JP4187664B2 - 強誘電体抵抗器不揮発性メモリアレイ - Google Patents

強誘電体抵抗器不揮発性メモリアレイ Download PDF

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Description

本発明は、2000年4月11日に特許査定された米国特許第6,048,738号(題名「Method of Making Ferroelectric Memory Cell for VLSI RAM Array」)および2002年11月26日に出願された米国特許出願シリアル番号第10/305,551号(題名「Ferroelectric Resistor Non−volatile Memory」)に関連する。
本発明は、強誘電体抵抗器不揮発性メモリアレイに関する。より詳細には、非破壊読み取りを特徴とし、定電流メモリデバイスと同様に機能するメモリアレイに関する。
1トランジスタ1強誘電体キャパシタ(1T1C)メモリセルおよび単一トランジスタ強誘電系デバイスは、メモリ格納デバイスとして使用される。1T1Cメモリは不揮発性であるが、読み出し破壊性であり、すなわち、読み出し動作中に格納データが失われ、セルのリフレッシュが必要となる。単一トランジスタメモリにおける読み出し動作は非破壊性であるが、スタンバイ状態中に強誘電体キャパシタに比較的大きな場がかかるので、メモリ保持時間が著しく低減する。
非特許文献1は、PZT/Pt/TiN/Ti構造のドライエッチングを使用する強誘電体メモリセルの製造を記載する。
S.Onishi et al., A half−micron Ferroelectric Memory Cell Technology with Stacked Capacitor Structure,IEDM,paper 34.4,p.843,1994
強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイは基板上に形成される。アレイは、行および列のアレイ状に配置された複数のメモリセルを含む。各メモリセルは、1対の端子を有するFE抵抗器と、各抵抗器に関連するトランジスタでとを含む。各トランジスタはゲート、ドレインおよびソースを有し、各トランジスタの該ドレインは関連抵抗器の1端子に電気的に接続される。アレイはさらに、行において各トランジスタのゲートに接続されたワードラインと、列において各メモリセルに接続されたプログラミングラインと、列において各メモリセルに接続されたビットラインとを含む。1実施形態において、プログラミングラインはFE抵抗器の他の端子に接続され、ビットラインはトランジスタソースに接続されるが、別の実施形態において、プログラミングラインはトランジスタソースに接続され、ビットラインはFE抵抗器の他の端子に接続される。後者の実施形態において、プログラミングラインはブロック消去ラインとしての機能に適切である。
本発明の目的は、埋め込み型およびスタンドアローン型大規模不揮発性メモリに適切な非破壊読み出し長保持時間強誘電体メモリ抵抗器を提供することである。
本発明の別の目的は、定電流アレイと同様に機能するメモリアレイを提供することである。
本発明の要旨および目的は、本発明の性質をすばやく理解するために提供される。本発明のより完全な理解は、以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明を図面を伴って参照することによって得られ得る。
本発明による強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイは、基板上に形成された強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイであって、行および列のアレイ状に配置された複数のメモリセルであって、各メモリセルは、1対の端子を有するFE抵抗器と、各抵抗器に関連するトランジスタであって、各トランジスタはゲート、ドレインおよびソースを有し、各トランジスタの該ドレインは該FE抵抗器の1端子に電気的に接続される、トランジスタとを含む、複数のメモリセルと、行において各トランジスタの該ゲートに接続されたワードラインと、列において各メモリセルに接続されたプログラミングラインと、列において各メモリセルに接続されたビットラインとを含み、該メモリセルはプログラミング電圧を使用してプログラミングされ、該FE抵抗器は、定電圧検出および定電流検出からなる検出の群から選択される検出によって、非破壊的に読み出され、該選択された検出が定電圧検出の場合、該FE抵抗器に流れる電流が高電流状態にあるか低電流状態にあるかが、検出され、該選択された検出が定電流検出の場合、該FE抵抗器に印加される電圧が高電圧状態にあるか低電圧状態にあるかが、検出され、これにより、上記目的が達成される。
前記FE抵抗器は、約ゼロボルト〜1+ボルトの電圧での定電流読み出しを提供するように構築および配置されてもよい。
前記FE抵抗器は、0.5V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置されてもよい。
前記FE抵抗器は、0.2V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置されてもよい。
前記FE抵抗器は、約2V〜5Vの範囲のプログラミング電圧を提供するように構築および配置されてもよい。
前記プログラミングラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続され、前記ビットラインは前記トランジスタソースに接続されてもよい。
前記プログラミングラインは前記トランジスタソースに接続され、前記ビットラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続されてもよい。
前記プログラミングラインはブロック消去ラインでよい。
本発明による強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイは、基板上に形成された強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイであって、行および列のアレイ状に配置された複数のメモリセルであって、各メモリセルは、1対の端子を有するFE抵抗器と、各抵抗器に関連するトランジスタであって、各トランジスタはゲート、ドレインおよびソースを有し、各トランジスタの該ドレインは該FE抵抗器の1端子に電気的に接続される、トランジスタとを含む、複数のメモリセルと、行において各トランジスタの該ゲートに接続されたワードラインと、列において各メモリセルに接続されたプログラミングラインと、列において各メモリセルに接続されたビットラインとを含み、該FE抵抗器は、約ゼロボルト〜1+ボルトの電圧での定電流読み出しを提供するように、かつ約2V〜5Vの範囲のプログラミング電圧を提供するように構築および配置され、該低電流読み出しの際、該FE抵抗器に印加される電圧が高電圧状態にあるか低電圧状態にあるかが、検出され、これにより、上記目的が達成される。
前記プログラミングラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続され、前記ビットラインは前記トランジスタソースに接続されてもよい。
前記プログラミングラインは前記トランジスタソースに接続され、前記ビットラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続されてもよい。
前記プログラミングラインはブロック消去ラインでよい。
前記FE抵抗器は、0.5V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置されてもよい。
前記FE抵抗器は、0.2V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置されてもよい。
本発明による強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイは、基板上に形成された強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイであって、行および列のアレイ状に配置された複数のメモリセルであって、各メモリセルは、1対の端子を有するFE抵抗器と、各抵抗器に関連するトランジスタであって、各トランジスタはゲート、ドレインおよびソースを有し、各トランジスタの該ドレインは該FE抵抗器の1端子に電気的に接続される、トランジスタとを含む、複数のメモリセルと、行において各トランジスタの該ゲートに接続されたワードラインと、列において各メモリセルに接続されたプログラミングラインと、列において各メモリセルに接続されたビットラインとを含み、該FE抵抗器は、約ゼロボルト〜1+ボルトの電圧での定電流読み出しを提供するように構築および配置され、該定電流読み出しの際、該FE抵抗器に印加される電圧が高電圧状態にあるか低電圧状態にあるかが、検出され、これにより、上記目的が達成される。
前記FE抵抗器は、約2V〜5Vの範囲のプログラミング電圧を提供するように構築および配置されてもよい。
前記プログラミングラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続され、前記ビットラインは前記トランジスタソースに接続されてもよい。
前記プログラミングラインは前記トランジスタソースに接続され、前記ビットラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続されてもよい。
前記メモリセルはプログラミング電圧を使用してプログラミングされ、前記FE抵抗器は、定電圧検出および定電流検出からなる検出の群から選択される検出によって、非破壊的に読み出されてもよい。
本発明の強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイによれば、メモリセルはプログラミング電圧を使用してプログラミングされ、強誘電体抵抗器メモリアレイは、定電圧検出および定電流検出からなる検出の群から選択される検出によって、非破壊的に読み出される。したがって、読み出し動作が非破壊性となり、さらにメモリ保持を長時間行うことができる。
RAMアプリケーションに適切な基本不揮発性非破壊性読み出しメモリ強誘電体メモリセルは、関連する特許および出願に開示される。本発明は、以前に開示のメモリセルを含む大規模RAM回路である。基本回路構造は、改変メモリ動作回路を有する1T1C強誘電体メモリと同様である。
基本セル構成を図1に、一般に参照符号10で示す。1T1Cセルの強誘電体キャパシタがメモリ抵抗器12に置き換えられ、「駆動ライン」が「プログラミングライン」14に置き換えられる。トランジスタ15はゲート、ソース、およびドレインを含み、他方メモリ抵抗器12は1対の端子を含み、そのうちの1つはトランジスタ15のドレインに接続される。ビットライン16およびワードライン18が提供される。本発明のアレイの実施形態において、ワードライン18はトランジスタ15のゲートに接続され、ビットライン16はトランジスタ15のソースに接続され、かつプログラミングライン14はメモリ抵抗器12のもう1つの端子に接続される。
プログラミングパルスおよびメモリ読み出しパルスを図2に示す。図2aは低電流状態を示す。図2bは高電流状態を示す。図2cは読み出し状態を示す。プログラミングパルスの振幅は、強誘電体薄膜分極に必要な電圧に依存して約2V〜5Vの間である。読み出しパルスは、図3および4に具体的に示すI−V特性を有するデバイスに対して、約10nA〜100nAの定電流パルスである。やはり、振幅およびパルス幅は、実際のメモリ抵抗器の性質(主に強誘電性)に依存する。定電流の振幅は、メモリレジスタにかかる電圧がデバイスの保磁電圧よりも低いように選択される。明確に規定された保磁電圧を示す強誘電体抵抗器は、デバイスが長いメモリ保持時間を有するために必要である。図5aおよび5bは、PGOおよびPZT薄膜抵抗器のヒステリシスループをそれぞれ示す。PGOヒステリシスループは、明確に規定された約1Vの保磁電圧を明示するが、PZTヒステリシスループに対する明確に規定された保磁電圧はない。
なお、ここで、図3は、PGO抵抗器のI−V特性を示している。図4は、本発明のメモリセルのデバイス電流の線形スケールを示す。
図6は、一般に参照符号30で示す本発明のアレイの16ビット等価回路を示す。ここで、W1〜W4はワードラインであり、B1〜B4はビットラインであり、およびP1〜P4はプログラミングラインである。T11〜T44およびFE11〜FE44はそれぞれビットトランジスタおよびビットメモリ抵抗器である。
(実施例)
本実施例のメモリ抵抗器は、例えば、約ゼロボルト〜1+ボルトの電圧での定電流読み出しを提供するように構築および配置される。
本実施例のメモリ抵抗器は、例えば、0.5V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置される。特に、本実施例のメモリ抵抗器は、0.2V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置されることが好ましい。
本実施例のメモリ抵抗器は、例えば、約2V〜5Vの範囲のプログラミング電圧を提供するように構築および配置される。
FE22を高電流状態に書き込みするために、すべてのビットおよびプログラミングラインをP2を除いて接地する。W2には、プログラミングパルス+Vが印加される。W2は、W2に接続されたすべてのトランジスタをONにする。P2には、プログラミングパルスが印加される。メモリ抵抗器の抵抗は非常に高いので、トランジスタT22における電圧降下は非常に小さい。メモリ抵抗器FE22にかかる電圧は、プログラミングパルスVの振幅にほぼ等しい。W2ラインに接続されたすべての他のトランジスタはONにされるが、それらのプログラミングラインおよびビットラインは接地電位であるので、それらは高電流状態を達成しない。B2に接続されたすべてのトランジスタ(T22を除く)のゲートは接地電位であるので、メモリ抵抗器FE22だけが分極される。すべての他のメモリ抵抗器のメモリ内容は変化しない。メモリアレイをブロック消去するために、すべてのBラインを接地しつつ、プログラミングパルス+VがすべてのPラインおよびWラインに印加される。これにより、すべてのメモリ抵抗器が高電流状態にプログラムされる。
FE22を低電流状態に書き込みするために、すべてのビットおよびプログラミングラインをB2を除いて接地する。W2には、プログラミングパルス+Vが印加される。W2は、W2に接続されたすべてのトランジスタをONにする。B2には、プログラミングパルス+Vが印加される。メモリ抵抗器の抵抗は非常に高いので、トランジスタT22における電圧降下は非常に小さい。メモリ抵抗器FE22にかかる電圧は、プログラミングパルス+Vの振幅にほぼ等しい。W2ラインに接続されたすべての他のトランジスタはONにされるが、関連するプログラミングラインおよびビットラインは接地電位であるので、残りのW2トランジスタは低電流状態には降下しない。B2に接続されたすべてのトランジスタ(T22を除く)のゲートは接地電位であるので、メモリ抵抗器FE22だけが分極される。すべての他のメモリ抵抗器のメモリ内容は変化しない。
上記プロセスは、アレイの任意のメモリビットをプログラムするために適用され得る。FE33のメモリ内容を読み出すために、すべてのワードライン、ビットライン、およびプログラムライン(W3およびB3を除く)は接地される。W3には、動作電圧VCCが印加される。B3には、約10μA〜100μAの間の定電流が印加される。ビットラインB3はまた、センス増幅器に接続され、メモリ抵抗器にかかる電圧を測定する。
ここでメモリ検出をより詳細に説明する。センス増幅器において検出された電圧は、メモリ抵抗器にかかる電圧およびビットトランジスタにかかる電圧の合計である。メモリ抵抗器にかかる電圧は強誘電体薄膜の保磁電圧未満であるので、検出電圧は1V未満である。ワードライン電圧は回路動作電圧VCCに等しい。したがって、ビットトランジスタは線形領域またはトリオード領域において動作する。
=K(V−VTH−V−1/2VTR)VTR (1)
ここで、Vはワードライン電圧であり、VTHはトランジスタのしきい値電圧であり、Vはトランジスタのソースにおける電圧であり、VTRはトランジスタにかかる電圧降下である。式(1)のVに関する微分は、以下を生成する。
dI/dV=K(V−VTH−V−VTR)dVTH/dV−KVTR=0 (2)
したがって、
dVTR/dV=VTR/(V−VTH−V−VTR)>0 (3)
式(3)は、Vが増加するにつれ、VTRが増加し、したがって、ビットトランジスタにかかる電圧はメモリ電圧ウィンドウを増大することを示す。
図7に示すように、アレイの一部の模式図を一般に参照符号50で示す。そのアレイの一部は、検出回路52、ビットラインデコーダ54、およびトランジスタT1を含む。ビットライン駆動電源は、デコーダ54のビットライン58の出力に直列に接続された簡単なMOST56、好ましくはpMOSTであり得る。プログラミングするには、T1のゲート電圧はVにバイアスされる。読み出し動作するには、T1のゲート電圧をバイアスして、約10μA〜100μAの所定の定電流を送る。低メモリ電圧は、高メモリ電圧状態が出力インバータのスイッチオン電圧より高くしながら、出力インバータのしきい値電圧よりも低くなるように選択される。メモリの出力は、さらなるセンス増幅器なしにセンスインバータをスイッチできる。アレイは、すべてのビットラインを同時に接地しながら、消去電圧をすべてのプログラミングラインおよびすべてのワードラインに印加してブロック消去され得る。
本発明のアレイは定電圧動作用に使用され得るが、真の定電圧アレイではない。定電圧動作用にアレイを使用するためには、ビットライン電圧を0.5V未満に設定し、読み出しエラーを防止する。ビット出力は、電流検出増幅器をプログラムラインに接続することによって測定される。
図6のアレイは、メモリ抵抗器を高電流状態に設定する場合には、図6のプログラミングラインが正電圧でバイアスされ、メモリ抵抗器がビットトランジスタのドレインに接続されるので、高速プログラミングを提供する。他方、メモリ抵抗器を低電流状態に設定する場合には、比較的より低速となる。なぜなら、+Vがビットラインに印加されるとメモリセルがソースホロワーとして動作し、その結果、低電流状態へのプログラミング速度がより低くなるからである。これは、メモリアレイが一度に1ビットの割合でプログラミングされる場合には動作速度に大きな影響を与えないが、総プログラミング時間はブロック消去動作に対しては非常により大きくあり得る。ブロック消去動作では、1ブロックのメモリが高電流状態に消去され、その後に個々のセルが低電流状態にプログラミングされる。ブロック消去動作において頻繁に使用されるアプリケーションに対して、高速ブロック消去を提供することが望ましい場合は、図8に示すメモリアレイ(一般に参照符号60)の実施形態が適切である。アレイ60において、トランジスタドレインは、メモリレジスタの1端子に接続され、ワードラインはやはり各セルにおいてトランジスタのゲートに接続されるが、ビットラインはFE抵抗器の他の端子に接続され、プログラミングライン62(本明細書中でブロック消去ラインとも称す)はアレイにおいてトランジスタのソースに接続される。
上記のように、強誘電体抵抗器不揮発性メモリアレイを開示した。そのさらなる変形および変更は特許請求項の範囲に規定されるような発明の範囲内でなされ得ることが理解される。
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明のメモリセルの模式図である。 本発明のメモリセルのプログラミング状態の図である。 PGO抵抗器のI−V特性を示す図である。 本発明のメモリセルのデバイス電流の線形スケールである。 (a)は、本発明のメモリセルにおいて使用されるPGOメモリ抵抗器のヒステリシスループを示す図である。(b)は、本発明のメモリセルにおいて使用されるPZTメモリ抵抗器のヒステリシスループを示す図である。 本発明のメモリアレイの模式図である。 図6のメモリアレイの一部の模式図である。 本発明のメモリアレイの別の実施形態の模式図である。
符号の説明
10 基本セル
12 メモリ抵抗器
14 プログラムライン
15 トランジスタ
16 ビットライン
18 ワードライン

Claims (19)

  1. 基板上に形成された強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイであって、
    行および列のアレイ状に配置された複数のメモリセルであって、各メモリセルは、
    1対の端子を有するFE抵抗器と、
    各抵抗器に関連するトランジスタであって、各トランジスタはゲート、ドレインおよびソースを有し、各トランジスタの該ドレインは該FE抵抗器の1端子に電気的に接続される、トランジスタと
    を含む、複数のメモリセルと、
    行において各トランジスタの該ゲートに接続されたワードラインと、
    列において各メモリセルに接続されたプログラミングラインと、
    列において各メモリセルに接続されたビットラインと
    を含み、
    該メモリセルはプログラミング電圧を使用してプログラミングされ、該FE抵抗器は、定電圧検出および定電流検出からなる検出の群から選択される検出によって、非破壊的に読み出され、
    該選択された検出が定電圧検出の場合、該FE抵抗器に流れる電流が高電流状態にあるか低電流状態にあるかが、検出され、
    該選択された検出が定電流検出の場合、該FE抵抗器に印加される電圧が高電圧状態にあるか低電圧状態にあるかが、検出される、
    強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイ。
  2. 前記FE抵抗器は、約ゼロボルト〜1+ボルトの電圧での定電流読み出しを提供するように構築および配置される、請求項1に記載のアレイ。
  3. 前記FE抵抗器は、0.5V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置される、請求項1に記載のアレイ。
  4. 前記FE抵抗器は、0.2V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置される、請求項3に記載のアレイ。
  5. 前記FE抵抗器は、約2V〜5Vの範囲のプログラミング電圧を提供するように構築および配置される、請求項3に記載のアレイ。
  6. 前記プログラミングラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続され、前記ビットラインは前記トランジスタソースに接続される、請求項1に記載のアレイ。
  7. 前記プログラミングラインは前記トランジスタソースに接続され、前記ビットラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続される、請求項1に記載のアレイ。
  8. 前記プログラミングラインはブロック消去ラインである、請求項7に記載のアレイ。
  9. 基板上に形成された強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイであって、
    行および列のアレイ状に配置された複数のメモリセルであって、各メモリセルは、
    1対の端子を有するFE抵抗器と、
    各抵抗器に関連するトランジスタであって、各トランジスタはゲート、ドレインおよびソースを有し、各トランジスタの該ドレインは該FE抵抗器の1端子に電気的に接続される、トランジスタと
    を含む、複数のメモリセルと、
    行において各トランジスタの該ゲートに接続されたワードラインと、
    列において各メモリセルに接続されたプログラミングラインと、
    列において各メモリセルに接続されたビットラインと
    を含み、
    該FE抵抗器は、約ゼロボルト〜1+ボルトの電圧での定電流読み出しを提供するように、かつ約2V〜5Vの範囲のプログラミング電圧を提供するように構築および配置され、
    該低電流読み出しの際、該FE抵抗器に印加される電圧が高電圧状態にあるか低電圧状態にあるかが、検出される、
    強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイ。
  10. 前記プログラミングラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続され、前記ビットラインは前記トランジスタソースに接続される、請求項9に記載のアレイ。
  11. 前記プログラミングラインは前記トランジスタソースに接続され、前記ビットラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続される、請求項9に記載のアレイ。
  12. 前記プログラミングラインはブロック消去ラインである、請求項11に記載のアレイ。
  13. 前記FE抵抗器は、0.5V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置される、請求項9に記載のアレイ。
  14. 前記FE抵抗器は、0.2V未満の電圧での定電圧読み出しを提供するように構築および配置される、請求項13に記載のアレイ。
  15. 基板上に形成された強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイであって、
    行および列のアレイ状に配置された複数のメモリセルであって、各メモリセルは、
    1対の端子を有するFE抵抗器と、
    各抵抗器に関連するトランジスタであって、各トランジスタはゲート、ドレインおよびソースを有し、各トランジスタの該ドレインは該FE抵抗器の1端子に電気的に接続される、トランジスタと
    を含む、複数のメモリセルと、
    行において各トランジスタの該ゲートに接続されたワードラインと、
    列において各メモリセルに接続されたプログラミングラインと、
    列において各メモリセルに接続されたビットラインと
    を含
    該FE抵抗器は、約ゼロボルト〜1+ボルトの電圧での定電流読み出しを提供するように構築および配置され、
    該定電流読み出しの際、該FE抵抗器に印加される電圧が高電圧状態にあるか低電圧状態にあるかが、検出される、
    強誘電体薄膜抵抗器メモリアレイ。
  16. 前記FE抵抗器は、約2V〜5Vの範囲のプログラミング電圧を提供するように構築および配置される、請求項15に記載のアレイ。
  17. 前記プログラミングラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続され、前記ビットラインは前記トランジスタソースに接続される、請求項15に記載のアレイ。
  18. 前記プログラミングラインは前記トランジスタソースに接続され、前記ビットラインは前記FE抵抗器の他の端子に接続される、請求項15に記載のアレイ。
  19. 前記メモリセルはプログラミング電圧を使用してプログラミングされ、前記FE抵抗器は、定電圧検出および定電流検出からなる検出の群から選択される検出によって、非破壊的に読み出される、請求項16に記載のアレイ。
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