JP4299913B2 - Semiconductor memory device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ギガビット以上の超大容量の記憶が可能な半導体記憶装置に係り、特に強誘電体薄膜からなる薄膜キャパシタを具備した不揮発性半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体記憶装置の集積密度が高くなり、ギガビット以上の超大容量の記憶容量が必要になってくると、メモリセルはますます小さくなるため、従来の酸化膜を用いた蓄積キャパシタでは、容量が不足するようになってきている。そこで、近年、強誘電体薄膜を蓄積キャパシタ等に用いた記憶装置(以下において、「強誘電体メモリ」という)の研究・開発が盛んに行なわれており、既に一部では実用化されている。強誘電体メモリは不揮発性であり、電源を落とした後もメモリに記憶された内容が失われず、しかも膜厚を充分に薄く形成できた場合には自発分極の反転が速く、DRAM並みに高速の書き込みや読み出しが可能であるなどの特徴を有する。
【0003】
現在、強誘電体薄膜の利用形態から大別して、以下に分類する第1および第2の2種類の強誘電体メモリが考えられている。
【0004】
第1の強誘電体メモリは、強誘電体薄膜を強誘電体キャパシタとして用いたものであり、金属/強誘電体/金属接合からなる強誘電体キャパシタの、分極反転時の電荷を読み出す方式である。その長所としては、強誘電体キャパシタを別作りにするので作成プロセスが比較的容易であること、スタンバイ時には強誘電体キャパシタの両電極間を等電位にしているので分極保持が容易であること、最小加工寸法をFとすると、DRAMと同様の一セル一トランジスタ(1T/1C)型セルで8F,NAND型のセルや、1T/1C並列接続のセル(Chain FRAM)では4Fという小さなメモリセル面積が可能であること、等が挙げられる。ここで、半導体記憶装置を構成しているパターンの最小ライン幅L、最小スペース幅Sとすると、最小加工寸法(2F)は両者の和(2F=L+S)に相当している。
【0005】
第2の強誘電体メモリは、強誘電体薄膜を強誘電体ゲートトランジスタとして用いたものである。これは、MOS−FETのゲート酸化膜の代わりに、強誘電体薄膜をゲート絶縁膜として使用する構造であり、「MFS(金属/強誘電体/半導体)−FET(Field Effect Transistor)」とも呼ばれている。この第2の強誘電体メモリは、強誘電体薄膜の分極電荷を補償するだけのキャリアが半導体表面に誘起されるため、キャパシタの分極方向によって反転層や蓄積層が形成され、トランジスタのスイッチング状態の保持が可能になる。
【0006】
このデバイスの特に優れている点は、分極電荷を直接読み出すのではなく、ゲインセルとして増幅して読み出せるところにある。したがって、記憶保持に分極電荷量の絶対値が必要ではなく、分極密度さえ保持できれば最小寸法fによるスケーリングが可能である。ここで、「最小寸法f」は、いわゆるフィーチュア・サイズ(Feature Size)fであり、一般に、L=S=fもしくは、L=f、S=1.5f等により与えられる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記の強誘電体薄膜を強誘電体キャパシタとして用いた第1の強誘電体メモリは、強誘電体キャパシタの残留分極量が、ある絶対量以上必要であり、最小寸法fによるスケーリングが困難な点が短所である。現状の強誘電体キャパシタを使用した読み出しは、キャパシタの反転電荷をビット線容量に導き、ビット線の電位差としてセンスを行なっている。微細化にともないキャパシタの面積や反転電荷量はFで縮小するのに対し、ビット線容量はほとんど減少することが困難であるため、スケーリングの限界が存在するという問題点があった。
【0008】
一方、上記のMFS−FETを用いた第2の強誘電体メモリにも以下のような第1ないし第3の短所がある。まず第1の短所は、Si上へ直接強誘電体薄膜を成膜するプロセスが困難な場合があることである。その理由は、酸化し易いSi(シリコン)の上に、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:PbZrXTi1-X3)、SBT(タンタル酸ストロンチウムビスマス:SrBi2Ta29)、BSTO(チタン酸バリウム・ストロンチウム:BaXSr1-XTiO3)などの酸化物強誘電体薄膜を直接形成しているため、良好な結晶性を維持しつつ成膜することは容易ではないからである。
【0009】
また、強誘電体薄膜を成膜する際には、シリコン(Si)との界面には多少なりともSiO2層が生成されるが、SiO2 層が数nm程度に薄くても、その誘電率が強誘電体薄膜に比較すれば遙かに小さいために、MSF−FETのゲート電極への印加電圧のかなりの部分がSiO2 層に食われてしまい、動作電圧が高くなるという問題も含んでいるからである。
【0010】
さらに、理想的なSi/SiO2 界面とは異なり、Si/強誘電体界面に存在する界面準位、あるいはSi中に拡散した強誘電体中の重金属の不純物準位などは、MFS−FETのチャネルのトラップとなり、キャリアの移動度を低下させると共に、MFS−FETの閾値電圧を界面準位密度、不純物準位密度に応じて変動させることも第1の短所の理由として考えられる。これらの問題点は、高集積化LSIとして非常に大きな課題となる。
【0011】
第2の短所として、強誘電体薄膜に加わる反電界の問題があ。すなわち、強誘電体の分極により生じた電荷とSi表面に誘起される電荷は理想的には等しいため、分極の方向により蓄積層および空乏層ないしは反転層が生成されることになるが、このときのSiの表面電位のシフト分が強誘電体薄膜に反電界として加わることになる。この反電界は分極を反転される方向に加わるため、MFS−FETの分極の安定的な保持に困難が生じる。
【0012】
第3の短所として、メモリ−セルサイズが大きくなることが挙げられる。MFS−FETからなるメモリ−セルをマトリックス状に配置し、半導体記憶装置を構成する場合、一つのメモリ−セルには、通常情報を保持するためのMFS−FETに加え、書き込み制御用トランジスタおよび読み出し制御用トランジスタが必要である。即ち、MFS−FETの場合は、一つのメモリ−セルは3つのトランジスタ(3T)で構成され、および18F2以上のセル面積になり、上記の第1の強誘電体薄膜を強誘電体キャパシタとして用いた強誘電体メモリセルよりもメモリ−セルサイズが大きくなる。
【0013】
上述してきたように、第1のメモリにおける強誘電体キャパシタ、あるいは第2のメモリにおけるMFS−FETのいずれを使用しても一長一短があり、小さなメモリセル構成、スケーリング可能、強誘電体分極の安定な保持、プロセスの容易さ、といった高集積半導体メモリに必要な項目をすべて満たすことはできない。
【0014】
上記問題点に鑑みて、本発明は小さなメモリセル構成が可能であり、さらに強誘電体分極の安定な保持が可能な強誘電体薄膜を使用した半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【0015】
また、上記の目的に加えて、MFS−FETの長所であるスケーリングが可能であるという特徴を併せ有すると共に、さらに高集積化が可能な強誘電体薄膜を使用した半導体記憶装置を提供することを他の目的としている。
【0016】
本発明は、製造プロセスが容易である強誘電体薄膜を使用した半導体記憶装置を提供することをさらに他の目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の基本構成に係る半導体記憶装置は、第1の電極と、この第1の電極に対向して配置された第2の電極と、これらの第1および第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも備える記憶用キャパシタと;この記憶用キャパシタの第1の電極に接続された第3の電極と、この第3の電極に対向して配置された第4の電極と、これらの第3および第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも備える参照用キャパシタと;記憶用キャパシタの第1の電極および参照用キャパシタの第3の電極に共に接続されたゲート電極を有する読み出し用トランジスタと;第1の電極、第3の電極、ゲート電極の3つの接続点であるストレージノードの電位を調整する制御用トランジスタと;を少なくとも具備するメモリセルを複数個マトリックス状に配置したことを特徴としている。すなわち、第1の基本構成に係る半導体記憶装置は、記憶用キャパシタ、参照用キャパシタおよび読み出し用トランジスタ、制御用トランジスタを少なくとも具備したメモリセルを、複数個マトリックス状に配置したでものである。
【0018】
本発明では、以下の説明において、記憶用キャパシタの第1の電極、参照用キャパシタの第3の電極、および読み出し用トランジスタのゲート電極のすべての接続点となるノードを「ストレージノード」と呼ぶ。本発明の第1の基本構成において、記憶用キャパシタと参照用キャパシタとの直列回路の両端に、外部電圧VAを加えたとき、このストレージノードの電位VGは、記憶用キャパシタと参照用キャパシタの分極−電圧曲線(P−V曲線)の交点で示される。強誘電体薄膜を有する記憶用キャパシタは、強誘電ヒステリシス曲線を持つので、読み出し動作前に、予め、“1”あるいは“0”の記憶に相当する分極状態にしておくことができる。この、予め設定した分極状態に応じて、記憶用キャパシタのP−V曲線が異なり、したがって、P−V曲線の交点で示されるVGは異なる2値をとることができる。この異なるVGにより読み出し用トランジスタをオン/オフ制御すれば読み出し信号線に“1”あるいは“0”の記憶状態に対応した信号を出力することができる。
【0019】
本発明の第1の基本構成においては、記憶用キャパシタの第1および第2の電極間に制御用トランジスタを接続することが好ましい。すなわち、記憶用キャパシタと並列に制御用トランジスタを設置することにより、ストレージノードのフローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができる。また、読み出し時には、まず記憶用キャパシタを制御用トランジスタで短絡し、参照用キャパシタのみに電圧を加えてプリチャージを行ない、次に制御用トランジスタを遮断状態にし、記憶用キャパシタの第1および第2の電極間に低電圧の逆電位を加えて、分極状態を反転するプリチャージ併用読み出し方式が可能になる。本発明では、以下の説明において、記憶用キャパシタと、この記憶用キャパシタに並列接続された制御用トランジスタからなるユニットを「記憶セル」と呼ぶ。
【0020】
また、本発明の第1の基本構成において、参照用キャパシタの第3および第4の電極間に制御用トランジスタを接続することが好ましい。参照用キャパシタと並列に制御用トランジスタを設置することにより、ストレージノードのフローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができる。また、書き込み時には参照用キャパシタの第3および第4の電極間を制御用トランジスタで短絡して(パスして)記憶用キャパシタのみに電圧を加えることにより、低電圧書き込みが可能になる。本発明では、以下の説明において、参照用キャパシタと、この参照用キャパシタに並列接続された制御用トランジスタからなるユニットを「参照セル」と呼ぶことにする。
【0021】
さらに、本発明の第1の基本構成において、記憶用キャパシタの第1および第2の電極間に接続された第1の制御用トランジスタと、参照用キャパシタの第3および第4の電極間に接続された第2の制御用トランジスタを具備することが好ましい。読み出し時には、まず第1の制御用トランジスタを導通状態とし、記憶用キャパシタを短絡し、第2の制御用トランジスタを遮断状態とし、参照用キャパシタのみに電圧を加えてプリチャージを行なう。一方、書き込み時には、第2の制御用トランジスタを導通状態とし、参照用キャパシタの第3および第4の電極間を第2の制御用トランジスタにより短絡させて(パスして)、第1の制御用トランジスタを遮断状態とし、記憶用キャパシタのみに電圧を加えることにより、低電圧書き込みが可能になる。また、第1および第2の制御用トランジスタを設置することにより、ストレージノードのフローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができる。
【0022】
本発明の第1の基本構成によれば、プロセスの容易さ、小さなメモリセル構成でかつスケーリング可能な高集積密度半導体記憶装置を提供することが可能になる。特に、微細化に対しては、記憶用キャパシタ、参照用キャパシタ、制御用トランジスタ(第1/第2の制御用トランジスタ)および読み出し用トランジスタのゲートキャパシタの全てが比例縮小するので、MFS−FETと同様に完全なスケーリングが可能になる。
【0023】
本発明の第2の基本構成は、第1の電極と、この第1の電極に対向して配置された第2の電極と、これらの第1および第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備した記憶用キャパシタと、第1および第2の電極間に接続された制御用トランジスタとからなる記憶セルが複数個直列接続された記憶セル列(記憶セルチェーン)と;この記憶セル列(記憶セルチェーン)の端部に位置する記憶用キャパシタの第1の電極に電気的に接合した第3の電極と、この第3の電極に対応して配置された第4の電極と、これら第3および第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備した参照用キャパシタと;第1および第3の電極に電気的に接合したゲート電極を有する読み出し用トランジスタと;を少なくとも具備したメモリセルブロックを複数個マトリックス状に配置したことを特徴としている。ここで、「電気的に結合した」とは直接的な接続以外に、短絡状態になった記憶用キャパシタや記憶セル列(記憶セルチェーン)等が間に存在する状態の回路構成を許容する意である。本発明の第2の基本構成における記憶セル列(記憶セルチェーン)をランダムにアクセスするためには、ブロック選択トランジスタを各記憶セル列に接続すればよい。
【0024】
本発明の第2の基本構成において記憶セル列がn個の記憶セルの直列接続からなるとすれば、このn個の記憶セル、ブロック選択トランジスタ、読み出しトランジスタ、および参照用キャパシタ等を含んだ1個のブロックの面積を考慮すれば、メモリセルユニットは最小4F2のサイズとなるので、メモリセル1個当りの寸法を(4+20/n)F2ないし(4+14/n)F2程度にすることが可能となり、高集積密度化が可能となる。さらに、本発明の第2の特徴によれば、製造プロセスが容易で、かつパターン寸法のスケーリングが可能な高集積密度半導体記憶装置を提供することができる。特に、微細化に対しては、記憶用キャパシタ、参照用キャパシタ、制御用トランジスタおよび読み出し用トランジスタのゲートキャパシタの全てが比例縮小するので、MFS−FETと同様の完全なスケーリングが可能になる。記憶セル列内の特定の記憶用キャパシタを選択するためには、他の記憶用キャパシタに並列接続されて制御用トランジスタを導通状態とし、対象とした特定の記憶用キャパシタに並列接続されている制御用トランジスタのみを遮断状態とすればよい。この場合、記憶セル列内の参照用キャパシタから遠い記憶用キャパシタを選択すると、参照用キャパシタと選択した記憶用キャパシタの間に存在する記憶セルの制御用トランジスタの寄生容量が、参照用キャパシタの容量に足し合わさるため、記憶情報の読み出し動作に影響する場合が考えられる。この場合には各位置の記憶セルの容量を、参照用キャパシタの容量と制御用トランジスタの寄生容量の和に対して、なるべく1:1に近くなるように調節することにより解決することができる。具体的には、参照用キャパシタに近い記憶セルの記憶用キャパシタの残留分極量より、参照用キャパシタより遠い場所の記憶セルの記憶用キャパシタの残留分極量を徐々に大きくすればよい。
【0025】
本発明の第2の基本構成において、記憶用キャパシタに並列接続されている制御用トランジスタを「第1の制御用トランジスタ」と呼ぶこととして、さらに参照用キャパシタの第3および第4の電極間に第2の制御用トランジスタを接続することが好ましい。参照用キャパシタと並列に第2の制御用トランジスタを設置した参照セルを構成することにより、ストレージノードのフローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができる。また、書き込み時には参照用キャパシタの第3および第4の電極間を第2の制御用トランジスタで短絡して(パスして)記憶用キャパシタのみに電圧を加えることにより、低電圧書き込みが可能になる。
【0026】
なお、本発明の第1および第2の基本構成に共通した事項であるが、参照用キャパシタに読み出し電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電荷量が、記憶用キャパシタに読み出し電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電荷量の、1/4以上4倍以内であることが好ましい。特に、記憶用強誘電体キャパシタと参照用キャパシタの実効的な容量をほぼ等しくすることで、強誘電体キャパシタの反転電圧をVCとすると、約2VGの動作電圧で強誘電体キャパシタを反転させることができる。またこれと共に、当初の強誘電体キャパシタの分極状態に応じて、ストレージノードにVG程度の電圧差異を発生させることができるので、ストレージノードの電位によって読み出しトランジスタを直接スイッチングすることが可能になる。
【0027】
さらに、本発明の第1および第2の基本構成のいずれにも同様であるが、参照用キャパシタの誘電体薄膜は常誘電体薄膜でも強誘電体薄膜であっても構わない。参照用キャパシタを強誘電体薄膜で構成すれば、記憶用キャパシタと参照用キャパシタを同一のプロセスで同時に作成可能になり、プロセスの簡略化と製造歩留まりの向上を図ることができ、非常に大きなメリットがある。
【0028】
本発明の第1および第2の基本構成に係る半導体記憶装置を既存のDRAMやFeRAMと比較すると以下のような長所が列挙できる。即ち、
(1)メモリセルユニットは最小4F2のサイズであり、
(2)蓄積電荷の絶対値が不要であり面積縮小に対するスケーリングが可能であり、
(3)スタンバイ時には強誘電体キャパシタを等電位に保持できるので安定であり、
(4)キャパシタのリークやトランジスタの接合リークに対して敏感でなく、このためセル分離も容易となり、
(5)ランダム・アクセスが可能となり、
(6)DRAMと同程度の動作速度を確保でき、
(7)クロスポイントのセルだけの読み出し/書き込み(R/W)であるため、低消費電力であり、
(8)読み出しがバスレベルであるため、ノイズに対して敏感でなくなり、
(9)ビット線モードのソフトエラーに対してもスケーリング則が当てはまり、ソフトエラーが問題とはならず、
(10)読み出しアンプをブロック内に有するために、ビット線毎のセンスアンプは不要である、
等が挙げられる。また、敢えて短所を挙げるなら、破壊読出しであるための強誘電体キャパシタの疲労劣化が懸念されるが、最近エピタキシャル成長したBSTO強誘電体キャパシタが開発され、この疲労劣化が問題はなくなっている。
【0029】
次に、本発明の第3の基本構成に係る半導体装置は、直列接続された複数の選択用MOSトランジスタと、これら選択用トランジスタの共通主電極毎に接続された蓄積電極に対向するプレート電極に挟まれた誘電体薄膜よりなる記憶用キャパシタとからなるNAND型記憶セル列と、前記記憶セル列の端部に位置する選択用トランジスタの主電極に電気的に結合した参照用キャパシタと、前記選択用トランジスタの主電極と参照用キャパシタの接続部に電気的に結合したゲート電極を有する読み出し用トランジスタとを少なくとも具備したメモリセルブロックを、複数個マトリックス状に配置したことを特徴とする。
【0030】
この第3の基本構成の主眼は、誘電体キャパシタを使用したNAND型の記憶セル列と、参照用キャパシタを直列に接続し、両者の接続点であるストレージノードの電位を読み出し用トランジスタのゲート電極に加えることにより記憶セルブロック毎の読み出しを行なうところにある。すなわち、NANDセル列中のトランジスタにより選択された1個の記憶用キャパシタと参照用キャパシタとの直列回路の両端に、外部電圧VAを加えたときに、このストレージノードNの電位VGは、記憶用キャパシタと参照用キャパシタの分極−電圧曲線(P−V曲線)の交点で示される。
【0031】
第3基本構成において、強誘電体薄膜を有する記憶用キャパシタは、強誘電ヒステリシス曲線を持つので、読み出し動作前に予め“1”あるいは“0”の記憶に相当する分極状態にしておくことができる。この予め設定した分極状態に応じて記憶用キャパシタのP−V曲線が異なり、従ってP−V曲線の交点で示されるVGは異なる2値をとることができる。この異なるVGにより読み出し用トランジスタをオン/オフ制御すれば読み出し信号線に“1”あるいは“0”の記憶状態に対応した信号を出力することができる。
【0032】
一方、常誘電体薄膜を有する記憶用キャパシタでは、“1”あるいは“0”の記憶に相当する電荷を記憶用キャパシタに蓄積して選択用トランジスタをオフにすることにより、リフレッシュサイクル内で記憶状態を保持することができる。読み出し時に選択用トランジスタをオンにして、記憶用キャパシタと参照用キャパシタを接続すれば、予め蓄積した記憶用キャパシタの電荷量に応じてストレージノードNの電圧VGは異なる2値をとることができる。この異なるVGにより読み出し用トランジスタをオン/オフ制御すれば読み出し信号線に“1”あるいは“0”の記憶状態に対応した信号を出力することができる。
【0033】
前述したようにNAND型メモリセルは、最小4F2の面積が可能であるが、従来の回路ではメモリセル内の誘電体キャパシタの蓄積電荷をビット線容量で読み出してセンスアンプで判定するため、ビット線容量に対して所定の割合の蓄積電荷容量が必要となり、このため微細化が困難であった。これに対して、本発明の第3の基本構成に係る半導体装置によれば、記憶用キャパシタの蓄積電荷を参照用キャパシタの容量で読み出し、ブロック内の読み出し用トランジスタで判定している。このため、記憶用キャパシタ、参照用キャパシタ、トランジスタのゲートキャパシタの全てを比例縮小することができるので、MFS−FETと同様に面積に対して完全なスケーリングが可能になり、ギガビットクラスにまで高集積化された半導体記憶装置を実現することができる。
【0034】
また、多数の記憶セルからなるNAND型メモリセルブロックに対して、1個の参照用キャパシタおよび1個の読み出し用トランジスタを付加すれば済むため全体としても4F2に近い小さなメモリセル面積が可能となる。
【0035】
本発明の第3の基本構成に係る半導体記憶装置を既存のDRAMやFeRAMと比較すると以下のような長所が列挙できる。即ち、
(1)メモリセルユニットは最小4F2のサイズであり、
(2)蓄積電荷の絶対値が不要であるため、面積縮小に対するスケーリングが可能となり、
(3)スタンバイ時には強誘電体キャパシタを等電位に保持できるので安定となり、
(4)強誘電体キャパシタを記憶用キャパシタに使用すれば、記憶保持がキャパシタのリークや、トランジスタの接合リークに対して敏感でなくなり、セル分離も容易となり、
(5)DRAMと同程度の動作速度を確保でき、
(6)ビット線への読み出しがバスレベルであるため、ノイズに対しても敏感でなくなり、
(7)ソフトエラーに対してもスケーリング則が当てはまり、不敏感となり、
(8)読み出しアンプをブロック内に有するために、ビット線毎のセンスアンプが不要となり、
(9)記憶用キャパシタの片方が共通にプレート電極に接続されているため、セル構造やプロセスが容易である、
等である。
【0036】
また、敢えて短所を挙げるなら、NAND構造であるために1ビット毎のランダムアクセスができず、ブロック単位のR/Wであることである。また、破壊読み出しであるため強誘電体キャパシタの疲労劣化が懸念されるが、最近エピタキシャル成長したBSTO強誘電体キャパシタが開発されており、第1および第2の基本構成に係る半導体記憶装置と同様に、このような疲労劣化の問題はかなり軽減されてきている。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体記憶装置の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。具体的な実施形態を説明する前に、図1ないし図15を用いて、本発明の基本的な動作をさらに詳細に説明する。
【0038】
図1に示す等価回路図において、半導体記憶装置は、第1の電極、この第1の電極に対向して配置された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備した記憶用キャパシタCMと、記憶用キャパシタCMの第1の電極に接続された第3の電極、この第3の電極に対向して配置された第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備した参照用キャパシタCREFと、記憶用キャパシタCMの第1の電極および参照用キャパシタCREFの第3の電極に接続されたゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADと、記憶用キャパシタCMの第1の電極と参照用キャパシタCREFの第3の電極との接続点にソースまたはドレインが接続された制御用トランジスタQと、を少なくとも具備したメモリセルである。
【0039】
図2(a)(b)は、図1に示した記憶用キャパシタCMと、常誘電体薄膜を用いた参照用キャパシタCREFとを直列に接続したセルのA−B端子間に、外部電圧を印加したときの記憶“1”の読み出し動作と、記憶“0”読み出し動作の動作線図を示す。ここで、図2(a)および(b)に示す分極−電圧曲線(P−V曲線)は、横軸に電圧(V)が、縦軸に誘電分極(P)が示される。記憶用キャパシタとしての強誘電体キャパシタCMの反転電圧をVC、外部印加電圧をVA、両キャパシタの接続点であるストレージノードNの電位をVGとする。強誘電体キャパシタCMのP−V曲線は、図2(a)(b)に示すような強誘電ヒステリシス曲線を有することになる。図2(a)は、強誘電体キャパシタCMが、読み出し動作前に予め、“1”の記憶に相当する分極状態にしてある場合で、図2(b)は、強誘電体キャパシタCMが、“0”の記憶に相当する分極状態にしてある場合を示す。常誘電体薄膜を用いた参照用キャパシタCREFは容量に相当する傾きを持つ直線で表される。
【0040】
セルのA−B端子間に外部電圧Vを加えたとき、ストレージノードNの電位VGは、記憶用キャパシタと参照用キャパシタのP−V曲線の交点で示される。図2(a)および図2(b)から分かるように、P−V曲線が異なるので、予め、“1”の記憶に相当する分極状態にしてある場合のストレージノードの電位VG 1と“0”の記憶に相当する分極状態にされている場合のストレージノードの電位VG 0とは異なる。
【0041】
記憶用キャパシタCMを反転させるための電圧VAは、参照用キャパシタCREFの容量が大きい(図2(a)および図2(b)でいうと傾きが大きい)ほど低くなるため、参照用キャパシタCREFの容量は大きい方が望ましい。一方、VAを加えたときにVGで読み出される電圧の記憶状態による差△VG=VG 1−VG 0は、逆に参照用キャパシタCREFの容量が小さいほど大きくなる。この点では参照用キャパシタの容量は小さい方が望ましい。したがって、反転電圧と読み出し電圧の双方を勘案すると、記憶用キャパシタCMと参照用キャパシタCREFの実質的な容量が同程度、すなわち記憶用キャパシタCMに反転電圧を加えたときに得られる反転分極電荷と、反転電圧と同じ電圧を参照用キャパシタCREFに加えたときに得られる電荷が、ほぼ同程度であることが望ましい。より広くは、実質的な容量の比は、1/4以上4倍以内程度が許容される。
【0042】
記憶用キャパシタCMと参照用キャパシタCREFの容量比が1:1のとき、VAはVGの2倍程度となり、また記憶状態によるVGの差△VGは、ほぼVCと同程度になる。したがって、反転電圧1Vの記憶用キャパシタCMを使用すれば、VAは2V程度となり、△VGとして1V程度の差異が得られることになる。
【0043】
次に、ストレージノードNには読み出し用トランジスタQREADのゲート電極を接続し、Vの差△Vによる記憶状態の判別を行なう。このときに読み出し用トランジスタQREADのゲート容量が記憶用キャパシタCMや参照用キャパシタCREFに並列に接続されることになるが、記憶用キャパシタCMとして残留分極が10μC/cm程度以上の通常の強誘電体キャパシタを使用すれば、同じ面積の読み出し用トランジスタQREADのゲート容量は1/10以下であるから、ストレージノードNの電位にほとんど変化を与えない。また、前述の例では、VGの差△VGとして1V程度得られるので、読み出し用トランジスタQREADとして用いるMOSトランジスタの閾値である700mV程度より大きくなり、直接、ゲート電圧によるMOSトランジスタQREADのオン/オフの制御による読み出しが可能になる。
【0044】
また、記憶用キャパシタCMの強誘電ヒステリシス曲線の角型比が良い場合は参照用キャパシタCREFに読み出された電荷を再利用することにより、読み出し動作に引き続き再書き込みをすることができる。すなわち、図3に示すように、読み出し電圧VRとは逆方向に適当な再書き込み電圧VWを加えることにより、記憶用キャパシタCMの分極を、ほぼ読み出し動作前の状態に戻すことができる。
【0045】
図3(a)は、強誘電体キャパシタCMが、読み出し動作前に予め“1”の記憶に相当する分極状態にしてあった場合を示し、図3(b)は、強誘電体キャパシタCMが、“0”の記憶に相当する分極状態にしてあった場合を示す。なお、図3(a)および図3(b)のような連続再書き込みを行なわない場合には、図7(a)に示すように、参照用キャパシタCREFに制御トランジスタを並列接続し、この制御トランジスタを導通状態(オン状態)にして、参照用キャパシタCREFを短絡し、直接記憶用キャパシタCMのみに電圧を加えて書き込みをすることができる。
【0046】
また、参照用キャパシタCREFを構成する誘電体薄膜は、図1に示すような常誘電体薄膜の場合に限られず、図4に示すような強誘電体薄膜であっても構わない。参照用キャパシタCREFとして強誘電体を使用し、図4に示す回路図においてA−B端子間に直接電圧を加えて記憶を読み出す方法についてまず説明する。参照用キャパシタとして強誘電体キャパシタを使用した場合には、読み出す前に参照用キャパシタを一方向に分極する必要がある。図4に示す回路図において、制御用トランジスタをオンにし、B−C端子間に負の電圧を加えて参照用キャパシタを一方向に分極させる。次に、制御用トランジスタをオフにし、A−B端子間に記憶用キャパシタと参照用キャパシタに直列に負の読み出し電圧VAを加える。
【0047】
図5(a)は、記憶用キャパシタCMが図中の“1”の状態に書き込まれた場合の、読み出し動作における動作線図を示す。端子Bに負の読み出し電圧VAを加えたときに、ストレージノードNの電位VGは、記憶用キャパシタのP−V曲線と、参照用キャパシタのP−V直線との交点で示され、そのときの電位はVG 1となる。記憶用キャパシタが反対方向に分極している場合、すなわち“0”の状態に書き込まれた場合の、読み出し動作における動作線図を図5(b)に示す。全く同様の解析から、ストレージノードの電位VG とが求まる。このように、記憶用キャパシタの反転電圧と参照用キャパシタの和にほぼ相当する読み出し電圧VAを加えることで、常誘電体薄膜を参照用キャパシタに使用したときと同様に、記憶状態によりストレージノードで充分な電圧の差VG 1−VG 0を得ることができる。
【0048】
次に、参照用キャパシタCREFとして強誘電体薄膜を使用した場合のプリチャージモードによる読み出しについて説明する。図4に示す回路図において、制御用トランジスタをオンにし、端子AおよびCを等電位に保ったまま端子Bに正の電圧Vpre を加えて参照用キャパシタを反転させるとともにプリチャージ動作を行なう。次に、制御用トランジスタをオフにし、プリチャージ電圧を0にして端子Bを端子AおよびCと等電位に戻す。このときの動作線図を図6(a)および図6(b)に示す。強誘電体キャパシタの場合は、分極反転後の誘電率は小さいので、プリチャージによって蓄える電荷は小さく、このプリチャージ電荷のみによって記憶用キャパシタを分極反転させることはできない。しかしながら、記憶用キャパシタの分極方向によりP−V曲線が異なるために、ストレージノードの電位差VG 1−VG 0を同様に得ることができる。この読み出し方法は、強誘電体キャパシタを使用しながら、強誘電体キャパシタを反転せずに読み出せるという利点も有する。
【0049】
なお、記憶用キャパシタCMとして、PZT系、SBT系(特に、ビスマス(Bi)を主成分とするSrBiTa9)、Baリッチ組成のエピタキシャルBSTO系の強誘電体薄膜からなる薄膜キャパシタを使用することが可能である。この内、特に安定性や膜厚などの点でエピタキシャルBSTO系のキャパシタが優れている。また、参照用キャパシタCREFとして、酸化シリコン(SiO2)、酸化タンタル(Ta5)、Srリッチ組成のBSTOを使用した常誘電体キャパシタや、上述の強誘電体キャパシタを使用することができる。
【0050】
図7(a)ないし図7(b)は、本発明の基本的な構成を説明するための回路図である。図7(a)は、参照用キャパシタCREFの第3および第4の電極間に制御用トランジスタを接続した場合の回路図である。参照用キャパシタCREFと並列に制御用トランジスタを設置することにより、ストレージノードNのフローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができる。また、書き込み時には参照用キャパシタCREFの第3および第4の電極間を制御用トランジスタで短絡して(パスして)記憶用キャパシタCMのみに電圧を加えることにより、低電圧書き込みが可能になる。
【0051】
また、図7(b)は、前述したように記憶用キャパシタCMの第1および第2の電極間に制御用トランジスタを接続した場合を示す。記憶用キャパシタCMと並列に制御用トランジスタを設置することにより、ストレージノードのフローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができる。また、読み出し時には、まず記憶用キャパシタCMを制御用トランジスタで短絡し、参照用キャパシタCREFのみに電圧を加えてプリチャージを行ない、次に制御用トランジスタを遮断状態にし、記憶用キャパシタCMの第1および第2の電極間に低電圧の逆電位を加えて、分極状態を反転するプリチャージ併用読み出し方式が可能になる。
【0052】
そして、図7(c)は、記憶用キャパシタCMの第1および第2の電極間に接続された第1の制御用トランジスタと、参照用キャパシタCREFの第3および第4の電極間に接続された第2の制御用トランジスタを具備した場合の回路図である。読み出し時には、まず第1の制御用トランジスタを導通状態とし、記憶用キャパシタCMを短絡し、第2の制御用トランジスタを遮断状態とし、参照用キャパシタCREFのみに電圧を加えてプリチャージを行なう。一方、書き込み時には、第2の制御用トランジスタを導通状態とし、参照用キャパシタCREFの第3および第4の電極間を第2の制御用トランジスタで短絡する(パスする)。そして、第1の制御用トランジスタを遮断状態とし、記憶用キャパシタCMのみに電圧を加えることにより、低電圧書き込みが可能になる。また、第1および第2の制御用トランジスタを設置することにより、ストレージノードNのフローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができる。
【0053】
図8(a)および図8(b)は、本発明の半導体記憶装置をより高集積化するための具体的な構成をそれぞれ示す回路図である。図8(a)に示される記憶装置は、第1の電極、この第1の電極に対向して配置された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備した複数の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…と、各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…のそれぞれの第1および第2の電極間に接続された制御用トランジスタQとからなる複数の記憶セルが直列接続された記憶セル列(記憶セルチェーン)と;この記憶セル列(記憶セルチェーン)の端部に位置する記憶用キャパシタCM0の第1の電極に電気的に結合した第3の電極、この第3の電極に対向して配置された第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備した参照用キャパシタCREFと;第1および第3の電極に電気的に結合したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADとを少なくとも具備したメモリセルブロックを示す。
【0054】
そして、本発明の半導体記憶装置は、このメモリセルブロックを複数個マトリックス状に配置している。記憶セル列がn個の記憶セルの直列接続からなるとすれば、記憶セル列(記憶セルチェーン)の他方の端部に位置する記憶用キャパシタCMn-1の第2の電極には、選択トランジスタ(ブロック選択トランジスタ)Qが接続されている。このn個の記憶セル、ブロック選択トランジスタQ、読み出しトランジスタQREAD、および参照用キャパシタCREF等を含んだ1個のブロックの面積を考慮すれば、メモリセルユニットは最小4F2のサイズとなるので、メモリセル1個当りの寸法を(4+20/n)F2ないし(4+14/n)F2程度にすることが可能となり、高集積密度化が可能となる。記憶セル列内の特定の記憶用キャパシタCMyを選択するためには、他の記憶用キャパシタに並列接続されている制御用トランジスタ(nMOSFET)のワード線WLをハイレベルとして導通状態とし、対象とした特定の記憶用キャパシタに並列接続されている制御用トランジスタ(nMOSFET)のワード線WLのみをローレベルとし、その制御用トランジスタ(nMOSFET)のみを遮断状態とすればよい。
【0055】
また、図8(b)に示すように、記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…に並列接続されている制御用トランジスタQを第1の制御用トランジスタとして、さらに参照用キャパシタCREFの第3および第4の電極間に第2の制御用トランジスタQC2を接続した場合を示す。参照用キャパシタCREFと並列に第2の制御用トランジスタQC2を設置することにより、ストレージノードNのフローティング/ショート状態を、読み書き時とスタンバイ時で迅速に切り替えて動作速度を速くすることができる。また、書き込み時には参照用キャパシタCREFの第3および第4の電極間を第2の制御用トランジスタQC2で短絡して(パスして)特定の記憶用キャパシタCMyのみに電圧を加えることにより、低電圧での書き込みが可能になる。
【0056】
図9(a)および図9(b)は、図8(a)および図8(b)の参照用キャパシタCREFをそれぞれ強誘電体薄膜で構成した場合の回路図である。すなわち、図9(b)は、参照用キャパシタCREFと並列に第2の制御用トランジスタQC2を設置して参照セルを構成した場合で、図9(a)は、参照用キャパシタCREFに対して並列に第2の制御用トランジスタQC2を有しない場合である。参照用キャパシタCREFを強誘電体薄膜で構成すれば、記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…と参照用キャパシタCREFとを同一のプロセスで同時に作成することが可能になり、プロセスの簡略化と製造歩留まりの向上が図られ、非常に大きなメリットがある。
【0057】
図10は、本発明の半導体記憶装置をより高集積化するための回路図であり、記憶用キャパシタとして強誘電体キャパシタを使用した例である。すなわち、直列接続された複数の選択用MOSトランジスタQM0−QMN(図中にはQM0−QM2のみ示す)と、これら選択用トランジスタの共通主電極毎に接続された蓄積電極と対向するプレート電極とに挟まれた強誘電体薄膜からなる記憶用キャパシタCM0−CMN(同様に、図中にはCM0−CM2のみ示す)とからなるNAND型記憶セル列と、前記記憶セル列の端部に位置する前記選択用トランジスタQM0の主電極に電気的に結合した参照用キャパシタCREFと、前記選択用トランジスタの主電極と参照用キャパシタの電極の接続部であるストレートノードNに電気的に結合したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADとを少なくとも具備したメモリセルブロックを有する。
【0058】
なお、本例においては、参照用キャパシタのストレージノードに接続した電極に対向して設置された他方の電極はプレート電極PEに接続され、ストレージノードNは、R/W制御用トランジスタQR/Wを介してビット線BLに接続されている。
【0059】
今、記憶セル列の第1番目のキャパシタCM0の読み出し動作を説明する。トランジスタQR/Wをオンにし、QM0およびQM1をオフにし、ビット線BLにより参照用キャパシタCREFにプリチャージ電圧VPを印加してプリチャージを行なう。次に、トランジスタQR/WをオフにしてトランジスタQM0をオンにし、読み出し動作を行なう。
【0060】
NAND型メモリセル列の第1番目のキャパシタCM0のメモリ内容を読み出した後は、同じシークエンスを繰り返すことによって、順にキャパシタCM1,CM2,…CMk,…CMNのメモリ内容を読み出すことができる。すなわち、キャパシタCMkのメモリ内容を読み出す場合は、トランジスタQR/WおよびQM0からQMk-1までをすべてオンにし、トランジタ、QMkをオフにし、ビット線BLにより参照用キャパシタCREFおよび記憶用キャパシタCM0からCMk-1にプリチャージ電圧VPを印加してプリチャージを行なう。次に、トランジスタQR/Wをオフにし、トランジスタQM0をオフにして読み出し動作を行なう。
【0061】
このときに、NAND型セル列の特性として、キャパシタCMkのメモリ内容を読み出す場合は、既に読み出された手順のCM0からCMk-1までのキャパシタの常誘電成分の容量が寄生容量として加わることが問題点としてあげられる。この寄生容量が多くなりすぎると読み出し動作に支障をきたすため、多数の記憶セルを有するNANDセル列を利用するためには、できるだけ寄生容量を減らす必要がある。すなわち、記憶用強誘電体キャパシタの角型比を上げて常誘電成分を減らすことが有効である。
【0062】
一方、書き込みにおいては、NAND型メモリセル列を持つメモリ共通に、ビット線から最も遠いキャパシタから順番に書き込んでいく。キャパシタCMkに書込みを行なう場合には、トランジスタQR/WおよびQM0からQMkまでをすべてオンに、QMk+1をオフにし、プレート電極に対してビット線BLにより書込み電圧VAを印加して、メモリ用強誘電体キャパシタに抗電圧以上の電圧を印加することにより書込みを行なう。
【0063】
本発明によれば、記憶セル列、参照用キャパシタおよび読み出し用トランジスタからなる基本回路構成に、さまざまな回路構成を付加することが可能である。図15(a)ないし図15(d)はその幾つかの例を示している。
【0064】
図15(a)に示す回路においては、
(1)参照用キャパシタCREFのストレージノードNと接続した電極と対向して設置された他方の電極のプレート電極PEに接続し、R/W制御用トランジスタQR/WをストレージノードNとビット線BLとの間に設置した。
【0065】
この回路においてはプリチャージによる読み出し動作のみが可能であるが、書き込み動作においては、記憶用キャパシタに対して書き込み電圧を直接印加することが可能になる。
【0066】
図15(b)に示す回路においては、
(2)参照用キャパシタCREFのストレージノードNと接続した電極と対向して設置された他方の電極を第2の駆動線DL(ドライブ線と呼んでも良いし、相補的なビット線BL−でも良い)に接続し、R/W制御用トランジスタQR/WをストレージノードNとビット線BLとの間に設置している。
【0067】
この回路においては、プリチャージ動作時において、プレート電極電位に対して相補的な電位をBLとDLの間に加えることが可能になるので、大電圧のプリチャージによる、動作電圧の低電圧化と動作速度の高速化が可能になる。また、書き込み動作においては、記憶用キャパシタに対して書き込み電圧を直接印加することが可能になる。
【0068】
図15(c)に示す回路においては、
(3)参照用キャパシタCREFのストレージノードNと接続した電極と対向して設置された他方の電極をビット線BLに接続し、R/W制御用トランジスタQR/Wを参照用キャパシタCREFと並列にストレージノードNとビット線BLとの間に設置している。
【0069】
この回路においては、読み出し電圧印加による読み出し動作のみが可能であるが、書き込み動作においては直接記憶用キャパシタへの書き込み電圧印加が可能になる。
【0070】
さらに、図15(d)に示す回路においては、
(4)参照用キャパシタCREFのストレージノードNと接続した電極と対向して設置された他方の電極をビット線BLに接続し、第1のR/W制御用トランジスタQR/W1を参照用キャパシタCREFと並列にストレージノードNとビット線BLとの間に設置すると共に、第2のR/W制御用トランジスタQR/W2をストレージノードNとプレート電極PEとの間に設置している。
【0071】
この回路においては、プレチャージを併用した読み出し動作が可能であり、さらに直接記憶用キャパシタへの書き込み電圧印加が可能になる。
【0072】
このように、基本的な構成に若干の素子を付加することにより、多様な読み出しおよび書込みモードに対応することが可能である。
【0073】
なお、図15(d)に示す回路において、参照用キャパシタCREFとして常誘電体キャパシタの代わりに強誘電体キャパシタを使用するようにしても良い。この場合、記憶セル列の第1番目のキャパシタCM0を例にとってその読み出し動作を説明する。トランジスタQR/W1をオフにQR/W2をオンにし、参照用の強誘電体キャパシタの抗電圧以上のプレチャージ電圧VPをプレート電極PEとビット線BLの間に印加して、参照用キャパシタを一方向に分極させる。次にビット線BLの電位をプレート電極PEと同電位に戻して、トランジスタQM0をオンにし、ビット線BLにより参照用キャパシタCREFおよび記憶用キャパシタCM0に直列に、プレート電極電位に対してプレチャージ電圧とは逆方向の読み出し電圧VAを印加して読み出し動作を行なう。このときのストレージノードNの動作線図は、常誘電体を使用した参照用キャパシタと基本的に類似の動作をすることが理解できる。予め記憶用キャパシタの“1”あるいは“0”の記憶に対応する分極状態に応じて、異なったストレージノードNの電圧VG 1ないしはVG 0が得られることが分かる。ストレージノードNにゲート電極を接続した読み出し用トランジスタQREADにより記憶状態の判別を行なう。
【0074】
書込みにおいては、トランジスタQR/W1をオンにすると共に、トランジスタQR/W をオフとし、トランジスタQM0をオンにして、ビット線BLにより記憶用キャパシタCM0に書込み電圧VAを直接印加して書込み動作を行なう。
【0075】
次に、記憶用キャパシタとして、図11(a)および図11(b)に示すように、強誘電ヒステリシスの中心が0Vからずれた非対称な強誘電キャパシタを使用する場合について説明する。このような非対称強誘電体キャパシタは、エピタキシャル強誘電体膜を使用した場合にしばしば観察される(例えば、K. Abe、S. Komatsu、N. Yanase、K. Sano and T. Kawakubo : ’Asymmetric Ferroelectricity and Anomalous Current Conduction in Heteroepitaxial BaTiO3 Thin Films’、Japan Journal of Applied Physics、Vol.36、Part 1、No.9B、pp.5846-53(1997))。
【0076】
非対称キャパシタにおいては、図11(a)に示すように、片方の分極状態が安定で、他方の分極状態は準安定であるため、不揮発性メモリとしては使用することができない。しかしながら、図11(b)に示すように、ヒステリシスの中心のずれに相当する電圧Vfを印加することにより、通常の強誘電体キャパシタと同様に、2方向の分極を安定に保持することができる。したがって、本発明の回路は、静的に記憶を保持するSRAM(Static Random Access Memory)としての利用が可能である。
【0077】
すなわち、記憶を保持するだけのスタンバイ時には、トランジスタQM0からQMNをすべてオンにして、ビット線などを通じてキャパシタCM0からCMNに常にヒステリシスの中心のずれに相当する電圧Vfを印加することによって安定に記憶を保持する。一方、読み出し・書込み時にはトランジスタQM0からQMNのすべてを一旦オフにし、上述した通常の強誘電体キャパシタを使用したときと同様のシークエンスにより読み出し・書込みを行なうことができる。なお、図11(a)および図11(b)に示したような、中心電圧が正にシフトした強誘電体キャパシタでは読み出し電圧を負電圧に、逆に中心電圧が負にシフトした強誘電体キャパシタでは読み出し電圧を正電圧にすることが回路動作上有利である。
【0078】
次に、記憶用キャパシタとして常誘電体キャパシタを使用した場合について説明する。図12は、図15(a)に示す回路において、記憶用キャパシタCMとして強誘電体キャパシタの代わりに、非線形の蓄積容量を持つ常誘電体キャパシタを使用した場合の回路例である。図12に示した回路において、記憶セル列の第1番目のキャパシタCM0を例にとり読み出し動作を説明する。トランジスタQR/Wをオンに、トランジスタQM0をオフにし、ビット線BLにより参照用キャパシタCREFにプリチャージ電圧VPを印加してプリチャージを行なう。次に、ビット線BLの電位をプレート電極PEと同電位に戻し、トランジスタQR/Wをオフにし、トランジスタQM0をオンにして読み出し動作を行なう。このときのストレージノードNの動作線図が図13(a)および図13(b)に示されているが、強誘電体を使用した記憶用キャパシタと基本的に類似の動作をすることが理解できる。予め記憶用キャパシタの“1”または“0”の記憶に対応する分極状態に応じて、異なったストレージノードNの電圧VG 1ないしVG 0が得られることが分かる。ストレージノードNにゲート電極を接続した読み出し用トランジスタQREADにより記憶状態の判別を行なう。
【0079】
NAND型メモリセル列の第1番目のキャパシタCM0のメモリ内容を読み出した後は、同じシークエンスを繰り返すことによって、順にキャパシタCM1,CM2,…CMk,…CMNのメモリ内容を読み出すことができる。すなわち、キャパシタCMkのメモリ内容を読み出す場合は、トランジスタQR/WおよびトラジスタQM0からQMk=1までをすべてオンにし、QMkをオフにし、ビット線BLにより参照用キャパシタCREFにプリチャージ電圧VPを印加してプリチャージを行なう。次にトランジスタQR/Wをオフにし、トランジスタQMkをオンにして読み出し動作を行なう。
【0080】
ただし、常誘電体キャパシタを使用したNAND型セル列の問題点として、キャパシタCMkのメモリ内容を読み出す場合は、既に読み出された手前のCM0からCMk-1までのキャパシタの容量が寄生容量として加わることがあげられる。この寄生容量が多くなりすぎると読み出し動作に支障をきたすため、多数の記憶セルを有するNANDセル列を利用するためには、できるだけ寄生容量を減らす必要がある。
【0081】
通常の酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を使用したキャパシタにおいては、バイアス電圧に拘わらず常に誘電率は一定であるため、NAND型セル列の各記憶用キャパシタをメモリセルとして使用したときの蓄積容量と、メモリセルの手前側の寄生キャパシタとして働いたときの寄生容量は同一である。したがって、すべての記憶用キャパシタと参照用キャパシタの容量とを同一に設定した場合、読み出し時の参照用キャパシタと寄生キャパシタを加えた総容量は、読み出す記憶用キャパシタの位置に比例して増加することになる。すなわち、k番目のキャパシタを読み出すときの読み出し側のキャパシタの総容量は、参照用キャパシタ容量のk倍になり、総容量の増加にほぼ反比例して読み出し電圧は減少するため、読み出し用トランジスタが動作しなくなる。
【0082】
この問題を軽減する1つの方法は、非線形な容量を持つ誘電体膜を使用することである。酸化シリコン膜や窒化シリコン膜は電子分極性であるために誘電率は一定であるが、ペロブスカイト型酸化物強誘電体のようなイオン分極性の誘電体は誘電率のバイアス電圧依存性があり、非線形な容量特性をもつキャパシタを作成することができる。図14にエピタキシャルBSTO常誘電体膜で測定された非線形性の大きな常誘電体キャパシタの大きな特性を示すが、±数Vのバイアス電圧を加えることで静電容量は急減し、数分の1以下になる。したがって、電荷を蓄積するときは、0V付近の容量が大きい領域を有効に使用し、寄生キャパシタとして作用するときには、プリチャージによりバイアス電圧を印加し、容量の小さいところを使用するという使い分けが可能となる。このような非線形容量キャパシタを使用することで、多くの常誘電体キャパシタメモリセルを含むNAND型メモリセル列の利用が可能になる。なお、動作電圧範囲内において、ピークの静電容量値が、最低の静電容量値の2倍以上であることが望ましい。
【0083】
書き込み動作においては、強誘電体のキャパシタと同様である。トランジスタQR/WおよびQM0からQMkをオンにして、ビット線BLにより記憶用キャパシタCMkに書き込み電圧Vを直接印加して書き込み動作を行なう。なお、前述したように、参照用キャパシタの誘電体膜は、常誘電体であっても強誘電体であっても構わない。強誘電体膜であっても読み出し動作の前にプリチャージにより予め一方向に分極をしておけば、常誘電体膜と同じように読み出し動作を行なうことができる。記憶用キャパシタが強誘電体キャパシタである場合は参照用キャパシタも強誘電体キャパシタに、記憶用キャパシタが常誘電体キャパシタの場合は参照用キャパシタも常誘電体キャパシタにすれば、記憶用キャパシタと参照用キャパシタを同一のプロセスで作成可能になり、プロセスの簡略化と製造歩留まりの向上を図ることができ、非常に大きなメリットがある。
【0084】
また、前述したように、NAND型記憶セル列において、参照用キャパシタから遠いメモリを選択すると、参照用キャパシタと選択された記憶用キャパシタの間に存在する記憶用キャパシタの常誘電成分が、読み出しモードに応じて、参照用キャパシタの容量に足し合わせられたり、あるいは選択された記憶用キャパシタの容量に足し合わされるため、記憶の読み出し動作に影響する場合が考えられる。この場合には、各位置の記憶用キャパシタの容量を読み出しモードに応じて、参照用キャパシタの容量と記憶用キャパシタの常誘電成分からなる寄生容量の和に対してなるべく1:1に近くなるように調節することにより解決することができる。具体的には、参照用キャパシタに近い記憶用キャパシタの残留分極量より、参照用キャパシタからより遠い記憶用キャパシタの残留分極量を、読み出しモードに応じて、徐々に大きくするかまたは徐々に小さくすることである。
【0085】
なお、記憶用の強誘電体キャパシタとして、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系、SBT(チタン酸ストロンチウム・ビスマス)系、エピタキシャルBSTO(チタン酸バリウム・ストリンチウム)系の強誘電体幕からなる薄膜キャパシタを使用することが可能であるが、特に安定性や膜厚などの点でエピタキシャルBSTO系のキャパシタが優れている。
【0086】
また、記憶用の常誘電体キャパシタとして、酸化シリコンや酸化タンタルなどの誘電膜を使用することも可能であるが、容量の絶対値や非線形性の大きさの点から考えると、エピタキシャルBSTO系の常誘電体キャパシタが特に優れている。また、参照用のキャパシタとして、酸化シリコン、酸化タンタル、BSTOを使用した常誘電体キャパシタや、上述の強誘電体キャパシタを使用することができる。
【0087】
以上で本発明の基本的事項は理解できたであろう。次に、図面を参照して、本発明の第1ないし第12の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間において互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0088】
(第1実施形態)
図16は、本発明の第1実施形態に係る半導体記憶装置の主要部分の回路構成を示す図である。図16に示すように、本発明の第1実施形態に係る半導体記憶装置は、直列接続された複数個の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15と、この記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタとからなる記憶セル列(記憶セルチェーン)と、この記憶セルチェーンの端部に位置する記憶用キャパシタCM15に接続した参照用キャパシタCREFと、記憶用キャパシタCM15と参照用キャパシタCREFとの接続点(接続ノード)に接続したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADと、記憶セルチェーンの他方の端部に位置する記憶用キャパシタCM0に接続された選択トランジスタ(ブロック選択トランジスタ)Qを少なくとも具備したメモリセルブロックを基本ユニットとして構成している。
【0089】
各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15は、それぞれ第1の電極、この第1の電極に対向して配置された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備している。また、参照用キャパシタCREFは、記憶用キャパシタCM15の第1の電極に電気的に結合した第3の電極、この第3の電極に対向して配置された第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備している。なお、図8(a)および図8(b)とは記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15の配列順が逆になっているが、単なる順番の問題にすぎないことに留意されたい。そして、本第1実施形態の半導体記憶装置は、このメモリセルブロックを複数個マトリックス状に配置しているが、図16ではそのうちブロック[A]として2つ、ブロック[B]として2つの計4つのみを示している。ブロック[A]の上段カラム(column)のブロック選択トランジスタQは、ビット線BL0に接続され、ブロック[A]の下段カラムのブロック選択トランジスタQはビット線BL1に接続されている。また、ブロック[B]上段カラムのブロック選択トランジスタQは、ビット線BL0に、下段カラムのブロック選択トランジスタQはビット線BL1に接続されている。
【0090】
ブロック[A]の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15が接続されている。同様にブロック[B]の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15が接続されている。ブロック[A]のブロック選択トランジスタQの各ゲート電極には、ブロック選択トランジスタのワード線BSが、ブロック[B]のブロック選択トランジスタQの各ゲート電極には、ブロック選択トランジスタのワード線BSが接続されている。ブロック[A]の参照用キャパシタCREFには、ゲート電極に参照用キャパシタ制御トランジスタQREFのワード線WRが接続された制御トランジスタQREFが、ブロック[B]の参照用キャパシタCREFには、ゲート電極に参照用キャパシタ制御トランジスタのワード線WRが接続された制御用トランジスタQREFが接続されている。
【0091】
各メモリセルブロックの読み出し用トランジスタQREADの一方の主電極には、読み出し用電源線VL,VLが、他方の主電極には読み出し出力線SL,SLが接続されている。この実施形態においては、読み出しトランジスタQREADに交互に接続される2組の読み出し出力線SLおよびSLが設けられている。さらに、ブロック[A]の参照用キャパシタ制御トランジスタとブロック[B]の参照用キャパシタ制御トランジスタとの接続点には、プレート線PLが接続されている。図16において、記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタ、読み出し用トランジスタQR EAD、ブロック選択トランジスタQ、および参照用キャパシタ制御トランジスタQREFは、nMOSFETで示されているが、pMOSFETで構成することも可能である。
【0092】
図17は周辺回路を含めた接続図を示している。ブロック[A]の各ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15は、ローデコーダA402に、ブロック[B]の各ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15はローデコーダB401に、各ビット線BL0,BL1,…はカラムデコーダ411に接続されている。
【0093】
図16および図17に示す構成において、ブロック[A]内のBLx(x=0,1)とWLy(y=0,1,2,…,15)の交点で指定される所望の記憶セルを選択するには、ワード線BSを“1(ハイレベル)”としてブロック選択トランジスタQをオンに、WLyのみを“0(ローレベル)”として、記憶用キャパシタCMyに接続された制御用トランジスタをオフにし、それ以外のWLを“1”にし、電位一定{例えば(1/2)VG}のプレート線PLに対して、BLxに電位を加えることで達成される。読み出し時には、参照用キャパシタ制御トランジスタのワード線WRをオフに、書き込み時にはワード線WRをオンにする。同様に、ブロック[B]内のBLx(x=0,1)とWLy(y=0,1,2,…,15)の交点で指定される所望の記憶セルを選択するには、ワード線BSを“1”としてブロック選択トランジスタQをオンに、WLyのみを“0”として、記憶用キャパシタCMyに接続された制御用トランジスタをオフに、それ以外のWLを“1”にし、電位一定{例えば(1/2)V}のプレート線PLに対して、BLxに電位を加えることで達成される。読み出し時には、参照用キャパシタ制御トランジスタのワード線WRを“0”に、書き込み時にはワード線WRを“1”にする。
【0094】
図18には、さらに「プリチャージ読み出し方式」を採用した場合の読み出し/書き込みシークエンスを示す。すなわち、プリチャージ読み出し方式においては、WLy,WLyを選択する前に参照用キャパシタCREFのキャパシタに逆電圧を加え、WLy,WLyを選択した後に正電圧を加えることにより、記憶用キャパシタCMyに2倍程度の電圧を実質的に加えて反転させるものである。
【0095】
図19(a)は、メモリセルブロックを示す平面図で、簡略化のために、図19(b)に示す断面図におけるA−A’線のレベルよりも下層のみを示す。図19(a)において、nソース/ドレイン領域21,22とポリシリコンゲート電極となるワード線BSとで、ブロック[B]のブロック選択トランジスタQが構成されている。ここで、「nソース/ドレイン領域」とは、MOSFETのソース領域もしくはドレイン領域の何れかの意である。通常、MOSFETのソース領域およびドレイン領域は、ゲート電極を中心にして対称に形成されているので、何れをMOSFETのソース領域と呼ぶか、MOSFETのドレイン領域と呼ぶかは、単なる呼び方の問題にすぎない。nソース/ドレイン領域21は、「ビット線接続部」として機能する。同様に、nソース/ドレイン領域22,23とポリシリコンゲート電極となるワード線WL0とで、ブロック[B]の記憶用キャパシタCM0に並列接続された制御用トランジスタが構成されている。さらに、nソース/ドレイン領域23,24とワード線WL1とで、記憶用キャパシタCM1に並列接続された制御用トランジスタが、nソース/ドレイン領域24,25とワード線WL2とで、記憶用キャパシタCM2に並列接続された制御用トランジスタが、…、nソース/ドレイン領域26(図示せず),27とワード線WL15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接続された制御用トランジスタが形成されている。nソース/ドレイン領域23,25,…,26には、各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15の第1の電極もしくは第2電極として機能する下部電極42,43,…,44が接続されている。またnソース/ドレイン領域31,32とポリシリコンゲート電極531、ないしは領域32,33とゲート電極532とで読み出し用トランジスタQREADが形成されている。nソース/ドレイン領域31は、列(ロー)方向に沿って形成されて読み出し出力線SLを兼ねており、nソース/ドレイン領域32も列(ロー)方向に形成されて読み出し用電源線VLを兼ねている。そして、nソース/ドレイン領域28,29とワード線WRとで、参照用キャパシタ制御トランジスタが形成されている。nソース/ドレイン領域29は、「プレート線接続部」として機能し、プレート線PLが接続されている。このプレート線PLは、参照用キャパシタCREFの第4の電極として機能する下部電極45を兼ねている。主としてブロック[B]について説明するが、ブロック[A]もブロック[B]と同様の構成を備えている。
【0096】
図19(a)に示すように、ビット線接続部とプレート線接続部に挟まれた1個のブロック[A]又はブロック[B]内に、それぞれブロック選択トランジスタQ、n個の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15およびこれらに並列接続されたn個の制御用トランジスタ、読み出しトランジスタQREAD、参照用キャパシタCREF、および参照用キャパシタ制御トランジスタが含まれる。記憶セルの寸法は4F2,ブロックあたりのコンタクト部を含めた記憶セル以外の領域は28F2であるから、メモリセル1個当り(4+28/n)F2になる。第1の実施の形態では強誘電体キャパシタとして20μC/cmの残留分極を有するものを使用したため、16個の記憶セルを直列に接続しても安定に動作することが分かった。したがって、1個当たり5.8F2の寸法になった。
【0097】
図19(b)は図19(a)に示す平面図のB−B’方向に沿った断面図である。図19(b)に示すように、本発明の第1実施形態に係る半導体記憶装置は、半導体基板11上にpウェル12を形成し、このpウェル12の表面に、nソース/ドレイン領域21,22,23,…,30を設けている。そして、pウェル12の表面のゲート酸化膜の上に、ポリシリコンゲート電極となるワード線BS,WL0,WL1,WL2,…,WL15,WRおよびWRを有している。なお、図19(b)の断面図には、ポリシリコンゲート電極532の配線部の断面も露出している。図19(b)では、単層のポリシリコンゲート電極を示しているが、単層のポリシリコンゲート電極の代わりに、ポリシリコンゲート層とWゲート層等とからなる2層構造でもよい。Wゲート層の他にTi,Mo,Co等の高融点金属、あるいはWSi,TiSi,MoSi,CoSi等の高融点金属のシリサイドなどを用いても良い。
【0098】
ソース/ドレイン領域21,22とワード線BSとで、ブロック選択トランジスタQが構成されている。nソース/ドレイン領域22,23とワード線WL0とで、記憶用キャパシタCM0に並列接続された制御用トランジスタが構成されている。さらに、nソース/ドレイン領域23,24とワード線WL1とで、記憶用キャパシタCM1に並列接続された制御用トランジスタが、nソース/ドレイン領域24,25とワード線WL2とで、記憶用キャパシタCM2に並列接続された制御用トランジスタが、…、nソース/ドレイン領域26(図示せず),27とワード線WL15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接続された制御用トランジスタが形成されている。そして、nソース/ドレイン領域28,29とワード線WRとで、参照用キャパシタ制御トランジスタが形成されている。ワード線BS,WL0,WL1,WL2,…,WL15,WRおよびWRの上には酸化膜(SiO2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si3N4膜)等からなる第1の層間絶縁膜13が形成され、この第1の層間絶縁膜13の上に、各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3 ,…,CM15の第1の電極もしくは第2の電極として機能する下部電極42,43,…,および45が形成されている。さらに、第1の層間絶縁膜13の上には、プレート線PLを兼ねた、参照用キャパシタCREFの第4の電極として機能する下部電極45も形成されている。下部電極42,43,…,および45は、第1の層間絶縁膜13中に設けられたコンタクトホールを埋め込むように形成されたコンタクトプラグ73,75,80により、nソース/ドレイン領域23,25,…,29と接続している。これらのコンタクトプラグは、不純物の添加した多結晶シリコン(ドープドポリシリコン)、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよい。下部電極42は、記憶用キャパシタCM0の第1の電極および記憶用キャパシタCM1の第2の電極として機能する。下部電極43は、記憶用キャパシタCM2の第1の電極および記憶用キャパシタCM3の第2の電極として機能する。…下部電極44は、記憶用キャパシタCM14の第1の電極および記憶用キャパシタCM15の第2の電極として機能する。下部電極42,43,…,44,45は膜厚10nmの(Ti,Al)Nからなる下部バリア金属層と、膜厚20nmのSrRuO3からなる下部電極との2層構造で構成すればよい。そして、この下部電極42,43,…,44の上に、例えば、厚さ25nmのBaリッチ組成のBSTO薄膜等の強誘電体薄膜51,52,…,53を形成し、パターニングすればよい。また、参照用キャパシタCREFの下部電極45の上には、厚さ25nmのSrリッチ組成のBSTO薄膜等の常誘電体薄膜54を形成すればよい。なお、参照用キャパシタCREF用の常誘電体薄膜54としては、酸化シリコン(SiO2)、酸化タンタル(Ta5)等を用いても良く、強誘電体薄膜を使用することができる。強誘電体薄膜51,52,…,53、常誘電体薄膜54が形成されていない第1の層間絶縁膜13の上には、酸化膜(SiO2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(SI膜)等からなる第2の層間絶縁膜14が形成され、この第2の層間絶縁膜14の上には、上部電極61,62,…,63が形成されている。上部電極61は、記憶用キャパシタCM0の第2の電極として機能する。上部電極62は、記憶用キャパシタCM1の第1の電極および記憶用キャパシタCM2の第2の電極として機能する。…上部電極63は、記憶用キャパシタCM15の第1の電極および参照用キャパシタCREFの第3の電極として機能する。上部電極61,62,…,63は、厚さ20nmのSrRuO3膜からなる上部電極と、さらにこの上に形成された膜厚10nmの(Ti,Al)Nの上部バリア金属層の2層構造で形成すればよい上部電極61,62,…,63,64は、第1の層間絶縁膜13および第2の層間絶縁膜14を貫通して設けられたコンタクトホールを埋め込むように形成されたコンタクトプラグ72,74,77,79により、nソース/ドレイン領域22,24,…,27,28と接続されている。これらのコンタクトプラグ72,74,77,79は、ドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよい。さらに、上部電極63は、第1の層間絶縁膜13および第2の層間絶縁膜14を貫通して設けられたコンタクトプラグ78を介して、読み出し用トランジスタQREADのポリシリコンゲート電極の配線部532と接続している。ポリシリコンゲート電極の配線部532は、コンタクトプラグ78を設けるために、デバイス部のポリシリコンゲート電極より太くパターニングされている。上部電極61,62,…,63の上には、酸化膜(SiO2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si膜)等からなる第3の層間絶縁膜15が形成され、この第3の層間絶縁膜15の上には、ビット線16が形成されている。ビット線16とnソース/ドレイン領域21とは、第1ないし第3の層間絶縁膜13,14,15を貫通したビット線コンタクトプラグ71により互いに接続されている。ビット線コンタクトプラグ71は、ドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよい。図示を省略しているが、さらにビット線16の上には、酸化膜(SiO2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si膜)、あるいはポリイミド膜などのパッシベーション膜を形成することが好ましい。主としてブロック[B]について説明したが、ブロック[A]も同様の構成を有しており、このような回路構成により、非常に高集積化された不揮発性メモリの動作が確認できた。
【0099】
(第2実施形態)
図20は、本発明の第2実施形態に係る半導体記憶装置の主要部分の回路構成を示し、図21は図17と同様に周辺回路まで含めた主要構成を示す図である。この第2実施形態は、第1実施形態に示したプレート線を使用せず、隣接するビット線の間に動作電圧を印加する構造を備えている。
【0100】
図20に示すように、第2実施形態に係る半導体記憶装置は、直列接続された複数個の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15と、この記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタとからなる記憶セル列(記憶セルチェーン)と、この記憶セルチェーンの一方の端部に接続した「参照セルと選択トランジスタ(ブロック選択トランジスタ)Qとの直列回路」と、記憶セルチェーンの他方の端部に接続したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADとを具備したサブブロックを基本ユニットとして構成している。ここで、「参照セル」は、既に定義したように、参照用キャパシタCREFと参照用キャパシタ制御トランジスタとの並列回路からなる。記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15は、それぞれ第1の電極、この第1の電極に対向して配置された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備している。参照用キャパシタCREFは、第3の電極、この第3の電極に対向して配置された第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備している。上記「参照セルと選択トランジスタ(ブロック選択トランジスタ)Qとの直列回路」は、2通りの組み合わせがあり、参照用キャパシタCREFの第3の電極が記憶用キャパシタCM0の第1の電極に接続される場合と、ブロック選択トランジスタQが記憶用キャパシタCM0の第1の電極に接続される場合とがある。
【0101】
そして、この第2実施形態に係る半導体装置は、このメモリセルブロックを複数個マトリックス状に配置しているが、1個の読み出しトランジスタQREADを中心にして、右にサブブロック[A]、左にサブブロック[B]の2個のサブブロックに別れている。図20ではそのうちサブブロック[A]として2つ、サブブロック[B]として2つの計4つのみを示している。図20の1段目とカラムのサブブロック[A]、および2段目のカラムのサブブロック[B]は、参照用キャパシタCREFの第3の電極が記憶用キャパシタCM0の第1の電極に接続されている。一方、2段目のカラムのサブブロック[A]、および1段目のカラムのサブブロック[B]は、ブロック選択トランジスタQが記憶用キャパシタCM0の第1の電極に接続されている。1段目のカラムのサブブロック[B]の参照用キャパシタCREFの第4の電極はビット線BL0に接続されている。2段目のカラムのサブブロック[A]の参照用キャパシタCREFの第4の電極、および1段目のカラムのサブブロック[A]のブロック選択トランジスタQはビット線BL1に接続されている。さらに、2段目のカラムのサブブロック[B]の参照用キャパシタCREFの第4の電極は、ビット線BL2に接続されている。
【0102】
サブブロック[A]の1段目のカラムのブロック選択トランジスタQのゲート電極、および2段目のカラムの参照用キャパシタ制御トランジスタのゲート電極には、それぞれワード線WR0が接続されている。また、サブブロック[A]の1段目のカラムの参照用キャパシタ制御トランジスタのゲート電極、および2段目のカラムのブロック選択トランジスタQには、それぞれワード線WR1が接続されている。一方、サブブロック[B]の1段目のカラムの参照用キャパシタ制御トランジスタのゲート電極、および2段目のカラムのブロック選択トランジスタQには、それぞれワード線WR0が接続されている。そして、サブブロック[B]の1段目のカラムのブロック選択トランジスタQのゲート電極、および2段目のカラムの参照用キャパシタ制御トランジスタのゲート電極には、それぞれワード線WR1が接続されている。
【0103】
サブブロック[A]の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15が接続されている。同様にサブブロック[B]の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15が接続されている。サブブロック[A]とサブブロック[B]との中央に位置した読み出し用トランジスタQREADの一方の主電極には、読み出し用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLが接続されている。この実施形態においては、読み出し出力線SLを2組用意し、それぞれをカラム毎に交互に接続している。図20において、記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタ、読み出し用トランジスタQREAD、ブロック選択トランジスタQ、および参照用キャパシタ制御トランジスタは、nMOSFETで示されているが、pMOSFETで構成することも可能である。
【0104】
図22には、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示す。本発明の第2の実施の形態に係る半導体記憶内では、図20および図21に示した回路構成において隣接するビット数BLxおよびBLx+1の間に動作電圧を印加する構造をとる。このため、1本のワード線がカラム毎にブロック選択トランジスタQと参照用キャパシタ制御トランジスタを交互に駆動する構造になっている。
【0105】
一例として、サブブロック[A]のビット線とワード線WL1との交点に位置する2段目のカラムの記憶用キャパシタCM1を選択するときを考える。サブブロック[A]のワード線WR0およびWR1を、“1”として、2段目のカラムのサブブロック[A]の参照用キャパシタ制御トランジスタおよびブロック選択トランジスタQ、を導通状態(オン)とする。同時に、サブブロック[B]のワード線WR0を“1”とし、2段目のカラムのサブブロック[B]のブロック選択トランジスタQをオンとする。このときサブブロック[B]のワード線WR1のみは“0”とする。即ち、2段目のカラムのサブブロック[B]の参照用キャパシタ制御トランジスタのみを遮断状態(オフ)とし、この参照用キャパシタCREFを選択する。この状態は図8(a)に示した等価回路でブロック選択トランジスタQがオンの場合に相当する。次にWL1のみを“0”、それ以外のWLを“1”とし、2段目のカラムの記憶用キャパシタCM1を選択する。この状態は図1または図7(a)ないし図7(c)に示した等価回路で、記憶用キャパシタCMと並列に接続された制御用トランジスタがオフの場合に相当する。すなわち、第1の電極、第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備した記憶用キャパシタCMと、記憶用キャパシタCMの第1の電極に接続された第3の電極、この第3の電極に対向して配置された第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備した参照用キャパシタCREFと、記憶用キャパシタCMの第1の電極および参照用キャパシタCREFの第3の電極に接続されたゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADをとからなる等価回路が実現されたことになる。この状態で、ビット線BL1およびBL2間に読み出し/書き込み電圧を印加すればよい。すなわち、ビット線BL1を“1”とし、ビット線BL2を“0”とすれば、記憶用キャパシタCM1と参照用キャパシタCREF間に“1”の電圧を印加することができる。
【0106】
このとき、ビット線BL0−BL1間、およびビット線BL2−BL3間にも電圧が印加されるが、ワード線WR1が“0”であるので1段目と3段目のカラムのサブブロック[B]のブロック選択トランジスタQがオフ状態であり、1段目と3段目のカラムの記憶用キャパシタCM1には電圧が加わらない。即ち対象としているカラムの上下のカラムのブロック選択トランジスタQがオフとなるので、ビット線に印加した電圧はこれらの隣接するカラムのブロックには加わらない。
【0107】
また、サブブロック[B]の記憶セルを選択するときは、サブブロック[A]の参照用キャパシタを選択し、図1又は図7(a)ないし図7(c)に示した等価回路で、記憶用キャパシタCMと並列に接続された制御用トランジスタがオフの場合を実現することはもちろんである。
【0108】
本発明の第2実施形態に係る半導体記憶装置では、隣接する2本のビット線間に電圧を印加することができるので、実質的に±VCの電圧をセルに印加できるという利点がある。また、書き込み動作も参照用キャパシタCREFを介して行なう。その他は、ほぼ第1の実施の形態に係る半導体記憶装置と同様である。
【0109】
図23(a)は、メモリセルブロックを示す平面図で、簡略化のために、図23(b)におけるA−A’平面のレベルよりも下層のみを示す。図23(a)において、1段目のカラムのnソース/ドレイン領域281,21とワード線WR0とで、サブブロック[B]の参照用キャパシタ制御トランジスタが形成されている。nソース/ドレイン領域281は、ビット線BL0への接続部としても機能する。nソース/ドレイン領域21には、参照用キャパシタCREFの第4の電極として機能する下部電極66が接続されている。そして、nソース/ドレイン領域21,22とポリシリコンゲート電極となるワード線WL1とで、ブロック選択トランジスタQS1が構成されている。同様に、nソース/ドレイン領域22,23とポリシリコンゲート電極となるワード線WL0とで、記憶用キャパシタCM0に並列接続された制御用トランジスタが構成されている。さらに、nソース/ドレイン領域23,24とワード線WL1とで、記憶用キャパシタCM1に並列接続された制御用トランジスタが形成され、nソース/ドレイン領域26(図示せず),27とワード線WL15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接続された制御用トランジスタが形成されている。nソース/ドレイン領域23,25には、各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15の第1の電極もしくは第2電極として機能する下部電極42,43,…,44が接続されている。またnソース/ドレイン領域31,32とポリシリコンゲート電極531とで読み出し用トランジスタQREADが形成されている。nソース/ドレイン領域31,32は、ワード線に平行に形成されており、読み出し用電源線VLを兼ねている。2段目のカラムのブロック選択トランジスタQS0のnソース/ドレイン領域282と、3段目のカラムの参照用キャパシタ制御トランジスタのnソース/ドレイン領域283とは接続電極(図示せず)によって互いに接続されている。主としてブロック[B]について説明したが、ブロック[A]も同様の構成を有している。
【0110】
図23(a)に示すように、各カラムのサブブロック[A]又はサブブロック[B]内に、それぞれブロック選択トランジスタQ、n個の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15およびこれらに並列接続されたn個の制御用トランジスタ、読み出しトランジスタQREAD、参照用キャパシタCREF、および参照用キャパシタ制御トランジスタが含まれる。1個の記憶セルの寸法は4F2,サブブロックあたりのコンタクト部を含めた記憶セル以外の領域は16F2であるから、メモリセル1個当たり(4+16/n)F2になる。第2の実施の形態に係る半導体記憶装置では、強誘電体キャパシタとして20μC/cmの残留分極を有するものを使用したため、16個の記憶セルを直列に接続しても安定に動作することが分かった。したがって、1個当たり5.0F2の寸法になった。
【0111】
図23(b)は、図23(a)に示す平面図のB−B’方向に沿った断面図である。図23(b)に示すように、本発明の第2実施形態に係る半導体記憶装置は、半導体基板11上にpウェル12を形成し、このpウェル12の表面に、nソース/ドレイン領域281,21,22,23,…,27を設けている。そして、pウェル12の表面のゲート酸化膜の上に、ポリシリコンゲート電極となるワード線WR0,WR1,WL0,WL1,WL2,…,WL15を有している。なお、図23(b)の断面図には、読み出し用トランジスタQREADを構成するポリシリコンゲート電極531の配線部の断面も露出している。ここで、これらのポリシリコンゲート電極の代わりに、W,Ti,Mo,Co等の高融点金属、あるいはWSi,TiSi,MoSi,CoSi等の高融点金属のシリサイドなどを用いても良い。
【0112】
ソース/ドレイン領域281,21とワード線WR0とで、サブブロック[B]の参照用キャパシタ制御トランジスタが形成されている。また、nソース/ドレイン領域21,22とワード線WR1とで、ブロック選択トランジスタQS1が構成されている。nソース/ドレイン領域22,23とワード線WL0とで、記憶用キャパシタCM0に並列接続された制御用トランジスタが構成されている。さらに、nソース/ドレイン領域23,24とワード線WL1とで、記憶用キャパシタCM1に並列接続された制御用トランジスタが、nソース/ドレイン領域24,25とワード線WL2とで、記憶用キャパシタCM2に並列接続された制御用トランジスタが、…、nソース/ドレイン領域26(図示せず),27とワード線WL15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接続された制御用トランジスタが形成されている。またB−B’方向の断面上には露出しないnソース/ドレイン領域31,32とポリシリコンゲート電極531とで読み出し用トランジスタQREADが形成されている。ワード線WR0,WR1,WL0,WL1,WL2,…,WL15、ポリシリコンゲート電極531の上には酸化膜(SiO2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si膜)等からなる第1の層間絶縁膜13が形成され、この第1の層間絶縁膜13の上に、参照用キャパシタCREFの第4の電極として機能する下部電極66、および各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15の第1の電極もしくは第2の電極として機能する下部電極42,43,…,44が形成されている。下部電極66,42,43,…,44は、第1の層間絶縁膜13中に設けられたコンタクトホールを埋め込むように形成されたコンタクトプラグ83,73,75により、nソース/ドレイン領域21,23,25と接続している。これらのコンタクトプラグは、ドープポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよい。下部電極66は参照用キャパシタCREFの第3の電極として機能し、下部電極42は記憶用キャパシタCM0の第2の電極および記憶用キャパシタCM1の第1の電極として機能する。下部電極43は、記憶用キャパシタCM2の第2の電極および記憶用キャパシタCM3の第1の電極として機能する。下部電極44は、記憶用キャパシタCM14の第2の電極および記憶用キャパシタCM15の第1の電極として機能する。そして、この下部電極42,43,…,44の上に、Baリッチ組成のBSTO薄膜等の強誘電体薄膜51,52,…,53を形成し、パターニングすればよい。また、参照用キャパシタCREFの下部電極66の上には、常誘電体薄膜55を形成すればよい。なお、参照用キャパシタCREFの常誘電体薄膜55を形成すればよい。なお、参照用キャパシタCREF用の常誘電体薄膜を使用することもできる。常誘電体薄膜55、強誘電体薄膜51,52,…,53が形成されていない第1の層間絶縁膜13の上には、酸化膜(SiO2膜)等からなる第2の層間絶縁膜14が形成され、この第2の層間絶縁膜14の上には、上部電極65,61,62,…,63が形成されている。上部電極65は、参照用キャパシタCREFの第4の電極として機能する。上部電極61は、記憶用キャパシタCM の第1の電極として機能する。上部電極62は、記憶用キャパシタCM1の第2の電極および記憶用キャパシタCM2の第1の電極として機能する。上部電極63は、記憶用キャパシタCM15の第2の電極として機能する。上部電極65,61,62,…,63は、第1の層間絶縁膜13および第2の層間絶縁膜14を貫通して設けられたコンタクトホールを埋め込むように形成され、コンタクトプラグ82,72,74,77により、nソース/ドレイン領域281,22,24,…,27と接続している。これらのコンタクトプラグ82,72,74,77は、ドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよい。さらに、上部電極63は、第1の層間絶縁膜13および第2の層間絶縁膜14を貫通して設けられたコンタクトプラグ78を介して、読み出し用トランジスタQREADのポリシリコンゲート電極の配線部531と接続している。上部電極65,61,62,…,63の上には、酸化膜(SiO2膜)等からなる第3の層間絶縁膜15が形成され、この第3の層間絶縁膜15の上には、ビット線16が形成されている。ビット線16と上部電極65は第3の層間絶縁層15を貫通したビット線コンタクトプラグ84により互いに接続されている。ビット線コンタクトプラグ84は、ドープポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよい。図示を省略しているが、さらにビット線16の上には、酸化膜(SiO2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si膜),あるいはポリイミド膜などのパッシベーション膜を形成することが好ましい。
【0113】
図23(a)に示す平面図に対応した断面図である図23(b)に示すような回路構成により、非常に高集積化された不揮発性メモリの動作が確認できた。
【0114】
(第3の実施の形態)
図24は、本発明の第3実施形態に係る半導体記憶装置の主要部分の回路構成を示し、図25は周辺回路を含めた半導体記憶装置の主要部分を詳細に示す図である。第3実施形態に係る半導体記憶装置においては1対のドライブ線(DLおよびDL)に挟まれた1個のブロックが、1個の読み出しトランジスタを中心にして2個のサブブロックに分かれている。
【0115】
図24に示すように、本発明の第3実施形態に係る半導体記憶装置は、直列接続された複数個の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15と、この記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタとからなる記憶セル列(記憶セルチェーン)と、この記憶セルチェーンの端部に位置する記憶用キャパシタCM15に接続した参照セルと、参照セルに接続したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADと、記憶セルチェーンの他方の端部に位置する記憶用キャパシタCM0に接続された(ブロック選択トランジスタ)Qを少なくとも具備したメモリセルブロックを基本ユニットとして構成している。ここで、「参照セル」は、参照用キャパシタCREFと参照用キャパシタ制御トランジスタとの並列回路からなる。各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15は、それぞれ第1の電極、この第1の電極に対向して配置された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備している。
【0116】
また、参照用キャパシタCREFは、記憶用キャパシタCM15の第1の電極に電気的に結合した第3の電極、この第3の電極に対向して配置された第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備している。そして、本発明の半導体記憶装置は、このメモリセルブロックを複数個マトリックス状に配置しているが、FIG.24ではそのうちサブブロック[A]として4つ、サブブロック[B]として4つの計8つのみを示している。2段目のカラムのサブブロック[A]のブロック選択トランジスタQ、および1段目のカラムのサブブロック[B]のブロック選択トランジスタQは、ビット線BL0に接続されている。同様に、2段目のカラムのサブブロック[A]のブロック選択トランジスタQ、および2段目のカラムのサブブロック[B]のブロック選択トランジスタQはビット線BL1に接続されている。さらに、3段目および4段目のカラムの、各2つのブロック選択トランジスタQは、それぞれビット線BL2およびビット線BL3に接続されている。サブブロック[A]のブロック選択トランジスタQの記憶セルに接続されていない方の主電極はドライブ線DLに、サブブロック[B]のブロック選択トランジスタQの記憶セルに接続されていない方の主電極はドライブ線DLに接続されている。
【0117】
サブブロック[A]の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15が接続されている。同様にサブブロック[B]の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,…,CM15のそれぞれに並列接続された制御用トランジスタの各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15が接続されている。サブブロック[A]の参照用キャパシタ制御トランジスタのゲート電極には、ワード線WRが接続され、サブブロック[B]の参照用キャパシタ制御トランジスタのゲート電極には、ワード線WRが接続されている。1段目と3段目のカラムの読み出し用トランジスタQREAD の一方の主電極には、読み出し用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLが接続されている。一方、2段目と4段目のカラムの読み出し用トランジスタQREAD の一方の主電極には、読み出し用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLが接続されている。図24において、記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15それぞれに並列接続された制御用トランジスタ、読み出し用トランジスタQREAD ,QREAD 、ブロック選択トランジスタQ、および参照用キャパシタ制御トランジスタは、nMOSFETで示されているが、pMOSFETで構成することも可能である。
【0118】
図26には、本発明の第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示す。本発明の第3実施形態に係る半導体記憶装置では、ビット数BLxは特定のカラムに沿ったブロックを選択する役割を行ない、読み出し/書き込み電圧の印加は隣接2本のドライブ線DLおよびDLを通じて行なう。なお、反対側に隣接するブロックにも電圧が加わるが、ワード線WR、もしくはワード線WRを“0”として、そのブロック内の参照用キャパシタ制御トランジスタを、オフにしておけば問題は生じない。
【0119】
また、サブブロック[A]の記憶セルを選択するときはサブブロック[B]の参照用キャパシタを選択し、サブブロック[B]の記憶セルを選択するときはサブブロック[A]の参照用キャパシタを選択する。
【0120】
第3実施形態では2本のドライブ線DLおよびDLの間に電圧を印加することができるので、実質的に±VCの電圧をセルに印加できるという利点がある。その他はほぼ第1実施形態と同様である。
【0121】
例えば、図24に示す回路構成において、サブブロック[A]内のBL1とWL1の交点で指定される2段目のカラムの記憶セルCM1を選択するには、ビット線BL1を“1”とし、サブブロック[A]およびサブブロック[B]のブロック選択トランジスタQを共にオンにする。次に、ワード線WRを“1”とし、サブブロック[A]の参照用キャパシタCREFを選択する。そして、サブブロック[A]のWL1のみを“0”とし、それ以外のWLのみを“1”とすれば2段目のカラムの記憶セルCM1が選択できる。そして、記憶セルCM1を選択した状態で、2本のドライブ線DLおよびDLの間に電圧を印加すれば読み出し出力線SLに信号を読み出すことができる。
【0122】
図27(a)は、メモリセルブロックを示す平面図で、簡略化のために、図27(b)のA−A’面のレベルよりも下層のみを示す。図27(a)において、nソース/ドレイン領域321,22とポリシリコンゲート電極331とで、サブブロック[B]のブロック選択トランジスタQが構成されている。nソース/ドレイン領域321は、ドライブ線との接続部として機能する。さらに、nソース/ドレイン領域22,23とポリシリコンゲート電極となるワード線WL0とで、サブブロック[B]の記憶用キャパシタCM0に並列接続された制御用トランジスタが構成されている。さらに、nソース/ドレイン領域23,24とワード線WL1とで、記憶用キャパシタCM1に並列接続された制御用トランジスタが、nソース/ドレイン領域24,25とワード線WL2とで、記憶用キャパシタCM2に並列接続された制御用トランジスタが、…、nソース/ドレイン領域26(図示されず),322とワード線WL15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接続された制御用トランジスタが形成されている。nソース/ドレイン領域23,25には、各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15の第1の電極もしくは第2電極として機能する下部電極42,43,…,44が接続されている。そして、nソース/ドレイン領域322,323とワード線WRとで、参照用キャパシタ制御トランジスタが形成されている。またnソース/ドレイン領域324,325とポリシリコンゲート電極332とで読み出し用トランジスタQREADが形成されている。nソース/ドレイン領域325には読み出し用電源線VLが接続されている。ポリシリコンゲート電極334は、2段目のカラムの読み出し用キャパシタ制御トランジスタQREADに対応する。また、ポリシリコンゲート電極333は、2段目のカラムのブロック選択トランジスタQに、ポリシリコンゲート電極335は、3段目のカラムのブロック選択トランジスタQに、ポリシリコンゲート電極337は、4段目のカラムのブロック選択トランジスタQに対応する。なお、サブブロック[A]についても同様である。
【0123】
図27(a)に示すように、1個のサブブロック[B]内に、それぞれブロック選択トランジスタQ、n個の記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15およびこれらに並列接続されたn個の制御用トランジスタ、読み出しトランジスタQ READ、参照用キャパシタCREF、および参照用キャパシタ制御トランジスタが含まれる。記憶セルの寸法は4F2、ブロックあたりのコンタクト部を含めた記憶セル以外の領域は22F2であるから、メモリセル1個当り(4+22/n)F2になる。第3の実施の形態では強誘電体キャパシタとして20μC/cmの残留分極を有するものを使用したため、16個の記憶セルを直列に接続しても安定に動作することが分かった。したがって、1個当たり5.4F2の寸法になった。
【0124】
図27(b)は、図27(a)に示すサブブロック[B]の平面図のB−B’方向に沿った断面図である。図27(b)に示すように、本発明の第3実施形態に係る半導体記憶装置は、半導体基板11上にpウェル12を形成し、このpウェル12の表面に、nソース/ドレイン領域321,22,23,…,322,323を設けている。そして、pウェル12の表面のゲート酸化膜の上に、ポリシリコンゲート電極331、ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15、およびポリシリコンゲート電極332を有している。また、nソース/ドレイン領域321に接続して、ドライブ線DLが紙面に垂直方向に伸延している。
【0125】
ソース/ドレイン領域321,22とポリシリコンゲート電極331とで、ブロック選択トランジスタQが構成されている。また、nソース/ドレイン領域22,23とワード線WL0とで、記憶用キャパシタCM0に並列接続された制御用トランジスタが構成されている。さらに、nソース/ドレイン領域23,24とワード線WL1とで、記憶用キャパシタCM1に並列接続された制御用トランジスタが、nソース/ドレイン領域24,25とワード線WL2とで、記憶用キャパシタCM2に並列接続された制御用トランジスタが、…、nソース/ドレイン領域26(図示せず),322とワード線WL15とで、記憶用キャパシタCM15に並列接続された制御用トランジスタが形成されている。そして、nソース/ドレイン領域322,323とワード線WRとで、参照用キャパシタ制御トランジスタが形成されている。またB−B’方向の断面上には露出しないので図示を省略したnソース/ドレイン領域324,325(図27(a)参照)とポリシリコンゲート電極332とで読み出し用トランジスタQREADが形成されている。ポリシリコンゲート電極331、ワード線WL0,WL1,WL2,…,WL15,WR、ポリシリコンゲート電極332の上には酸化膜(SiO2膜)等からなる第1の層間絶縁膜13が形成され、この第1の層間絶縁膜13の上に、記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15の第1の電極もしくは第2の電極として機能する下部電極42,43,…,44、参照用キャパシタCREFの第4の電極として機能する下部電極351が形成されている。下部電極42,43,…,44,351は、第1の層間絶縁膜13中に設けられたコンタクトホールを埋め込むように形成されたコンタクトプラグ73,75,342により、nソース/ドレイン領域23,25,…,323と接続している。さらに、下部電極351は、第1の層間絶縁膜13を貫通して設けられたコンタクトプラグ343を介して、読み出し用トランジスタQREADのポリシリコンゲート電極332と接続している。これらのコンタクトプラグは、ドープポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよい。下部電極42は、記憶用キャパシタCM0の第1の電極および記憶用キャパシタCM1の第2の電極として機能する。下部電極43は、記憶用キャパシタCM2の第1の電極および記憶用キャパシタCM3の第2の電極として機能する。…下部電極44は、記憶用キャパシタCM14の第1の電極および記憶用キャパシタCM15の第2の電極として機能する。そして、この下部電極42,43,…,44の上に、所定の強誘電体薄膜51,52,…,53を形成し、パターニングすればよい。また、参照用キャパシタCREFの下部電極351の上には、常誘電体薄膜352を形成すればよい。なお、参照用キャパシタCREF用の常誘電体薄膜352の代わりに、強誘電体薄膜を使用することもできる。強誘電体薄膜51,52,…,53、および常誘電体薄膜352の形成されていない第1の層間絶縁膜13の上には、酸化膜(SiO2膜)等からなる第2の層間絶縁膜14が形成され、この第2の層間絶縁膜14の上には、上部電極372,62,…,353が形成されている。上部電極372は、記憶用キャパシタCM0の第2の電極として機能する。上部電極62は、記憶用キャパシタCM1の第1の電極および記憶用キャパシタCM2の第2の電極として機能する。…上部電極353は、記憶用キャパシタCM15の第1の電極および参照用キャパシタCREFの第3の電極として機能する。上部電極372,62,…,353は、第1の層間絶縁膜13および第2の層間絶縁膜14を貫通して設けられたコンタクトホールを埋め込むように形成されたコンタクトプラグ72,74,341により、nソース/ドレイン領域22,24,…,322と接続している。これらのコンタクトプラグ72,74,341は、ドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金属のシリサイド等で構成すればよい。さらに、上部電極372,62,…,353、読み出し出力線SL、および読み出し出力線SLの上には、酸化膜(SiO2膜)等からなる第3の層間絶縁膜15が形成され、この第3の層間絶縁膜15の上には、ビット線が形成されている。なお、図示を省略しているが、ビット線の上には、酸化膜(SiO2膜),PSG膜,BPSG膜,窒化膜(Si膜),あるいはポリイミド膜などのパッシベーション膜を形成することが好ましいことは勿論である。主としてサブブロック[B]について説明したがサブブロック[A]も同様の構成を有する。このような回路構成により、非常に高集積化された不揮発性メモリの動作が確認できた。
【0126】
(第4実施例)
図28は、本発明の第4の実施例に係る記憶用強誘電体キャパシタを使用した半導体記憶装置の主要部分の回路構成を示す図である。図28に示すように、本発明の第4実施形態に係る半導体記憶装置は、直列接続された複数個の選択用MOSトランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15と、これら選択用トランジスタの共通主電極毎に接続された複数個の記憶用強誘電体キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15とからなるNAND型記憶セル列と、この記憶セル列の端部に位置する選択用トランジスタQM0の主電極に接続した参照用キャパシタCREFと、選択用トランジスタQM0と参照用キャパシタCREFとの接続点であるストレージノードNに接続したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADと、ストレージノードNに接続したR/W制御用トランジスタQR/Wを少なくとも具備したメモリセルブロックを基本ユニットとして構成している。
【0127】
各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15は、それぞれ選択用トランジスタの共通主電極に接続された第1の電極、この第1の電極に対向して設置され、プレート電極に接続された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備している。また、参照用キャパシタCREFは、ストレージノードNに接続した第3の電極、この第3の電極に対向して設置され、プレート電極PLに接続された第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備している。また、R/W制御用トランジスタQR/Wの一方の主電極はストレージノードNに、他方の主電極はビット線BLに接続されている。
【0128】
そしてこのNAND型記憶セル列を複数個マトリックス状に配置しているが、1個の参照用キャパシタCREF、この読み出し用トランジスタQREAD、および
制御用トランジスタQR/Wを中心として、右にサブブロック[A]、左にサブブロック[B]、の2個のサブブロックに別れている。図28ではそのうちブロック[A]として2つ、サブブロック[B]として2つの計4つのみを示している。
【0129】
サブブロック[A]の選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15の各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,WL3,…,WL15が接続されている。同様に、サブブロック[B]の選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15の各ゲートには、ワード線WL0,WL1,WL2,WL3,…,WL15が接続されている。各メモリセルブロックの読み出し用トランジスタQREADの一方の主電極には、読み出し用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLが接続されている。各メモリセルブロックのR/W制御用トランジスタQR/Wのゲート電極には、R/W制御用トランジスタのワード線RLが接続されている。
【0130】
図29には周辺回路の接続図を示す。サブブロック[A]の各ワード線WL0A,WL1A,WL2A,WL3A,…,WL15Aは、ローデコーダAに、サブブロック[B]の各ワード線WL0B,WL1B,WL2B,WL3B,…,WL15Bは、ローデコーダBに、各ビット線BL0,BL1,…はカラムデコーダに接続されている。
【0131】
図28および図29に示す回路構成において、サブブロック[A]内のBLx(x=0,1)とWLyA(y=0,1,2,…,15)の交点で示される所望の記憶セルを選択するには、WL0AからWLyAまでのワード線を全て“1(ハイレベル)”としてQM0からQMyまでの選択用トランジスタをすべてオンに、ワード線WLy+1Aを“0(ローレベル)”として選択用トランジスタQmy+1をオフにし、電位一定(例えば1/VCC)のプレート線PLに対して、BLxに電位を加えることで達成され。同様に、サブブロック[B]内のBLx(x=0,1)とWLyB(y=0,1,2,…,15)の交点で示される所望の記憶セルを選択するには、WL0BからWLyBまでのワード線を全て“1(ハイレベル)”としてQM0からQMyまでの選択用トランジスタをすべてオンに、ワード線WLy+1Bを“0(ローレベル)”として選択用トランジスタQmy+1をオフにし、電位一定(例えば1/2V)のプレート線PLに対して、BLxに電位を加えることで達成される。
【0132】
図30には、「プリチャージ併用読み出し/直接書き込み方式」を採用した場合の読み出し/書き込みシークエンスを示す。まず、プリチャージ併用読み出し方式においては、WL0からWLyまで、ないしはWL0からWLyまでを選択する前に、R/W制御用トランジスタQR/Wをオンにし、電位一定のプレート線PLに対して参照用キャパシタCREFに逆電圧を加えてプリチャージを行なう。その後、R/W制御用トランジスタQR/Wをオフにし、WL0からWLyまでないしはWL0からWLyまでを選択した後、正電圧を加えることにより、記憶用キャパシタCMyに実質的に2倍程度の電圧を加えて反転させるものである。
【0133】
次に、記憶用キャパシタCMyに対する書込みは、まず、R/W制御用トランジスタQR/Wをオンにし、ビット線BLに書き込み電圧を印加し、WL0からWLyまでないしはWL0からWLyまでを選択することにより、記憶用キャパシタCMyに直接電圧を加えて反転させるものである。
【0134】
図31(a)は、本発明の第4実施形態の平面図で、見やすくするために、図31(b)に示す断面図におけるA−A’のレベルよりも下層のみを示す。ビット線に接続された1個のブロック内に、16個の記憶セルを持つサブブロックが2個、読み出しトランジスタQREAD、および
制御用トランジスタQR/Wが含まれる。記憶セルの寸法は4F2、ブロックあたりの記憶セル以外の領域は26F2であるから、メモリセル1個当たり(4+26/32)F2になる。本実施形態では強誘電体キャパシタとして20μC/cmの残留分極を持つものを使用したため、32個の記憶セルを直列に接続しても安定に動作することが分かった。したがって、1個当たり4.8F2の寸法になった。
【0135】
また、図31(b)は、図31(a)の平面図のB−B’に沿った断面図である。シリコン基盤上に、nMOS型のトランジスタから形成されている。各選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15の主電極領域には下部電極LE、上部電極TEおよび強誘電体膜からなるキャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15が形成されている。また、NANDセルメモリ列の端部の選択用トランジスタQM0のもう1つの主電極上には、同様に参照用キャパシタCREFが形成されている。このような回路構成により、非常に高集積化された不揮発性メモリの動作が確認できた。
【0136】
(第5実施形態)
図32は、本発明の第5実施形態に係る常誘電体記憶用キャパシタを使用した半導体記憶装置の主要部分の回路構成を示し、図33は周辺回路をも含めた半導体記憶装置の主要部分を詳細に示す図である。図32に示すように、本発明の第5実施形態に係る半導体記憶装置は、直列接続された複数個の選択用MOSトランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15と、これら選択用トランジスタの共通主電極毎に接続された複数個の記憶用強誘電体キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15とからなるNAND型記憶セル列と、この記憶セル列の端部に位置する選択用トランジスタQM0の主電極に接続した参照用キャパシタCREFと、選択用トランジスタQM0と参照用キャパシタCREFとの接続点であるストレージノードNに接続したゲート電極を有する読み出し用トランジスタQREADと、ストレージノードNに接続した2個のR/W制御用トランジスタQR/W1およびQR/W2を少なくとも具備するメモリセルブロックを基本ユニットとして構成している。
【0137】
各記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15は、それぞれ選択用トランジスタの共通主電極に接続された第1の電極、この第1の電極に対向して設置され、プレート電極に接続された第2の電極、およびこれらの第1、第2の電極に挟まれた強誘電体薄膜とを少なくとも具備している。また、参照用キャパシタCREFは、ストレージノードNSに接続した第3の電極、この第3の電極に対向して設置され、ビット線BLに接続された第4の電極、およびこれらの第3、第4の電極に挟まれた誘電体薄膜とを少なくとも具備している。また、第1のR/W制御用トランジスタQR/W1の一方の主電極はストレージノードNに、他方の主電極はビット線BLに接続されている。第2のR/W制御用トランジスタQR/W2の一方の主電極はストレージノードNに、他方の主電極はプレート電極PEに接続されている。
【0138】
このNAND型記憶セル列を複数個マトリックス状に配置しているが、1個の参照用キャパシタCREF、読み出し用トランジスタQREAD、および2個のR/W制御用トランジスタQR/W1およびQR/W2を中心として、右にサブブロック[A]、左にサブブロック[B]、の2個のサブブロックに別れている。図32ではそのうちブロック[A]として2つ、サブブロック[B]として2つの計4つのみを示している。
【0139】
サブブロック[A]の選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15の各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,WL3,…,WL15が接続されている。同様に、サブブロック[B]の選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15の各ゲート電極には、ワード線WL0,WL1,WL2,WL3,…,WL15が接続されている。各メモリセルブロックの読み出し用トランジスタQREADの一方の主電極には、読み出し用電源線VLが、他方の主電極には読み出し出力線SLまたはSLが接続されている。各メモリセルブロックの2個のR/W制御用トランジスタQR/W1およびQR/W2のゲート電極には、R/W制御用トランジスタのワード線RLおよびRLが接続されている。FIG.32において、選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15、読み出し用トランジスタQREAD、およぴ2個のR/W制御用トランジスタQR/W1およびQR/W2は、nMOSFETで示されているが、pMOSFETで構成することも可能である。
【0140】
図33には、周辺回路の接続図を示す。サブブロック[A]の各ワード線WL0,WL1,WL2,WL3,…,WL15Aは、ローデコーダAにサブブロック[B]の各ワード線WL0,WL1,WL2,WL3,…,WL15はローデコーダBに、各ビット線BL0,BL1,……はカラムデコーダに接続されている。
【0141】
図32および図33に示す回路構成において、サブブロック[A]内のBLx(x=0,1)とWLy(y=0,1,2,…,15)の交点で示される所望の記憶セルを選択するには、WL0からWLyまでのワード線を全て“1(ハイレベル)”としてQM0からQMyまでの選択用のトランジスタを全てオンに、ワード線WLy+1を“0(ローレベル)”として選択用トランジスタQmy+1をオフにして、電位一定(例えば1/2V)のプレート線PLに対して、BLxに電位を加えることで達成される。
【0142】
図34にはさらに「プリチャージ読み出し/直接書き込み方式」を採用した場合の読み出し/書き込みシークエンスを示す。すなわち、プリチャージ読み出し方式においては、WLyないしWLyを選択する前に、第2のR/W制御用トランジスタQR/W2をオンにし、電位一定のプレート線PLに対して参照用キャパシタCREFおよび選択するセルの手前のWL0からWLy−1まで、ないしはWL0からWLy−1までに電圧を加えてプリチャージを行なう。その後、R/W制御用トランジスタQR/Wをオフにし、WLyないしWLyを選択することにより、記憶用キャパシタCMyの電荷を読みだすものである。記憶用キャパシタCMyへの書き込みは、まず、第1のR/W制御用トランジスタQR/W1がビット線BLに書き込み電圧を供給するためにオンされて、WL0からWLy−1まで、ないしはWL0からWLy−1までを選択する。したがって、記憶用キャパシタCMyに電圧を直接印加することにより反転させる。
【0143】
図35(a)は、本発明の第5実施形態の平面図で、見やすくするために、図35(b)に示す断面図におけるA−A’のレベルよりも下層のみを示す。ビット線に接続された1個のブロック内に、8個の記憶セルを持つサブブロックが2個、読み出しトランジスタQREAD、および2個のR/W制御用のトランジスタQR/W1およびQR/W2が含まれる。記憶セルの寸法は4F2、ブロックあたりの記憶セル以外の領域は22F2であるから、メモリセル1個当たり(4+22/16)F2になる。本実施例では常誘電体キャパシタとして20mF/cmの容量を持ち、かつ非線形の強いものを使用したために、16個の記憶セルを直列に接続しても安定に動作することが分かった。したがって、1個当たり5.4F2の寸法になった。
【0144】
また、図35(b)は図35(a)の平面図のB−B’に沿った断面図である。シリコン基板上に、nMOS型のトランジスタから形成されている。各選択用トランジスタQM0,QM1,QM2,QM3,…,QM15の主電極領域には下部電極LE、上部電極TEおよび強誘電体膜よりなる記憶用キャパシタCM0,CM1,CM2,CM3,…,CM15が形成されている。また、NANDセルメモリ列の端部の選択用トランジスタQM0のもう1つの主電極上には同様に参照用キャパシタCREFが形成されている。このような回路構成により、非常に高集積化された半導体メモリの動作が確認できた。
【0145】
(第6実施形態)
図36(a)ないし(d)は、本発明の第6実施形態に係るChain型半導体記憶装置の工程順模式断面図である。各図において、符号1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、3は素子間分離絶縁膜、4はゲート酸化膜、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャル成長層、7,8,9は絶縁膜、11および15はバリア金属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上部電極、23は内部配線、24はヴィアプラグである。
【0146】
まず、図36(a)においては、既知の工程によりメモリセルのトランジスタ部を形成した後、単結晶Si層6の選択エピタキシャル成長を行ない、化学的機械的研磨(CMP)法により平坦化したところである。このとき、ワード線5の絶縁膜として酸化シリコン膜を用いた。また、Si基板上の電極にRIE工程で生じた表面の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使用したエッチングの後、そのまま真空中でCVD室に搬送し、1mTorrの圧力のSiHガスとドナーとして加えた0.1mTorrのAsHガスを使用して750℃で選択エピタキシャル成長を行なった。
【0147】
次に、図36(b)に示すように、単結晶Si層6にCMP(Chemical and Mechanical Polishing)工程で生じた表面の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使用したエッチングの後、バリアメタル11として反応性スパッタ法により600℃でTiNを積層し、引き続き下部電極12としてスパッタ法により600℃でSrTiO3(SROと以降略称する)膜を積層し、引き続きBaTiO3(以下、BTOと略記する)強誘電体薄膜13をスパッタ法により600℃で40nmの厚さに積層し、引き続き上部電極14としてスパッタ法により600℃でSrTiO3(SROと以降略称する)膜を積層し、引き続きバリアメタル15として反応性スパッタ法により600℃でTiNを積層したところである。このとき、単結晶Si層6の上には、バリアメタル11、下部電極12、強誘電体薄膜13、上部電極14の全てがエピタキシャル成長を生じて単結晶になった。
【0148】
次に、図36(c)に示すように、既知のリソグラフィーおよびRIE(Reactive Ion Etching)法により、バリアメタル11、下部電極12、強誘電体膜13、上部電極14、バリアメタル15、および単結晶Si層6のパターニングを行った。次に、TEOSを原料ガスとして使用したプラズマCVD法により酸化シリコン絶縁膜7をコンフォーマルに成膜し、異方性エッチングによりキャパシタの絶縁膜側壁を形成した。次に,CVD(Chemical Vapour Deposition)法によりタングステン(W)からなるヴィアプラグ24を埋め込み、バリアメタル15をストッパーとして用いたCMP法により平坦化を行った。
【0149】
次に、図36(d)に示すように、スパッタ法によりWからなる内部配線23を形成し、既知のリソグラフィーおよびRIE法により、強誘電体膜13、上部電極14、バリアメタル15、および内部配線23のパターニングを行った。次にTEOSを原料ガスとして使用したプラズマCVD法により酸化シリコン絶縁膜8を埋め込み、内部配線23をストッパーとして用いたCMP法により平坦化を行なった。さらに層間絶縁膜9を作成した。
【0150】
このような工程で作成した後、X線回折装置により膜方位を測定したところ、TiNバリア膜、SRO電極膜、BTO誘電体膜すべてが(001)方位にエピタキシャル成長していることが確かめられ、またBTO膜の膜厚方向の格子定数は0.434nmと大きく伸びていた。また、形成した強誘電体薄膜キャパシタの誘電特性を測定したところ、残留分極量として0.42C/mと大きな値が得られ、強誘電体キャパシタとして機能することが確めることができた。
【0151】
(第7実施形態)
図37(a)ないし(c)および図38(d)(e)は、本発明の第7実施形態に係るChain型半導体記憶装置の工程順模式断面図である。符号1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャル成長層、7,8,9,10は絶縁膜、11は下部バリア金属膜、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上部電極、15は上部バリア金属膜、20はプレート電極、21は単結晶Si成長用ノード、22はキャパシタのコンタクト部、23は内部配線である。
【0152】
まず、図37(a)に示すように、第1導電型のSi(100)基板1の表面に深さ0.1μm程度の第2導電型の不純物拡散層からなるプレート電極20を形成した後、下部バリア金属層11として膜厚10nmの(Ti,Al)N、下部電極12として膜厚20nmのSROを、基板温度600℃でRFあるいはDCスパッタ法により大気中に出さずに連続してエピタキシャル成長した。次に、リソグラフィーおよびRIEなどによるエッチングにより基板1に達するまでパターニングを行ない、素子間分離絶縁膜3をTEOSガスを原料としたプラズマCVD法等により埋め込み、下部電極をストッパとしてCMP法などにより平坦化した。次に、下部電極表面の平坦化により生じた損傷層をウェットエッチングなどにより取り除いた後、誘電体膜13として厚さ20nmのBaTiO3薄膜、上部電極14として厚さ20nmのSRO膜、さらに上部バリア金属層15として膜厚10nmの(Ti,Al)Nを、基板温度600℃でREあるいはDCスパッタ法により大気中に出さずに連続してエピタキシャル成長し、さらに、第1の絶縁膜7をTEOSガスを原料としたプラズマCVD法等により形成した。
【0153】
次に、図37(b)に示すように、単結晶Si成長用ノード21をリソグラフィーおよびRIEなどによるエッチングにより形成した。次に第2の絶縁膜8をコンフォーマルに形成した。次に、第1の絶縁膜7を残して、異方性RIEにより第2の絶縁膜8を除去することにより、単結晶Si成長用ノードの側壁部分にも絶縁膜をセルフアラインにより残した。次に、Si表面の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使用したエッチングの後、そのまま真空中でCVD室に搬送し、1mTorrの圧力のSiHガスとドナーとして加えた0.1mTorrのAsHガスを使用して750℃で、単結晶Si成長用ノード21から選択エピタキシャル成長により単結晶Si層6を形成した。次に、第1の絶縁膜7を停止層とし、CMP法(化学的機械的研磨法)により平坦化した。
【0154】
次に、図37(c)に示すように、フォトリソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチングを用いてキャパシタのパターニングを行なって上部電極へのコンタクトホール26を形成し、さらにフォトリソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチングを用いてキャパシタのパターニングを行なって上部電極へのコンタクトホール27を形成し、絶縁膜9をコンフォーマルに形成した。次に第1の絶縁膜7を残して、異方性RIEにより絶縁膜9を除去することにより、側壁部分の絶縁膜をセルフアラインにより残した。次にCVD法によりタングステン(W)からなるヴィアプラグ24および25を埋め込み、第1の絶縁膜7をストッパとして用いたCMP法により平坦化を行った。
【0155】
次に、図38(d)に示すように、公知のプロセスを使用して、不純物拡散層2、ゲート酸化膜(図示せず)、ワード線5からなるトランジスタを形成した。
【0156】
次に、図38(e)に示すように、例えばN+型不純物を含んだポリSi膜を約200nm程度の膜厚で堆積し、フォトリソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチングを用いてパターニングを行なってヴィアプラグ24ないし25とトランジスタの主電極を接続する内部配線23を形成した。
【0157】
このような工程により、強誘電体膜を使用したキャパシタとトランジスタからなるChain型メモリセルを作成することができ、FRAMとしての動作が確認された。
【0158】
(第8実施形態)
次に、本発明の第8実施形態に係る半導体記憶装置について、図39(a)ないし(c)および図40(d)(e)に示す工程順模式断面図を用いて説明する。各図において、符号1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、3は素子間分離絶縁層、4はゲート酸化膜、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャル成長層、7,8は絶縁膜、11および15はバリア金属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上部電極、20はプレート電極、30はコンタクトプラグ、31は第1の貼り合せ層、32は第2のSi(100)基板、33は貼り合せ層である。
【0159】
まず、図39(a)に示すように、第1のSi(100)基板1に、公知のプロセスを使用して、不純物拡散層2、ゲート酸化膜4、ワード線5からなるトランジスタや、素子間分離絶縁膜3、およびキャパシタとのコンタクトプラグ30を形成し、化学的機械的研磨(CMP)等の方法により平坦化した。次に、表面に第1の貼り合せ層31としてAl膜を全面に形成した。
【0160】
次に、図39(b)に示すように、第2のSi(100)基板32に、下部バリア金属層11として膜厚10nm(Ti,Al)N、下部電極12として膜厚20nmのSrRuO3、誘電体膜13としてBaのモル分率70%で厚さ20nmのBSTO薄膜、上部電極14として厚さ20nmのSrRuO3膜、さらに上部バリア金属層15として膜厚10nmの(Ti,Al)Nを、基板温度600℃でRFあるいはDCスパッタ法により大気中に出さずに連続してエピタキシャル成長した。次に、表面に第2の貼り合せ層33としてAl膜を全面に形成した。
【0161】
次に、図39(c)に示すように、第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層を、真空度3×10−8Torr以上の超高真空中でArガスのスパッタリングにより表面に生成された酸化層を除去してAlの新生面を出し、そのまま大気中に晒さずに第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層を突き合わせ、400℃で30分間加圧して接合した。
【0162】
次に、図40(d)に示すように、貼り合わせた第2の基板を裏面からCMP等により研磨してキャパシタ層およびSi層を0.2μm程度残した。その後、第1の基板により位置合せを行ない、各メモリセル毎にキャパシタをパターニングした。この際のエッチング条件として、酸化物層をエッチング停止層として使用すると良い。次に絶縁膜7をコンフォーマルに形成した。次に異方性RIEにより絶縁膜7を除去することにより、キャパシタ側壁部分の絶縁膜をセルフアラインにより残した。次に、例えばN型不純物を含んだポリSi膜を約200nm程度の膜厚で埋め込み、Si層32をストッパとして用いたCMP法により平坦化を行ない、ヴィアプラグ24を形成した。
【0163】
次に、図30(e)に示すように、スパッタ法によりTiNからなる内部配線23を形成し、既知のリソグラフィーおよびRIE法により、強誘電体膜13、上部電極14、バリアメタル15、および内部配線23のパターニングを行なった。次に、TEOSを原料ガスとして使用したプラズマCVD法により酸化シリコン絶縁膜8を埋め込み、内部配線23をストッパとして用いたCMP法により平坦化を行ない、さらに、層間絶縁膜9を作成した。
【0164】
このような工程により、強誘電体膜を使用したキャパシタとトランジスタからなるメモリセルを歩留まり良く作成することができ、FRAMとしての動作が確認された。
【0165】
(第9実施形態)
図41(a)ないし(c)は、本発明の第9実施形態に係る半導体記憶装置におけるNAND型セルの工程順模式断面図である。各図において、符号1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、3は素子間分離絶縁膜、4はゲート酸化膜、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャル成長層、7,8,9は絶縁膜、11および14はバリア金属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上部電極、20はプレート電極である。
【0166】
図41(a)は、既知の工程によりメモリセルのトランジスタ部を形成した後、単結晶Si層6の選択エピタキシャル成長を行ない、化学的機械的研磨(CMP)法により平坦化したところである。このとき、ワード線5の絶縁膜として酸化シリコン膜を用いた。また、Si基板上の電極にRIE工程で生じた表面の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使用したエッチングの後、そのまま真空中でCVD室に搬送し、1mTorrの圧力のSiHガスとドナーとして加えた0.1mTorrのAsHガスを使用して750℃で選択エピタキシャル成長を行った。
【0167】
次に、図41(b)に示すように、単結晶Si層6にCMP工程で生じた表面の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使用したエッチングの後、バリアメタル11として反応性スパッタ法により600℃でTiNを積層し、引き続き下部電極12としてスパッタ法により600℃でSrTiO3(SROと以降略称する)膜を積層し、引き続きBaTiO3(BTOと以降略称する)強誘電体薄膜13をスパッタ法により600℃で40nmの厚さに積層し、引き続き上部電極14としてスパッタ法により600℃でSrTiO3(以下、SROと略記する)膜を積層し、引き続きバリアメタル15として反応性スパッタ法により600℃でTiNを積層したところである。このとき、単結晶Si層6の上には、バリアメタル11、下部電極12、強誘電体薄膜13、上部電極14の全てがエピタキシャル成長を生じて単結晶になったが、ワード線5の絶縁膜の上には全て多結晶として成長した。
【0168】
次に、図41(c)に示すように、既知のリソグラフィーおよびRIE法により、バリアメタル11、下部電極12、強誘電体膜13、上部電極14、バリアメタル15、および単結晶Si層6のパターニングを行った。このとき絶縁膜をストッパーとして使用した。パターニングした溝内にTEOSを原料ガスとして使用したプラズマCVD法により酸化シリコン絶縁膜7を埋め込み、バリアメタル15をストッパーとして用いたCMP法により平坦化を行なった。その後スパッタ法によりプレート電極20としてTiNを積層し、さらに層間絶縁膜8を作成した。
【0169】
このような工程で作成した後、X線回折装置により膜方位を測定したところ、TiNバリア膜、SRO電極膜、BTO誘電体膜すべてが(001)方位にエピタキシャル成長していることが確かめられ、またBTO膜の膜厚方向の格子定数は0.434nmと大きく伸びていた。また、形成した強誘電体薄膜キャパシタの誘電特性を測定したところ、残留分極量として0.42C/mと大きな値が得られ、強誘電体キャパシタとして機能することが確かめられた。
【0170】
(第10実施形態)
図42(a)ないし(c)および図43(d)ないし(f)は、本発明の第10実施形態に係る半導体記憶装置におけるNAND型セルの工程順模式断面図である。記憶用キャパシタとして、常誘電体キャパシタを作成した。各図において、符号1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャル成長層、7,8,9,10は絶縁膜、11は下部バリア金属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上部電極、15は上部バリア金属膜、20はプレート電極、21は単結晶Si成長用ノード、22はキャパシタのコンタクト部、23は内部配線である。
【0171】
まず、図42(a)に示すように、第1導電型のSi(100)基板1の表面に深さ0.1μm程度の第2導電型の不純物拡散層からなるプレート電極20を形成した後、下部バリア金属層11として膜厚10nmの(Ti,Al)N、下部電極12として膜厚20nmのSRO、誘電体膜13として厚さ20nmの(Ba0.2Sr0.8)TiO3薄膜、上部電極14として厚さ20nmのSRO膜、さらに上部バリア金属層15として膜厚10nmの(Ti,Al)Nを、基板温度600℃でRFあるいはDCスパッタ法により大気中に出さずに連続してエピタキシャル成長し、さらに第1の絶縁膜7をTEOSガスを原料としたプラズマCVD法等により形成した。
【0172】
次に、図42(b)に示すように、単結晶Si成長用ノード21をリソグラフィーおよびRIEなどによるエッチングにより形成した。次に第2の絶縁膜8をコンフォーマルに形成した。
【0173】
次に、図42(c)に示すように、第1の絶縁膜7を残して、異方性RIEにより第2の絶縁膜8を除去することにより、単結晶Si成長用ノードの側壁部分にも絶縁膜をセルフアラインにより残した。次に、Si表面の損傷層を取り除くため、フッ化水素蒸気を使用したエッチングの後、そのまま真空中でCVD室に搬送し、1mTorrの圧力のSiHガスとドナーとして加えた0.1mTorrのAsHガスを使用して750℃で、単結晶Si成長用ノード21から選択エピタキシャル成長により単結晶Si層6を形成した。次に絶縁膜を停止層とし、CMP法(化学的機械的研磨法)により平坦化した。
【0174】
次に、図43(d)に示すように、フォトリソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチングを用いてキャパシタのパターニングを行ない、絶縁膜を埋込み、CMPにより平坦化してキャパシタ分離用絶縁膜9を形成した。
【0175】
次に、図43(e)に示すように、公知のプロセスを使用して、不純物拡散層2、ゲート酸化膜(図示せず)、ワード線5からなるトランジスタを形成した。
【0176】
次に、図43(f)に示すように、フォトリソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチングを用いて、キャパシタのコンタクト部22を開孔した。このときのエッチング条件として、上部バリア金属層15ないし上部電極14のいずれかをストッパーとして用いて選択的にストップさせると良い。次に、全面に例えばN型不純物を含んだポリSi膜を約200nm程度の膜厚で堆積し、全面をCMPおよびRIEなどの方法でエッチングすることによりコンタクト部22とトランジスタの主電極を接続する内部配線23を形成した。さらに層間絶縁膜10を形成した。
【0177】
このような工程により、強誘電体膜を使用したキャパシタとトランジスタからなるNAND型メモリセルを作成することができ、NAND型FRAMとしての動作が確認された。
【0178】
(第11実施形態)
本発明の第11実施形態に係る半導体記憶装置について、工程順模式断面図である図44(a)−(c)および図45(d)(e)を用いて説明する。符号1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、3は素子間分離絶縁層、4はゲート酸化膜、5はワード線、6は単結晶Siエピタキシャル成長層、7,8は絶縁膜、11および14はバリア金属、12は下部電極、13は誘電体薄膜、14は上部電極、20はプレート電極、30はコンタクトプラグ、31は第1の貼り合せ層、32は第2のSi(100)基板、33は第2の貼り合せ層である。
【0179】
まず、図44(a)に示すように、第1のSi(100)基板1に、公知のプロセスを使用して、不純物拡散層2、ゲート酸化膜4、ワード線5からなるトランジスタや、素子間分離絶縁膜3、およびキャパシタとのコンタクトプラグ30を形成し、化学的機械的研磨(CMP)等の方法により平坦化した。次に、表面に第1の貼り合せ層31としてAl膜を全面に形成した。
【0180】
次に、図44(b)に示すように、第2のSi(100)基板32に、下部バリア金属層11として膜厚10nm(Ti,Al)N、下部電極12として膜厚20nmのSrRuO3、誘電体膜13としてBaのモル分率70%で厚さ20nmのBSTO薄膜、上部電極14として厚さ20nmのSrRuO3膜、さらに上部バリア金属層15として膜厚10nmの(Ti,Al)Nを、基板温度600℃でRFあるいはDCスパッタ法により大気中に出さずに連続してエピタキシャル成長した。次に、表面に第2の貼り合せ層33としてAl膜を全面に形成した。
【0181】
次に、図44(c)に示すように、第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層を、真空度3×10−8Torr以上の超高真空中でArガスのスパッタリングにより表面に生成された酸化層を除去してAlの新生面を出し、そのまま大気中に晒さずに第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層を突き合わせて、400℃で30分間加圧して接合した。
【0182】
次に、図45(d)に示すように、貼り合わせた第2の基盤を裏面からCMP等により研磨してキャパシタ層およびSi層を0.2μm程度残した。その後、第1の基板により位置合せを行ない、各メモリセルごとにキャパシタをパターニングした。この際のエッチング条件として、酸化物層をエッチング停止層として使用すると良い。さらにTEOSガスを原料としたプラズマCVD法により絶縁膜7を埋め込んだ後、再びCMP法等により平坦化した。
【0183】
最後に、図45(e)に示すように、プレート電極20としてTi/TiN/Al層を形成した後、絶縁層8を被せた。
【0184】
このような工程により、強誘電体膜を使用したキャパシタとトランジスタからなるメモリセルを歩留まり良く作成することができ、FRAMとしての動作が確認された。
【0185】
(第12実施形態)
図46(a)(b)および図47(c)(d)は、本発明の第12実施形態に係るNAND型セルの工程順模式断面図である。1は第1導電型半導体基板、2は第2導電型不純物拡散層、3は素子間分離絶縁層、4はゲート酸化膜、5はワード線、6は単結晶Si層、7,8,9は絶縁膜、11は第1のバリア金属、12は第1の電極、13は誘電体薄膜、14は第2の電極、15は第2のバリア金属層、20はプレート電極、30はコンタクトプラグ、31は第1の貼り合せ層、32は第2のSi(100)基板、33は第2の貼り合せ層である。
【0186】
まず、図46(a)に示すように、第1導電型のSi(100)基板1の第1の表面に、第1のバリア金属11として膜厚10nmの(Ti,Al)N膜、第1の電極12として膜厚20nmのSRO、強誘電体膜13としてBaのモル分率70%で厚さ20nmのBSTO薄膜、第2の電極14として厚さ20nmのSRO膜、第2のバリア金属層15として膜厚10nmのTiN膜を、それぞれRFあるいはDCスパッタ法により基板温度600℃でエピタキシャル成長させた。さらに、プレート電極20として室温で200nmのTiN膜を形成した。次に第1の貼り合せ用絶縁膜31としてBPSGを例えば500nm程度成膜した後、例えばCMP法などにより平坦化した。
【0187】
次に、第2のSi基板32を用意し、表面に第2の貼り合せ層33としてBPSG層を作成した平坦化した。次に、第1の貼り合せ用絶縁膜31と第2の貼り合せ層33を突き合わせて接着した。接着には、公知の方法、例えば900℃程度の熱処理により行った。
【0188】
次に、図46(b)に示すように、第1のSi基板1の第2の表面から研磨していくものとして、図示説明を控える。セル領域周辺の研磨停止層などを利用して、例えば10nm程度の厚さの薄膜シリコン層を形成する。この他のスマートカット等の接着、研磨によるSOIの形成方法を用いても良い。
【0189】
次に、通常のフォトリソグラフィー法とRIE法などのプラズマエッチングを用いて、素子分離のための溝を開口した。このときのエッチング条件として、キャパシタの誘電膜13をストッパーとして用いて選択的に停止させると良い。次に、埋め込み絶縁膜7を成膜し、CMPにより平坦化した。さらに、RIEなどにより埋め込み絶縁膜7を選択的に浅くエッチングした後、第2導電型の単結晶シリコン層6を形成し、再び平坦化したるこのときの単結晶シリコン層の形成方法として、アモルファスシリコン層をコンフォーマルに形成した後にRTPなどの熱処理により側壁部分より結晶化して単結晶とする方法、選択成長CVD法などにより単結晶シリコンを選択的に埋め込む方法などが挙げられる。
【0190】
次に、図47(c)に示すように、素子間を分離するための第2の溝をリソグラフィーおよびRIEなどによるエッチングにより形成した。このとき、キャパシタの誘電膜5をエッチング停止層として使用すると良い。次に、埋め込み絶縁膜8を成膜し、CMPなどにより平坦化した。
【0191】
最後に、図47(d)に示すように、公知のプロセスを使用して、第2導電型の不純物拡散層2、ゲート酸化膜4、ワード線5からなるトランジスタや、層間絶縁膜9を形成した。
【0192】
このような工程により、強誘電体膜を使用したキャパシタとトランジスタからなるメモリセルを歩留まり良く作成することができ、FRAMとしての動作が確認された。
【0193】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1ないし第12実施形態によって記載したが、この開示の一部である説明および図面がこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替的な実施形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【0194】
既に述べた第1ないし第12実施形態の説明においては、pウェル中にnMOSFETを形成したが、p基板中にnMOSFETを形成してもよい。また、nMOSFETの代わりに、pMOSFETを用いて構成しても良い。pMOSFETを用いる場合は、図18、図22あるいは図26に示した読み出し/書き込みシークエンスは、適宜極性を反転すればよい。
【0195】
また、既に述べた第1ないし第123実施形態に係る半導体記憶装置をSOI基板上に形成してもよいことは勿論である。さらに、図27(b)において、ビット線は、B−B’方向の断面上には露出しないので図示を省略したが、ビット線が、B−B’方向の断面上に露出するような平面レイアウトでも良いことは勿論である。逆に、図19(b)および図23(b)において、断面上にビット線が露出しないような平面レイアウトを採用することも可能である。
【0196】
このように、本発明はここでは記載されていない様々な実施形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲にかかる発明と指定事項によってのみ限定されるものである。
【0197】
以上詳述した実施形態によれば、最小寸法fによるスケーリングが可能となり小さなメモリセル構成を有した半導体記憶素子が提供できる。特に、本発明の上記実施形態によれば、強誘電体分極の安定な保持が可能であり、しかも超高集積化した半導体記憶素子が提供できる。また、本発明によれば、製造プロセスが容易な超高集積化した半導体記憶素子の実現が可能になり、工業的価値は極めて大きい。
【0198】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、最初寸法fによるスケーリングが可能となり、小さなメモリセル構成を有した半導体記憶素子を提供できる。また、プロセスが容易であるにも拘わらず、小さなメモリセルを溝成することができ、強誘電体分極の安定な保持や、スケーリングが可能になるという特徴を有する超高集積化した半導体記憶素子の実現が可能になり、本発明の工業的価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本的な構成を説明するためのメモリセルの等価回路図。
【図2】本発明の半導体記憶装置の(a)記憶“1”、(b)記憶“0”における読み出し動作をそれぞれ説明する模式図。
【図3】本発明の半導体記憶装置の(a)記憶“1”、(b)記憶“0”における読み出し/書き込み動作をそれぞれ説明する模式図。
【図4】参照用キャパシタCREFが強誘電体薄膜の場合の本発明のメモリセルの等価回路図。
【図5】図4の回路の直列電圧印加の読み出し動作による(a)記憶“1”、(b)記憶“0”の読み出し動作をそれぞれ説明する模式図。
【図6】参照用強誘電体キャパシタのプリチャージモードにおける(a)記憶“1”、(b)記憶“0”の読み出し動作をそれぞれ示す模式図。
【図7】本発明のそれぞれ基本的な構成(a)(b)(c)を説明するためのメモリセルの等価回路図。
【図8】本発明の半導体記憶装置をより高集積化するための具体的な構成(a)(b)をそれぞれ示す回路図。
【図9】参照用キャパシタCREFが強誘電体薄膜により形成された場合の高集積化に適した本発明の具体的な構成(a)(b)をそれぞれ示す回路図。
【図10】スケーラブルNAND−FRAMによる本発明の基本構成を説明するためのメモリセルの等価回路図。
【図11】非対称な強誘電体ヒステリシスを持つ強誘電体キャパシタの分極状態(a)(b)をそれぞれ説明する模式図。
【図12】図10の回路において、常誘電体キャパシタを使用した場合の基本的な構成を説明するためのメモリセルの等価回路図。
【図13】常誘電体キャパシタを使用した場合の読み出し動作(a)(b)をそれぞれ説明する模式図。
【図14】非線形な容量特性を持つ常誘電体キャパシタの分極状態を説明する模式図。
【図15】本発明の幾つかの回路構成(a)ないし(d)を説明するためのメモリセルのそれぞれ等価回路図。
【図16】本発明の第1実施形態に係る半導体記憶装置の主要部の回路構成図。
【図17】第1実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回路を含む主要部の回路構成図。
【図18】第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
【図19】第1実施形態に係る半導体記憶装置の(a)平面図および(b)断面図。
【図20】本発明の第2実施形態に係る半導体記憶装置の主要部の回路構成図。
【図21】第2実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回路を含む主要部の回路構成図。
【図22】第2の実施の形態に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
【図23】第2実施形態に係る半導体記憶装置の(a)平面図および(b)断面図。
【図24】本発明の第3実施形態に係る半導体記憶装置の主要部の回路構成図。
【図25】第3実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回路を含む主要部の回路構成図。
【図26】第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
【図27】第3実施形態に係る半導体記憶装置の(a)平面図および(b)断面図。
【図28】本発明の第4実施形態に係る半導体記憶装置の主要部の回路構成図。
【図29】第4実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回路を含む主要部の回路構成図。
【図30】第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
【図31】第4実施形態に係る半導体記憶装置の(a)平面図および(b)断面図。
【図32】本発明の第5実施形態に係る半導体記憶装置の主要部の回路構成図。
【図33】第5実施形態に係る半導体記憶装置の周辺回路を含む主要部の回路構成図。
【図34】第5実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し/書き込みシークエンスを示すタイミング図。
【図35】第5実施形態に係る半導体記憶装置の(a)平面図および(b)断面図。
【図36】本発明の第6実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの(a)−(d)工程順模式断面図。
【図37】本発明の第7実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
【図38】第7実施形態における図37の続きの工程(d)(e)を示す断面図。
【図39】本発明の第8実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
【図40】第7実施形態における図39の続きの工程(d)(e)を示す断面図。
【図41】本発明の第9実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
【図42】本発明の第10実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
【図43】第10実施形態における図42の続きの工程(d)−(f)を示す断面図。
【図44】本発明の第11実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの(a)−(c)工程順模式断面図。
【図45】第11実施形態における図44の続きの工程(d)(e)を示す断面図。
【図46】本発明の第12実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの工程(a)(b)順模式断面図。
【図47】第12実施形態における図46の続きの工程(d)(e)を示す断面図。
【符号の説明】
M0〜CMN 記憶用キャパシタ
REF 参照用キャパシタ
READ 読み出し用トランジスタ
M0〜QMN 選択用MOSトランジスタ
制御用トランジスタ
ブロック選択トランジスタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device capable of storing an ultra-large capacity of gigabits or more, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device including a thin film capacitor made of a ferroelectric thin film.
[0002]
[Prior art]
As the integration density of semiconductor memory devices increases and ultra-large storage capacity of gigabits or more becomes necessary, memory cells will become increasingly smaller, and the capacity of conventional storage capacitors using oxide films will be insufficient. It has become like this. Therefore, in recent years, research and development of a storage device using a ferroelectric thin film as a storage capacitor (hereinafter referred to as “ferroelectric memory”) has been actively carried out, and some of them have already been put into practical use. . Ferroelectric memory is non-volatile, and even if the power is turned off, the contents stored in the memory are not lost, and if the film thickness can be formed sufficiently thin, the spontaneous polarization reversal is fast, which is as fast as DRAM. It is possible to write and read data.
[0003]
At present, two types of ferroelectric memories, which are classified into the following, are broadly considered from the usage forms of ferroelectric thin films.
[0004]
The first ferroelectric memory uses a ferroelectric thin film as a ferroelectric capacitor, and reads a charge at the time of polarization inversion of a ferroelectric capacitor composed of a metal / ferroelectric / metal junction. is there. Its advantage is that the ferroelectric capacitor is made separately, so the creation process is relatively easy, and since the two electrodes of the ferroelectric capacitor are equipotential during standby, polarization is easy to maintain, If the minimum processing dimension is F, it is 8F in a 1-cell 1-transistor (1T / 1C) type cell similar to DRAM24F for NAND type cells and 1T / 1C parallel connection cells (Chain FRAM)2That is, a small memory cell area is possible. Here, assuming that the minimum line width L and the minimum space width S of the pattern constituting the semiconductor memory device, the minimum processing dimension (2F) corresponds to the sum of both (2F = L + S).
[0005]
The second ferroelectric memory uses a ferroelectric thin film as a ferroelectric gate transistor. This is a structure in which a ferroelectric thin film is used as a gate insulating film instead of the gate oxide film of the MOS-FET, and is also called “MFS (metal / ferroelectric / semiconductor) -FET (Field Effect Transistor)”. It is. In this second ferroelectric memory, carriers that compensate the polarization charge of the ferroelectric thin film are induced on the semiconductor surface, so that an inversion layer and a storage layer are formed depending on the polarization direction of the capacitor, and the switching state of the transistor Can be retained.
[0006]
The particular advantage of this device is that it does not read the polarization charge directly, but can amplify and read it as a gain cell. Therefore, the absolute value of the polarization charge amount is not required for memory retention, and scaling with the minimum dimension f is possible as long as the polarization density can be retained. Here, the “minimum dimension f” is a so-called feature size f, and is generally given by L = S = f or L = f, S = 1.5f or the like.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The first ferroelectric memory using the ferroelectric thin film as a ferroelectric capacitor requires that the amount of remanent polarization of the ferroelectric capacitor is more than a certain absolute amount and is difficult to scale with the minimum dimension f. Is a disadvantage. In reading using the current ferroelectric capacitor, the inverted charge of the capacitor is guided to the bit line capacitance, and sensing is performed as a potential difference of the bit line. With the miniaturization, the capacitor area and the inversion charge amount are F2However, since it is difficult to reduce the bit line capacity almost, there is a problem that scaling limits exist.
[0008]
On the other hand, the second ferroelectric memory using the MFS-FET also has the following first to third disadvantages. The first disadvantage is that the process of forming a ferroelectric thin film directly on Si may be difficult. The reason is that PZT (lead zirconate titanate: PbZr) is formed on Si (silicon) which is easily oxidized.XTi1-XOThree), SBT (Strontium bismuth tantalate: SrBi2Ta2O9), BSTO (barium titanate / strontium: BaXSr1-XTiOThreeThis is because it is not easy to form a film while maintaining good crystallinity because the oxide ferroelectric thin film such as) is directly formed.
[0009]
In addition, when a ferroelectric thin film is formed, there is a slight amount of SiO at the interface with silicon (Si).2A layer is produced but SiO2 Even if the layer is as thin as several nanometers, the dielectric constant is much smaller than that of the ferroelectric thin film, so that a considerable part of the voltage applied to the gate electrode of the MSF-FET is SiO 2.2 This is because it includes a problem that the operating voltage becomes high due to being eaten by the layers.
[0010]
In addition, the ideal Si / SiO2 Unlike the interface, the interface state existing at the Si / ferroelectric interface, or the impurity level of heavy metal in the ferroelectric diffused in Si becomes a channel trap of the MFS-FET, and the carrier mobility. It is also considered that the threshold voltage of the MFS-FET is fluctuated in accordance with the interface state density and the impurity state density, as the first disadvantage. These problems become very big problems as a highly integrated LSI.
[0011]
As a second disadvantage, there is a problem of a counter electric field applied to the ferroelectric thin film. In other words, the charge generated by the polarization of the ferroelectric material and the charge induced on the Si surface are ideally equal, so an accumulation layer and a depletion layer or inversion layer are generated depending on the direction of polarization. The shift of the surface potential of Si is added to the ferroelectric thin film as a counter electric field. Since this counter electric field is applied in the direction in which the polarization is reversed, it is difficult to stably maintain the polarization of the MFS-FET.
[0012]
A third disadvantage is that the memory cell size increases. When memory cells made of MFS-FETs are arranged in a matrix form to constitute a semiconductor memory device, a write control transistor and a read are added to one memory cell in addition to an MFS-FET for holding normal information. A control transistor is required. That is, in the case of MFS-FET, one memory cell is composed of three transistors (3T), and 18F2The cell area is as described above, and the memory cell size is larger than that of a ferroelectric memory cell using the first ferroelectric thin film as a ferroelectric capacitor.
[0013]
As described above, the use of either the ferroelectric capacitor in the first memory or the MFS-FET in the second memory has advantages and disadvantages, and a small memory cell configuration, scaling is possible, and ferroelectric polarization is stable. It is not possible to satisfy all the items required for highly integrated semiconductor memory, such as easy holding and process ease.
[0014]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film that can be configured in a small memory cell and that can stably maintain ferroelectric polarization.
[0015]
In addition to the above-described object, there is also provided a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film that has the feature of being capable of scaling, which is an advantage of MFS-FETs, and can be further integrated. It has other purposes.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film that can be easily manufactured.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor memory device according to a first basic configuration of the present invention includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a first of these first electrodes. A storage capacitor comprising at least a ferroelectric thin film sandwiched between second electrodes; a third electrode connected to the first electrode of the storage capacitor; and facing the third electrode A reference capacitor comprising at least a fourth electrode disposed and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes; a first electrode of the storage capacitor and a third of the reference capacitor A reading transistor having a gate electrode connected to the electrode; and a control transistor for adjusting the potential of the storage node, which is the three connection points of the first electrode, the third electrode, and the gate electrode. It is characterized in that arranged in a plurality matrix of Moriseru. In other words, the semiconductor memory device according to the first basic configuration is such that a plurality of memory cells each including at least a storage capacitor, a reference capacitor, a read transistor, and a control transistor are arranged in a matrix.
[0018]
In the present invention, in the following description, a node serving as all connection points of the first electrode of the storage capacitor, the third electrode of the reference capacitor, and the gate electrode of the read transistor is referred to as a “storage node”. In the first basic configuration of the present invention, the external voltage V is connected across the series circuit of the storage capacitor and the reference capacitor.AIs added, the potential V of this storage nodeGIs indicated by the intersection of the polarization-voltage curve (PV curve) of the memory capacitor and the reference capacitor. Since the storage capacitor having the ferroelectric thin film has a ferroelectric hysteresis curve, it can be in a polarization state corresponding to storage of “1” or “0” in advance before the read operation. Depending on the preset polarization state, the PV curve of the storage capacitor differs, and therefore V indicated by the intersection of the PV curves.GCan take different binary values. This different VGThus, if the read transistor is on / off controlled, a signal corresponding to the storage state of “1” or “0” can be output to the read signal line.
[0019]
In the first basic configuration of the present invention, a control transistor is preferably connected between the first and second electrodes of the storage capacitor. That is, by installing a control transistor in parallel with the storage capacitor, the floating / short state of the storage node can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed. Further, at the time of reading, first, the storage capacitor is short-circuited by the control transistor, a voltage is applied only to the reference capacitor to perform precharging, and then the control transistor is turned off, and the first and second storage capacitors are turned off. It is possible to apply a precharge combined readout method in which a low voltage reverse potential is applied between the electrodes to invert the polarization state. In the present invention, in the following description, a unit including a storage capacitor and a control transistor connected in parallel to the storage capacitor is referred to as a “storage cell”.
[0020]
In the first basic configuration of the present invention, it is preferable to connect a control transistor between the third and fourth electrodes of the reference capacitor. By installing a control transistor in parallel with the reference capacitor, the floating / short state of the storage node can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed. Further, at the time of writing, the third and fourth electrodes of the reference capacitor are short-circuited (passed) by the control transistor, and a voltage is applied only to the storage capacitor, thereby enabling low voltage writing. In the present invention, in the following description, a unit including a reference capacitor and a control transistor connected in parallel to the reference capacitor is referred to as a “reference cell”.
[0021]
Further, in the first basic configuration of the present invention, the first control transistor connected between the first and second electrodes of the storage capacitor and the third and fourth electrodes of the reference capacitor are connected. Preferably, the second control transistor is provided. At the time of reading, first, the first control transistor is turned on, the storage capacitor is short-circuited, the second control transistor is turned off, and voltage is applied only to the reference capacitor for precharging. On the other hand, at the time of writing, the second control transistor is turned on, the third and fourth electrodes of the reference capacitor are short-circuited (passed) by the second control transistor, and the first control transistor Low voltage writing is possible by turning off the transistor and applying a voltage only to the storage capacitor. In addition, by installing the first and second control transistors, the floating / short state of the storage node can be quickly switched between reading and writing and standby to increase the operation speed.
[0022]
According to the first basic configuration of the present invention, it is possible to provide a highly integrated semiconductor memory device that is easy to process, has a small memory cell configuration, and is scalable. In particular, for miniaturization, all of the storage capacitor, the reference capacitor, the control transistor (first / second control transistor), and the gate capacitor of the read transistor are proportionally reduced, so the MFS-FET Full scaling is possible as well.
[0023]
The second basic configuration of the present invention includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric sandwiched between the first and second electrodes. A memory cell string (memory cell chain) in which a plurality of memory cells each including a memory capacitor including at least a thin film and a control transistor connected between the first and second electrodes are connected in series; A third electrode electrically joined to the first electrode of the storage capacitor located at the end of the cell row (memory cell chain), and a fourth electrode arranged corresponding to the third electrode; A reference capacitor having at least a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes; a read transistor having a gate electrode electrically connected to the first and third electrodes; Equipped with memory cell The click is characterized in that arranged in a plurality matrix. Here, “electrically coupled” means not only a direct connection but also a circuit configuration in which a short-circuited storage capacitor, storage cell string (storage cell chain), and the like exist between them. It is. In order to randomly access the memory cell column (memory cell chain) in the second basic configuration of the present invention, a block selection transistor may be connected to each memory cell column.
[0024]
In the second basic configuration of the present invention, if the memory cell column is composed of n memory cells connected in series, one memory cell, a block selection transistor, a read transistor, a reference capacitor, and the like are included. In consideration of the area of the block, the memory cell unit is a minimum of 4F.2The size per memory cell is (4 + 20 / n) F.2To (4 + 14 / n) F2It is possible to achieve a high integration density. Furthermore, according to the second feature of the present invention, it is possible to provide a highly integrated semiconductor memory device that can be easily manufactured and can be scaled in pattern dimensions. In particular, for miniaturization, since all of the storage capacitor, the reference capacitor, the control transistor, and the gate capacitor of the read transistor are proportionally reduced, complete scaling similar to that of the MFS-FET becomes possible. In order to select a specific storage capacitor in a memory cell column, a control transistor that is connected in parallel to another storage capacitor to bring the control transistor into a conductive state and is connected in parallel to the specific storage capacitor of interest It is sufficient to turn off only the transistor for use. In this case, when a storage capacitor far from the reference capacitor in the storage cell column is selected, the parasitic capacitance of the control transistor of the storage cell existing between the reference capacitor and the selected storage capacitor is changed to the capacitance of the reference capacitor. Therefore, it may be considered that the operation of reading stored information is affected. In this case, the problem can be solved by adjusting the capacity of the memory cell at each position to be as close to 1: 1 as possible with respect to the sum of the capacity of the reference capacitor and the parasitic capacity of the control transistor. Specifically, the residual polarization amount of the storage capacitor of the storage cell far from the reference capacitor may be gradually increased from the residual polarization amount of the storage capacitor of the storage cell close to the reference capacitor.
[0025]
In the second basic configuration of the present invention, the control transistor connected in parallel to the storage capacitor is referred to as a “first control transistor” and is further connected between the third and fourth electrodes of the reference capacitor. It is preferable to connect a second control transistor. By configuring a reference cell in which a second control transistor is installed in parallel with the reference capacitor, the storage node can be quickly switched between a read / write state and a standby state to increase the operation speed. . Further, at the time of writing, low voltage writing can be performed by short-circuiting (passing) the third and fourth electrodes of the reference capacitor with the second control transistor and applying a voltage only to the storage capacitor. .
[0026]
Note that, although it is a matter common to the first and second basic configurations of the present invention, the amount of charge including a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to the read voltage is applied to the reference capacitor is the storage capacitor. It is preferable that the charge amount is not less than 1/4 and not more than 4 times the amount of charge including a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to. In particular, by making the effective capacitances of the storage ferroelectric capacitor and the reference capacitor substantially equal, the inversion voltage of the ferroelectric capacitor is set to VCThen, about 2VGThe ferroelectric capacitor can be inverted at the operating voltage. At the same time, depending on the polarization state of the initial ferroelectric capacitor, VGSince a voltage difference of a certain degree can be generated, the read transistor can be directly switched by the potential of the storage node.
[0027]
Further, the same applies to both the first and second basic configurations of the present invention, but the dielectric thin film of the reference capacitor may be a paraelectric thin film or a ferroelectric thin film. If the reference capacitor is made of a ferroelectric thin film, the storage capacitor and the reference capacitor can be created at the same time in the same process, which simplifies the process and improves the manufacturing yield. There is.
[0028]
When the semiconductor memory device according to the first and second basic configurations of the present invention is compared with the existing DRAM or FeRAM, the following advantages can be listed. That is,
(1) The minimum memory cell unit is 4F2Is the size of
(2) The absolute value of the accumulated charge is unnecessary and scaling for area reduction is possible.
(3) Since the ferroelectric capacitor can be held at the same potential during standby, it is stable.
(4) It is not sensitive to capacitor leakage or transistor junction leakage.
(5) Random access is possible,
(6) The same operating speed as DRAM can be secured,
(7) Low power consumption due to read / write (R / W) of only cross-point cells,
(8) Since reading is at the bus level, it becomes less sensitive to noise,
(9) The scaling law also applies to the soft error in the bit line mode, and the soft error is not a problem.
(10) Since a read amplifier is included in the block, a sense amplifier for each bit line is unnecessary.
Etc. Further, if the disadvantages are mentioned, there is a concern about the fatigue deterioration of the ferroelectric capacitor due to the destructive readout. Recently, a BSTO ferroelectric capacitor epitaxially grown has been developed, and this fatigue deterioration has been eliminated.
[0029]
Next, a semiconductor device according to the third basic configuration of the present invention includes a plurality of selection MOS transistors connected in series, and a plate electrode facing the storage electrode connected to each common main electrode of the selection transistors. A NAND type storage cell array comprising storage capacitors made of sandwiched dielectric thin films, a reference capacitor electrically coupled to a main electrode of a selection transistor located at an end of the storage cell array, and the selection A plurality of memory cell blocks each including at least a reading transistor having a gate electrode electrically coupled to a connection portion of a main transistor and a reference capacitor are arranged in a matrix.
[0030]
The main point of the third basic configuration is that a NAND type storage cell array using a dielectric capacitor and a reference capacitor are connected in series, and the potential of the storage node which is the connection point between the two is connected to the gate electrode of the read transistor. In addition to reading, each memory cell block is read out. That is, the external voltage V is applied to both ends of a series circuit of one storage capacitor selected by a transistor in the NAND cell string and the reference capacitor.AAdded this storage node NSPotential VGIs indicated by the intersection of the polarization-voltage curve (PV curve) of the memory capacitor and the reference capacitor.
[0031]
In the third basic configuration, the storage capacitor having the ferroelectric thin film has a ferroelectric hysteresis curve, and therefore can be in a polarization state corresponding to the storage of “1” or “0” in advance before the read operation. . The PV curve of the storage capacitor differs depending on the preset polarization state, and therefore V indicated by the intersection of the PV curves.GCan take different binary values. This different VGThus, if the read transistor is on / off controlled, a signal corresponding to the storage state of “1” or “0” can be output to the read signal line.
[0032]
On the other hand, in a storage capacitor having a paraelectric thin film, a charge corresponding to storage of “1” or “0” is stored in the storage capacitor and the selection transistor is turned off, so that the storage state is achieved within the refresh cycle. Can be held. If the selection transistor is turned on at the time of reading and the storage capacitor and the reference capacitor are connected, the storage node N is set according to the charge amount of the storage capacitor accumulated in advanceSVoltage VGCan take different binary values. This different VGThus, if the read transistor is on / off controlled, a signal corresponding to the storage state of “1” or “0” can be output to the read signal line.
[0033]
As described above, the NAND type memory cell has a minimum of 4F.2However, in the conventional circuit, the accumulated charge of the dielectric capacitor in the memory cell is read by the bit line capacitance and determined by the sense amplifier, and therefore, the accumulated charge capacitance of a predetermined ratio to the bit line capacitance is For this reason, miniaturization was difficult. On the other hand, according to the semiconductor device according to the third basic configuration of the present invention, the stored charge of the storage capacitor is read by the capacitance of the reference capacitor, and is determined by the read transistor in the block. For this reason, all of the storage capacitor, the reference capacitor, and the transistor gate capacitor can be scaled proportionally, so that it can be completely scaled with respect to the area as in the MFS-FET, and is highly integrated to the gigabit class. An integrated semiconductor memory device can be realized.
[0034]
In addition, since one reference capacitor and one read transistor need only be added to a NAND type memory cell block composed of a large number of memory cells, the total is 4F.2A small memory cell area close to is possible.
[0035]
When the semiconductor memory device according to the third basic configuration of the present invention is compared with the existing DRAM or FeRAM, the following advantages can be listed. That is,
(1) The minimum memory cell unit is 4F2Is the size of
(2) Since the absolute value of the accumulated charge is unnecessary, scaling for area reduction is possible,
(3) Since the ferroelectric capacitor can be held at the same potential during standby, it becomes stable.
(4) If a ferroelectric capacitor is used as a memory capacitor, memory retention becomes insensitive to capacitor leakage and transistor junction leakage, and cell separation becomes easy.
(5) An operation speed comparable to that of DRAM can be secured.
(6) Since reading to the bit line is at the bus level, it is less sensitive to noise,
(7) The scaling law is applied to soft errors, making them insensitive,
(8) Since a read amplifier is included in the block, a sense amplifier for each bit line is not necessary.
(9) Since one of the storage capacitors is commonly connected to the plate electrode, the cell structure and process are easy.
Etc.
[0036]
In addition, the disadvantages are that the random access for each bit cannot be performed because of the NAND structure, and R / W is in block units. Further, although there is a concern about the fatigue deterioration of the ferroelectric capacitor due to destructive readout, a BSTO ferroelectric capacitor that has been epitaxially grown has been developed recently, and is similar to the semiconductor memory device according to the first and second basic configurations. Such a problem of fatigue deterioration has been considerably reduced.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of a semiconductor memory device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Before describing a specific embodiment, the basic operation of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS.
[0038]
In the equivalent circuit diagram shown in FIG. 1, the semiconductor memory device is sandwiched between a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and the first and second electrodes. Memory capacitor C having at least a ferroelectric thin filmMAnd storage capacitor CMA third electrode connected to the first electrode, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. Reference capacitor C provided at leastREFAnd storage capacitor CMFirst electrode and reference capacitor CREFRead transistor Q having a gate electrode connected to the third electrodeREADAnd storage capacitor CMFirst electrode and reference capacitor CREFControl transistor Q having a source or drain connected to a connection point with the third electrodeCAnd at least a memory cell.
[0039]
2 (a) and 2 (b) show the storage capacitor C shown in FIG.MAnd a reference capacitor C using a paraelectric thin filmREFThe operation diagrams of the storage “1” read operation and the storage “0” read operation when an external voltage is applied between the AB terminals of the cells connected in series are shown. Here, in the polarization-voltage curve (PV curve) shown in FIGS. 2A and 2B, the horizontal axis represents voltage (V) and the vertical axis represents dielectric polarization (P). Ferroelectric capacitor C as memory capacitorMIs the reverse voltage of VC, Externally applied voltage VA, Storage node N which is a connection point of both capacitorsSThe potential of VGAnd Ferroelectric capacitor CMThe P-V curve has a ferroelectric hysteresis curve as shown in FIGS. FIG. 2A shows a ferroelectric capacitor C.MIs a polarization state corresponding to the storage of “1” in advance before the read operation, and FIG.MShows a case where the polarization state corresponds to the storage of “0”. Reference capacitor C using paraelectric thin filmREFIs represented by a straight line having a slope corresponding to the capacity.
[0040]
External voltage V between the A and B terminals of the cellAStorage node NSPotential VGIs indicated by the intersection of the PV curves of the storage capacitor and the reference capacitor. As can be seen from FIG. 2A and FIG. 2B, since the PV curves are different, the potential V of the storage node when the polarization state corresponding to the storage of “1” is set in advance.G 1And the potential V of the storage node in the polarization state corresponding to the storage of “0”G 0Is different.
[0041]
Memory capacitor CMVoltage V for invertingAIs a reference capacitor CREFThe capacitance of the reference capacitor C becomes lower as the capacitance of the capacitor is larger (inclination is greater in FIGS. 2A and 2B).REFIt is desirable to have a larger capacity. On the other hand, VAV when addingGΔV depending on the storage state of the voltage read inG= VG 1-VG 0Conversely, the reference capacitor CREFThe smaller the capacity, the larger. In this respect, it is desirable that the reference capacitor has a small capacitance. Therefore, taking into account both the inversion voltage and the read voltage, the storage capacitor CMAnd reference capacitor CREFHave substantially the same capacitance, that is, the storage capacitor CMThe reversal polarization charge obtained when the reversal voltage is applied to the reference capacitor CREFIt is desirable that the charge obtained when added to is approximately the same. More broadly, the substantial capacity ratio is allowed to be not less than 1/4 and not more than 4 times.
[0042]
Memory capacitor CMAnd reference capacitor CREFWhen the capacity ratio is 1: 1, VAIs VGTwice as large as VGDifference △ VGIs almost VCIt becomes the same level as. Therefore, the storage capacitor C having an inversion voltage of 1V is used.MIf you use VAIs about 2V, △ VGAs a result, a difference of about 1V is obtained.
[0043]
Next, storage node NSIncludes a read transistor QREADConnected to the gate electrode of VGDifference △ VGThe memory state is discriminated by. At this time, the read transistor QREADThe gate capacitance of the storage capacitor CMAnd reference capacitor CREFIs connected in parallel to the storage capacitor CMAs a residual polarization of 10 μC / cm2If a normal ferroelectric capacitor of about a certain size is used, the read transistor Q having the same area is used.READStorage capacity of the storage node N is 1/10 or less.SAlmost no change in the potential. In the above example, VGDifference △ VGAs a result, about 1V can be obtained as the read transistor Q.READMOS transistor Q used as a threshold voltage is larger than about 700 mV, and the MOS transistor Q directly by the gate voltageREADReading can be performed by on / off control of the.
[0044]
In addition, the storage capacitor CMWhen the squareness ratio of the ferroelectric hysteresis curve is good, the reference capacitor CREFBy reusing the electric charge read out in step (b), rewriting can be continued following the reading operation. That is, as shown in FIG.RAppropriate rewrite voltage V in the opposite directionWBy adding a storage capacitor CMCan be returned to the state before the reading operation.
[0045]
FIG. 3A shows a ferroelectric capacitor C.MFIG. 3B shows a case where the polarization state corresponding to the storage of “1” is made in advance before the read operation. FIG.MShows a case where the polarization state corresponds to the storage of “0”. When continuous rewriting is not performed as shown in FIGS. 3A and 3B, as shown in FIG. 7A, the reference capacitor CREFThe control transistor is connected in parallel, and the control transistor is turned on (on state), and the reference capacitor CREFIs directly connected to the capacitor C for direct storage.MOnly voltage can be applied to write data.
[0046]
Reference capacitor CREF1 is not limited to the paraelectric thin film as shown in FIG. 1, and may be a ferroelectric thin film as shown in FIG. Reference capacitor CREFFirst, a method of reading a memory by using a ferroelectric substance and applying a voltage directly between the A and B terminals in the circuit diagram shown in FIG. 4 will be described. When a ferroelectric capacitor is used as the reference capacitor, it is necessary to polarize the reference capacitor in one direction before reading. In the circuit diagram shown in FIG. 4, the control transistor is turned on, and a negative voltage is applied between the BC terminals to polarize the reference capacitor in one direction. Next, the control transistor is turned off, and a negative read voltage V is connected in series between the storage capacitor and the reference capacitor between the A and B terminals.AAdd
[0047]
FIG. 5A shows a storage capacitor C.MShows an operation diagram in the read operation when “1” is written in the state of “1” in the drawing. Negative read voltage V at terminal BAStorage node NSPotential VGIs indicated by the intersection of the PV curve of the storage capacitor and the PV straight line of the reference capacitor, and the potential at that time is VG 1It becomes. FIG. 5B shows an operation diagram in the read operation when the storage capacitor is polarized in the opposite direction, that is, when it is written in the state of “0”. From the same analysis, the storage node potential VG 0Is obtained. Thus, the read voltage V substantially corresponding to the sum of the inverted voltage of the storage capacitor and the reference capacitorAAs in the case where the paraelectric thin film is used for the reference capacitor, a sufficient voltage difference V at the storage node depending on the storage state.G 1-VG 0Can be obtained.
[0048]
Next, the reference capacitor CREFThe readout in the precharge mode when a ferroelectric thin film is used will be described. In the circuit diagram shown in FIG. 4, the positive voltage V is applied to the terminal B while the control transistor is turned on and the terminals A and C are kept at the same potential.pre eTo invert the reference capacitor and perform a precharge operation. Next, the control transistor is turned off, the precharge voltage is set to 0, and the terminal B is returned to the same potential as the terminals A and C. Operation diagrams at this time are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). In the case of a ferroelectric capacitor, since the dielectric constant after polarization inversion is small, the charge stored by precharge is small, and the storage capacitor cannot be inverted by only this precharge charge. However, since the PV curve differs depending on the polarization direction of the storage capacitor, the potential difference V of the storage nodeG 1-VG 0Can be obtained as well. This reading method also has an advantage that the ferroelectric capacitor can be read without being inverted while using the ferroelectric capacitor.
[0049]
Storage capacitor CMPZT system, SBT system (especially SrBi mainly composed of bismuth (Bi))2Ta2O9It is possible to use a thin film capacitor made of an epitaxial BSTO-based ferroelectric thin film having a Ba-rich composition. Of these, epitaxial BSTO capacitors are particularly excellent in terms of stability and film thickness. Reference capacitor CREFAs silicon oxide (SiO2), Tantalum oxide (Ta2OFive), A paraelectric capacitor using BSTO having a Sr-rich composition, and the above-described ferroelectric capacitor can be used.
[0050]
FIG. 7A to FIG. 7B are circuit diagrams for explaining the basic configuration of the present invention. FIG. 7A shows a reference capacitor C.REFFIG. 6 is a circuit diagram when a control transistor is connected between the third and fourth electrodes. Reference capacitor CREFStorage node N by installing a control transistor in parallel withSThe floating / short state can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed. At the time of writing, the reference capacitor CREFThe third and fourth electrodes are short-circuited (passed) by the control transistor, and the storage capacitor CMBy applying a voltage only to this, low voltage writing becomes possible.
[0051]
FIG. 7B shows the storage capacitor C as described above.MA case where a control transistor is connected between the first and second electrodes is shown. Memory capacitor CMBy installing a control transistor in parallel, the floating / short state of the storage node can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed. At the time of reading, first, the storage capacitor CMIs short-circuited by the control transistor, and the reference capacitor CREFPrecharge by applying a voltage only to the capacitor, and then the control transistor is turned off, and the storage capacitor CMA precharge combined readout method in which a low voltage reverse potential is applied between the first and second electrodes to invert the polarization state becomes possible.
[0052]
FIG. 7C shows the storage capacitor C.MA first control transistor connected between the first and second electrodes and a reference capacitor CREFFIG. 6 is a circuit diagram in a case where a second control transistor connected between the third and fourth electrodes is provided. At the time of reading, first, the first control transistor is turned on, and the storage capacitor CMAnd the second control transistor is cut off, and the reference capacitor CREFPrecharge is performed by applying a voltage only to these. On the other hand, at the time of writing, the second control transistor is turned on, and the reference capacitor CREFThe third and fourth electrodes are short-circuited (passed) by the second control transistor. Then, the first control transistor is turned off, and the storage capacitor CMBy applying a voltage only to this, low voltage writing becomes possible. Further, by installing the first and second control transistors, the storage node NSThe floating / short state can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed.
[0053]
FIG. 8A and FIG. 8B are circuit diagrams respectively showing specific configurations for further integrating the semiconductor memory device of the present invention. The memory device shown in FIG. 8A includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric sandwiched between the first and second electrodes. A plurality of storage capacitors C comprising at least a thin filmM0, CM1, CM2, CM3,... And each storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3,..., A control transistor Q connected between the first and second electrodes.CA memory cell string (memory cell chain) in which a plurality of memory cells are connected in series; and a storage capacitor C located at an end of the memory cell string (memory cell chain)M0A third electrode electrically coupled to the first electrode, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes Reference capacitor C having at leastREFA read transistor Q having a gate electrode electrically coupled to the first and third electrodesREADA memory cell block including at least
[0054]
The semiconductor memory device of the present invention has a plurality of memory cell blocks arranged in a matrix. If the memory cell string is composed of n memory cells connected in series, the memory capacitor C located at the other end of the memory cell string (memory cell chain)Mn-1The second electrode has a selection transistor (block selection transistor) QSIs connected. These n memory cells, block selection transistor QSRead transistor QREAD, And reference capacitor CREFIn consideration of the area of one block including etc., the memory cell unit has a minimum of 4F.2The size per memory cell is (4 + 20 / n) F.2To (4 + 14 / n) F2It is possible to achieve a high integration density. Specific storage capacitor C in the storage cell columnMyIs selected, the word line WL of the control transistor (nMOSFET) connected in parallel to another storage capacitor is set to a high level to be in a conductive state, and is connected in parallel to a specific storage capacitor of interest. Control transistor (nMOSFET) word line WLyOnly the control transistor (nMOSFET) should be cut off.
[0055]
Further, as shown in FIG. 8B, the storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3Control transistors Q connected in parallel to each otherCAs a first control transistor and a reference capacitor CREFThe second control transistor Q between the third and fourth electrodesC2When connected. Reference capacitor CREFIn parallel with the second control transistor QC2Storage node N by installingSThe floating / short state can be quickly switched between read / write and standby to increase the operation speed. At the time of writing, the reference capacitor CREFBetween the third and fourth electrodes of the second control transistor QC2Short-circuited (passed) at a specific storage capacitor CMyBy applying a voltage only to this, writing at a low voltage becomes possible.
[0056]
9 (a) and 9 (b) show the reference capacitor C in FIGS. 8 (a) and 8 (b).REF2 is a circuit diagram in the case where each is formed of a ferroelectric thin film. That is, FIG. 9B shows the reference capacitor C.REFIn parallel with the second control transistor QC2FIG. 9A shows a reference capacitor C.REFParallel to the second control transistor QC2This is the case where Reference capacitor CREFIs made of a ferroelectric thin film, the storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ... and reference capacitor CREFCan be created at the same time in the same process, which simplifies the process and improves the production yield.
[0057]
FIG. 10 is a circuit diagram for further integration of the semiconductor memory device of the present invention, which is an example in which a ferroelectric capacitor is used as a memory capacitor. That is, a plurality of selection MOS transistors Q connected in seriesM0-QMN(Q in the figureM0-QM2And a storage capacitor C comprising a ferroelectric thin film sandwiched between a storage electrode connected to each common main electrode of these selection transistors and a plate electrode facing the storage electrode CM0-CMN(Similarly, CM0-CM2NAND type memory cell column consisting of: and the selection transistor Q located at the end of the memory cell columnM0Reference capacitor C electrically coupled to the main electrode ofREFAnd a straight node N which is a connection portion between the main electrode of the selection transistor and the electrode of the reference capacitorSRead transistor Q having a gate electrode electrically coupled toREADAnd at least a memory cell block.
[0058]
In this example, the other electrode disposed opposite to the electrode connected to the storage node of the reference capacitor is connected to the plate electrode PE, and the storage node NSR / W control transistor QR / WTo the bit line BL.
[0059]
Now, the first capacitor C in the memory cell columnM0The read operation will be described. Transistor QR / WAnd turn on QM0And QM1And turn off the reference capacitor C by the bit line BL.REFPrecharge voltage VPIs applied to perform precharge. Next, transistor QR / WTransistor QM0Is turned on and a read operation is performed.
[0060]
First capacitor C in the NAND type memory cell columnM0After reading the memory contents of the capacitor C, the same sequence is repeated, so that the capacitor CM1, CM2, ... CMk, ... CMNThe memory contents of can be read. That is, the capacitor CMkTo read the memory contents of the transistor QR / WAnd QM0To QMk-1Turn on all of the transistors, Q,MkAnd turn off the reference capacitor C by the bit line BL.REFAnd memory capacitor CM0To CMk-1Precharge voltage VPIs applied to precharge. Next, transistor QR / WAnd turn off the transistor QM0The read operation is performed with the switch off.
[0061]
At this time, as a characteristic of the NAND cell column, the capacitor CMkWhen reading the memory contents of, the C of the procedure that has already been readM0To CMk-1It is a problem that the capacitance of the paraelectric component of the capacitor is added as a parasitic capacitance. If this parasitic capacitance becomes too large, the read operation is hindered. Therefore, in order to use a NAND cell string having a large number of memory cells, it is necessary to reduce the parasitic capacitance as much as possible. That is, it is effective to reduce the paraelectric component by increasing the squareness ratio of the memory ferroelectric capacitor.
[0062]
On the other hand, in writing, data is written in order from the capacitor farthest from the bit line in common with the memory having the NAND type memory cell column. Capacitor CMkTo write to transistor QR / WAnd QM0To QMkTurn on allMk + 1Is turned off and the write voltage V is applied to the plate electrode by the bit line BL.AIs applied and a voltage higher than the coercive voltage is applied to the ferroelectric capacitor for memory.
[0063]
According to the present invention, various circuit configurations can be added to the basic circuit configuration including the memory cell column, the reference capacitor, and the read transistor. FIG. 15A to FIG. 15D show some examples.
[0064]
In the circuit shown in FIG.
(1) Reference capacitor CREFStorage node NSConnected to the plate electrode PE of the other electrode placed opposite to the electrode connected to the R / W control transistor QR / WTo storage node NSAnd the bit line BL.
[0065]
In this circuit, only a read operation by precharge is possible, but in a write operation, a write voltage can be directly applied to the storage capacitor.
[0066]
In the circuit shown in FIG.
(2) Reference capacitor CREFStorage node NSThe other electrode disposed opposite to the electrode connected to the second electrode is connected to a second drive line DL (may be called a drive line or a complementary bit line BL-), and an R / W control transistor QR / WTo storage node NSAnd the bit line BL.
[0067]
In this circuit, since a potential complementary to the plate electrode potential can be applied between BL and DL during the precharge operation, the operating voltage can be reduced by the large precharge. The operating speed can be increased. In the write operation, a write voltage can be directly applied to the storage capacitor.
[0068]
In the circuit shown in FIG.
(3) Reference capacitor CREFStorage node NSThe other electrode disposed opposite to the electrode connected to the bit line BL is connected to the bit line BL, and the R / W control transistor QR / WReference capacitor CREFIn parallel with storage node NSAnd the bit line BL.
[0069]
In this circuit, only the read operation by applying the read voltage is possible, but in the write operation, the write voltage can be directly applied to the storage capacitor.
[0070]
Furthermore, in the circuit shown in FIG.
(4) Reference capacitor CREFStorage node NSThe other electrode disposed opposite to the electrode connected to the bit line BL is connected to the bit line BL, and the first R / W control transistor QR / W1Reference capacitor CREFIn parallel with storage node NSAnd a second R / W control transistor Q between the bit line BL and the bit line BL.R / W2To storage node NSAnd the plate electrode PE.
[0071]
In this circuit, a read operation using precharge is possible, and a write voltage can be directly applied to the storage capacitor.
[0072]
As described above, various read and write modes can be supported by adding some elements to the basic configuration.
[0073]
In the circuit shown in FIG. 15D, the reference capacitor CREFAs an alternative, a ferroelectric capacitor may be used instead of the paraelectric capacitor. In this case, the first capacitor C of the memory cell columnM0The read operation will be described with reference to FIG. Transistor QR / W1Q offR / W2And a precharge voltage V equal to or higher than the coercive voltage of the reference ferroelectric capacitorPIs applied between the plate electrode PE and the bit line BL to polarize the reference capacitor in one direction. Next, the potential of the bit line BL is returned to the same potential as that of the plate electrode PE, and the transistor QM0And turn on the reference capacitor C by the bit line BL.REFAnd memory capacitor CM0In series, the read voltage V in the direction opposite to the precharge voltage with respect to the plate electrode potentialAIs applied to read out data. Storage node N at this timeSIt can be understood that the operation diagram of FIG. 6 basically operates in the same manner as a reference capacitor using a paraelectric material. Depending on the polarization state corresponding to the storage of “1” or “0” of the storage capacitor in advance, different storage nodes NSVoltage VG 1Or VG 0It can be seen that Storage node NSRead transistor Q with a gate electrode connected toREADThe memory state is discriminated by.
[0074]
In writing, transistor QR / W1And turn on the transistor QR / W 2And turn off the transistor QM0Is turned on and the storage capacitor C is connected by the bit line BL.M0Write voltage VAIs directly applied to perform the write operation.
[0075]
Next, a case where an asymmetrical ferroelectric capacitor in which the center of the ferroelectric hysteresis is shifted from 0 V is used as the storage capacitor as shown in FIGS. 11A and 11B will be described. Such asymmetric ferroelectric capacitors are often observed when using epitaxial ferroelectric films (eg, K. Abe, S. Komatsu, N. Yanase, K. Sano and T. Kawakubo: 'Asymmetric Ferroelectricity and Anomalous Current Conduction in Heteroepitaxial BaTiOThree Thin Films ’, Japan Journal of Applied Physics, Vol. 36, Part 1, No. 9B, pp. 5846-53 (1997)).
[0076]
As shown in FIG. 11A, an asymmetric capacitor cannot be used as a nonvolatile memory because one polarization state is stable and the other polarization state is metastable. However, as shown in FIG. 11B, the voltage V corresponding to the shift of the center of hysteresis.fIs applied, the polarization in two directions can be stably maintained as in the case of a normal ferroelectric capacitor. Therefore, the circuit of the present invention can be used as an SRAM (Static Random Access Memory) that statically holds memory.
[0077]
That is, the transistor Q is in a standby state for holding the memory.M0To QMNAll on and capacitor C through bit line etc.M0To CMNThe voltage V always corresponds to the deviation of the center of hysteresis.fThe memory is stably held by applying. On the other hand, transistor QM0To QMNAll of the above can be temporarily turned off, and reading / writing can be performed in the same sequence as when the above-described ordinary ferroelectric capacitor is used. In the ferroelectric capacitor whose center voltage is positively shifted as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), the readout voltage is negative, and conversely, the ferroelectric whose center voltage is negatively shifted is shown. In the capacitor, it is advantageous in terms of circuit operation that the read voltage is a positive voltage.
[0078]
Next, a case where a paraelectric capacitor is used as the storage capacitor will be described. FIG. 12 shows a storage capacitor C in the circuit shown in FIG.MIn this example, a paraelectric capacitor having a nonlinear storage capacity is used instead of a ferroelectric capacitor. In the circuit shown in FIG. 12, the first capacitor C in the memory cell rowM0The read operation will be described with reference to FIG. Transistor QR / WTransistor QM0And turn off the reference capacitor C by the bit line BL.REFPrecharge voltage VPIs applied to precharge. Next, the potential of the bit line BL is returned to the same potential as the plate electrode PE, and the transistor QR / WAnd turn off the transistor QM0Is turned on to perform a read operation. Storage node N at this timeSFIG. 13A and FIG. 13B show the operation diagrams of FIG. 13, and it can be understood that the operation is basically similar to that of the storage capacitor using the ferroelectric. Depending on the polarization state corresponding to the storage of “1” or “0” of the storage capacitor in advance, different storage nodes NSVoltage VG 1Or VG 0It can be seen that Storage node NSRead transistor Q with a gate electrode connected toREADThe memory state is discriminated by.
[0079]
First capacitor C in the NAND type memory cell columnM0After reading the memory contents of the capacitor C, the same sequence is repeated, so that the capacitor CM1, CM2, ... CMk, ... CMNThe memory contents of can be read. That is, the capacitor CMkTo read the memory contents of the transistor QR / WAnd transistor QM0To QMk = 1Turn on allMkAnd turn off the reference capacitor C by the bit line BL.REFPrecharge voltage VPIs applied to precharge. Next, transistor QR / WAnd turn off the transistor QMkIs turned on to perform a read operation.
[0080]
However, as a problem of the NAND cell array using the paraelectric capacitor, the capacitor CMkWhen reading the memory contents of the previous C,M0To CMk-1The capacitance of the capacitor up to is added as a parasitic capacitance. If this parasitic capacitance becomes too large, the read operation is hindered. Therefore, in order to use a NAND cell string having a large number of memory cells, it is necessary to reduce the parasitic capacitance as much as possible.
[0081]
In a capacitor using a normal silicon oxide film or silicon nitride film, since the dielectric constant is always constant regardless of the bias voltage, the storage capacity when each storage capacitor in the NAND type cell array is used as a memory cell. The parasitic capacitance when acting as a parasitic capacitor on the front side of the memory cell is the same. Therefore, when all the storage capacitors and the reference capacitors have the same capacitance, the total capacitance including the reference capacitor and the parasitic capacitor at the time of reading increases in proportion to the position of the storage capacitor to be read. become. That is, the total capacitance of the read-side capacitor when reading the k-th capacitor is k times the reference capacitor capacitance, and the read voltage decreases almost in inverse proportion to the increase in the total capacitance, so that the read transistor operates. No longer.
[0082]
One way to alleviate this problem is to use a dielectric film with a non-linear capacitance. The dielectric constant is constant because the silicon oxide film and the silicon nitride film are electronically polarizable. However, an ion polarizable dielectric such as a perovskite oxide ferroelectric has a bias voltage dependency of the dielectric constant. Capacitors having nonlinear capacitance characteristics can be created. FIG. 14 shows a large characteristic of a paraelectric capacitor having a large non-linearity measured with an epitaxial BSTO paraelectric film. The capacitance decreases rapidly by applying a bias voltage of ± several V, and is less than a fraction of become. Therefore, when accumulating charges, it is possible to effectively use a region having a large capacitance near 0 V, and when acting as a parasitic capacitor, a bias voltage is applied by precharging and a portion having a small capacitance can be used. Become. By using such a non-linear capacitance capacitor, it becomes possible to use a NAND type memory cell array including many paraelectric capacitor memory cells. Note that, within the operating voltage range, it is desirable that the peak capacitance value is at least twice the minimum capacitance value.
[0083]
The write operation is the same as that of a ferroelectric capacitor. Transistor QR / WAnd QM0To QMkIs turned on and the storage capacitor C is connected by the bit line BL.MkWrite voltage VAIs directly applied to perform a write operation. As described above, the dielectric film of the reference capacitor may be a paraelectric material or a ferroelectric material. Even a ferroelectric film can be read out in the same manner as a paraelectric film if it is polarized in one direction by precharging in advance before the reading operation. When the storage capacitor is a ferroelectric capacitor, the reference capacitor is also a ferroelectric capacitor, and when the storage capacitor is a paraelectric capacitor, the reference capacitor is also a paraelectric capacitor. Capacitor can be produced in the same process, and the process can be simplified and the production yield can be improved, which has a great advantage.
[0084]
In addition, as described above, when a memory far from the reference capacitor is selected in the NAND type memory cell column, the paraelectric component of the storage capacitor existing between the reference capacitor and the selected storage capacitor is changed to the read mode. Depending on the case, it may be added to the capacity of the reference capacitor or added to the capacity of the selected storage capacitor, which may affect the memory read operation. In this case, the capacitance of the storage capacitor at each position is as close to 1: 1 as possible with respect to the sum of the capacitance of the reference capacitor and the parasitic capacitance composed of the paraelectric component of the storage capacitor according to the read mode. It can be solved by adjusting to. Specifically, the residual polarization amount of the storage capacitor farther from the reference capacitor is gradually increased or decreased depending on the read mode than the residual polarization amount of the storage capacitor close to the reference capacitor. That is.
[0085]
As a ferroelectric capacitor for storage, a thin film made of a ferroelectric curtain of PZT (lead zirconate titanate), SBT (strontium bismuth titanate), or epitaxial BSTO (barium titanate titanate). Although a capacitor can be used, an epitaxial BSTO type capacitor is particularly excellent in terms of stability and film thickness.
[0086]
In addition, it is possible to use a dielectric film such as silicon oxide or tantalum oxide as a paraelectric capacitor for storage, but considering the absolute value of capacitance and the magnitude of nonlinearity, an epitaxial BSTO-based capacitor can be used. Paraelectric capacitors are particularly superior. As a reference capacitor, a paraelectric capacitor using silicon oxide, tantalum oxide, or BSTO, or the above-described ferroelectric capacitor can be used.
[0087]
From the above, the basic matters of the present invention can be understood. Next, first to twelfth embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios between the drawings are included.
[0088]
(First embodiment)
FIG. 16 is a diagram showing a circuit configuration of main parts of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 16, the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention includes a plurality of memory capacitors C connected in series.M0, CM1, CM2, ..., CM15And this storage capacitor CM0, CM1, CM2, ..., CM15Memory cell string (memory cell chain) composed of control transistors connected in parallel to each of the memory cells, and a storage capacitor C located at the end of the memory cell chainM15Reference capacitor C connected toREFAnd storage capacitor CM15And reference capacitor CREFTransistor Q for reading having a gate electrode connected to a connection point (connection node)READAnd a storage capacitor C located at the other end of the storage cell chainM0Selection transistor (block selection transistor) Q connected toSA memory cell block having at least the above is configured as a basic unit.
[0089]
Each storage capacitor CM0, CM1, CM2, ..., CM15Each includes at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. . Reference capacitor CREFIs a storage capacitor CM15A third electrode electrically coupled to the first electrode, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes And at least. 8A and 8B are the storage capacitor C.M0, CM1, CM2, ..., CM15Note that the order of the sequences is reversed, but only a matter of order. In the semiconductor memory device according to the first embodiment, a plurality of memory cell blocks are arranged in a matrix. In FIG. 16, two blocks [A] and two blocks [B] are included. Only one is shown. Block selection transistor Q in the upper column of block [A]SAre connected to the bit line BL0 and are connected to the block selection transistor Q in the lower column of the block [A].SIs connected to the bit line BL1. The block selection transistor Q in the upper column of the block [B]SAre connected to the bit line BL0 and the block select transistor Q in the lower column.SIs connected to the bit line BL1.
[0090]
Storage capacitor C of block [A]M0, CM1, CM2, ..., CM15A word line WL0 is connected to each gate electrode of the control transistor connected in parallel with each other.A, WL1A, WL2A, ..., WL15AIs connected. Similarly, the storage capacitor C of the block [B]M0, CM1, CM2, ..., CM15A word line WL0 is connected to each gate electrode of the control transistor connected in parallel with each other.B, WL1B, WL2B, ..., WL15BIs connected. Block selection transistor Q of block [A]SEach of the gate electrodes of the word line BS of the block selection transistorAIs the block selection transistor Q of the block [B].SEach of the gate electrodes of the word line BS of the block selection transistorBIs connected. Reference capacitor C for block [A]REFIncludes a reference capacitor control transistor Q on the gate electrode.REFWord line WRAControl transistor Q connected toREFIs the reference capacitor C of the block [B].REFIncludes a word line WR of a reference capacitor control transistor at the gate electrode.BControl transistor Q connected toREFIs connected.
[0091]
Read transistor Q of each memory cell blockREADOne of the main electrodes of the read power supply line VLA, VLBHowever, the other main electrode has a read output line SL.A, SLBIs connected. In this embodiment, the read transistor QREADTwo sets of read output lines SL connected alternately toAAnd SLBIs provided. Further, a plate line PL is connected to a connection point between the reference capacitor control transistor of the block [A] and the reference capacitor control transistor of the block [B]. In FIG. 16, the storage capacitor CM0, CM1, CM2, ..., CM15Control transistor and readout transistor Q connected in parallel with each otherR EAD, Block selection transistor QS, And reference capacitor control transistor QREFIs shown as an nMOSFET, but it can also be constituted by a pMOSFET.
[0092]
FIG. 17 shows a connection diagram including peripheral circuits. Each word line WL0 of block [A]A, WL1A, WL2A, ..., WL15AThe word line WL0 of the block [B] is sent to the row decoder A402.B, WL1B, WL2B, ..., WL15BAre connected to a row decoder B401, and each bit line BL0, BL1,... Is connected to a column decoder 411.
[0093]
In the configurations shown in FIGS. 16 and 17, BLx (x = 0, 1) and WLy in block [A]AIn order to select a desired memory cell designated at the intersection of (y = 0, 1, 2,..., 15), the word line BSAIs set to “1 (high level)” and the block selection transistor QSOn, WLyAOnly “0 (low level)” and the storage capacitor CMyTurn off the control transistor connected to the other WLATo “1” and constant potential {eg (1/2) VG} Is applied by applying a potential to BLx. At the time of reading, the word line WR of the reference capacitor control transistorAOff, write word line WRATurn on. Similarly, BLx (x = 0, 1) and WLy in block [B]BIn order to select a desired memory cell designated at the intersection of (y = 0, 1, 2,..., 15), the word line BSBBlock select transistor QSOn, WLyBOnly “0” and the storage capacitor CMyTurn off the control transistor connected to the other WLBTo “1” and constant potential {eg (1/2) VG} Is applied by applying a potential to BLx. At the time of reading, the word line WR of the reference capacitor control transistorBIs set to “0”, the word line WR is writtenBSet to “1”.
[0094]
FIG. 18 further shows a read / write sequence when the “precharge read method” is employed. That is, in the precharge readout method, WLyA, WLyBBefore selecting the reference capacitor CREFApply reverse voltage to the capacitor ofA, WLyBBy selecting a positive voltage after selecting the memory capacitor CMyThe voltage is substantially reversed by applying a voltage about twice as high.
[0095]
FIG. 19A is a plan view showing a memory cell block, and for simplification, only a lower layer than the level of the A-A ′ line in the cross-sectional view shown in FIG. 19B is shown. In FIG. 19A, n+Source / drain regions 21, 22 and a word line BS to be a polysilicon gate electrodeBAnd the block selection transistor Q of the block [B].SIs configured. Where "n+“Source / drain region” means either a source region or a drain region of a MOSFET. Usually, the source region and drain region of the MOSFET are formed symmetrically with the gate electrode as the center, so it is only a matter of naming which is called the source region of the MOSFET or the drain region of the MOSFET. Only. n+The source / drain region 21 functions as a “bit line connection portion”. Similarly, n+Source / drain regions 22 and 23 and word line WL0 serving as a polysilicon gate electrodeBAnd the storage capacitor C of the block [B].M0Are connected in parallel to each other. N+Source / drain regions 23, 24 and word line WL1BAnd the storage capacitor CM1Control transistor connected in parallel to n+Source / drain regions 24, 25 and word line WL2BAnd the storage capacitor CM2Control transistors connected in parallel to each other,..., N+Source / drain regions 26 (not shown), 27 and word line WL15BAnd the storage capacitor CM15Are connected in parallel to each other. n+The source / drain regions 23, 25,...M0, CM1, CM2, ..., CM15The lower electrodes 42, 43,..., 44 functioning as the first electrode or the second electrode are connected. N+The source / drain regions 31 and 32 and the polysilicon gate electrode 531, or the regions 32 and 33 and the gate electrode 532, read transistor QREADIs formed. n+The source / drain regions 31 are formed along the column (row) direction and read out output lines SL.BN+The source / drain regions 32 are also formed in the column (row) direction and read power supply line VL.BDoubles as And n+Source / drain regions 28 and 29 and word line WRBThus, a reference capacitor control transistor is formed. n+The source / drain region 29 functions as a “plate line connecting portion” and is connected to the plate line PL. The plate line PL is connected to a reference capacitor C.REFThis also serves as the lower electrode 45 functioning as the fourth electrode. Although the block [B] will be mainly described, the block [A] has the same configuration as the block [B].
[0096]
As shown in FIG. 19A, each of the block selection transistors Q is included in one block [A] or block [B] sandwiched between the bit line connection portion and the plate line connection portion.S, N storage capacitors CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15N control transistors connected in parallel therewith, read transistor QREADReference capacitor CREF, And a reference capacitor control transistor. Memory cell size is 4F2The area other than the memory cell including the contact portion per block is 28F.2Therefore, (4 + 28 / n) F per memory cell2become. In the first embodiment, the ferroelectric capacitor is 20 μC / cm.2Therefore, it was found that even if 16 memory cells are connected in series, the device operates stably. Therefore, 5.8F per piece2It became the size of.
[0097]
FIG. 19B is a cross-sectional view along the B-B ′ direction of the plan view shown in FIG. As shown in FIG. 19B, in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, a p-well 12 is formed on a semiconductor substrate 11, and an n-type surface is formed on the surface of the p-well 12.+Source / drain regions 21, 22, 23,..., 30 are provided. Then, a word line BS serving as a polysilicon gate electrode is formed on the gate oxide film on the surface of the p-well 12.B, WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15B, WRBAnd WRAhave. In the cross-sectional view of FIG. 19B, the cross section of the wiring portion of the polysilicon gate electrode 532 is also exposed. Although FIG. 19B shows a single-layer polysilicon gate electrode, a two-layer structure including a polysilicon gate layer and a W gate layer may be used instead of the single-layer polysilicon gate electrode. In addition to the W gate layer, refractory metals such as Ti, Mo, Co, or WSi2, TiSi2, MoSi2, CoSi2A refractory metal silicide such as may be used.
[0098]
n+Source / drain regions 21, 22 and word line BSBThe block selection transistor QSIs configured. n+Source / drain regions 22, 23 and word line WL0BAnd the storage capacitor CM0Are connected in parallel to each other. N+Source / drain regions 23, 24 and word line WL1BAnd the storage capacitor CM1Control transistor connected in parallel to n+Source / drain regions 24, 25 and word line WL2BAnd the storage capacitor CM2Control transistors connected in parallel to each other,..., N+Source / drain regions 26 (not shown), 27 and word line WL15BAnd the storage capacitor CM15Are connected in parallel to each other. And n+Source / drain regions 28 and 29 and word line WRBThus, a reference capacitor control transistor is formed. Word line BSB, WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15B, WRBAnd WRAOn top of the oxide film (SiO2Film), a PSG film, a BPSG film, a nitride film (Si3N4 film) and the like, and a first interlayer insulating film 13 is formed on the first interlayer insulating film 13.M0, CM1, CM2, CM3 3, ..., CM15Lower electrodes 42, 43,..., 45 functioning as the first electrode or the second electrode are formed. Further, on the first interlayer insulating film 13, a reference capacitor C that also serves as a plate line PL is provided.REFA lower electrode 45 functioning as the fourth electrode is also formed. The lower electrodes 42, 43,..., And 45 are formed by contact plugs 73, 75, and 80 formed so as to fill contact holes provided in the first interlayer insulating film 13.+Source / drain regions 23, 25,..., 29 are connected. These contact plugs may be made of polycrystalline silicon (doped polysilicon) doped with impurities, refractory metal, silicide of refractory metal, or the like. The lower electrode 42 is a storage capacitor C.M0First electrode and storage capacitor CM1It functions as the second electrode. The lower electrode 43 includes a storage capacitor CM2First electrode and storage capacitor CM3It functions as the second electrode. ... the lower electrode 44 is a storage capacitor CM14First electrode and storage capacitor CM15It functions as the second electrode. The lower electrodes 42, 43,..., 44, 45 are composed of a lower barrier metal layer made of (Ti, Al) N having a thickness of 10 nm, and SrRuO having a thickness of 20 nm.ThreeWhat is necessary is just to comprise by the two-layer structure with the lower electrode which consists of. Then, ferroelectric thin films 51, 52,..., 53 such as a 25-nm thick Ba-rich composition BSTO thin film may be formed on the lower electrodes 42, 43,. Reference capacitor CREFOn the lower electrode 45, a paraelectric thin film 54 such as a BSTO thin film of Sr rich composition having a thickness of 25 nm may be formed. Reference capacitor CREFAs the paraelectric thin film 54 for use, silicon oxide (SiO2), Tantalum oxide (Ta2OFiveEtc.) and a ferroelectric thin film can be used. On the first interlayer insulating film 13 where the ferroelectric thin films 51, 52,..., 53 and the paraelectric thin film 54 are not formed, an oxide film (SiO2Film), PSG film, BPSG film, nitride film (SI3N4A second interlayer insulating film 14 made of a film) is formed, and upper electrodes 61, 62,... 63 are formed on the second interlayer insulating film 14. The upper electrode 61 includes a storage capacitor CM0It functions as the second electrode. The upper electrode 62 includes a storage capacitor CM1First electrode and storage capacitor CM2It functions as the second electrode. ... Upper electrode 63 is a storage capacitor CM15First electrode and reference capacitor CREFIt functions as the third electrode. The upper electrodes 61, 62,..., 63 are made of 20 nm thick SrRuO.ThreeThe upper electrodes 61, 62,..., 63, 64 may be formed by a two-layer structure of an upper electrode made of a film and a (Ti, Al) N upper barrier metal layer having a thickness of 10 nm formed thereon. The contact plugs 72, 74, 77, 79 formed so as to fill the contact holes provided through the first interlayer insulating film 13 and the second interlayer insulating film 14+The source / drain regions 22, 24,..., 27, 28 are connected. These contact plugs 72, 74, 77, 79 may be made of doped polysilicon, refractory metal, refractory metal silicide, or the like. Further, the upper electrode 63 is connected to the read transistor Q via a contact plug 78 provided through the first interlayer insulating film 13 and the second interlayer insulating film 14.READThis is connected to the wiring portion 532 of the polysilicon gate electrode. The wiring portion 532 of the polysilicon gate electrode is patterned thicker than the polysilicon gate electrode of the device portion in order to provide the contact plug 78. On the upper electrodes 61, 62,..., 63, an oxide film (SiO2Film), PSG film, BPSG film, nitride film (Si3N4A third interlayer insulating film 15 made of a film) is formed, and a bit line 16 is formed on the third interlayer insulating film 15. Bit lines 16 and n+The source / drain region 21 is connected to each other by a bit line contact plug 71 that penetrates the first to third interlayer insulating films 13, 14, and 15. The bit line contact plug 71 may be made of doped polysilicon, refractory metal, refractory metal silicide, or the like. Although not shown, an oxide film (SiO 2) is further formed on the bit line 16.2Film), PSG film, BPSG film, nitride film (Si3N4It is preferable to form a passivation film such as a film) or a polyimide film. Although the block [B] has been mainly described, the block [A] also has a similar configuration, and with such a circuit configuration, the operation of a highly integrated nonvolatile memory could be confirmed.
[0099]
(Second Embodiment)
FIG. 20 shows the circuit configuration of the main part of the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 21 shows the main configuration including peripheral circuits as in FIG. The second embodiment has a structure in which an operating voltage is applied between adjacent bit lines without using the plate line shown in the first embodiment.
[0100]
As shown in FIG. 20, the semiconductor memory device according to the second embodiment includes a plurality of memory capacitors C connected in series.M0, CM1, CM2, ..., CM15And this storage capacitor CM0, CM1, CM2, ..., CM15Memory cell string (memory cell chain) composed of control transistors connected in parallel to each of the memory cells, and “reference cell and selection transistor (block selection transistor) Q connected to one end of the memory cell chain”SAnd a read transistor Q having a gate electrode connected to the other end of the memory cell chainREADAre formed as basic units. Here, as already defined, the “reference cell” is a reference capacitor CREFAnd a reference capacitor control transistor. Memory capacitor CM0, CM1, CM2, ..., CM15Each includes at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. . Reference capacitor CREFIncludes at least a third electrode, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. "Reference cell and selection transistor (block selection transistor) Q"SThere are two combinations of the “series circuit” and the reference capacitor CREFThe third electrode of the memory capacitor CM0And the block selection transistor QSIs the storage capacitor CM0The first electrode may be connected to the first electrode.
[0101]
In the semiconductor device according to the second embodiment, a plurality of the memory cell blocks are arranged in a matrix, but one read transistor QREADIs divided into two sub-blocks, sub-block [A] on the right and sub-block [B] on the left. In FIG. 20, only four in total, two as sub-block [A] and two as sub-block [B] are shown. The first stage and column sub-block [A] and the second stage column sub-block [B] in FIG.REFThe third electrode of the memory capacitor CM0Connected to the first electrode. On the other hand, the sub-block [A] in the second column and the sub-block [B] in the first column are connected to the block selection transistor Q.SIs the storage capacitor CM0Connected to the first electrode. Capacitor C for reference in sub-block [B] in the first columnREFThe fourth electrode is connected to the bit line BL0. Reference capacitor C of sub-block [A] in the second columnREFBlock selection transistor Q of sub-block [A] of the fourth electrode of the first column and first columnSIs connected to the bit line BL1. Further, the reference capacitor C of the sub-block [B] in the second columnREFThe fourth electrode is connected to the bit line BL2.
[0102]
Block selection transistor Q in the first column of sub-block [A]SAnd the gate electrode of the reference capacitor control transistor in the second column are respectively connected to the word line WR0.AIs connected. Also, the gate electrode of the reference capacitor control transistor in the first column of the sub-block [A], and the block selection transistor Q in the second column.SIncludes word line WR1 respectively.AIs connected. On the other hand, the gate electrode of the reference capacitor control transistor in the first column of the sub-block [B], and the block selection transistor Q in the second column.SIncludes word line WR0, respectively.BIs connected. Then, the block selection transistor Q in the first column of the sub-block [B]SAnd the gate electrode of the reference capacitor control transistor in the second column are respectively connected to the word line WR1.BIs connected.
[0103]
Storage capacitor C of sub-block [A]M0, CM1, CM2, ..., CM15A word line WL0 is connected to each gate electrode of the control transistor connected in parallel with each other.A, WL1A, WL2A, ..., WL15AIs connected. Similarly, the storage capacitor C of the sub-block [B]M0, CM1, CM2, ..., CM15A word line WL0 is connected to each gate electrode of the control transistor connected in parallel with each other.B, WL1B, WL2B, ..., WL15BIs connected. Read transistor Q located at the center of sub-block [A] and sub-block [B]READOne of the main electrodes is connected to a read power supply line VL, and the other main electrode is connected to a read output line SL. In this embodiment, two sets of read output lines SL are prepared and are connected alternately for each column. In FIG. 20, the storage capacitor CM0, CM1, CM2, ..., CM15Control transistor and readout transistor Q connected in parallel with each otherREAD, Block selection transistor QS, And the reference capacitor control transistor is shown as an nMOSFET, but can also be configured as a pMOSFET.
[0104]
FIG. 22 shows a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the second embodiment. The semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention has a structure in which an operating voltage is applied between adjacent bit numbers BLx and BLx + 1 in the circuit configurations shown in FIGS. Therefore, one word line is connected to the block selection transistor Q for each column.SAnd the reference capacitor control transistor are alternately driven.
[0105]
As an example, the bit line and word line WL1 of sub-block [A]AStorage capacitor C in the second column located at the intersection withM1Think when you choose. Word line WR0 of sub-block [A]AAnd WR1ATo “1”, the reference capacitor control transistor and the block selection transistor Q in the sub-block [A] in the second column.SAre turned on (on). At the same time, the word line WR0 of the sub-block [B]BIs “1”, and the block selection transistor Q of the sub-block [B] in the second column isSTurn on. At this time, the word line WR1 of the sub-block [B]BOnly “0” is set. That is, only the reference capacitor control transistor in the sub-block [B] in the second column is cut off (off), and the reference capacitor CREFSelect. This state is equivalent to the block selection transistor Q shown in FIG.SCorresponds to when ON. Next WL1AOnly “0”, other WLAIs “1”, and the storage capacitor C in the second columnM1Select. This state is the equivalent circuit shown in FIG. 1 or FIGS. 7A to 7C, and the storage capacitor CMThis corresponds to the case where the control transistor connected in parallel with the switch is off. That is, a storage capacitor C including at least a first electrode, a second electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes.MAnd storage capacitor CMA third electrode connected to the first electrode, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. Reference capacitor C provided at leastREFAnd storage capacitor CMFirst electrode and reference capacitor CREFRead transistor Q having a gate electrode connected to the third electrodeREADAn equivalent circuit consisting of In this state, a read / write voltage may be applied between the bit lines BL1 and BL2. That is, if the bit line BL1 is set to “1” and the bit line BL2 is set to “0”, the storage capacitor CM1And reference capacitor CREFA voltage of “1” can be applied between them.
[0106]
At this time, a voltage is also applied between the bit lines BL0-BL1 and between the bit lines BL2-BL3, but the word line WR1.BIs “0”, the block selection transistor Q of the sub-block [B] in the first and third columnsSIs in the off state, and storage capacitors C in the first and third columnsM1No voltage is applied to. That is, the block selection transistor Q in the upper and lower columns of the target column.SIs turned off, so that the voltage applied to the bit lines is not applied to these adjacent column blocks.
[0107]
Further, when selecting the memory cell of the sub-block [B], the reference capacitor of the sub-block [A] is selected, and the equivalent circuit shown in FIG. 1 or FIG. 7 (a) to FIG. Memory capacitor CMIt goes without saying that the case where the control transistor connected in parallel to is turned off is realized.
[0108]
In the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, a voltage can be applied between two adjacent bit lines.CThere is an advantage that the voltage can be applied to the cell. In addition, the reference capacitor C is used for the write operation.REFThrough. Others are almost the same as those of the semiconductor memory device according to the first embodiment.
[0109]
FIG. 23A is a plan view showing a memory cell block, and for simplification, only a lower layer than the level of the A-A ′ plane in FIG. 23B is shown. In FIG. 23A, n in the first column+Source / drain regions 281, 21 and word line WR0BThus, the reference capacitor control transistor of the sub-block [B] is formed. n+The source / drain region 281 also functions as a connection portion to the bit line BL0. n+The source / drain region 21 has a reference capacitor CREFA lower electrode 66 functioning as the fourth electrode is connected. And n+Source / drain regions 21 and 22 and a word line WL1 serving as a polysilicon gate electrodeBThe block selection transistor QS1Is configured. Similarly, n+Source / drain regions 22 and 23 and word line WL0 serving as a polysilicon gate electrodeBAnd the storage capacitor CM0Are connected in parallel to each other. N+Source / drain regions 23, 24 and word line WL1BAnd the storage capacitor CM1Are connected in parallel to each other, and n+Source / drain regions 26 (not shown), 27 and word line WL15BAnd the storage capacitor CM15Are connected in parallel to each other. n+The source / drain regions 23 and 25 have respective storage capacitors CM0, CM1, CM2, ..., CM15The lower electrodes 42, 43,..., 44 functioning as the first electrode or the second electrode are connected. N+The read transistor Q is composed of the source / drain regions 31 and 32 and the polysilicon gate electrode 531.READIs formed. n+The source / drain regions 31 and 32 are formed in parallel to the word line and also serve as the read power supply line VL. Block selection transistor Q in the second columnS0N+Source / drain region 282 and n of the reference capacitor control transistor in the third column+The source / drain region 283 is connected to each other by a connection electrode (not shown). Although the block [B] has been mainly described, the block [A] has a similar configuration.
[0110]
As shown in FIG. 23 (a), each of the block selection transistors Q is included in the sub-block [A] or the sub-block [B] of each column.S, N storage capacitors CM0, CM1, CM2, ..., CM15N control transistors connected in parallel therewith, read transistor QREADReference capacitor CREF, And a reference capacitor control transistor. The size of one memory cell is 4F2The area other than the memory cell including the contact portion per sub-block is 16F.2Therefore, (4 + 16 / n) F per memory cell2become. In the semiconductor memory device according to the second embodiment, the ferroelectric capacitor is 20 μC / cm.2Therefore, it was found that even if 16 memory cells are connected in series, the device operates stably. Therefore, 5.0F per piece2It became the size of.
[0111]
FIG. 23B is a cross-sectional view along the B-B ′ direction of the plan view shown in FIG. As shown in FIG. 23B, in the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, a p-well 12 is formed on a semiconductor substrate 11, and n is formed on the surface of the p-well 12.+Source / drain regions 281, 21, 22, 23,..., 27 are provided. Then, a word line WR0 serving as a polysilicon gate electrode is formed on the gate oxide film on the surface of the p-well 12.B, WR1B, WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15Bhave. Note that the cross-sectional view of FIG.READThe cross section of the wiring portion of the polysilicon gate electrode 531 constituting the same is also exposed. Here, instead of these polysilicon gate electrodes, refractory metals such as W, Ti, Mo and Co, or WSi2, TiSi2, MoSi2, CoSi2A refractory metal silicide such as may be used.
[0112]
n+Source / drain regions 281, 21 and word line WR0BThus, the reference capacitor control transistor of the sub-block [B] is formed. N+Source / drain regions 21, 22 and word line WR1BThe block selection transistor QS1Is configured. n+Source / drain regions 22, 23 and word line WL0BAnd the storage capacitor CM0Are connected in parallel to each other. N+Source / drain regions 23, 24 and word line WL1BAnd the storage capacitor CM1Control transistor connected in parallel to n+Source / drain regions 24, 25 and word line WL2BAnd the storage capacitor CM2Control transistors connected in parallel to each other,..., N+Source / drain regions 26 (not shown), 27 and word line WL15BAnd the storage capacitor CM15Are connected in parallel to each other. Also, n not exposed on the cross section in the B-B 'direction+The read transistor Q is composed of the source / drain regions 31 and 32 and the polysilicon gate electrode 531.READIs formed. Word line WR0B, WR1B, WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15BAn oxide film (SiO 2) is formed on the polysilicon gate electrode 531.2Film), PSG film, BPSG film, nitride film (Si3N4A first interlayer insulating film 13 made of a film) is formed, and a reference capacitor C is formed on the first interlayer insulating film 13.REFLower electrode 66 functioning as the fourth electrode of each, and each storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Lower electrodes 42, 43,..., 44 functioning as the first electrode or the second electrode are formed. The lower electrodes 66, 42, 43,..., 44 are formed by contact plugs 83, 73, 75 formed so as to bury contact holes provided in the first interlayer insulating film 13.+The source / drain regions 21, 23, 25 are connected. These contact plugs may be made of doped polysilicon, refractory metal, refractory metal silicide, or the like. The lower electrode 66 is a reference capacitor C.REFThe lower electrode 42 is a storage capacitor C.M0Second electrode and storage capacitor CM1It functions as the first electrode. The lower electrode 43 includes a storage capacitor CM2Second electrode and storage capacitor CM3It functions as the first electrode. The lower electrode 44 is a storage capacitor CM14Second electrode and storage capacitor CM15It functions as the first electrode. Then, ferroelectric thin films 51, 52,..., 53 such as a BS rich thin film having a Ba-rich composition may be formed on the lower electrodes 42, 43,. Reference capacitor CREFA paraelectric thin film 55 may be formed on the lower electrode 66. Reference capacitor CREFThe paraelectric thin film 55 may be formed. Reference capacitor CREFParaelectric thin films can also be used. On the first interlayer insulating film 13 where the paraelectric thin film 55 and the ferroelectric thin films 51, 52,..., 53 are not formed, an oxide film (SiO2A second interlayer insulating film 14 is formed, and upper electrodes 65, 61, 62,..., 63 are formed on the second interlayer insulating film 14. The upper electrode 65 is a reference capacitor CREFIt functions as the fourth electrode. The upper electrode 61 includes a storage capacitor CM 0It functions as the first electrode. The upper electrode 62 includes a storage capacitor CM1Second electrode and storage capacitor CM2It functions as the first electrode. The upper electrode 63 is a storage capacitor CM15It functions as the second electrode. The upper electrodes 65, 61, 62,..., 63 are formed so as to bury contact holes provided through the first interlayer insulating film 13 and the second interlayer insulating film 14. 74, 77, n+The source / drain regions 281, 22, 24,. These contact plugs 82, 72, 74, and 77 may be made of doped polysilicon, refractory metal, refractory metal silicide, or the like. Further, the upper electrode 63 is connected to the read transistor Q via a contact plug 78 provided through the first interlayer insulating film 13 and the second interlayer insulating film 14.READThis is connected to the wiring portion 531 of the polysilicon gate electrode. On the upper electrodes 65, 61, 62, ..., 63, an oxide film (SiO2A third interlayer insulating film 15 made of a film) is formed, and a bit line 16 is formed on the third interlayer insulating film 15. The bit line 16 and the upper electrode 65 are connected to each other by a bit line contact plug 84 that penetrates the third interlayer insulating layer 15. The bit line contact plug 84 may be made of doped polysilicon, refractory metal, refractory metal silicide, or the like. Although not shown, an oxide film (SiO 2) is further formed on the bit line 16.2Film), PSG film, BPSG film, nitride film (Si3N4It is preferable to form a passivation film such as a film) or a polyimide film.
[0113]
With the circuit configuration as shown in FIG. 23B, which is a cross-sectional view corresponding to the plan view shown in FIG. 23A, the operation of the highly integrated nonvolatile memory could be confirmed.
[0114]
(Third embodiment)
FIG. 24 shows the circuit configuration of the main part of the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 25 shows the main part of the semiconductor memory device including the peripheral circuit in detail. In the semiconductor memory device according to the third embodiment, a pair of drive lines (DLAAnd DLB) Is divided into two sub-blocks centering on one read transistor.
[0115]
As shown in FIG. 24, the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention includes a plurality of memory capacitors C connected in series.M0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15And this storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Memory cell string (memory cell chain) composed of control transistors connected in parallel to each of the memory cells, and a storage capacitor C located at the end of the memory cell chainM15Read transistor Q having a reference cell connected to the reference cell and a gate electrode connected to the reference cellREADAnd a storage capacitor C located at the other end of the storage cell chainM0Q (block select transistor) connected toSA memory cell block having at least the above is configured as a basic unit. Here, the “reference cell” is a reference capacitor CREFAnd a reference capacitor control transistor. Each storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Each includes at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes. .
[0116]
Reference capacitor CREFIs a storage capacitor CM15A third electrode electrically coupled to the first electrode, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes And at least. In the semiconductor memory device of the present invention, a plurality of memory cell blocks are arranged in a matrix. In FIG. 24, only eight, four as sub-block [A] and four as sub-block [B], are shown. Block selection transistor Q of sub-block [A] in the second columnS, And block selection transistor Q of sub-block [B] in the first columnSAre connected to the bit line BL0. Similarly, the block selection transistor Q of the sub-block [A] in the second column.SAnd the block selection transistor Q of the sub-block [B] in the second columnSIs connected to the bit line BL1. Further, each of the two block selection transistors Q in the third and fourth columns.SAre respectively connected to the bit line BL2 and the bit line BL3. Block selection transistor Q of sub-block [A]SThe main electrode not connected to the memory cell is the drive line DLAIn addition, the block selection transistor Q of the sub-block [B]SThe main electrode not connected to the memory cell is the drive line DLBIt is connected to the.
[0117]
Storage capacitor C of sub-block [A]M0, CM1, CM2, ..., CM15A word line WL0 is connected to each gate electrode of the control transistor connected in parallel with each other.A, WL1A, WL2A, ..., WL15AIs connected. Similarly, the storage capacitor C of the sub-block [B]M0, CM1, CM2, ..., CM15A word line WL0 is connected to each gate electrode of the control transistor connected in parallel with each other.B, WL1B, WL2B, ..., WL15BIs connected. The word electrode WR is connected to the gate electrode of the reference capacitor control transistor of the sub-block [A].AAre connected, and the word line WR is connected to the gate electrode of the reference capacitor control transistor of the sub-block [B].BIs connected. Read transistor Q in the first and third columnsREAD BOne of the main electrodes has a read power supply line VL, and the other main electrode has a read output line SL.AIs connected. On the other hand, the read transistors Q in the second and fourth columnsREAD AOne of the main electrodes has a read power supply line VL, and the other main electrode has a read output line SL.BIs connected. In FIG. 24, the storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Control transistor and read transistor Q connected in parallel to each otherREAD A, QREAD B, Block selection transistor QS, And the reference capacitor control transistor is shown as an nMOSFET, but can also be configured as a pMOSFET.
[0118]
FIG. 26 shows a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. In the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, the number of bits BLx plays a role of selecting a block along a specific column, and the application of the read / write voltage is performed on two adjacent drive lines DL.AAnd DLBThrough. A voltage is also applied to the block adjacent to the opposite side, but the word line WRAOr word line WRBIf “0” is set to “0” and the reference capacitor control transistor in the block is turned off, no problem occurs.
[0119]
Further, when selecting a memory cell of sub-block [A], a reference capacitor of sub-block [B] is selected, and when selecting a memory cell of sub-block [B], a reference capacitor of sub-block [A] is selected. Select.
[0120]
In the third embodiment, two drive lines DLAAnd DLBSince a voltage can be applied duringCThere is an advantage that the voltage can be applied to the cell. The rest is almost the same as in the first embodiment.
[0121]
For example, in the circuit configuration shown in FIG. 24, BL1 and WL1 in sub-block [A]AMemory cell C in the second column specified by the intersection ofM1Is selected, the bit line BL1 is set to “1” and the block selection transistors Q of the sub-block [A] and the sub-block [B] are selected.SBoth on. Next, the word line WRAIs “1”, and the reference capacitor C of the sub-block [A]REFSelect. And WL1 of sub-block [A]AOnly "0", other WLAIf only “1” is set to “1”, the memory cell C in the second columnM1Can be selected. And memory cell CM1With the selected, two drive lines DLAAnd DLBIf a voltage is applied between the readout output line SLAThe signal can be read out.
[0122]
FIG. 27A is a plan view showing a memory cell block, and for simplification, only a lower layer than the level of the A-A ′ plane of FIG. 27B is shown. In FIG. 27A, n+The block selection transistor Q of the sub-block [B] is composed of the source / drain regions 321 and 22 and the polysilicon gate electrode 331.SIs configured. n+The source / drain region 321 functions as a connection portion with the drive line. N+Source / drain regions 22 and 23 and word line WL0 serving as a polysilicon gate electrodeBAnd the storage capacitor C of the sub-block [B]M0Are connected in parallel to each other. N+Source / drain regions 23, 24 and word line WL1BAnd the storage capacitor CM1Control transistor connected in parallel to n+Source / drain regions 24, 25 and word line WL2BAnd the storage capacitor CM2Control transistors connected in parallel to each other,..., N+Source / drain regions 26 (not shown), 322 and word line WL15BAnd the storage capacitor CM15Are connected in parallel to each other. n+The source / drain regions 23 and 25 have respective storage capacitors CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15The lower electrodes 42, 43,..., 44 functioning as the first electrode or the second electrode are connected. And n+Source / drain regions 322 and 323 and word line WRBThus, a reference capacitor control transistor is formed. N+The read transistor Q is composed of the source / drain regions 324 and 325 and the polysilicon gate electrode 332.READIs formed. n+A read power supply line VL is connected to the source / drain region 325. The polysilicon gate electrode 334 is a capacitor control transistor Q for reading in the second column.READCorresponding to The polysilicon gate electrode 333 is connected to the block selection transistor Q in the second column.SIn addition, the polysilicon gate electrode 335 is a block selection transistor Q of the third column.SIn addition, the polysilicon gate electrode 337 is a block selection transistor Q in the fourth column.SCorresponding to The same applies to the sub-block [A].
[0123]
As shown in FIG. 27A, each of the block selection transistors Q is included in one sub-block [B].S, N storage capacitors CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15N control transistors connected in parallel therewith, read transistor QB READReference capacitor CREF, And a reference capacitor control transistor. Memory cell size is 4F2The area other than the memory cell including the contact portion per block is 22F.2Therefore, (4 + 22 / n) F per memory cell2become. In the third embodiment, the ferroelectric capacitor is 20 μC / cm.2Therefore, it was found that even if 16 memory cells are connected in series, the device operates stably. Therefore, 5.4F per piece2It became the size of.
[0124]
FIG. 27B is a cross-sectional view along the B-B ′ direction of the plan view of the sub-block [B] shown in FIG. As shown in FIG. 27B, in the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, a p-well 12 is formed on a semiconductor substrate 11, and an n-type surface is formed on the surface of the p-well 12.+Source / drain regions 321, 22, 23, ..., 322, 323 are provided. A polysilicon gate electrode 331 and a word line WL0 are formed on the gate oxide film on the surface of the p well 12.B, WL1B, WL2B, ..., WL15BAnd a polysilicon gate electrode 332. N+Drive line DL connected to source / drain region 321BExtends in the direction perpendicular to the page.
[0125]
n+The source / drain regions 321 and 22 and the polysilicon gate electrode 331 form a block selection transistor QSIs configured. N+Source / drain regions 22, 23 and word line WL0BAnd the storage capacitor CM0Are connected in parallel to each other. N+Source / drain regions 23, 24 and word line WL1BAnd the storage capacitor CM1Control transistor connected in parallel to n+Source / drain regions 24, 25 and word line WL2BAnd the storage capacitor CM2Control transistors connected in parallel to each other,..., N+Source / drain regions 26 (not shown), 322 and word line WL15BAnd the storage capacitor CM15Are connected in parallel to each other. And n+Source / drain regions 322 and 323 and word line WRBThus, a reference capacitor control transistor is formed. Further, since it is not exposed on the cross section in the B-B 'direction, the illustration is omitted.+The read transistor Q is composed of the source / drain regions 324 and 325 (see FIG. 27A) and the polysilicon gate electrode 332.READIs formed. Polysilicon gate electrode 331, word line WL0B, WL1B, WL2B, ..., WL15B, WRBOn the polysilicon gate electrode 332, an oxide film (SiO2A first interlayer insulating film 13 made of a film) is formed, and a storage capacitor C is formed on the first interlayer insulating film 13.M0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Lower electrodes 42, 43,..., 44 functioning as the first electrode or the second electrode, and the reference capacitor CREFA lower electrode 351 functioning as the fourth electrode is formed. The lower electrodes 42, 43,..., 44, 351 are n by contact plugs 73, 75, 342 formed so as to fill the contact holes provided in the first interlayer insulating film 13.+The source / drain regions 23, 25,. Further, the lower electrode 351 is connected to the read transistor Q via a contact plug 343 provided through the first interlayer insulating film 13.READThe polysilicon gate electrode 332 is connected. These contact plugs may be made of doped polysilicon, refractory metal, refractory metal silicide, or the like. The lower electrode 42 is a storage capacitor C.M0First electrode and storage capacitor CM1It functions as the second electrode. The lower electrode 43 includes a storage capacitor CM2First electrode and storage capacitor CM3It functions as the second electrode. ... the lower electrode 44 is a storage capacitor CM14First electrode and storage capacitor CM15It functions as the second electrode. Then, predetermined ferroelectric thin films 51, 52,..., 53 may be formed on the lower electrodes 42, 43,. Reference capacitor CREFA paraelectric thin film 352 may be formed on the lower electrode 351. Reference capacitor CREFInstead of the paraelectric thin film 352, a ferroelectric thin film can be used. On the first interlayer insulating film 13 on which the ferroelectric thin films 51, 52,..., 53 and the paraelectric thin film 352 are not formed, an oxide film (SiO2The second interlayer insulating film 14 is formed, and upper electrodes 372, 62,..., 353 are formed on the second interlayer insulating film 14. The upper electrode 372 includes a storage capacitor CM0It functions as the second electrode. The upper electrode 62 includes a storage capacitor CM1First electrode and storage capacitor CM2It functions as the second electrode. ... Upper electrode 353 is a storage capacitor CM15First electrode and reference capacitor CREFIt functions as the third electrode. The upper electrodes 372, 62,..., 353 are formed by contact plugs 72, 74, 341 formed so as to fill contact holes provided through the first interlayer insulating film 13 and the second interlayer insulating film 14. , N+The source / drain regions 22, 24,. These contact plugs 72, 74, 341 may be made of doped polysilicon, refractory metal, refractory metal silicide, or the like. Further, the upper electrodes 372, 62,..., 353, the read output line SLB, And readout output line SLAOn top of the oxide film (SiO2A third interlayer insulating film 15 made of a film is formed, and a bit line is formed on the third interlayer insulating film 15. Although not shown, an oxide film (SiO 2) is formed on the bit line.2Film), PSG film, BPSG film, nitride film (Si3N4Of course, it is preferable to form a passivation film such as a film) or a polyimide film. Although the sub-block [B] has been mainly described, the sub-block [A] has the same configuration. With such a circuit configuration, the operation of a highly integrated nonvolatile memory could be confirmed.
[0126]
(Fourth embodiment)
FIG. 28 is a diagram showing a circuit configuration of a main part of a semiconductor memory device using a memory ferroelectric capacitor according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 28, the semiconductor memory device according to the fourth embodiment of the present invention includes a plurality of selection MOS transistors Q connected in series.M0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15And a plurality of memory ferroelectric capacitors C connected to the common main electrode of these selection transistors.M0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15A NAND-type memory cell column and a selection transistor Q located at the end of the memory cell columnM0Reference capacitor C connected to the main electrode ofREFAnd transistor Q for selectionM0And reference capacitor CREFStorage node N that is the connection pointSRead transistor Q having a gate electrode connected toREADAnd storage node NSR / W control transistor Q connected toR / WA memory cell block having at least the above is configured as a basic unit.
[0127]
Each storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Respectively, a first electrode connected to the common main electrode of the selection transistor, a second electrode disposed opposite to the first electrode and connected to the plate electrode, and these first and second electrodes And a ferroelectric thin film sandwiched between the electrodes. Reference capacitor CREFIs storage node NSA third electrode connected to the third electrode, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode and connected to the plate electrode PL, and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes At least. Also, the R / W control transistor QR / WOne main electrode of the storage node NSThe other main electrode is connected to the bit line BL.
[0128]
A plurality of NAND memory cell columns are arranged in a matrix, but one reference capacitor CREF, This read transistor QREAD,and
Control transistor QR / WIs divided into two sub-blocks, sub-block [A] on the right and sub-block [B] on the left. In FIG. 28, only two of the blocks [A] and two of the sub-blocks [B] are shown.
[0129]
Selection transistor Q of sub-block [A]M0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15The word line WL0 is connected to each gate electrode ofA, WL1A, WL2A, WL3A, ..., WL15AIs connected. Similarly, the selection transistor Q of the sub-block [B]M0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15The word line WL0 is connected to each gate ofB, WL1B, WL2B, WL3B, ..., WL15BIs connected. Read transistor Q of each memory cell blockREADOne of the main electrodes is connected to a read power supply line VL, and the other main electrode is connected to a read output line SL. R / W control transistor Q for each memory cell blockR / WThe word line RL of the R / W control transistor is connected to the gate electrode.
[0130]
FIG. 29 shows a connection diagram of peripheral circuits. Each word line WL0A, WL1A, WL2A, WL3A,..., WL15A in the sub-block [A] is supplied to the row decoder A, and each word line WL0B, WL1B, WL2B, WL3B,. To the decoder B, the bit lines BL0, BL1,... Are connected to a column decoder.
[0131]
In the circuit configuration shown in FIGS. 28 and 29, a desired memory cell indicated by the intersection of BLx (x = 0, 1) and WLyA (y = 0, 1, 2,..., 15) in sub-block [A]. Is selected, all word lines from WL0A to WLyA are set to “1 (high level)”.M0To QMyAll the selection transistors up to are turned on, the word line WLy + 1A is set to “0 (low level)”, the selection transistor Qmy + 1 is turned off, and the potential is constant (for example, 1 / VCThis is achieved by applying a potential to BLx with respect to the plate line PL in C). Similarly, in order to select a desired memory cell indicated by the intersection of BLx (x = 0, 1) and WLyB (y = 0, 1, 2,..., 15) in sub-block [B], from WL0B All word lines up to WLyB are set to “1 (high level)”.M0To QMyAll the selection transistors up to are turned on, the word line WLy + 1B is set to “0 (low level)”, the selection transistor Qmy + 1 is turned off, and the potential is constant (for example, 1/2 V)GThis is achieved by applying a potential to BLx with respect to the plate line PL).
[0132]
FIG. 30 shows a read / write sequence when the “precharge combined read / direct write method” is adopted. First, in the precharge combined readout method, WL0ATo WLyAOr WL0BTo WLyBR / W control transistor Q before selectingR / WIs turned on, and the reference capacitor C is applied to the plate line PL having a constant potential.REFPrecharge is performed by applying a reverse voltage to. Thereafter, the transistor Q for R / W controlR / WOff, WL0ATo WLyAOr WL0BTo WLyBAfter selecting the above, by applying a positive voltage, the storage capacitor CMyThe voltage is substantially inverted by applying a voltage about twice as high.
[0133]
Next, the storage capacitor CMyFirst, the R / W control transistor Q is written toR / WIs turned on, a write voltage is applied to the bit line BL, and WL0ATo WLyAOr WL0BTo WLyBBy selecting up to, the storage capacitor CMyThe voltage is directly applied to the inversion.
[0134]
FIG. 31A is a plan view of the fourth embodiment of the present invention, and shows only a lower layer than the level A-A ′ in the cross-sectional view shown in FIG. In one block connected to the bit line, two sub-blocks having 16 storage cells, read transistor QREAD,and
Control transistor QR / WIs included. Memory cell size is 4F2The area other than the memory cells per block is 26F.2Therefore, (4 + 26/32) F per memory cell2become. In this embodiment, the ferroelectric capacitor is 20 μC / cm.2It was found that even if 32 memory cells were connected in series, the device with stable remanent polarization was used. Therefore, 4.8F per piece2It became the size of.
[0135]
FIG. 31B is a cross-sectional view taken along B-B ′ in the plan view of FIG. An nMOS transistor is formed on a silicon substrate. Each selection transistor QM0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15The main electrode region of the capacitor C includes a lower electrode LE, an upper electrode TE, and a ferroelectric film.M0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Is formed. The selection transistor Q at the end of the NAND cell memory columnM0Similarly, on the other main electrode, a reference capacitor CREFIs formed. With such a circuit configuration, the operation of a highly integrated nonvolatile memory could be confirmed.
[0136]
(Fifth embodiment)
FIG. 32 shows a circuit configuration of a main part of a semiconductor memory device using a paraelectric storage capacitor according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 33 shows a main part of the semiconductor memory device including a peripheral circuit. It is a figure shown in detail. As shown in FIG. 32, the semiconductor memory device according to the fifth embodiment of the present invention includes a plurality of selection MOS transistors Q connected in series.M0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15And a plurality of memory ferroelectric capacitors C connected to the common main electrode of these selection transistors.M0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15A NAND-type memory cell column and a selection transistor Q located at the end of the memory cell columnM0Reference capacitor C connected to the main electrode ofREFAnd transistor Q for selectionM0And reference capacitor CREFStorage node N that is the connection pointSRead transistor Q having a gate electrode connected toREADAnd storage node NSTwo R / W control transistors Q connected toR / W1And QR / W2A memory cell block having at least the above is configured as a basic unit.
[0137]
Each storage capacitor CM0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Respectively, a first electrode connected to the common main electrode of the selection transistor, a second electrode disposed opposite to the first electrode and connected to the plate electrode, and these first and second electrodes And a ferroelectric thin film sandwiched between the electrodes. Reference capacitor CREFIs interposed between the third electrode connected to the storage node NS, the fourth electrode connected to the third electrode and connected to the bit line BL, and the third and fourth electrodes. And at least a dielectric thin film. The first R / W control transistor QR / W1One main electrode of the storage node NSThe other main electrode is connected to the bit line BL. Second R / W control transistor QR / W2One main electrode of the storage node NSThe other main electrode is connected to the plate electrode PE.
[0138]
A plurality of NAND memory cell columns are arranged in a matrix, but one reference capacitor CREFRead transistor QREAD, And two R / W control transistors QR / W1And QR / W2Is divided into two sub-blocks, sub-block [A] on the right and sub-block [B] on the left. In FIG. 32, only two of the blocks [A] and two of the sub-blocks [B] are shown.
[0139]
Selection transistor Q of sub-block [A]M0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15The word line WL0 is connected to each gate electrode ofA, WL1A, WL2A, WL3A, ..., WL15AIs connected. Similarly, the selection transistor Q of the sub-block [B]M0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15The word line WL0 is connected to each gate electrode ofB, WL1B, WL2B, WL3B, ..., WL15BIs connected. Read transistor Q of each memory cell blockREADOne of the main electrodes has a read power supply line VL, and the other main electrode has a read output line SL.AOr SLBIs connected. Two R / W control transistors Q in each memory cell blockR / W1And QR / W2The R / W control transistor word line RL is connected to the gate electrode of1And RL2Is connected. FIG. 32, the selection transistor QM0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15Read transistor QREAD, And two R / W control transistors QR / W1And QR / W2Is shown as an nMOSFET, but it can also be constituted by a pMOSFET.
[0140]
FIG. 33 shows a connection diagram of peripheral circuits. Each word line WL0 of sub-block [A]A, WL1A, WL2A, WL3A, ..., WL15AThe row decoder A supplies each word line WL0 of the sub-block [B].B, WL1B, WL2B, WL3B, ..., WL15BAre connected to a row decoder B, and each bit line BL0, BL1,... Is connected to a column decoder.
[0141]
In the circuit configurations shown in FIGS. 32 and 33, BLx (x = 0, 1) and WLy in sub-block [A]ATo select a desired memory cell indicated by the intersection of (y = 0, 1, 2,..., 15), WL0ATo WLyAQ for all the word lines up to "1 (high level)"M0To QMyAll the transistors for selection up to are turned on, word line WLy + 1ASelect transistor Q with "0 (low level)"my + 1Is turned off and the potential is constant (for example, 1 / 2VGThis is achieved by applying a potential to BLx with respect to the plate line PL).
[0142]
FIG. 34 further shows a read / write sequence when the “precharge read / direct write method” is employed. That is, in the precharge readout method, WLyAOr WLyBBefore selecting the second R / W control transistor QR / W2Is turned on, and the reference capacitor C is applied to the plate line PL having a constant potential.REFAnd WL0 before the cell to be selectedATo WLy-1AOr WL0BTo WLy-1BPrecharge is performed by applying a voltage. Thereafter, the transistor Q for R / W controlR / WOff, WLyAOr WLyBTo select the storage capacitor CMyIt reads out the charge. Memory capacitor CMyFirst, the first R / W control transistor Q is written toR / W1Is turned on to supply a write voltage to the bit line BL, and WL0ATo WLy-1AOr WL0BTo WLy-1BSelect until. Therefore, the storage capacitor CMyInvert by applying a voltage directly to.
[0143]
FIG. 35A is a plan view of the fifth embodiment of the present invention, and only the lower layer than the level of A-A ′ in the cross-sectional view shown in FIG. In one block connected to the bit line, two sub-blocks each having eight memory cells are read transistor Q.READ, And two R / W control transistors QR / W1And QR / W2Is included. Memory cell size is 4F2The area other than the memory cells per block is 22F2Therefore, (4 + 22/16) F per memory cell2become. In this example, the paraelectric capacitor is 20 mF / cm.2Therefore, it was found that even when 16 memory cells are connected in series, the device operates stably. Therefore, 5.4F per piece2It became the size of.
[0144]
FIG. 35B is a cross-sectional view taken along B-B ′ of the plan view of FIG. An nMOS transistor is formed on a silicon substrate. Each selection transistor QM0, QM1, QM2, QM3, ..., QM15The main electrode region includes a lower electrode LE, an upper electrode TE, and a storage capacitor C made of a ferroelectric film.M0, CM1, CM2, CM3, ..., CM15Is formed. The selection transistor Q at the end of the NAND cell memory columnM0Similarly, on the other main electrode of FIG.REFIs formed. With such a circuit configuration, the operation of a highly integrated semiconductor memory was confirmed.
[0145]
(Sixth embodiment)
36A to 36D are schematic cross-sectional views in order of steps of the Chain type semiconductor memory device according to the sixth embodiment of the present invention. In each figure, reference numeral 1 is a first conductive type semiconductor substrate, 2 is a second conductive type impurity diffusion layer, 3 is an inter-element isolation insulating film, 4 is a gate oxide film, 5 is a word line, and 6 is a single crystal Si epitaxial growth layer. 7, 8 and 9 are insulating films, 11 and 15 are barrier metals, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 23 is an internal wiring, and 24 is a via plug.
[0146]
First, in FIG. 36A, after the transistor portion of the memory cell is formed by a known process, the single crystal Si layer 6 is selectively epitaxially grown and planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method. . At this time, a silicon oxide film was used as the insulating film of the word line 5. In addition, in order to remove a damaged layer on the surface of the electrode on the Si substrate caused by the RIE process, after etching using hydrogen fluoride vapor, the electrode is directly transferred to a CVD chamber in a vacuum and SiH having a pressure of 1 mTorr.40.1 mTorr AsH added as gas and donor3Selective epitaxial growth was performed at 750 ° C. using a gas.
[0147]
Next, as shown in FIG. 36 (b), in order to remove the damaged layer on the surface of the single crystal Si layer 6 generated in the CMP (Chemical and Mechanical Polishing) process, after etching using hydrogen fluoride vapor, a barrier is formed. TiN is laminated as a metal 11 at 600 ° C. by a reactive sputtering method, and subsequently SrTiO 2 is sputtered at 600 ° C. as a lower electrode 12 by a sputtering method.ThreeLaminate a film (hereinafter abbreviated as SRO) and continue BaTiOThreeA ferroelectric thin film 13 (hereinafter abbreviated as BTO) is laminated by sputtering to a thickness of 40 nm at 600 ° C., and subsequently as the upper electrode 14, SrTiO 3 is sputtered at 600 ° C. by sputtering.ThreeA film (hereinafter abbreviated as SRO) is laminated, and TiN is subsequently laminated as a barrier metal 15 at 600 ° C. by reactive sputtering. At this time, all of the barrier metal 11, the lower electrode 12, the ferroelectric thin film 13, and the upper electrode 14 were epitaxially grown on the single crystal Si layer 6 to be single crystal.
[0148]
Next, as shown in FIG. 36C, the barrier metal 11, the lower electrode 12, the ferroelectric film 13, the upper electrode 14, the barrier metal 15, and the single layer are formed by known lithography and RIE (Reactive Ion Etching) methods. The crystalline Si layer 6 was patterned. Next, the silicon oxide insulating film 7 was conformally formed by plasma CVD using TEOS as a source gas, and the insulating film sidewall of the capacitor was formed by anisotropic etching. Next, a via plug 24 made of tungsten (W) was embedded by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and planarization was performed by a CMP method using the barrier metal 15 as a stopper.
[0149]
Next, as shown in FIG. 36 (d), an internal wiring 23 made of W is formed by sputtering, and the ferroelectric film 13, the upper electrode 14, the barrier metal 15, and the internal are formed by known lithography and RIE. The wiring 23 was patterned. Next, the silicon oxide insulating film 8 was embedded by a plasma CVD method using TEOS as a source gas, and planarized by a CMP method using the internal wiring 23 as a stopper. Further, an interlayer insulating film 9 was formed.
[0150]
After the film was prepared by such a process, the film orientation was measured by an X-ray diffractometer, and it was confirmed that all of the TiN barrier film, the SRO electrode film, and the BTO dielectric film were epitaxially grown in the (001) direction. The lattice constant in the film thickness direction of the BTO film was greatly extended to 0.434 nm. Further, when the dielectric properties of the formed ferroelectric thin film capacitor were measured, the residual polarization quantity was 0.42 C / m.2A large value was obtained, confirming that it functions as a ferroelectric capacitor.
[0151]
(Seventh embodiment)
FIGS. 37A to 37C and FIGS. 38D and 38E are schematic cross-sectional views in order of steps of the Chain type semiconductor memory device according to the seventh embodiment of the present invention. Reference numeral 1 is a first conductive type semiconductor substrate, 2 is a second conductive type impurity diffusion layer, 5 is a word line, 6 is a single crystal Si epitaxial growth layer, 7, 8, 9, and 10 are insulating films, and 11 is a lower barrier metal film. , 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 15 is an upper barrier metal film, 20 is a plate electrode, 21 is a single-crystal Si growth node, 22 is a capacitor contact portion, and 23 is an internal wiring. is there.
[0152]
First, as shown in FIG. 37A, after the plate electrode 20 made of the second conductive type impurity diffusion layer having a depth of about 0.1 μm is formed on the surface of the first conductive type Si (100) substrate 1. Then, (Ti, Al) N having a thickness of 10 nm as the lower barrier metal layer 11 and SRO having a thickness of 20 nm as the lower electrode 12 are continuously grown epitaxially at a substrate temperature of 600 ° C. without being exposed to the atmosphere by RF or DC sputtering. did. Next, patterning is performed until the substrate 1 is reached by etching using lithography and RIE, etc., the inter-element isolation insulating film 3 is buried by plasma CVD using TEOS gas as a raw material, and planarized by CMP using the lower electrode as a stopper. did. Next, after removing the damaged layer caused by the flattening of the lower electrode surface by wet etching or the like, the dielectric film 13 is formed of BaTiO with a thickness of 20 nm.ThreeA thin film, an SRO film having a thickness of 20 nm as the upper electrode 14, and (Ti, Al) N having a thickness of 10 nm as the upper barrier metal layer 15 are continuously formed at a substrate temperature of 600 ° C. without being exposed to the atmosphere by RE or DC sputtering. Then, the first insulating film 7 was formed by a plasma CVD method using TEOS gas as a raw material.
[0153]
Next, as shown in FIG. 37B, the single-crystal Si growth node 21 was formed by etching using lithography and RIE. Next, the second insulating film 8 was formed conformally. Next, by leaving the first insulating film 7 and removing the second insulating film 8 by anisotropic RIE, the insulating film was also left by self-alignment on the side wall portion of the single crystal Si growth node. Next, in order to remove a damaged layer on the Si surface, after etching using hydrogen fluoride vapor, it is directly transferred to a CVD chamber in a vacuum, and SiH having a pressure of 1 mTorr is used.40.1 mTorr AsH added as gas and donor3The single crystal Si layer 6 was formed by selective epitaxial growth from the single crystal Si growth node 21 at 750 ° C. using a gas. Next, the first insulating film 7 was used as a stop layer and planarized by a CMP method (chemical mechanical polishing method).
[0154]
Next, as shown in FIG. 37 (c), the capacitor is patterned using plasma etching such as photolithography and RIE to form a contact hole 26 to the upper electrode, and then photolithography and RIE. The capacitor was patterned using plasma etching or the like to form a contact hole 27 to the upper electrode, and the insulating film 9 was conformally formed. Next, the insulating film 9 was removed by anisotropic RIE while leaving the first insulating film 7, thereby leaving the insulating film on the side wall portion by self-alignment. Next, via plugs 24 and 25 made of tungsten (W) were embedded by CVD, and planarization was performed by CMP using the first insulating film 7 as a stopper.
[0155]
Next, as shown in FIG. 38 (d), a transistor including the impurity diffusion layer 2, the gate oxide film (not shown), and the word line 5 was formed using a known process.
[0156]
Next, as shown in FIG. 38 (e), for example, a poly-Si film containing an N + type impurity is deposited with a film thickness of about 200 nm, and patterning is performed using plasma etching such as photolithography and RIE. Thus, the internal wiring 23 for connecting the via plugs 24 to 25 and the main electrode of the transistor was formed.
[0157]
Through such a process, a chain type memory cell composed of a capacitor and a transistor using a ferroelectric film can be formed, and the operation as an FRAM was confirmed.
[0158]
(Eighth embodiment)
Next, a semiconductor memory device according to an eighth embodiment of the invention will be described with reference to the schematic cross-sectional views in the order of steps shown in FIGS. 39 (a) to 39 (c) and FIGS. 40 (d) (e). In each figure, reference numeral 1 is a first conductivity type semiconductor substrate, 2 is a second conductivity type impurity diffusion layer, 3 is an inter-element isolation insulating layer, 4 is a gate oxide film, 5 is a word line, and 6 is a single crystal Si epitaxial growth layer. 7, 8 are insulating films, 11 and 15 are barrier metals, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 20 is a plate electrode, 30 is a contact plug, 31 is a first bonding layer, 32 is a second Si (100) substrate, and 33 is a bonding layer.
[0159]
First, as shown in FIG. 39A, a transistor or element including the impurity diffusion layer 2, the gate oxide film 4, and the word line 5 is formed on the first Si (100) substrate 1 using a known process. An inter-insulating insulating film 3 and a contact plug 30 with a capacitor were formed and planarized by a method such as chemical mechanical polishing (CMP). Next, an Al film was formed on the entire surface as the first bonding layer 31.
[0160]
Next, as shown in FIG. 39B, SrRuO having a thickness of 10 nm (Ti, Al) N as the lower barrier metal layer 11 and a thickness of 20 nm as the lower electrode 12 is formed on the second Si (100) substrate 32.ThreeThe dielectric film 13 is a BSTO thin film having a mole fraction of Ba of 70% and a thickness of 20 nm, and the upper electrode 14 is SrRuO having a thickness of 20 nm.ThreeA (Ti, Al) N film having a thickness of 10 nm was continuously epitaxially grown as an upper barrier metal layer 15 at a substrate temperature of 600 ° C. without being exposed to the atmosphere by RF or DC sputtering. Next, an Al film was formed on the entire surface as the second bonding layer 33.
[0161]
Next, as shown in FIG. 39C, the first bonding layer and the second bonding layer are made to have a degree of vacuum of 3 × 10.-8The first bonded layer and the second bonded layer are removed without removing the oxidized layer formed on the surface by sputtering of Ar gas in an ultra-high vacuum of Torr or higher to expose a new Al surface. Were pressed and bonded at 400 ° C. for 30 minutes.
[0162]
Next, as shown in FIG. 40D, the bonded second substrate was polished from the back surface by CMP or the like to leave a capacitor layer and an Si layer of about 0.2 μm. Thereafter, alignment was performed using the first substrate, and capacitors were patterned for each memory cell. As an etching condition at this time, an oxide layer may be used as an etching stop layer. Next, the insulating film 7 was formed conformally. Next, the insulating film 7 was removed by anisotropic RIE to leave the insulating film on the capacitor side wall portion by self-alignment. Next, for example, N+A via plug 24 was formed by embedding a poly-Si film containing a type impurity in a thickness of about 200 nm and planarizing by a CMP method using the Si layer 32 as a stopper.
[0163]
Next, as shown in FIG. 30E, the internal wiring 23 made of TiN is formed by sputtering, and the ferroelectric film 13, the upper electrode 14, the barrier metal 15, and the internal are formed by known lithography and RIE. The wiring 23 was patterned. Next, the silicon oxide insulating film 8 was buried by plasma CVD using TEOS as a source gas, planarized by CMP using the internal wiring 23 as a stopper, and an interlayer insulating film 9 was formed.
[0164]
Through such a process, a memory cell including a capacitor and a transistor using a ferroelectric film can be formed with a high yield, and the operation as an FRAM was confirmed.
[0165]
(Ninth embodiment)
41A to 41C are schematic cross-sectional views in order of the processes of the NAND cell in the semiconductor memory device according to the ninth embodiment of the present invention. In each figure, reference numeral 1 is a first conductive type semiconductor substrate, 2 is a second conductive type impurity diffusion layer, 3 is an inter-element isolation insulating film, 4 is a gate oxide film, 5 is a word line, and 6 is a single crystal Si epitaxial growth layer. 7, 8 and 9 are insulating films, 11 and 14 are barrier metals, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, and 20 is a plate electrode.
[0166]
In FIG. 41A, after the transistor portion of the memory cell is formed by a known process, the single crystal Si layer 6 is selectively epitaxially grown and planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method. At this time, a silicon oxide film was used as the insulating film of the word line 5. In addition, in order to remove a damaged layer on the surface of the electrode on the Si substrate caused by the RIE process, after etching using hydrogen fluoride vapor, the electrode is directly transferred to a CVD chamber in a vacuum and SiH having a pressure of 1 mTorr.40.1 mTorr AsH added as gas and donor3Selective epitaxial growth was performed at 750 ° C. using a gas.
[0167]
Next, as shown in FIG. 41B, in order to remove a damaged layer on the surface of the single crystal Si layer 6 generated in the CMP process, reactive sputtering as a barrier metal 11 is performed after etching using hydrogen fluoride vapor. TiN is laminated at 600 ° C. by the method, and subsequently SrTiO 2 is sputtered at 600 ° C. by sputtering as the lower electrode 12.ThreeLaminate a film (hereinafter abbreviated as SRO) and continue BaTiOThreeA ferroelectric thin film 13 (hereinafter abbreviated as BTO) is laminated to a thickness of 40 nm at 600 ° C. by a sputtering method, and subsequently SrTiO 2 is sputtered at 600 ° C. by a sputtering method as the upper electrode 14.ThreeA film (hereinafter abbreviated as SRO) is laminated, and TiN is subsequently laminated as a barrier metal 15 at 600 ° C. by reactive sputtering. At this time, all of the barrier metal 11, the lower electrode 12, the ferroelectric thin film 13, and the upper electrode 14 are epitaxially grown on the single crystal Si layer 6 to form a single crystal. All of them grew as polycrystals.
[0168]
Next, as shown in FIG. 41C, the barrier metal 11, the lower electrode 12, the ferroelectric film 13, the upper electrode 14, the barrier metal 15, and the single crystal Si layer 6 are formed by known lithography and RIE methods. Patterning was performed. At this time, the insulating film was used as a stopper. The silicon oxide insulating film 7 was buried in the patterned trench by plasma CVD using TEOS as a source gas, and planarized by CMP using barrier metal 15 as a stopper. Thereafter, TiN was laminated as a plate electrode 20 by sputtering, and an interlayer insulating film 8 was formed.
[0169]
After the film was prepared by such a process, the film orientation was measured by an X-ray diffractometer, and it was confirmed that all of the TiN barrier film, the SRO electrode film, and the BTO dielectric film were epitaxially grown in the (001) direction. The lattice constant in the film thickness direction of the BTO film was greatly extended to 0.434 nm. Further, when the dielectric properties of the formed ferroelectric thin film capacitor were measured, the residual polarization quantity was 0.42 C / m.2It was confirmed that it functions as a ferroelectric capacitor.
[0170]
(10th Embodiment)
42 (a) to (c) and FIGS. 43 (d) to (f) are schematic cross-sectional views in order of the processes of the NAND cell in the semiconductor memory device according to the tenth embodiment of the present invention. A paraelectric capacitor was created as a storage capacitor. In each figure, reference numeral 1 is a first conductivity type semiconductor substrate, 2 is a second conductivity type impurity diffusion layer, 5 is a word line, 6 is a single crystal Si epitaxial growth layer, 7, 8, 9, 10 are insulating films, 11 is Lower barrier metal, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 15 is an upper barrier metal film, 20 is a plate electrode, 21 is a single crystal Si growth node, 22 is a capacitor contact portion, and 23 is a capacitor contact portion. Internal wiring.
[0171]
First, as shown in FIG. 42A, after the plate electrode 20 made of the second conductivity type impurity diffusion layer having a depth of about 0.1 μm is formed on the surface of the first conductivity type Si (100) substrate 1. The lower barrier metal layer 11 has a thickness of (Ti, Al) N, the lower electrode 12 has a thickness of 20 nm SRO, and the dielectric film 13 has a thickness of 20 nm (Ba0.2Sr0.8) TiOThreeA thin film, an SRO film having a thickness of 20 nm as the upper electrode 14, and a (Ti, Al) N film having a thickness of 10 nm as the upper barrier metal layer 15 are continuously formed at a substrate temperature of 600 ° C. without being exposed to the atmosphere by RF or DC sputtering. Then, the first insulating film 7 was formed by a plasma CVD method using TEOS gas as a raw material.
[0172]
Next, as shown in FIG. 42B, the single-crystal Si growth node 21 was formed by etching using lithography and RIE. Next, the second insulating film 8 was formed conformally.
[0173]
Next, as shown in FIG. 42C, the first insulating film 7 is left and the second insulating film 8 is removed by anisotropic RIE, so that the sidewall of the single crystal Si growth node is formed. Also left the insulating film by self-alignment. Next, in order to remove a damaged layer on the Si surface, after etching using hydrogen fluoride vapor, it is directly transferred to a CVD chamber in a vacuum, and SiH having a pressure of 1 mTorr is used.40.1 mTorr AsH added as gas and donor3The single crystal Si layer 6 was formed by selective epitaxial growth from the single crystal Si growth node 21 at 750 ° C. using a gas. Next, the insulating film was used as a stop layer and planarized by CMP (chemical mechanical polishing).
[0174]
Next, as shown in FIG. 43 (d), the capacitor is patterned using plasma etching such as photolithography and RIE, an insulating film is buried, and planarized by CMP to form a capacitor isolation insulating film 9. did.
[0175]
Next, as shown in FIG. 43E, a transistor including the impurity diffusion layer 2, the gate oxide film (not shown), and the word line 5 is formed using a known process.
[0176]
Next, as shown in FIG. 43 (f), the contact portion 22 of the capacitor was opened using plasma etching such as photolithography and RIE. As an etching condition at this time, any one of the upper barrier metal layer 15 to the upper electrode 14 may be used as a stopper and selectively stopped. Next, for example, N+A poly-Si film containing a type impurity was deposited to a thickness of about 200 nm, and the entire surface was etched by a method such as CMP and RIE, thereby forming an internal wiring 23 connecting the contact portion 22 and the main electrode of the transistor. Further, an interlayer insulating film 10 was formed.
[0177]
Through such a process, a NAND type memory cell composed of a capacitor and a transistor using a ferroelectric film can be formed, and the operation as a NAND type FRAM was confirmed.
[0178]
(Eleventh embodiment)
A semiconductor memory device according to an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 44A to 44C and FIGS. Reference numeral 1 is a first conductive type semiconductor substrate, 2 is a second conductive type impurity diffusion layer, 3 is an inter-element isolation insulating layer, 4 is a gate oxide film, 5 is a word line, 6 is a single crystal Si epitaxial growth layer, 7 and 8 Is an insulating film, 11 and 14 are barrier metals, 12 is a lower electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is an upper electrode, 20 is a plate electrode, 30 is a contact plug, 31 is a first bonding layer, and 32 is a second layer. The Si (100) substrate 33 is a second bonding layer.
[0179]
First, as shown in FIG. 44 (a), a transistor or element including the impurity diffusion layer 2, the gate oxide film 4, and the word line 5 is formed on the first Si (100) substrate 1 using a known process. An inter-insulating insulating film 3 and a contact plug 30 with a capacitor were formed and planarized by a method such as chemical mechanical polishing (CMP). Next, an Al film was formed on the entire surface as the first bonding layer 31.
[0180]
Next, as shown in FIG. 44B, SrRuO having a thickness of 10 nm (Ti, Al) N as the lower barrier metal layer 11 and a thickness of 20 nm as the lower electrode 12 is formed on the second Si (100) substrate 32.ThreeThe dielectric film 13 is a BSTO thin film having a mole fraction of Ba of 70% and a thickness of 20 nm, and the upper electrode 14 is SrRuO having a thickness of 20 nm.ThreeA (Ti, Al) N film having a thickness of 10 nm was continuously epitaxially grown as an upper barrier metal layer 15 at a substrate temperature of 600 ° C. without being exposed to the atmosphere by RF or DC sputtering. Next, an Al film was formed on the entire surface as the second bonding layer 33.
[0181]
Next, as shown in FIG. 44 (c), the first bonding layer and the second bonding layer are made to have a degree of vacuum of 3 × 10.-8The first bonded layer and the second bonded layer are removed without removing the oxide layer formed on the surface by sputtering of Ar gas in an ultra-high vacuum of Torr or higher to expose a new Al surface. Were joined together by pressurizing at 400 ° C. for 30 minutes.
[0182]
Next, as shown in FIG. 45 (d), the bonded second substrate was polished from the back surface by CMP or the like to leave a capacitor layer and an Si layer of about 0.2 μm. Thereafter, alignment was performed using the first substrate, and capacitors were patterned for each memory cell. As an etching condition at this time, an oxide layer may be used as an etching stop layer. Furthermore, after the insulating film 7 was embedded by the plasma CVD method using TEOS gas as a raw material, it was planarized again by the CMP method or the like.
[0183]
Finally, as shown in FIG. 45E, a Ti / TiN / Al layer was formed as the plate electrode 20, and then the insulating layer 8 was covered.
[0184]
Through such a process, a memory cell including a capacitor and a transistor using a ferroelectric film can be formed with a high yield, and the operation as an FRAM was confirmed.
[0185]
(Twelfth embodiment)
46A, 46B and 47C, 47D are schematic cross-sectional views in order of the processes of the NAND cell according to the twelfth embodiment of the present invention. 1 is a first conductivity type semiconductor substrate, 2 is a second conductivity type impurity diffusion layer, 3 is an inter-element isolation insulating layer, 4 is a gate oxide film, 5 is a word line, 6 is a single crystal Si layer, 7, 8, 9 Is an insulating film, 11 is a first barrier metal, 12 is a first electrode, 13 is a dielectric thin film, 14 is a second electrode, 15 is a second barrier metal layer, 20 is a plate electrode, and 30 is a contact plug. , 31 is a first bonding layer, 32 is a second Si (100) substrate, and 33 is a second bonding layer.
[0186]
First, as shown in FIG. 46A, a 10 nm-thick (Ti, Al) N film as the first barrier metal 11 is formed on the first surface of the first conductivity type Si (100) substrate 1. The first electrode 12 has an SRO film with a thickness of 20 nm, the ferroelectric film 13 has a BaTO thin film with a mole fraction of 70% and a thickness of 20 nm, the second electrode 14 has an SRO film with a thickness of 20 nm, and a second barrier metal. A TiN film having a thickness of 10 nm was epitaxially grown as the layer 15 at a substrate temperature of 600 ° C. by RF or DC sputtering, respectively. Further, a TiN film having a thickness of 200 nm was formed as the plate electrode 20 at room temperature. Next, after a BPSG film having a thickness of, for example, about 500 nm was formed as the first bonding insulating film 31, it was planarized by, eg, CMP.
[0187]
Next, a second Si substrate 32 was prepared, and a BPSG layer was formed as a second bonding layer 33 on the surface and planarized. Next, the first bonding insulating film 31 and the second bonding layer 33 were abutted and bonded. Adhesion was performed by a known method, for example, heat treatment at about 900 ° C.
[0188]
Next, as shown in FIG. 46 (b), it is assumed that the polishing is performed from the second surface of the first Si substrate 1, and the description thereof is omitted. A thin silicon layer having a thickness of, for example, about 10 nm is formed using a polishing stopper layer around the cell region. Other methods for forming SOI by bonding or polishing such as smart cut may also be used.
[0189]
Next, a trench for element isolation was opened using plasma etching such as normal photolithography and RIE. As an etching condition at this time, it is preferable to selectively stop using the capacitor dielectric film 13 as a stopper. Next, a buried insulating film 7 was formed and planarized by CMP. Further, after selectively etching the buried insulating film 7 shallowly by RIE or the like, the second conductivity type single crystal silicon layer 6 is formed and planarized again. Examples thereof include a method of forming a silicon layer conformally and then crystallizing from a side wall portion by heat treatment such as RTP to form a single crystal, a method of selectively embedding single crystal silicon by a selective growth CVD method, and the like.
[0190]
Next, as shown in FIG. 47C, a second groove for separating elements was formed by etching using lithography and RIE. At this time, the dielectric film 5 of the capacitor may be used as an etching stop layer. Next, a buried insulating film 8 was formed and planarized by CMP or the like.
[0191]
Finally, as shown in FIG. 47 (d), a transistor including the second conductivity type impurity diffusion layer 2, the gate oxide film 4, and the word line 5 and the interlayer insulating film 9 are formed using a known process. did.
[0192]
Through such a process, a memory cell including a capacitor and a transistor using a ferroelectric film can be formed with a high yield, and the operation as an FRAM was confirmed.
[0193]
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to twelfth embodiments. However, it should not be understood that the description and the drawings, which are a part of this disclosure, limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0194]
In the description of the first to twelfth embodiments already described, the nMOSFET is formed in the p well, but the nMOSFET may be formed in the p substrate. Moreover, you may comprise using pMOSFET instead of nMOSFET. When a pMOSFET is used, the polarity of the read / write sequence shown in FIG. 18, FIG. 22, or FIG.
[0195]
Needless to say, the semiconductor memory devices according to the first to 123rd embodiments already described may be formed on an SOI substrate. Further, in FIG. 27B, the bit line is not exposed because it is not exposed on the cross section in the BB ′ direction, but the plane is such that the bit line is exposed on the cross section in the BB ′ direction. Of course, the layout may be acceptable. Conversely, in FIG. 19B and FIG. 23B, it is also possible to adopt a planar layout in which the bit line is not exposed on the cross section.
[0196]
Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Accordingly, the present invention is limited only by the invention and the specified items according to the scope of claims reasonable from this disclosure.
[0197]
According to the embodiment described in detail above, scaling with the minimum dimension f is possible, and a semiconductor memory element having a small memory cell configuration can be provided. In particular, according to the above-described embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory element that can stably hold ferroelectric polarization and that is highly integrated. In addition, according to the present invention, it is possible to realize an ultra-highly integrated semiconductor memory element that can be easily manufactured, and the industrial value is extremely high.
[0198]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, scaling according to the initial dimension f is possible, and a semiconductor memory element having a small memory cell configuration can be provided. In addition, despite the fact that the process is easy, an ultra-highly integrated semiconductor memory device has the characteristics that a small memory cell can be grooved and the ferroelectric polarization can be stably maintained and scaled. Therefore, the industrial value of the present invention is extremely large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining a basic configuration of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams illustrating a read operation in (a) storage “1” and (b) storage “0” of the semiconductor memory device of the present invention, respectively.
FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams illustrating read / write operations in (a) storage “1” and (b) storage “0” of the semiconductor memory device of the present invention, respectively.
FIG. 4 is a reference capacitor C.REFFIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the memory cell of the present invention when is a ferroelectric thin film.
FIGS. 5A and 5B are schematic diagrams illustrating a read operation of (a) storage “1” and (b) storage “0” by a read operation by applying a series voltage in the circuit of FIG.
FIGS. 6A and 6B are schematic diagrams showing a read operation of (a) storage “1” and (b) storage “0” in a precharge mode of a reference ferroelectric capacitor, respectively.
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining each basic configuration (a), (b), and (c) of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are circuit diagrams respectively showing specific configurations (a) and (b) for higher integration of the semiconductor memory device of the present invention. FIGS.
FIG. 9: Reference capacitor CREFFIG. 3 is a circuit diagram showing specific configurations (a) and (b) of the present invention suitable for high integration in a case where is formed of a ferroelectric thin film.
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining the basic configuration of the present invention using a scalable NAND-FRAM.
FIGS. 11A and 11B are schematic diagrams illustrating polarization states (a) and (b) of a ferroelectric capacitor having asymmetric ferroelectric hysteresis, respectively.
12 is an equivalent circuit diagram of a memory cell for explaining a basic configuration when a paraelectric capacitor is used in the circuit of FIG.
FIGS. 13A and 13B are schematic diagrams illustrating read operations (a) and (b) when a paraelectric capacitor is used. FIGS.
FIG. 14 is a schematic diagram for explaining the polarization state of a paraelectric capacitor having nonlinear capacitance characteristics.
FIG. 15 is an equivalent circuit diagram of memory cells for explaining several circuit configurations (a) to (d) of the present invention.
FIG. 16 is a circuit configuration diagram of a main part of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 17 is a circuit configuration diagram of a main part including a peripheral circuit of the semiconductor memory device according to the first embodiment.
FIG. 18 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the first embodiment.
19A is a plan view and FIG. 19B is a cross-sectional view of the semiconductor memory device according to the first embodiment.
FIG. 20 is a circuit configuration diagram of a main part of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a circuit configuration diagram of a main part including a peripheral circuit of a semiconductor memory device according to a second embodiment.
FIG. 22 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the second embodiment.
23A is a plan view and FIG. 23B is a cross-sectional view of a semiconductor memory device according to a second embodiment.
FIG. 24 is a circuit configuration diagram of a main part of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the invention.
FIG. 25 is a circuit configuration diagram of a main part including a peripheral circuit of a semiconductor memory device according to a third embodiment.
FIG. 26 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the third embodiment.
27A is a plan view and FIG. 27B is a sectional view of a semiconductor memory device according to a third embodiment.
FIG. 28 is a circuit configuration diagram of a main part of a semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 29 is a circuit configuration diagram of a main part including a peripheral circuit of a semiconductor memory device according to a fourth embodiment.
FIG. 30 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
31A is a plan view and FIG. 31B is a cross-sectional view of a semiconductor memory device according to a fourth embodiment.
FIG. 32 is a circuit configuration diagram of a main part of a semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the invention.
FIG. 33 is a circuit configuration diagram of a main part including a peripheral circuit of a semiconductor memory device according to a fifth embodiment.
FIG. 34 is a timing chart showing a read / write sequence of the semiconductor memory device according to the fifth embodiment.
FIG. 35A is a plan view and FIG. 35B is a cross-sectional view of a semiconductor memory device according to a fifth embodiment.
FIG. 36 is a schematic cross-sectional view in order of steps (a) to (d) of a memory cell of a semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention;
FIG. 37 is a schematic cross-sectional view in order of steps (a) to (c) of the memory cell of the semiconductor memory device according to the seventh embodiment of the present invention.
38 is a cross-sectional view showing steps (d) and (e) following FIG. 37 in the seventh embodiment.
FIG. 39 is a schematic cross-sectional view in order of steps (a) to (c) of the memory cell of the semiconductor memory device according to the eighth embodiment of the present invention;
40 is a cross-sectional view showing steps (d) and (e) following FIG. 39 in the seventh embodiment.
FIG. 41 is a schematic cross-sectional view in order of steps (a) to (c) of the memory cell of the semiconductor memory device according to the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 42 is a schematic cross-sectional view in order of steps (a) to (c) of the memory cell of the semiconductor memory device according to the tenth embodiment of the present invention;
43 is a cross-sectional view showing steps (d) to (f) following FIG. 42 in the tenth embodiment.
FIG. 44 is a schematic cross-sectional view in order of steps (a) to (c) of the memory cell of the semiconductor memory device according to the eleventh embodiment of the present invention;
45 is a cross-sectional view showing steps (d) and (e) following FIG. 44 in the eleventh embodiment.
FIG. 46 is a schematic cross-sectional view in order of steps (a) and (b) of the memory cell of the semiconductor memory device according to the twelfth embodiment of the present invention;
47 is a sectional view showing steps (d) and (e) following FIG. 46 in the twelfth embodiment. FIG.
[Explanation of symbols]
CM0~ CMN  Memory capacitor
CREF        Reference capacitor
QREAD        Read transistor
QM0~ QMN  MOS transistor for selection
QC         Control transistor
QS         Block selection transistor

Claims (16)

第1の電極と、この第1の電極に対向して配置された第2の電極と、前記第1および第2の電極に挟まれる強誘電体薄膜と、を少なくとも備える記憶用キャパシタと、
前記第1の電極に接続された第3の電極と、この第3の電極に対向して配置された第4の電極と、前記第3および第4の電極に挟まれる誘電体薄膜と、を少なくとも備える参照用キャパシタと、
前記第1および第3の電極に接続されたゲート電極を有する読み出し用トランジスタと、
前記記憶用キャパシタの前記第1の電極,前記参照用キャパシタの前記第3の電極,前記読み出し用トランジスタの前記ゲート電極の3つの接続点であるストレージノードの電位を調整するために設けられた制御用トランジスタと、
を少なくとも備えるメモリセルを、複数個マトリックス状に配置し、
前記制御用トランジスタは、前記記憶用キャパシタの前記第1の電極と前記第2の電極との間に接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。
A storage capacitor comprising at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes;
A third electrode connected to the first electrode; a fourth electrode disposed opposite to the third electrode; and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. A reference capacitor provided at least;
A read transistor having a gate electrode connected to the first and third electrodes;
Control provided to adjust the potential of the storage node, which is the three connection points of the first electrode of the storage capacitor, the third electrode of the reference capacitor, and the gate electrode of the read transistor Transistors for
A plurality of memory cells having at least
The semiconductor memory device, wherein the control transistor is connected between the first electrode and the second electrode of the storage capacitor.
前記制御用トランジスタは、前記参照用キャパシタの前記第3の電極と前記第4の電極との間に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。  The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the control transistor is connected between the third electrode and the fourth electrode of the reference capacitor. 第1の電極と、この第1の電極に対向して配置された第2の電極と、前記第1および第2の電極に挟まれる強誘電体薄膜と、を少なくとも備える記憶用キャパシタと、
前記第1の電極に接続された第3の電極と、この第3の電極に対向して配置された第4の電極と、前記第3および第4の電極に挟まれる誘電体薄膜と、を少なくとも備える参照用キャパシタと、
前記第1および第3の電極に接続されたゲート電極を有する読み出し用トランジスタと、
前記記憶用キャパシタの前記第1の電極,前記参照用キャパシタの前記第3の電極,前記読み出し用トランジスタの前記ゲート電極の3つの接続点であるストレージノードの電位を調整するために設けられた制御用トランジスタと、
を少なくとも備えるメモリセルを、複数個マトリックス状に配置し、
前記制御用トランジスタは、前記参照用キャパシタの前記第3の電極と前記第4の電極との間に接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。
A storage capacitor comprising at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the first and second electrodes;
A third electrode connected to the first electrode; a fourth electrode disposed opposite to the third electrode; and a dielectric thin film sandwiched between the third and fourth electrodes. A reference capacitor provided at least;
A read transistor having a gate electrode connected to the first and third electrodes;
Control provided to adjust the potential of the storage node, which is the three connection points of the first electrode of the storage capacitor, the third electrode of the reference capacitor, and the gate electrode of the read transistor Transistors for
A plurality of memory cells including at least a matrix,
The semiconductor memory device, wherein the control transistor is connected between the third electrode and the fourth electrode of the reference capacitor.
第1の電極,この第1の電極に対向して配置された第2の電極,これら第1および第2の電極に挟まれた強誘電体膜膜を少なくとも具備する記憶用キャパシタと、これら第1および第2の電極間に接続された制御用トランジスタとからなる記憶セルが複数個直列接続された記憶セル列と、
この記憶セル列の端部に位置する前記記憶用キャパシタの第1の電極に電気的に結合された第3の電極,この第3の電極に対向して配置された第4の電極,これら第3および第4の電極に挟まれた誘電体薄膜を少なくとも具備する参照用キャパシタと、
前記第1および第3の電極に電気的に結合されたゲート電極を有する読み出し用トランジスタと、
を少なくとも備えるメモリセルブロックを、複数個マトリックス状に配置したことを特徴とする半導体記憶装置。
A storage capacitor comprising at least a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, a ferroelectric film sandwiched between the first and second electrodes, and the first capacitor A memory cell array in which a plurality of memory cells each including a control transistor connected between the first and second electrodes are connected in series;
A third electrode electrically coupled to the first electrode of the memory capacitor located at the end of the memory cell column, a fourth electrode disposed opposite to the third electrode, A reference capacitor comprising at least a dielectric thin film sandwiched between three and fourth electrodes;
A read transistor having a gate electrode electrically coupled to the first and third electrodes;
A semiconductor memory device comprising a plurality of memory cell blocks each including a plurality of memory cell blocks arranged in a matrix.
前記記憶セル列の前記第1の電極と前記第2の電極との間に接続された制御用トランジスタを第1の制御用トランジスタとし、
前記参照用キャパシタの前記第3の電極と前記第4の電極との間に第2の制御用トランジスタが設けられていることを特徴とする請求項4に記載の半導体記憶装置。
The control transistor connected between the first electrode and the second electrode of the memory cell column is a first control transistor,
The semiconductor memory device according to claim 4, wherein a second control transistor is provided between the third electrode and the fourth electrode of the reference capacitor.
前記参照用キャパシタに読み出し電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電荷量が、前記記憶用キャパシタに読み出し電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電荷量の、1/4以上4倍以内であることを特徴とする請求項4に記載の半導体記憶装置。  The charge amount including a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the reference capacitor includes a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to the read voltage is applied to the storage capacitor. 5. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein the charge amount is not less than 1/4 and not more than 4 times the charge amount. 前記参照用キャパシタの誘電体薄膜が常誘電体薄膜であることを特徴とする請求項4に記載の半導体記憶装置。  5. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein the dielectric thin film of the reference capacitor is a paraelectric thin film. 前記参照用キャパシタの誘電体薄膜が強誘電体薄膜であることを特徴とする請求項4に記載の半導体記憶装置。  5. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein the dielectric thin film of the reference capacitor is a ferroelectric thin film. 直列接続された複数の選択用MOSトランジスタと、これら選択用MOSトランジスタの共通主電極毎に接続された蓄積電極と対向したプレート電極に挟まれた誘電体膜からなる記憶用キャパシタと、よりなるNAND型記憶セル列と、
前記記憶セル列の端部に位置する選択用トランジスタの主電極に電気的に結合された参照用キャパシタと、
前記選択用MOSトランジスタの主電極と前記参照用キャパシタの電極の接続部に電気的に結合されたゲート電極を有する読み出し用トランジスタと、
を少なくとも備えるメモリセルブロックを、複数個マトリックス状に配置したことを特徴とする半導体記憶装置。
A NAND comprising: a plurality of selection MOS transistors connected in series; a storage capacitor made of a dielectric film sandwiched between plate electrodes opposed to storage electrodes connected to each common main electrode of the selection MOS transistors; A type memory cell string;
A reference capacitor electrically coupled to a main electrode of a selection transistor located at an end of the memory cell row;
A read transistor having a gate electrode electrically coupled to a connection between a main electrode of the selection MOS transistor and an electrode of the reference capacitor;
A semiconductor memory device comprising a plurality of memory cell blocks each including a plurality of memory cell blocks arranged in a matrix.
前記選択用MOSトランジスタの主電極,前記参照用キャパシタの一方の電極,前記読み出し用トランジスタのゲート電極の3つの接続点であるストレージノードとビット線との間に制御用トランジスタをさらに備えることを特徴とする請求項9に記載の半導体記憶装置。A control transistor is further provided between a storage node and a bit line which are three connection points of the main electrode of the selection MOS transistor, one electrode of the reference capacitor, and the gate electrode of the read transistor. The semiconductor memory device according to claim 9. 前記参照用キャパシタに読み出し電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電荷量が、前記記憶用キャパシタの読み出し電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電荷量の1/4以上4倍以内であることを特徴とする請求項9に記載の半導体記憶装置。  The charge amount including a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the reference capacitor includes a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to the read voltage of the storage capacitor is applied. The semiconductor memory device according to claim 9, wherein the semiconductor memory device is ¼ or more and four times or less of an amount of charge. 前記記憶用キャパシタの誘電体膜が強誘電体膜であることを特徴とする請求項9に記載の半導体記憶装置。  The semiconductor memory device according to claim 9, wherein the dielectric film of the memory capacitor is a ferroelectric film. 記憶用キャパシタの誘電体膜が常誘電体膜であり、動作電圧範囲内における記憶用キャパシタの最大容量値が最小容量値の2倍以上である非線形キャパシタであることを特徴とする請求項9に記載の半導体記憶装置  10. The storage capacitor according to claim 9, wherein the dielectric film of the storage capacitor is a paraelectric film, and the maximum capacitance value of the storage capacitor within the operating voltage range is twice or more the minimum capacitance value. Semiconductor memory device described 前記参照用キャパシタの誘電体膜が強誘電体膜であることを特徴とする請求項9に記載の半導体記憶装置。  10. The semiconductor memory device according to claim 9, wherein the dielectric film of the reference capacitor is a ferroelectric film. 前記参照用キャパシタの誘電体膜が常誘電体膜であることを特徴とする請求項9に記載の半導体記憶装置。  10. The semiconductor memory device according to claim 9, wherein the dielectric film of the reference capacitor is a paraelectric film. 前記参照用キャパシタに読み出し電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電荷量が、前記記憶用キャパシタに読み出し電圧に相当する電圧を加えたときに得られる分極反転成分を含む電荷量の、1/4以上4倍以内であることを特徴とする請求項9に記載の半導体記憶装置。  The charge amount including a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to a read voltage is applied to the reference capacitor includes a polarization inversion component obtained when a voltage corresponding to the read voltage is applied to the storage capacitor. The semiconductor memory device according to claim 9, wherein the charge amount is ¼ or more and four times or less of a charge amount.
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