(但し、N≧2)の選択用トランジスタと、
(E−2)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(E−3)M本のプレート線、
から成り、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットブロックの各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
各メモリユニットブロックの第n番目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおける共通の第1の電極は、該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、及び、書込用トランジスタを介して、ビット線に接続されており、
各メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、該メモリユニットブロックのメモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されており、
検出用トランジスタの一端は所定の電位を有する配線に接続され、他端は読出用トランジスタを介してビット線に接続されており、
メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットのメモリセルへのデータの書き込み時、
(1) 書込用トランジスタ、及び、
(2) 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、
(3) 読出用トランジスタ、
(4) 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ以外の選択用トランジスタ、及び、
(5) 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットのメモリセルに記憶されたデータの読み出し時、
(1) 書込用トランジスタ、
(2) 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ以外の選択用トランジスタ、及び、
(3) 該メモリユニットブロック以外のメモリユニットブロックの選択用トランジスタ、
が非導通状態とされ、
(4) 読出用トランジスタ、及び、
(5) 該メモリユニットブロックの第n番目の選択用トランジスタ、
が導通状態とされ、該メモリユニットブロックの第n番目のメモリユニットの該メモリセルに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極に生じた電位により、検出用トランジスタの動作が制御されることを特徴とする強誘電体型不揮発性半導体メモリ。
(A) a bit line;
(B) a writing transistor;
(C) a reading transistor;
(D) a detection transistor;
(E) a plurality of memory unit blocks;
Consisting of
Each memory unit block
(E-1) N selection transistors (where N ≧ 2),
(E-2) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(E-3) M plate wires,
Consisting of
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit of each memory unit block, the first electrode of the memory cell is common,
The common first electrode in the nth (where n = 1, 2,..., N) memory unit of each memory unit block is the nth selection transistor in the memory unit block and the write It is connected to the bit line through the embedded transistor,
In the nth memory unit of each memory unit block, the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is common among the memory units of the memory unit block. Connected to the m-th plate wire,
One end of the detection transistor is connected to a wiring having a predetermined potential, and the other end is connected to the bit line via the reading transistor,
When writing data to the memory cell of the nth memory unit in the memory unit block,
(1) a writing transistor, and
(2) the nth selection transistor of the memory unit block;
Is turned on,
(3) a reading transistor;
(4) a selection transistor other than the nth selection transistor in the memory unit block; and
(5) a transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block;
Is turned off,
When reading the data stored in the memory cell of the nth memory unit of the memory unit block,
(1) Write transistor,
(2) a selection transistor other than the nth selection transistor of the memory unit block; and
(3) a transistor for selecting a memory unit block other than the memory unit block;
Is turned off,
(4) a reading transistor, and
(5) the nth selection transistor of the memory unit block;
Is made conductive, and the operation of the detection transistor is controlled by the potential generated at the common first electrode based on the data stored in the memory cell of the nth memory unit of the memory unit block. A ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory characterized by the above.
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