JP4149660B2 - 強誘電体ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ - Google Patents
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Description
発明の背景
本発明は、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)に関するものである。
【0002】
ランダム・アクセス・メモリ(RAM)は、概略的に2つの分類、即ち、スタティックおよびダイナミックに分けられる。RAMは、双方の種類共、アドレス可能な記憶セルのアレイで構成され、各セルが1ビットの情報(またはマルチビット情報)を記憶する。スタティックRAM(SRAM)では、セル内の記憶単位は、通常、双安定フリップ・フロップであり、セルが0または1のどちらを記憶しているのかをフリップ・フロップの状態が示す。ダイナミックRAM(DRAM)では、記憶単位は、通常、ICコンデンサであり、記憶されている値は0または1のどちらかであるかを、コンデンサ上の電荷が示す。しかしながら、DRAMの場合、コンデンサは徐々に電荷を失うので、数ミリ秒に1回程度の頻度で記憶データを「リフレッシュ」する必要がある(近年のDRAMでは、数百ミリ秒程度、および秒単位にも延長されてはいるが)。リフレッシュ動作は、まずセル内の値を読み取り、次いでそれを書き戻すことによって行われる。これは、アレイ内の各セル毎に行われ、通常、複雑な制御回路を必要とする。
【0003】
70年代始めに導入された最初期のDRAMセルは、4つのトランジスタを内蔵していた。後に、3トランジスタDRAMセルが導入され、セルの小型化およびメモリの高密度化をもたらした。そのすぐ後に、1トランジスタ/1コンデンサ・セルが導入され、その簡素さおよびその小さなセル・サイズのために、その全ての競合を一掃し業界標準として残っている。年と共に、4K、16K、64K、および256K DRAM世代を経て、セル・サイズは、トランジスタおよびコンデンサ双方の寸法を縮小することにより小型化してきたが、コンデンサの方がトランジスタよりも縮小が簡単であった。これは、前者の簡素さのためである。しかしながら、1980年台中期から1Mb DRAM世代が始まり、状況は逆転した。何故なら、コンデンサは、所与のセル・サイズに割り当てられる「リアル・エステート」エリア内に形成するために、増々複雑化した三次元構造を取るように強いられたからである。DRAMセルの最もコストがかかる部分は、R&Dの努力や生産コストも含めて、コンデンサであり、予測可能な将来においてもそうあり続けるであろうと言っても差し支えない。更に、コンデンサがなくても存続可能な新たなDRAMセルの設計を採用しなければ、継続する小型化がいずれは行き詰まる可能性は非常に高い。
【0004】
発明の概要
本発明は、強誘電体MOSトランジスタを記憶単位として用いる、新たなDRAMセルの設計にある。この新たなDRAMを、強誘電体DRAMの略称として、FEDRAMと呼ぶことにする。FEDRAMセルは、1トランジスタ/1コンデンサ・セルからコンデンサをなくし、ゲート誘電体に多少の変更を加えて、セルのトランジスタを保持する。これらの素子のデータ保持時間は、不揮発性メモリに対する要求に比較すると短く、例えば、数分または長くても数日程度である。しかし、この欠点は、FEDRAMチップ内に適切なリフレッシュ回路を追加することによって、容易に克服できる。
【0005】
概して言えば、一態様において、本発明は、各々強誘電体電界効果トランジスタ(FET)をそのメモリ・エレメントとして含む、メモリ・セルのアレイと、メモリ・セルのアレイに接続され、強誘電体トランジスタのソース・ドレイン間の導電性を検知することによって、各セル内に記憶されているデータを読み出し、かつ記憶されているデータをリフレッシュするセンスおよびリフレッシュ回路とを含むメモリである。
【0006】
好適な実施形態では、前述のセンスおよびリフレッシュ回路は、メモリ・セルのアレイ内に記憶されているデータを周期的にリフレッシュするようにプログラムされている。これを行う1つの方法は、メモリ・セルから選択された1つに記憶されているデータを周期的に検知し、選択したメモリ・セルにおいて検知したデータがスレシホルド値未満に減衰している場合、選択したメモリ・セルに記憶されているデータを自動的にリフレッシュするように前記センスおよびリフレッシュ回路をプログラムすることである。また、メモリ・セル・アレイ内の各メモリ・セルは、更に、当該メモリ・セル内の強誘電体FETに接続された選択トランジスタを含む。各メモリ・セルにおいて、選択トランジスタは、強誘電体FETのゲート、または強誘電体FETのソースおよびドレインのいずれかに接続されている。更に、各メモリ・セルにおいて、強誘電体トランジスタは、強誘電体材料で作られたゲート誘電体を含む。また、1つ以上の追加の誘電体層を含み、積層構造を形成することも可能である。
【0007】
概して言えば、別の態様において、本発明はDRAMであり、このDRAMは、各々強誘電体電界効果トランジスタ(FET)をそのメモリ・エレメントとして含むメモリ・セルのアレイを備え、対応する強誘電体FETのソース・ドレイン間導電性を検知することによって、いずれの所与のメモリ内に記憶されている値をも判定する。
【0008】
FEDRAMセルは、従来のDRAMセルと比較して、他にも大きな利点がある。FEDRAMセルは記憶コンデンサを必要としないので、そのサイズは従来のDRAMセルよりも本質的に小さい。したがって、所与の製作基準規則(fabrication ground rule)で、メモリの高密度化を図ることができる。加えて、FEDRAMセルではコンデンサが不要なため、従来のDRAMセルと比較して、セル・サイズを更に縮小するのが遥かに容易である。また、FEDRAMセルにおけるプログラム速度は、強誘電体薄膜のスイッチング時間による制約を受けるだけなので、非常に速く、例えば約1ns以下とすることができる。一方、従来のDRAMセルのプログラム速度は、記憶コンデンサの充電時間だけ遅くなる。
【0009】
他の利点として、記憶コンデンサが不要なことから、読み出し時間も改善されることがあげられる。更に、従来のDRAMと比較して、FEDRAMセルの保持時間が遥かに長く、例えば、秒単位に対して分単位または日単位であるために、リフレッシュ間に許容される時間を大幅に長くすることができる。更に、記憶コンデンサの除去およびリフレッシュ要件の軽減のために、電力消費も減少する。
【0010】
理論的に、FEDRAMは、メモリ・アレイにおいて強誘電体(FE)トランジスタを使用する従来の取り組みとは異なる手法を意味する。他の者が追及していた手法は、真の「不揮発性」FEトランジスタを求めるためのものである。しかし、その探求はこれまで現実に商業的な成功を納めていない。本発明は、リフレッシュ動作を拠り所とすることによって、FEメモリ・トランジスタ技術に伴う問題を解決する。本願のFEDRAMと「不揮発性」FEトランジスタ・メモリとの間には、概念的および動作的双方に大きな相違があり、これまでの研究者の成果では殆ど得られなかったことである。これらの相違を以下に要約する。
【0011】
「不揮発性」FEメモリ・トランジスタは非常に長いメモリ保持時間(通常数年)を必要とするが、一方FEDRAMセルは遥かに短い保持時間(秒単位で十分である)で済む。
【0012】
非常に厳しい「不揮発性」要件のため、「不揮発性」メモリ・セルの上下いずれの界面、またはFE膜自体内においても、実際上漏れ電流は全く許容することができない。したがって、真の「不揮発性」FEメモリ・トランジスタを実証した者はおらず、製造は極めて困難である。対照的に、FEDRAMは、リフレッシュすることができるので、かなりの量のゲート漏れ電流を許容することができ、したがって一層容易に製造することが可能である。
【0013】
「不揮発性」FEメモリ・トランジスタは、欠陥が殆どないFE膜を必要とするので、内部分極によって誘発され得るイオン電流またはその他の電荷輸送機構は実際上あってはならない。そうでないと、たとえ少量であれ電流があると、FE膜内の電荷の移動によって記憶の喪失および回路の故障を招くことになる。対照的に、FEDRAMは、メモリ・セルのダイナミック性および回路におけるリフレッシュ動作の使用のために、かかる電流を許容することができる。
【0014】
「不揮発性」セルは、他のセルのプログラミングまたは読み出しによる大きな障害に耐えることができず、一方FEDRAMセルは遥かに耐性があり(これも、リフレッシュ動作を組み入れたことによるものである)、したがって後者では、回路設計およびアーキテクチャに得られる自由度は格段に高い。
【0015】
その他の利点および特徴は、以下の好適な実施形態の説明および請求の範囲から明らかとなろう。
好適な実施形態の説明
新たなFEDRAMセルは、ゲート誘電体に強誘電体(FE)膜を採用し、データ記憶エレメントおよびそれ自体の読み出し素子双方として機能する、電界効果トランジスタ(FET)構造を含む。データの記憶は、強誘電体膜において分極を誘発することによって行う。この分極が、次に、FETの導通チャネルの導電性を変調し、記憶されているデータを読み出したいときに、これを検知することができる。記憶されているデータの保持時間が有限であるために、他のDRAMの場合と同様、記憶を維持するためにリフレッシュ動作が含まれる。
【0016】
FEDRAMトランジスタ構造およびその動作原理
図1aないし図1cに示すように、FEDRAMトランジスタ構造は、ゲート酸化物を強誘電体膜10(図1a)と置換したことを除いて、MOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)のそれと同様である。その他の点については、FEDRAMトランジスタ構造は、従来のMOSFETと同様である。図1aないし図1cに示すFEDRAMトランジスタ構造は、p型基板12上に作成されたエンハンス・モードFETである。これらは、ソース・コンタクト16およびソース端子18を有するソース領域14、ドレイン・コンタクト22およびドレイン端子24を有するドレイン領域20を含み、FE膜10上には、ゲート端子13を有するゲート・コンタクト11がある。
【0017】
図1bおよび図1cに示す実施形態では、ゲート酸化物は、強誘電体膜10および別の誘電体層d1(図1b)を含む誘電体積層体、または強誘電体膜10および2層の別の誘電体層d1およびd2(図1c)を含む誘電体積層体である。これらの構造全てにおいて、d1およびd2双方は十分に薄いので(例えば、<10nm)、大量のゲート電圧降下を招くことはなく、これらを通じて大量の漏れ電流が流れることができる。
【0018】
FEDRAMの動作原理は以下の通りである。強誘電体膜は、図2aに示すような初期分極を有し、ドレイン電流と呼ぶソース・ドレイン間電流はオフ(即ち、事実上0)であると仮定する。FE膜の分極は、Si導通チャネルにおける逆転層(inversion layer)の形成を妨げ、したがってソースおよびドレイン間に電流が流れるのを防止する。ドレイン電流がほぼ0であるので、これを「0」状態と定義するものとして示すことができる。
【0019】
十分な振幅および持続時間の正ゲート電圧パルスを印加すると、強誘電体膜の分極は、図2bに示すように、その極性を逆転させる。この分極は、十分に大きい場合、半導体表面に逆転層を誘発し、大量のドレイン電流が流れる。大量のドレイン電流が流れるので、これを「1」状態と呼ぶことができる。このように、正パルスをゲートに印加することによって、FEDRAMを状態「0」から状態「1」に切り替えさせた。同様に、負パルスをゲートに印加することによって、FEDRAMを状態「1」から状態「0」に切り替えることができる。
【0020】
各FEDRAMセルのメモリ内容は、0ゲート電圧時または別の所定のゲート電圧時におけるそのドレイン電流を読み出すことによって検知する。
先に示したように、図1aないし図1cに示すFEDRAM素子は、エンハンス・モード・トランジスタを基本とする。図3aないし図3cに示すように、デプリーション・モード・トランジスタを製作しても同じ目標を達成することができる。素子を形成する材料は、n型半導体であり、これをp型基板上または絶縁物上に形成する。動作原理は、前述と同様であるが、この素子は通常導通状態にあり、適切な電圧をゲートに印加することによってオフに切り替えられる。
【0021】
図1および図3に提示した3つの代替誘電体構造は、それぞれ利点および欠点がある。図1aおよび図3aの誘電体構造(即ち、d1=d2=0)では、プログラムするのに必要なゲート・パルスは最小で済むが、製造は最も困難である。何故なら、強誘電体膜堆積の間、半導体基板上に「自然」酸化物の形成を避けるのが非常に難しいからである。強誘電体膜および下地の半導体の間にバッファ層がないと、強誘電体膜および半導体内の元素間の相互拡散を防止するのが困難となり、FEDRAMの強誘電体特性またはトランジスタ特性(あるいは双方)の低下を招く虞れがある。
【0022】
図1bおよび図3bに示すゲート誘電体構造では、d1の材料は少なくとも以下の要件を満たせばよく、その広範囲の選択が可能となる。(i)d1は半導体および強誘電体間の相互拡散に対して優れたバリアでなければならない。(ii)d1は、下地の半導体と良好な電気界面を形成しなければならない。および(iii)d1はゲート電圧の一部分を過度に降下させない。しかしながら、図1aまたは図3aに示す構造と比較すると、図1bまたは図3bにおけるゲート誘電体構造は、d1間の電圧降下のために、プログラムに大きなゲート電圧パルスを必要とするが、プロセス自由度を高め生産性を向上させることができる。
同様に、図1cまたは図3cに示すゲート誘電体構造は、プログラムに更に大きなゲート電圧パルスを必要とするが、当然ながら保持時間は最も長くなる。
【0023】
実験結果
前述の素子の加工性を検証するためにいくつかの実験を行った。以下に結果を提示し論述する。
Si上に1組の強誘電体ゲート積層体を作成し、FEDRAMトランジスタの実現可能性を検査した。ゲート積層体検査構造を、FEDRAMゲートと呼ぶことにする。これは、n型Si基板上の超薄型(例えば、厚さ〜3nm)のシリコン酸窒化物層上に堆積された、強誘電体SrBi2Ta2O9(SBT)膜上に堆積されたAuゲート電極を含む。予め清浄化したSi基板上に、公知であり従来技術において記載されている噴射蒸着(JVD:jet−vapor deposition)手順によって、シリコン酸窒化物層を堆積した。例えば、
【0024】
M.Khareその他、1997 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers(1997年VLSI技術シンポジウム技術論文ダイジェスト)、p.51(1997);
【0025】
Xiewen Wangその他、”Highly Relaible Silicon Nitride Thin Films Made by Jet Vapor Deposition”(噴射蒸着によって形成した高信頼性窒化シリコン薄膜)、Jpn、J.Appl. Phys.Vol.34(1995)、pp.956〜958;
【0026】
T.P.Ma、”Making Sin Film a Viable Gate Dielectric”(SiN膜を実現可能なゲート誘電体にする)、IEEE Transactions on Electron Devices、Vol.45、No.3、p.680(1998);および
【0027】
”Method and Apparatus for the Deposition of Solid Films of a Material from a Jet Stream Entraining the Gaseous Phase of Said Material”(材料の気相の噴射流巻き込みによる当該材料の固体膜の堆積方法および装置)と題するSchmidt(シュミット)の米国特許第4,788,082号、
を参照のこと。これらのすべては参照により本明細書に援用する。
【0028】
次に、MOD(有機金属成長:metal organic deposition)溶液を用いたスピン・オン法によって、厚さ約200nmのSrBi2Ta2O9(SBT)膜を酸窒化物バッファ層の上面上に堆積し、続いて〜900℃で酸素中において1時間アニールした。続いて、Au蒸着によってゲート電極および背面コンタクト双方を形成した。400℃で酸素中においてポスト・ゲート・アニール(post−gate anneal)を行い、FEDRAMゲート・コンデンサの製作を完了した。
【0029】
図4は、今説明したプロセスによって形成したSBT膜のX線回折パターンを示し、材料が多結晶であることを示す。
図5は、FEDRAMゲート上で測定したP−E(分極−電界)ループを示し、比較的小さな残留分極(〜015μC/cm2)による不飽和P−E挙動を示す。
【0030】
図6は、代表的なFEDRAMのゲート・コンデンサのC−V(容量−電圧)曲線を示す。ヒステリシスは反時計方向であり、これはFE分極のスイッチングによるものと同一であるが、境界捕獲(border trap)(または遅い準位)によるものとは逆であることに注意されたい。移動イオンによる他の唯一の可能性は、次の2つの事実に基づいて除外してある。(1)移動イオンは正のフラットバンド電圧を生ずることはない。(2)高速電圧掃引(rapid voltage sweep)のように、移動イオンが追従できない程十分に高いランプ・レート(≧5V/s)において、同じヒステリシスが観察されている。
【0031】
最初に、かかる小さな残留分極がかかる大きなC−Vウインドウの原因となり得るのは、驚くべきことと思われるかもしれない。実際には、十分な残留分極があればよいので、2Prが下地の半導体をデプリーションから逆転に(またはその逆に)遷移させ得ることが分かる。この量は、約0.1μC/cm2と算出される。一旦この値を超過したなら、残留分極のメモリ・ウインドウに対する影響は小さくなり、このウインドウを決定する大きな要因は保磁界(coercive field)となる。
【0032】
FEDRAMゲート・コンデンサのスイッチング速度を調査するために、これに「単一ショット」電圧パルスを印加し、次いで0ゲート電圧時における容量を測定した。図7は、わずか8nsという短いパルス幅(これらの測定を行った時点で得られた最短パルス)でも、7Vのパルス高に対してスイッチングは基本的に完全であることを示す。
【0033】
図8は、疲労検査の結果を示す。V+は、正パルス後のフラットバンド電圧であり、V−は、負パルス後のフラットバンド電圧である。C−Vメモリ・ウインドウ(V+〜V−)は、1011サイクルのスイッチングの後でも、実際に不変のままであるが、恐らく誘電体における電荷捕獲のためにウインドウは徐々にドリフトしていることが分かる。
【0034】
また、I−V特性も測定し、図9に示すように、研究対象の電圧範囲(±7v)全域において、漏れ電流は10pA(即ち、1nA/cm2)を決して超過しないことがわかった。
【0035】
図10は、典型的なFEDRAMゲートの保持特性を示す。このデータは、短いパルスによってゲートをプログラムし57pFの容量値を得た後、徐々に減衰するが、5分後でもその初期値の50%以上を未だ保持していることを示す。かかる長い保持時間は、現在市販されている従来からのDRAMセルの典型的な保持時間が僅か1秒程度であることと対比すべきであろう。
【0036】
FEDRAM
図11は、2つの行の各々に2つのセルを有する、4つのメモリ・セル20(1〜4)のアレイを含む、FEDRAMの単純な例を示す。一般に、FEDRAMには、1行にn個のゲート、1列にm個のドレインがある。各セルはFEトランジスタを含む。FEDRAMは、選択したセルに記憶されている値を読み出すセンス・アンプ回路30、センス・アンプ回路30によって検知された値を各セルに書き戻すリフレッシュ回路32、およびリフレッシュ動作を制御する内部リフレッシュ・クロック回路34を含む。
【0037】
FEDRAMにおける各ワード・ラインは、同一行にある2つのゲートを接続し、各ビット・ラインは同じ列にある2つのドレインを接続し、各ソース・ラインは同じ列にある2つのソースを接続する。mxnマトリクスの場合、各ビット・ラインは各列にあるm個のドレインを接続し、各ソース・ラインは各列にあるm個のソースを接続し、各ワード・ラインは各行にあるn個のゲートを接続する。
【0038】
この論述のために、各メモリ・セルは、「1」を書き込むには、ゲートおよびソース/ドライン間に+Vppの電圧差を必要とし、「0」を書き込むには−Vppを必要とすると仮定する。更に、+1/2Vppまたは−1/2Vppのいずれも、セルに記憶されている状態に影響を与えないと仮定する。すると、選択したセル(例えば、セル1)に対して可能なプログラミング方式の1つは、次のようになる。セル1に「1」を書き込むには、ワード・ライン1A上に振幅1/2Vppの正電圧パルスを、ソース・ライン1Cおよびビット・ライン1B上に−1/2Vppを印加する。他の全てのワード・ライン、ビット・ライン、およびソース・ラインは、接地電位に維持する。「0」をセル1に書き込むには、ワード・ライン1A上に−1/2Vppの負電圧パルスを、ソース・ライン1Cおよびビット・ライン1B上に+1/2Vppを印加する。他の全てのワード・ライン、ビット・ラインおよびソース・ラインは、接地電位に維持する。
【0039】
選択したメモリ・セル(この場合もセル1を引用する)に記憶されているデータを読み出すには、ソース・ライン1Cを接地し、ビット・ライン1Bを一時的に+1/2Vppまで充電し、ワード・ライン1Aに読み出し電圧Vrを与える。この電圧は、「1」を記憶しているメモリ・トランジスタをオンにするには十分に高いが、「0」を記憶しているメモリ・トランジスタをオンにする程には高くない。この時点で、セル1が「1」を記憶している場合、対応するトランジスタがオンとなり、ビット・ライン1Bは接地に放電する。一方、セル1が「0」を記憶している場合、ビット・ライン1B上の電位は、センス・アンプおよびリフレッシュ回路が検知するのに十分な間ほぼ+1/2Vppに留まる。これについては、以下で説明する。
【0040】
読み出し動作は、状態がコンデンサに記憶されている従来のDRAMの場合と同様、FEDRAM内に記憶されている状態を乱さないことを注記しておく。
FEDRAMトランジスタ内に記憶されているデータは時間と共に減衰するので、リフレッシュ回路32がセンス・アンプ30と協働して、周期的に記憶データをリフレッシュする。従来のDRAMにおいてこの機能を行うために、かかる回路が数多く開発されており、更にFEDRAMの場合にも総じて同じ機能性を得るために使用可能な多くの代替設計がある。リフレッシュ機能を行う回路を設計することは、十分当業者の能力範囲内のことである。一般に、リフレッシュ回路は、センス・アンプと協働して、FEDRAMトランジスタのソースおよびドレイン間の導電性を検知することによって、選択したセル内の記憶値をセンスしラッチする。次いで、リフレッシュ回路は、ソースおよびドレインに対して、適切なパルスをFEDRAMのゲートに印加することによって、この値をFEDRAMトランジスタに書き戻す。回路は、ワード・ライン、ソース・ラインおよびビット・ライン上に適切な信号シーケンスを印加し、アレイ内の各セル毎にこの動作を行う。
【0041】
前述の実施形態では、リフレッシュ機能は、内部リフレッシュ・クロックによって制御される。リフレッシュ動作のタイミングを管理するには、少なくとも2つの代替方法がある。一方の方法は、所定の時間期間経過後に全てのセルを自動的にリフレッシュするというものである。所定時間期間は、記憶データが減衰し過ぎて記憶値の読み出しの際にエラーが発生することがないように、十分に短く選択する。あるいは、センス・アンプが周期的に個々のセルに記憶されているデータの状態を監視し、あるスレシホルド・レベルまで減衰した場合に、FEDRAMがそのセルに対して(またはその時点で全てのセルに対して)リフレッシュ機能を呼び出すことも可能である。
【0042】
センス・アンプ/リフレッシュ回路を構成することが可能な多くの方法が、当業者には公知である。その動作の基本的な原理について、以下にあげる2つの簡単な例によって示す。
【0043】
図12において、データを検知するためおよびリフレッシュに用いる電圧を発生するための双方に比較器を利用する。この比較器は、反転入力電圧が基準電圧Vref未満の場合に+1/2Vppを出力し、反転入力電圧が基準電圧Vrefを超過する場合−1/2Vppを出力する。Vrefを+1/2Vppおよび0の間のいずれかの電圧、例えば、+3/4Vppに選択する。この場合、読み出し電圧Vrがワード・ライン1Aに印加されているときにセル1が「1」を記憶している場合、ビット・ライン1B上の電位はほぼ0まで引き下げられ、したがってセンス・アンプからの出力は+1/2Vpp、即ち、「高」となる。一方、セル1が「0」を記憶している場合、ビット・ライン1B上の電位はほぼ+1/2Vppに留まり、センス・アンプからの出力は−1/2Vpp、即ち、「低」となる。前述のプログラミング手順を用いることによって、比較器の出力電圧をフィードバックしセル1をリフレッシュすることも可能である点を注記しておく。
【0044】
センス・アンプ回路の別の例を図13に示す。ここでは、CMOS反転器を用いる。この場合も、図11におけるセル1が選択され、Vrをワード・ライン1Aに印加すると仮定する。セル1が「1」を記憶している場合、ビット・ライン1Bは前述のように「低」となり、図13のCMOS反転器の出力は「高」(「1」に対応する)となる。一方、セル1が「0」を記憶している場合、ビット・ライン1Bは「高」となり、CMOS反転器の出力は「低」(「0」に対応する)となる。CMOS反転器の出力をフィードバックしセル1をリフレッシュすることも可能である点を注記しておく。
【0045】
プログラム障害、読み出し障害、またはリフレッシュ障害に起因して生ずる可能性がある問題を軽減するために、図14に示すように、選択トランジスタ40(またはアクセス・トランジスタ)を各セルに追加することも可能である。選択トランジスタは、強誘電体膜のない普通のMOSFETとすることができる。対応するワード・ライン上に適切な電圧を印加することによって、選択トランジスタを「オン」または「オフ」とし、その「オン」および「オフ」が、ビット・ラインの選択したFEメモリ・トランジスタ50のゲートに対する接続および切断を行うように機能する。プログラミング動作は、次の通りである。まず、対応する選択トランジスタをオンにして、ビット・ラインを強誘電体ゲートに接続することによって、ある特定のセルを選択する。ビット・ラインが「高」の場合、「1」が記憶トランジスタに書き込まれ、一方ビット・ラインが「低」の場合、「0」が書き込まれる。ある意味では、この構成は、記憶コンデンサがFEトランジスタに置き換えられたことを除いて、従来のDRAMセルの構成に非常に似通っている。図13および図14に示したセンス・アンプ方式は、適正に変更すれば、当然この場合にも同様に適用可能である。
【0046】
選択トランジスタを挿入するための別の構成を図15に示す。この場合、選択トランジスタ60は、いくつかのEEPROMアレイに採用されているように、メモリ・トランジスタ62の電流路を接続または切断するように機能する。
【0047】
図11に示したアレイ(または、選択トランジスタを追加したその対応物)は、「NOR」アーキテクチャとして知られている。また、図16に示すように、メモリ・セルを所謂「NAND」アレイに配列することも可能である。図16には1列のみを示すが、上側にドレイン選択トランジスタを示し、下側にソース選択トランジスタ72を示す。メモリ・セルは、それらのソースおよびドレインが直列に接続されている。プログラミングおよび読み出し動作は、NAND EEPROMセルにおいて用いられるのと同様であり、当業者はどのようにそれを行うのか知っていて当然である。図3および図4に示したセンス・アンプの例も、この場合に適用可能である。
【0048】
本発明は、前述の代替的な手法および具体的に述べなかったその他の手法も全て包含することを意図する。前述の実施形態およびその他の実施形態は請求の範囲内に該当するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1a】 強誘電体膜をゲート誘電体として含むのエンハンス・モードMOS素子であり、ゲート誘電体を強誘電体(FE)膜としたFEDRAMセルの概略断面図を示す。
【図1b】 強誘電体膜をゲート誘電体として含むのエンハンス・モードMOS素子であり、ゲート誘電体が超薄型バッファ誘電体層d1上に強誘電体(FE)膜を含む、FEDRAMセルの概略断面図を示す。
【図1c】 強誘電体膜をゲート誘電体として含むのエンハンス・モードMOS素子であり、ゲート誘電体が2つの超薄型バッファ誘電体層d1およびd2間に狭持されたに強誘電体(FE)膜を含む、FEDRAMセルの概略断面図を示す。
【図2a】 FEDRAMセルの0状態を示す。
【図2b】 FEDRAMセルの「1」状態を示す。
【図3a】 図1a示したエンハンス・モード素子の対応物であるデプリーション・モードMOS素子を示す。
【図3b】 図1bに示したエンハンス・モード素子の対応物であるデプリーション・モードMOS素子を示す。
【図3c】 図1cに示したエンハンス・モード素子の対応物であるデプリーション・モードMOS素子を示す。
【図4】 窒化物/Si基板上のSBTのXRDパターンである。
【図5】 FEDRAMゲート・コンデンサ上で測定したP−Eループである。
【図6】 ヒステリシスを示すFEDRAMゲート・コンデンサのC−V曲線である。
【図7】 種々のパルス幅の電圧パルス印加後におけるFEDRAMゲート・コンデンサの0バイアス容量を示す。
【図8】 サイクル数の関数として、フラットバンド付近で測定したC−Vメモリ・ウインドウを示す。
【図9】 FEDRAMゲート・コンデンサ上で測定したI−V特性を示す。
【図10】 FEDRAMゲート・コンデンサの保持特性を示す。
【図11】 4メモリ・セルを含む、簡略化したFEDRAM回路である。
【図12】 単純なセンス・アンプおよびリフレッシュ電圧発生回路である。
【図13】 CMOSインバータ・センス・アンプ回路である。
【図14】 選択トランジスタを有するメモリ・セルの回路図である。
【図15】 選択トランジスタを用いた、別のメモリ・セル設計である。
【図16】 FEDRAMを採用したNANDメモリ・アレイの2つのセル列である。
Claims (10)
- メモリであって、
各々強誘電体電界効果トランジスタ(FET)をそのメモリ・エレメントとして含む、メモリ・セルのアレイと、
前記メモリ・セルのアレイに接続され、前記強誘電体トランジスタのソース・ドレイン間の導電性を検知することによって、各セル内に記憶されているデータを読み出し、かつ前記記憶されているデータをリフレッシュするセンスおよびリフレッシュ回路と、
を備え、
前記センスおよびリフレッシュ回路は、前記メモリ・セルから選択された1つに記憶されているデータを周期的に検知し、前記選択したメモリ・セルにおいて検知したデータがスレシホルド値未満に減衰している場合、前記選択したメモリ・セルに記憶されているデータを自動的にリフレッシュするようにプログラムされているメモリ。 - 前記センスおよびリフレッシュ回路は、前記メモリ・セルのアレイに記憶されているデータを周期的にリフレッシュするようにプログラムされている請求項1記載のメモリ。
- 前記メモリ・セルのアレイにおける各メモリ・セルは、更に、当該メモリ・セル内の前記強誘電体FETに接続された選択トランジスタを備える請求項1記載のメモリ。
- 前記メモリ・セルのアレイ内の各メモリ・セルにおいて、前記選択トランジスタは、当該メモリ・セル内の強誘電体FETのゲートに接続されている請求項3記載のメモリ。
- 前記メモリ・セルのアレイ内の各メモリ・セルにおいて、前記選択トランジスタは、当該メモリ・セル内の強誘電体FETのソースおよびドレインの一方に接続されている請求項3記載のメモリ。
- 前記メモリ・セルのアレイ内の各メモリ・セルにおいて、前記強誘電体トランジスタは、強誘電体材料で作られたゲート誘電体を含む請求項1記載のメモリ。
- 前記メモリ・セルのアレイ内の各メモリ・セルにおいて、前記強誘電体トランジスタは、強誘電体材料層と誘電体材料層とから成るゲート誘電体積層体を含む請求項1記載のメモリ。
- 前記メモリ・セルのアレイ内の各メモリ・セルにおいて、前記誘電体材料層は、前記強誘電体材料と、前記強誘電体トランジスタ内のチャネル領域との間に位置する請求項7記載のメモリ。
- 前記メモリ・セルのアレイ内の各メモリ・セルにおいて、前記強誘電体トランジスタは、強誘電体材料層と、第1および第2誘電体材料層とから成るゲート誘電体積層体を含む請求項1記載のメモリ。
- 前記メモリ・セルのアレイ内の各メモリ・セルにおいて、前記強誘電体材料は、前記第1および第2誘電体材料層間に狭持されている請求項9記載のメモリ。
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