JP4787392B2 - Nand型不揮発性強誘電体メモリセル及びそれを用いた不揮発性強誘電体メモリ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体メモリ装置に関するもので、特に、NAND型不揮発性強誘電体メモリセル及びそれを用いた不揮発性強誘電体メモリ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1は一般的なNAND型DRAMセルの構成図である。
図1に示すように、NAND型DRAMセルは複数個のNMOSトランジスタT1,T2,T3,...が直列に連結され、各トランジスタのゲートにはワードラインWL1,WL2,WL3,WL4,...が1本ずつ連結されている。ワードラインを横切る方向にビットラインB/Lが配置され、各トランジスタのドレイン端N1,N2,N3,...には強誘電体キャパシタC1,C2,C3,...の一方の電極が連結され、それらのキャパシタの他方の電極はプレートライン(P/L)に連結されている。
そして、プレートライン(P/L)は1/2Vcc電圧で固定されており、ワードラインWL1,WL2,WL3,...を順次に活性化させるとNMOSトランジスタが活性化され、強誘電体キャパシタに格納されていたデータがビットラインに送られる。ビットラインに現れたデータはセンスアンプ(図示しない)で増幅されるとともに、再び強誘電体キャパシタに再格納される。
【0003】
一般的に不揮発性強誘電体メモリ、つまりFRAM(Ferroelectric Random Access Memory)はDRAM程度のデータ処理速度を有し、電源のオフ時にもデータが保存される特性のため次世代記憶素子として注目を浴びている。
FRAMはDRAMとほぼ同一構造を有する記憶素子であって、キャパシタの材料として強誘電体を使用して強誘電体の特性である高い残留分極を用いたものである。
このような残留分極特性のため電界を除去してもデータは保存される。
【0004】
図2は一般的な強誘電体のヒステリシスループを示す特性図である。
図2に示すように、電界により誘起された分極が電界を除去しても残留分極(又は自発分極)の存在によって消滅されず、一定量(d,a状態)を維持していることが分かる。
不揮発性強誘電体メモリセルは前記d,a状態をそれぞれ1,0に対応させ記憶素子として応用したものである。
【0005】
以下、従来技術による不揮発性強誘電体メモリ素子の駆動回路を添付の図面を参照して説明する。
図3は従来の不揮発性強誘電体メモリの単位セルを示した。
図3に示すように、一方向に形成されたビットラインB/Lと、ビットラインと交差する方向に形成されたワードライン(W/L)と、ワードラインに一定の間隔をおいてワードラインと同一の方向に形成されたプレートライン(P/L)と、ゲートがワードラインに連結され、ソースはビットラインに連結されるトランジスタT1と、第1端子はトランジスタT1のドレインに連結され、第2端子はプレートライン(P/L)に連結される強誘電体キャパシタFC1とを含む。
【0006】
このような従来の不揮発性強誘電体メモリ装置による駆動回路を以下に説明する。
図4は従来の不揮発性強誘電体メモリ装置を駆動するための駆動回路である。
従来の1T/1C(一つのトランジスタと一つの強誘電体キャパシタ)構造の強誘電体メモリを駆動するための駆動回路は、参照電圧を発生する参照電圧発生部1と、複数個のトランジスタQ1〜Q4、キャパシタC1などからなり、参照電圧発生部1から出力される参照電圧を直ちにセンスアンプへ供給できないため、隣接した2本のビットラインの参照電圧を安定化させる参照電圧安定化部2と、複数個のトランジスタQ6〜Q7、キャパシタC2〜C3などからなって、接続したビットラインのそれぞれロジック値「1」と「0」の参照電圧を格納している第1参照電圧格納部3と、トランジスタQ5からなって、隣接した2本のビットラインを等電位化させる第1等化器4部と、互いに異なるワードライン及びプレートラインに連結されデータを格納する第1メインセルアレイ部5と、複数個のトランジスタQ10〜Q15、P−センスアンプ(PSA)などからなって、第1メインセルアレイ部5の複数個のセルのうちワードラインにより選択されたセルのデータをセンシングする第1センスアンプ部6と、互いに異なるワードライン及びプレートラインに連結されデータを格納する第2メインセルアレイ部7と、複数個のトランジスタQ28〜Q29及びキャパシタC9〜C10などからなって、隣接したビットラインのそれぞれロジック値「1」と「0」の参照電圧を格納している第2参照電圧格納部8と、複数個のトランジスタQ16〜Q25、N−センスアンプ(NSA)などからなって、第2メインセルアレイ部7のデータをセンシングして出力する第2センスアンプ部9とを含む。
【0007】
このように構成された従来の不揮発性強誘電体メモリ素子のデータ入出力動作を説明する。
図5は従来の不揮発性強誘電体メモリ素子の書込みモードの動作を示すタイミング図であり、図6は読み出しモードの動作を示すタイミング図である。
まず、書込みモードの場合、外部から印加されるチップインエーブル信号(CSBpad)がハイからローに活性化され、同時に書込みインエーブル信号(WEBpad)をハイからローに印加すると、書込みモードが始まる。
次いで、書込みモードでのアドレスのデコードが始まると、ワードラインに印加されるパルスは「ロー」から「ハイ」に遷移され、セルが選択される。
【0008】
このように、ワードラインが「ハイ」状態を維持している間にプレートラインには順に所定幅の「ハイ」信号と所定幅の「ロー」信号が印加される。
そして、選択されたセルにロジック値「1」又は「0」を書くために、ビットラインに書込みインエーブル信号(WEBpad)に同期した「ハイ」又は「ロー」信号を印加する。すなわち、ビットラインに「ハイ」信号を印加し、ワードラインに印加される信号が「ハイ」状態である期間でプレートラインに印加される信号が「ロー」であれば、強誘電体キャパシタにはロジック値「1」が記録される。そして、ビットラインに「ロー」信号を印加し、プレートラインに印加される信号が「ハイ」信号であれば、強誘電体キャパシタにはロジック値「0」が記録される。
【0009】
このような書込みモードの動作によりセルに格納されたデータを読み出すための動作は以下の通りである。
まず、外部からチップインエーブル信号(CSBpad)が「ハイ」から「ロー」に活性化されると、ワードラインが選択される以前に全てのビットラインは等化器信号によって「ロー」電圧に等電位される。
すなわち、図4で等化器部4に「ハイ」信号を印加し、トランジスタQ18,Q19に「ハイ」信号を印加すると、ビットラインはトランジスタQ19を介して接地されるので、低電圧(Vss)に等電位される。
【0010】
そして、トランジスタQ5,Q18,Q19をオフさせ、各ビットラインを不活性化させた後、アドレスをデコードし、デコードされたアドレスによってワードラインの「ロー」信号が「ハイ」信号に遷移されセルを選択する。選択されたセルのプレートラインに「ハイ」信号を印加して、強誘電体メモリに格納されたロジック値「1」に相応するデータを破壊させる。
もし、強誘電体メモリにロジック値「0」が格納されていれば、それに相応するデータは破壊されない。
【0011】
このように、破壊されたデータと破壊されてないデータは前述したヒステリシスループの原理によって異なる値を出力し、センスアンプはロジック値「1」又は「0」をセンシングする。すなわち、データが破壊された場合は、図1のヒシテリシスループのdからfに変更される場合であり、データが破壊されてない場合は、aからfに変更される場合である。したがって、一定の時間が経過した後センスアンプがインエーブルすると、データが破壊された場合は増幅されロジック値「1」を出力し、データが破壊されてない場合は ロジック値「0」を出力する。
このようにセンスアンプからデータを出力した後には元のデータに戻らなければならないので、ワードラインに「ハイ」信号を印加した状態でプレートラインを「ハイ」から「ロー」に不活性化させる。
【0012】
従来技術においては、参照セルがロー(行)方向に形成され、すなわち、メインセルのワードラインの方向に参照セル用ワードラインが形成され、それぞれの参照セル用のワードラインに複数の参照セルが接続されていた。したがって、メインセルアレイから一つのデータをデータを読み出すごとに、参照セルのワードラインに「ハイ」信号が加えられると、そのたびにそれに接続された参照セルの全てが動作する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上のような従来の不揮発性強誘電体メモリ素子は次のような問題点があった。
強誘電体膜の特性が完璧に確保されてない状態で一つの参照セルは約数百倍以上も多いメインセルの読み出し動作で使用されるように構成されているため、参照セルはメインセルより多く動作しなければならず、参照セルの劣化が急激に進み、参照電圧は安定しない。
したがって、素子の動作特性を悪化させ、寿命を短縮させる。
【0014】
本発明は上記した従来の課題を解決するために成されたものであって、メインセルと参照セルのアクセスされる数を同じくすることで、参照セルによるビットライン誘導電圧とメインセルによるビットライン誘導電圧を一定に維持させ動作の特性を向上させ、レイアウトの面積を最小化して高集積化を実現できるようなNAND型不揮発性強誘電体メモリセル及びそれを用いた不揮発性強誘電体メモリ装置を提供することにその目的がある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するための本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルは、直列に形成されたN個のトランジスタと;N個のトランジスタ中最初のトランジスタの入力端とn番目トランジスタの出力端とが連結されるビットラインと;n番目のトランジスタを除いた各トランジスタのゲートごとに連結されたワードラインと;n番目のトランジスタのゲートに連結され、書込みまたは再格納モードでのみ活性化信号が印加されるWEC信号ラインと;そして、各ワードラインとそのトランジスタの出力端との間に形成された強誘電体キャパシタとを含むことを特徴とする。
【0016】
また、NAND型不揮発性強誘電体メモリセルを用いた不揮発性強誘電体メモリ装置は、複数個のグローバルワードラインを制御するグローバルXデコーダ部と;直列に連結されたN個のトランジスタと、トランジスタ中最初のトランジスタのソース及びN番目のトランジスタのドレインに連結されたビットラインと、N番目のトランジスタのゲートに連結されるWEC信号ラインと、N番目のトランジスタ以外のトランジスタのゲートに連結されるワードラインと、N番目のトランジスタを除いた各トランジスタのドレインとそのワードラインとの間に連結される強誘電体キャパシタとからなる複数個のNAND型不揮発性強誘電体セルより構成されたセルアレイ部と;セルアレイ部の下部に位置して、セルアレイ部から選択された任意のセルから読み出ししたデータを一時的に格納した後、書込み及び再格納時に出力するビットライン制御部と;
ワードラインを活性化させる活性化信号及びWEC信号を出力するローカルXデコーダ部と;そして、ローカルXデコーダ部から出力されるワードライン活性化信号を最初のトランジスタから順次に印加し、書込みモードでのみWEC信号を印加するワードライン駆動部とを含むことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に示す実施形態に基づいて本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセル及びそれを用いた不揮発性強誘電体メモリ装置を説明する。
図7は本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルによる単位セルを示した。
図7に示すように、NMOSトランジスタT1,T2,...T5が直列に連結され、トランジスタが形成された方向に従ってビットラインB/Lが形成される。そして、トランジスタ中最初のトランジスタT1のソースと最後のトランジスタT5のドレインはビットラインB/Lに連結される。最後のトランジスタT5以外の各トランジスタのゲートにはワードラインが連結され、最後のトランジスタT5のゲートにはWEC信号ラインが連結される。WEC信号は読み出しモードでは不揮発状態を維持して書込みモードでのみ活性化状態を維持する信号である。各トランジスタT1,T2,T3,T4のゲートに連結されたワードラインとそれらのトランジスタのドレインとの間には強誘電体キャパシタFC1,FC2,FC3,FC4が連結され、最後のトランジスタT5は強誘電体キャパシタを有しない。
【0018】
ここで、本実施形態は、図7のような構成が複数個並べられ、不揮発性強誘電体メモリセルアレイを構成している。また、図7は単位セルを4−NAND型で構成しているが、2−NAND,3−NAND,n−NAND型で構成することもできる。
以下本実施形態である4−NAND型不揮発性強誘電体メモリセルを例として説明する。
【0019】
図8は図7の構成によるレイアウト図であって、互いに一定の間隔をおいて一方向にワードラインWL1〜WL4及びWEC電極が形成され、各ワードライン上にバリアメタル(図示しない)を介してキャパシタの第1電極(図示しない)が形成され、キャパシタの第1電極上に強誘電体膜(図示しない)を介してキャパシタ第2電極90a〜90dが形成される。そして、ワードラインの両側に不純物領域78a〜78fが形成され、キャパシタの第2電極90a〜90dの一側の不純物領域87b,87c,87d,87eとキャパシタの第2電極90a〜90dを電気的に連結するためのプラグ94a〜94dが形成され、両外側の不純物領域87a,87fと電気的に連結され、かつワードラインと交差する方向にアクティブ領域に沿ってビットライン97が形成される。ここで、図示しないが、各ワードラインと半導体基板の間はゲート絶縁膜により互いに絶縁されている。
【0020】
一方、図9は図8のI−I線の断面図であって、第1導電型の半導体基板81と、半導体基板81の表面内に一定の間隔をおいて形成されるn固のソース及びドレイン領域87a〜87fと、ソース及びドレイン領域の間の基板上に形成されたワードラインWL1〜WL4及びWED電極と、ワードラインWL1〜WL4上にバリアメタル84を介在して形成された強誘電体キャパシタの第1電極85a〜85dと、第1電極の上部及び側面に形成された強誘電体膜89と、強誘電体膜上に形成された強誘電体キャパシタの第2電極90a〜90dと、N個のソース及びドレイン領域87a〜87f中の最初の領域87a及び最後のN番目の領域87fを除いた残り領域87b,87c,87d,87eにそれぞれ隣接した第2電極90a〜90dとを電気的に連結するプラグ94a〜94dと、プラグを含む基板上に絶縁層95を間において形成され、最初の領域87a及びN番目の領域87fと電気的に連結されるビットライン96とを含む。
【0021】
このように構成された本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法を添付の図面を参照して説明する。
図10aないし図11gは本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法による第1実施形態を説明するための工程断面図である。
図10aに示すように、第1導電型の半導体基板を活性領域とフィールド領域とに区画した後、活性領域半導体基板81上にゲート絶縁膜82を形成する。
ゲート絶縁膜82上にポリシリコン83を蒸着した後、ポリシリコン83上にバリアメタル層84を形成する。そして、バリアメタル層84上にキャパシタ電極物質85を順に形成する。キャパシタ電極物質85上にフォトレジスト(図示しない)を塗布した後、露光及び現像工程によりパターニングする。
【0022】
パターニングされたフォトレジスタをマスクとして用いたエッチング工程によって、キャパシタ電極物質85,バリアメタル84,そして、ポリシリコン層83及びゲート絶縁膜82を選択的に除去し、図10bに示すように、互いに一定の間隔を持つワードラインWL1〜WL4及びキャパシタの第1電極85a〜85dを形成する。このワードラインの形成時にWEC電極も形成され、WEC電極上にもキャパシタ電極物質85が形成されるが、電極としては使用されない。
【0023】
図10cに示すように、ワードラインWL1〜WL4及びWEC電極をマスクとして用いた不純物イオン注入及び熱処理によって、ワードラインWL1〜WL4及びWEC電極の両側に第2導電型の不純物領域87a,87b,87c,87d,87e,87fを形成する。その後、キャパシタの第1電極85a〜85dを含む基板81上に絶縁膜88を蒸着した後、バリアメタル84の側面が露出されるまでエッチバックする。
【0024】
次いで、図10dに示すように、ワードライン及びWEC電極を含む絶縁膜88上に強誘電体膜89を形成した後、強誘電体膜89上にキャパシタ電極物質90を形成する。そして、キャパシタ電極物質90上にフォトレジスト91を塗布した後、露光及び現像工程によりパターニングする。
【0025】
パターニングされたフォトレジストをマスクとして用いたエッチング工程によって、キャパシタ電極物質90及び強誘電体膜89を選択的に除去し、図11eに示すように、キャパシタの第2電極90a,90b,90c,90dを形成する。この際、WEC電極上部に形成された強誘電体膜及びキャパシタ上部電極は除去する。
【0026】
以後、図10fに示すように、キャパシタ上部電極90aを含む基板81の全面に絶縁膜92を蒸着する。ワードラインとワードラインの間の第2導電型の不純物領域87b,87c,87d,87eとキャパシタの第2電極90aの所定部分が露出されるように、絶縁膜92を選択的に除去してコンタクトホール93a〜93dを形成する。
【0027】
図11gに示すように、コンタクトホール93a〜93dを含む絶縁膜92上に導電性物質を蒸着する。導電性物質をエッチバックして第2導電型不純物領域87b,87c,87d,87eとキャパシタ上部電極90aとを電気的に連結させるプラグ94を形成する。そして、プラグ94を含む絶縁膜92上に再び絶縁膜95を蒸着する。最初のワードラインWL1の一側とWEC電極の一側に形成された第2導電型不純物領域87a,87fが露出されるようにコンタクトホールを形成する。以後、コンタクトホールを導電性物質96で満たした後、導電性物質96と電気的に連結されるビットライン97を形成すると、本発明の4−NAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造工程が完了する。
【0028】
このような本発明の第1実施形態を用いたNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法は、強誘電体膜が矩形に形成されたキャパシタの第1電極の上面と両側面を含む範囲まで延長しているので、その分キャパシタンスを増加させることができる。
【0029】
一方、図12aないし13gは本発明の4−NAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法による第2実施形態を説明するための工程断面図である。
この第2実施形態の不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法による回路的構成は第1実施形態の構成と同一である。
図12aに示すように、活性領域の半導体基板100上にフォトレジストを塗布する。露光及び現像工程でパターニングして、互いに一定の間隔を持つ第1フォトレジスト101を形成する。
【0030】
第1フォトレジストパターン101をマスクとして用いて半導体基板100内にN+ イオン注入を実施した後、熱処理して図12bに示すように、互いに一定の間隔を持つ第1N+ 不純物領域102a,102b,102c,102dを形成する。この第1N+ 不純物領域102a〜102dはキャパシタの第1電極として使用する。
【0031】
以後、図12cに示すように、選択的に第1N+ 不純物領域102a〜102dが形成された半導体基板100上に強誘電体膜103を形成する。そして、強誘電体膜103上にメタル層104を形成する。メタル層104上にフォトレジストを塗布した後、パターニングして第1N+ 不純物領域102a〜102d上部のメタル層104上に第2フォトレジストパターン105を形成する。
このとき、強誘電体膜103を形成する前に、強誘電体膜が第1N+ 不純物領域102a〜102dが形成された半導体基板100に拡散するのを防止するための拡散防止膜(図示しない)を形成する工程をさらに行うことができる。
また、強誘電体膜103を形成した後、以後に形成されるキャパシタの第2電極に強誘電体膜103が拡散することを防止するための拡散防止膜(図示しない)を形成する工程をさらに行うこともできる。
【0032】
図12dに示すように、第2フォトレジストパターン105をマスクとして用いたエッチング工程によりメタル層104,強誘電体膜103を選択的に除去して基板100を露出させる。この際、基板100の露出部位が各第1N+ 不純物領域102a〜102dの一側にアラインされるように第2フォトレジストパターン105を形成する。そして、メタル層104はワードライン及びキャパシタの第2電極として使用するだけでなく、WEC電極としても使用する。
【0033】
次いで、図13eに示すように、メタル層104をマスクとして用いて再び高濃度N+ イオンを注入した後、熱処理して第1N+ 不純物領域102a〜102dの一方の側に隣接させて第2N+不純物領域106a〜106fを形成する。
【0034】
図13fに示すように、メタル層104を含む基板100の全面に絶縁層107を形成する。第2N+ 不純物領域106a〜106fの両端に位置した不純物領域106a,106fが露出されるように、絶縁層107を選択的にエッチングしてビットラインコンタクト108を形成する。
以後、ビットラインコンタクト108を含む絶縁層107上にビットライン109を形成すると、本発明の第2実施形態によるNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造工程が完了する。
【0035】
このような本発明の第2実施形態によるNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法は、基板100内に形成されたN+ 不純物領域102a〜102dとワードラインとをそれぞれ強誘電体キャパシタの第1,第2電極として使用する。
しがたって、工程をより簡略化させることができる。
図13gは図13fに対する等価的な断面構成を示した。
【0036】
一方、図14は多数のトランジスタからなるマルチ−NAND型基本セルの構成を示すものである。マルチ−NAND型不揮発性強誘電体メモリセルは、複数本のワードラインWL1,WL2,WL3,WL4,...WLnと、各ワードラインにゲートが連結される複数個のNMOSトランジスタT1,T2,T3,T4,...Tnが構成され、最初のNMOSトランジスタT1のソースと最後のNMOSトランジスタTnのドレインはビットラインに連結されている。
【0037】
一方、図15は本発明による不揮発性強誘電体メモリセルの基本動作メカニズムを説明するためのブロックダイアグラムである。
図15に示すように、読み出しモードでは各強誘電体キャパシタに格納されたデータを一つずつ読み出し、一時的格納場所のレジスタ111にそれぞれ格納する。メモリセルのすべてのデータが読み終われると、レジスタ111に一時的に保管していたデータをそれぞれの強誘電体キャパシタに再び書き込み、動作を完了する。ここで、レジスタ111はセンスアンプで構成することも、またはSRAMで構成することもできる。
【0038】
図16は図15のようなメカニズムで動作する読み出し及び書込みモードによるタイミング図であって、4−NAND型不揮発性強誘電体メモリセルの動作タイミング図である。
図16に示すように、読み出しモードでワードラインのWL1,WL2,WL3,WL4を順に活性化させて、各強誘電体キャパシタに格納されたデータD1,D2,D3,D4を順次にビットラインに読み出し、一時的格納場所のレジスタ111に格納する。この際、WEC信号をローレベルにして、NMOSトランジスタT5を不活性化させる。以後、強誘電体キャパシタFC1,FC2,FC3,FC4に格納されたデータがすべて読み終われると、書込みモード或いは再格納モードでWEC信号をハイレベルに遷移して、NMOSトランジスタT5を活性化させる。
【0039】
次に、ワードラインWL1,WL2,WL3,WL4を順に不活性化させた後、WEC信号もローレベルに不活性化させることで、レジスタ111に一時的に保管しているデータをそれぞれの強誘電体キャパシタに再び書き込む動作を完了する。
【0040】
一方、図17は本発明による強誘電体キャパシタにロジック「1」を処理するための基本読み出し/書込み動作メカニズムを詳細に説明するための図である。
図17aに示すように、読み出しモードで最初のワードラインWL1のみをまず活性化すると、最初のNMOSトランジスタT1が活性化されターンオンとなる。そして、残りのトランジスタT2,T3,T4,T5は不活性化状態となってオフのままである。
したがって、ワードラインWL1に誘起された強誘電体キャパシタFC1のデータはノードN1及びNMOSトランジスタT1を介してビットラインB/Lに伝達される。したがって、ビットラインB/Lと連結されたセンスアンプ(図示しない)が増幅して一時的格納場所のレジスタ111に格納する。
【0041】
一方、図17bに示すように、書込みモードまたは再格納モードでは読み出しモードとは逆順で最初のワードラインWL1のみをまず不活性化させる。
したがって、NMOSトランジスタT1は活性化状態から不活性化状態に変わる。このように、書込みモードではワードラインの活性化及び不活性化区間ともに用いられる。そのうち、活性化区間にはロジック「0」が書かれ、不活性区間にはロジック「1」が書かれる。すなわち、不活性化区間ではワードラインWL1がローに不活性化され、トランジスタT1はオフ状態となるが、残りのトランジスタT2,T3,T4、T5は活性化状態であるので、ビットラインB/LのハイデータはノードN1に伝達され、強誘電体キャパシグタFC1のワードラインWL1側電極にはローデータが印加される。したがって、強誘電体キャパシタFC1にロジック「0」が書き込まれる。
【0042】
図18は本発明による強誘電体キャパシタにロジック「0」を処理するための基本読み出し/書込み動作メカニズムを詳細に説明するための図面である。
まず、図18aに示すように、読み出しモードでワードラインWL1のみを活性化すると、NMOSトランジスタT1は活性化されてオンの状態となり、残りのトランジスタT2,T3,T4,T5は不活性化状態でオフである。
ワードラインWL1により誘起された強誘電体キャパシタFC1のデータはノードN1及びトランジスタT1を介してビットラインB/Lに伝達されセンスアンプに増幅される。そして、増幅されたデータは一時的格納場所のレジスタ111に格納される。
【0043】
一方、図18bに示すように、書込み或いは再格納モードでは読み出しとは逆順でワードラインWL1のみをまず不活性化させる。
したがって、NMOSトランジスタT1は活性化状態から不活性化状態に変わる。このように、書込みモードではワードラインの活性化区間及び不活性化区間ともに用いられる。このうち、活性化区間ではロジック「0」が書かれ、不活性化区間ではロジック「1」が書かれる。すなわち、活性化区間ではワードラインがハイであるので、強誘電体キャパシタFC1のワードラインWL1側の電極にハイが印加される。したがって、ビットラインB/Lにローデータを印加すると、FC1にロジック「0」が書かれる。
【0044】
以上ではNAND型不揮発性強誘電体メモリセルを説明したが、以後は上記のようなNAND型不揮発性強誘電体メモリセルを用いた不揮発性強誘電体メモリ装置を説明する。
【0045】
図19は本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の構成図である。なお、本明細書における方向を示す、上下左右等は図面上のもので単に説明の便宜のためである。
本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置は、グローバルXデコーダ部151と、グローバルXデコーダ部151の右側に形成された第1セルアレイ部153と、第1セルアレイ部153の右側に形成された第1ワードライン駆動部155と、第1ワードライン駆動部155の右側に形成された第2ワードライン駆動部157と、第2ワードライン駆動部157の右側に形成された第2セルアレイ部159と、第1ワードライン駆動部155の下に形成された第1ローカルXデコーダ部161と、第2ワードライン駆動部157の下に形成された第2ローカルXデコーダ部163と、第1セルアレイ部153及び第2セルアレイ部159それぞれの下に形成された第1,第2ビットライン制御部165,167とを含む。
ここで、第1,第2セルアレイ部153,159はそれぞれメインセルアレイ部と参照セルアレイ部とより構成され、各セルアレイ部は複数個の単位セルより構成される。
【0046】
単位セルは上記したNAND型不揮発性強誘電体メモリセルであって、4−NAND型またはマルチ−NAND型不揮発性強誘電体メモリセルである。
そして、グローバルXデコーダ部151は複数のグローバルワードラインGWLを制御する。第1,第2ローカルXデコーダ部161,163はNAND型不揮発性強誘電体メモリセルのそれぞれのワードラインを順次に活性化させるための活性化信号LXDEC1〜LXDECn及びWEC信号を出力する。第1,第2ワードライン駆動部155,157は複数個のサブ駆動部より構成され、各サブ駆動部はグローバルワードラインごとに連結される。
一方、図19のような構成を繰り返して実現すると、図20のような構成を有する。
【0047】
このように構成された本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置をより詳細に説明する。
図21は本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図であって、ワードライン駆動部を中心にしてより詳細に図示した。
図面に示すように、第1ワードライン駆動部155と第2ワードライン駆動部157が並んでおり、それらの左側側に第1セルアレイ部153が、右側に第2セルアレイ部159がそれぞれ並べられている。これはレイアウトをより効率よく用いるためである。図のように、第1,第2ワードライン駆動部155,157は複数個のサブ駆動部SDより構成される。
【0048】
図21に示すように、グローバルXデコーダ部151に複数のグローバルワードラインGWL1,GWL2,...GWL_nが連結される。そして、それぞれのグローバルワードラインごとにサブ駆動部SDが連結される。また、それぞれの第1,第2ワードライン駆動部155,157はそれぞれグローバルワードラインの数だけサブ駆動部を備える。
そして、各グローバルワードラインGWL1〜GWLnには第1ワードライン駆動部155のサブ駆動部と第2ワードライン駆動部157のサブ駆動部が共通に連結される。
【0049】
図22は本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図であって、ローカルXデコーダ部から出力する信号LXDEC1,LXDEC2,LXDEC3,LXDEC4,WECとサブ駆動部SDとの関係を示す。
図22に示すように、サブ駆動部はグローバルXデコーダ部(図示しない)から出力するグローバルワードラインGWLの信号によって動作し、ローカルXディコーダ部161から出力する信号を順次ワードラインWL1〜WL4に印加する。このとき、WEC信号は書込みモードまたは再格納モードでのみ活性化される。
【0050】
図23は図22に示すサブ駆動部の詳細構成図である。
図23に示すように、グローバルXデコーダ部(図示しない)に連結されたグローバルワードラインGWLに直列に連結された四つのNMOSトランジスタT1,T2,T3,T4より構成された第1制御部181aと、第1制御部のそれぞれのトランジスタのドレイン電圧によって順次に制御され、ローカルXデコーダ部(図示しない)の出力信号LXDEC1,LXDEC2,LXDEC3,LXDEC4をワードラインWL1〜WL4に順次に印加するNMOSトランジスタT5,T6,T7,T8より構成された第2制御部181bとを含む。ここで、ローカルXデコーダ部はLXDEC1〜LXDEC4信号とともにWEC信号を出力する。このようなサブ駆動部は第1制御部181aを構成しているNMOSトランジスタT1〜T4が順次にターンオンとなるに従って、第2制御部181bを構成しているNMOSトランジスタT5,T6,T7,T8が順次にターンオンとなる。したがって、ローカルXデコーダ部の出力信号LXDEC1〜LXDEC4は順次ワードラインWL1,WL2,WL3,WL4に印加され、最後にWEC信号が印加される。
【0051】
図23は単位セルが4−NAND型である場合を示すものであって、もし、n−NAND型である場合にはローカルXデコーダ部はWEC信号とともにLXDEC1〜LXDECnを出力する。そして、第1制御部181a及び第2コントロール部181bを構成するNMOSトランジスタもn固構成される。このようなサブ駆動部はグローバルワードラインGWLが活性化されるに従って第1コントロール部181aの最初のトランジスタT1がターンオンとなり、第2制御部181bの最初のトランジスタT5をターンオンさせる。
したがって、ローカルXデコーダ部から出力するLXDEC1信号が最初のワードラインWL1に印加され最初のワードラインWL1が活性化される。
この際、残りのトランジスタは不活性化状態でオフの状態を維持する。
したがって、最初のワードラインWL1が活性化されるに従って、4−NANDセルを構成する最初のトランジスタT1がターンオンとなり、強誘電体キャパシタFC1に格納されていたデータはNMOSトランジスタT1を介してビットラインに伝達される。
【0052】
このように順次に強誘電体キャパシタFCに格納されていたデータを読み出しして一時格納場所のレジスタに格納する。
NANDセルのデータを読み出し及び書込みする過程は既に説明しているので、以下省略する。
【0053】
一方、図24は本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図であって、単位セルとビットライン及びワードラインとの関係を示した。
図24に図示のように、カラム方向に複数のビットラインBL...,_n,BL_n+1,...が配置され、各ビットラインごとに単位セル...,C11,C12,...が連結される。
【0054】
単位セルは前述したように、4−NANDセル(図7)またはマルチ−NANDセル(図12)より構成されるが、4−NANDセルを基準とする場合、直列に連結された五つのトランジスタT1,T2,T3,T4,T5の最初のトランジスタT1のソースと五番目のトランジスタT5のドレインがビットラインに連結される。もし、マルチ−NANDセルである場合には最初のトランジスタT1のドレインと最後のトランジスタTnのドレインがビットラインに連結される。
【0055】
図25は本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図であって、サブ駆動部とセルアレイ部との関係をより詳細に示す。
参考に、図25は図21の「A」部分をより詳細に示している。
図25は単位セルが4−NANDセルより構成された場合を示すものであって、ロー方向にグローバルワードラインGWL_nが配置され、グローバルワードラインを横切る方向に複数のビットライン...,B/L_n−1, B/L_nが配置される。そして、各ビットラインに相応して4−NANDセル...,MC_n−1,MC_nが連結され、グローバルワードラインGWL_nにはサブ駆動部SDが連結される。
図面に示すように、読み出しモードでは不活性化状態を維持して、書込みモードが始まると活性化状態に変わるWEC信号は、ローカルXデコーダ部からLXDEC1〜LXDEC4信号とともに出力する。
【0056】
図26は本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図であって、図19の第1ビットライン制御部と第1セルアレイ部を中心により詳細に示す。
まず、第1ビットライン制御部165はセルから読み出ししたデータを一時的に格納する格納場所としてビットライン制御部内のセンスアンプを用いたり、別にレジスタを構成することが可能である。
図面に示すように、第1ビットライン制御部165はメインビットラインコントロール部165aと参照制御部165bとで構成される。セルアレイ部153には複数のグローバルビットラインが形成され、グローバルビットラインは再び複数のメイングローバルビットラインBL...,G_n−1,BLG_nと一対の参照グローバルビットラインBLRG_1,BLRG_2より構成される。したがって、メイングローバルビットラインBL...,G_n−1,BLG_nはメインビットライン制御部165aと連結され、参照グローバルビットラインBLRG_1,BLRG_2は参照ビットライン制御部165bと連結される。
【0057】
各メイングローバルビットラインごとに本発明によるNAND型不揮発性メモリセルMCが連結され、参照グローバルビットラインBLRGにもNAND型不揮発性メモリセルRCが連結される。
未説明符号155はローカルXデコーダ部(図示しない)から出力するLXDEC1,LXDEC2,LXDEC3,LXDEC4信号を順次にワードラインWL1,WL2,WL3.WL4に印加するサブ駆動部からなるワードライン駆動部である。
【0058】
ビットラインとNAND型メモリセルとの連結関係は既に説明した通りである。
メイングローバルビットライン及び参照グローバルビットラインに連結されるメモリセルMC、RCは4−NANDまたはマルチ−NANDにより実現する。また、参照ビットライン制御部165bは2本の参照グローバルビットラインBLRG_1,BLRG_2が接続されている。
【0059】
図27は図26の構成中ビットライン制御部を中心により詳しく示すものである。
メイングローバルビットライン...,BLG_n−1,BLG_nに対応してそれぞれメインセンスアンプ...,SA_n−1,SA_nが連結される。2本の参照グローバルビットラインBLRG_1,BLRG_2中の1本が参照センスアンプRSAに連結され、参照センスアンプRSAから出力する参照電圧CREFがメインセンスアンプ...,SA_n−1,SA_nに共通に印加されるようになっている。すなわち、参照センスアンプRSAはそれに接続された参照ビットラインに現れる信号を増幅してメイン...,SA_n−1,SA_nへ供給している。
このとき、互いに隣接したメイングローバルビットラインBL...,G_n−1とBLG_nの間にはビットラインプレチャージ回路部(BPC:Bitline Precharge Circuit )が配置される。そして、最後のメイングローバルビットラインBLG_nと参照センスアンプRSAに連結された参照グローバルビットラインBLRG_2との間にもビットラインプレチャージ回路部BPCが配置される。
【0060】
参照センスアンプRSAに連結されない一つの参照グローバルビットラインBLRG_1には一定の電圧(CVOL)が印加される。ビットラインプレチャージ回路部BPCは、後で説明するが、隣接したグローバルビットラインを一定のレベルにプレチャージさせる役割をする。
【0061】
以上は、本発明の第1実施形態によるNAND型不揮発性強誘電体メモリセルを用いた不揮発性強誘電体メモリ装置を説明した。
図28は、本発明の第2実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置を説明するためのセルアレイ部の構成図である。
セルアレイ部は複数のサブセルアレイ部より構成されるが、図28は一つのサブセルアレイ部のみを示す。したがって、図28のような構成はセルアレイ部内に反復的に構成される。
【0062】
本発明の第1実施形態ではグローバルビットラインに直接複数個のNAND型単位セルが連結されている。しかし、本発明の第2実施形態ではスイッチング素子を構成して複数個のNAND型単位セル中一つのみを選択的にグローバルビットラインと連結する。これのために、本発明の第2実施形態ではグローバルビットラインBLGとともにローカルビットラインBLLの概念を導入する。
すなわち、本発明の第2実施形態によるローカルビットラインは本発明の第1実施形態ではグローバルビットラインに当たる。
【0063】
本発明の第2実施形態によるセルアレイ部は、図28に示すにように、互いに一定の間隔をおいて形成されたグローバルビットラインBL...,G_n−1,BLG_nと、各グローバルビットラインに相応して同一の方向に形成されたローカルビットラインBL...,L_n−1, BLL_nと、各ローカルビットラインに連結された複数個のNAND型単位セルMCと、ローカルビットラインBL...,L_n−1, BLL_の先端とそのグローバルビットラインBL...,G_n−1,BLG_nの間に形成されたスイッチング素子SWとを含む。
【0064】
ここで、読み出しモードの場合、ローカルビットラインに連結された複数個のセルMCの中一つのセルが選択され、そのセルのデータがスイッチング素子SWを介してグローバルビットラインに伝達される。グローバルビットラインに伝達されたデータはビットライン制御部のセンスアンプによりセンシング及び増幅する。
【0065】
図29は本発明の第2実施形態によるNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置の構成図である。
図面に示すように、本発明の第1実施形態によるNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置とはセルアレイ部の構成面で違いがある。
本発明の第2実施形態による不揮発性強誘電体のメモリ装置は、図29に示すように、グローバルXデコーダ部(図示しない)と、セルアレイ部153と、セルアレイ部153の下に位置したビットライン制御部165と、セルアレイ部153の右側に形成されたワードライン駆動部155と、ワードライン駆動部155の下に位置したローカルXデコーダ部161とを含む。
【0066】
以下、このように構成された本発明の第2実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置をより詳細に説明する。
すなわち、複数のメイングローバルビットライン...,BLG_n−1,BLG_n及び参照グローバルビットラインBLRG_1,BLRG_2が形成され、グローバルビットラインはビットライン制御部165に連結される。
ビットライン制御部165もまたメインビットライン制御部165aと参照ビットライン制御部165bとで構成される。
メインビットライン制御部165aはそれぞれのメイングローバルビットラインに対応してセンスアンプ...,SA_n−1,SA_nを備え、隣接したビットライン間のプレチャージのためのビットラインプレチャージ制御部BPCを備える。
【0067】
また、参照ビットライン制御部165bは二つの参照グローバルビットライン中一つの参照グローバルビットラインBLRG_2に連結される参照センスアンプRSAを含む。
ワードライン駆動部155はグローバルXデコーダ部(図示しない)から出力するグローバルワードラインGWL信号により、ローカルXデコーダ部161の出力信号LXDEC1〜LXDEC4をワードラインWL1,WL2,WL3,WL4に伝達する。
【0068】
図28に示すように、各グローバルビットラインBLG_n−1,BLG_nに対応してローカルビットラインBLL_n−1,BLL_nが配置される。ローカルビットラインBLL_n−1,BLL_nには複数個の単位セルMCが連結され、ローカルビットライン...,BLL_n−1,BLL_nの終端点にはスイッチング素子SWが構成されそのグローバルビットラインと電気的なスイッチングを担当する。
【0069】
前述したように、セルアレイ部は複数個のサブセルアレイ部より構成されるが、そのうち二つ以上が同時に活性化されることはなく、一つのサブセルアレイ部のみ活性化される。しかし、活性化された一つのサブセルアレイ部内に構成される複数個のローカルビットラインは同時に活性化されることがある。したがって、ロー方向に複数個のセルを同時に読み出し及び書込みすることができる。
【0070】
一方、図30は本発明の第1実施形態及び第2実施形態によるNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置のビットラインプレチャージ回路部をより詳しく示すものである。
図30に示すように、複数のグローバルビットライン...,BLG_n−1,BLG_nと、各グローバルビットライン...,BLG_n−1,BLG_nの間に構成されたビットライン等化スイッチ部BEQSWと、ビットラインプレチャージレベル供給部(図示しない)から出力する信号BEQLEVをそれぞれのグローバルビットライン...,BLG_n−1, BLG_nにスイッチングする複数個のビットラインプレチャージスイッチ部BPCSWとを含む。
ここで、ビットライン等化スイッチ部BEQSWやビットラインプレチャージスイッチ部BPCSWはNMOSトランジスタを含む。
したがって、ビットラインプレチャージレベル供給部(図示しない)から出力する信号のレベルは、NMOSトランジスタのしきい電圧と同一であるか多少大きい。
【0071】
結果的にビットラインプレチャージレベル供給部の出力信号BEQLEVはビットラインプレチャージスイッチ部BPCSWを介してそのグローバルビットラインのレベルをプレチャージさせる。そして、ビットライン等化スイッチ部BEQSWはスイッチ制御信号によってターンオンとなり、隣接した二つのグローバルビットラインを同一レベルにイクオーライジングさせる。
【0072】
図31は本発明の第1実施形態及び第2実施形態に共通に使用されるセンスアンプをより詳細に示すものである。
図31に図示のセンスアンプはメインセンスアンプと参照センスアンプとも同一構成で使用される。
まず、図20の構成では、図19の構成を繰り返して配置することで、ビットライン制御部が二つのセルアレイ部の間に配置される。したがって、ビットライン制御部を構成しているセンスアンプは上側のセルアレイ部と下側のセルアレイ部のデータをすべてセンシングできるように配置することが効率的なレイアウト面で望ましい。すなわち、上側のセルアレイ部と下側のセルアレイ部が一つのビットライン制御部を共有するように構成する。
【0073】
図面でBLGTは上部のセルアレイ部と連結されるメイングローバルビットラインであり、BLGBは下部のセルアレイ部と連結されるメイングローバルビットラインを示す。そして、CREFは上部の参照セルと連結される参照グローバルビットラインであり、CREFBは下部の参照セルと連結される参照グローバルビットラインを示す。
【0074】
その構成を見ると、ソースがBLGT及びBLGBに連結された第1NMOSトランジスタMN1と、ソースがCREF及びCREFBに連結され、ゲートは第1NMOSトランジスタMN1のゲートに共通に連結された第2NMOSトランジスタMN2と、第1NMOSトランジスタMN1を介して入るBLGTまたはBLGB信号を増幅する第3NMOSトランジスタMN3と、第2NMOSトランジスタMN2を介して入るCREF及びCREFB信号を増幅する第4NMOSトランジスタMN4と、ソースがそれぞれ電源端Vccに連結され、ドレインは第1NMOSトランジスタMN1の出力端と第2NMOSトランジスタMN2の出力端にそれぞれ連結される第1PMOSトランジスタMP1及び第2PMOSトランジスタMP2(第1PMOSトランジスタのドレインは第2PMOSトランジスタのゲートに連結され、第2PMOSトランジスタのドレインは第1PMOSトランジスタのゲートに連結される)と、センスアンプ等化器信号SAEQによって第1NMOSトランジスタMN1の出力端と第2NMOSトランジスタMN2の出力端をイクオーライジングさせる第3PMOSトランジスタMP3とを含む。
【0075】
ここで、第1NMOSトランジスタMN1のソースとBLGTの間に第5NMOSトランジスタMN5が構成され、第1NMOSトランジスタMN1のソースとBLGBの間に第6NMOSトランジスタMN6がさらに構成される。
【0076】
また、第2NMOSトランジスタMN2のソースとCREFの間に第7NMOSトランジスタMN7が構成され、第2NMOSトランジスタMN2のソースとCREFBの間に第8NMOSトランジスタMN8がさらに構成される。 そして、カラム選択信号COLSELによってデータバスとセンスアンプの出力端を選択的にスイッチングする第9NMOSトランジスタMN9と、データバーバスとセンスアンプの出力端をスイッチングする第10NMOSトランジスタMN10とがさらに構成される。
【0077】
ここで、第5NMOSトランジスタMN5はセンスアンプとBLGT間にスイッチングを担当し、第6NMOSトランジスタMN6はセンスアンプとBLGB間のスイッチングを担当する。そして、第7NMOSトランジスタMN7はセンスアンプとCREF間にスイッチングを担当し、第8NMOSトランジスタMN8はセンスアンプとCREFB間のスイッチングを担当する。
【0078】
このように構成されたセンスアンプの動作を説明する。
以下で説明するセンスアンプの動作は上側のセルアレイ部に格納されたデータをセンシングする場合に当たる。
すなわち、図31に示すように、第5NMOSトランジスタMN5を活性化させる活性化信号BSELと第7NMOSトランジスタMN7を活性化させる活性化信号RSELによって第5,第7NMOSトランジスタMN5,MN7が活性化されると、第6,第8NMOSトランジスタMN6,MN8は不活性化状態となる。
【0079】
逆に、第6,第8NMOSトランジスタMN6,MN8が活性されると、第5,第7NMOSトランジスタMN5,MN7は不活性化状態となる。
センスアンプが初期の増幅期間にはカラム選択信号COLSELによって不活性化され、外部のデータバスとセンスアンプの内部のノードは断絶される。
このとき、センスアンプを活性化するために、センスアンプ等化器信号SAEQによってノードSN3とノードSN4を等電位とする。
【0080】
最初、第1NMOSトランジスタMN1と第2NMOSトランジスタMN2は不活性化状態を維持している。後にノードSN3とノードSN4が等電位となると、セルアレイ部のデータは上側のグローバルビットラインBLGTに伝達される。そして、第5NMOSトランジスタMN5を介してノードSN1に伝達される。参照電圧はCREFに伝達され、以後、第7NMOSトランジスタMN7を介してノードSN2に伝達される。セルアレイ部のデータと参照電圧ががそれぞれノードSN1とSN2に十分伝達されてからは、センスアンプの参照電圧を接地電圧に遷移させる。
【0081】
これによって、ノードSN1とノードSN2の間の電圧差は第3NMOSトランジスタMN3のゲート電圧と第4NMOSトランジスタMN4のゲート電圧との差を誘導するので、結局、第3NMOSトランジスタMN3と第4NMOSトランジスタMN4に流れる電流も差が生じる。また、この状態で増幅が始まり、増幅電圧はノードSN3とSN4との電圧差として表れる。
【0082】
ノードSN3とSN4に誘起されるそれぞれの電圧は第1PMOSトランジスタMP1と第2PMOSトランジスタMP2によって再び増幅する。
第1PMOSトランジスタMP1と第2PMOSトランジスタMP2で十分増幅した後、第5,第7NMOSトランジスタMN5,MN7を不活性化させる。また、第1,第2NMOSトランジスタMN1,MN2を活性化させ、ノードSN3,SN4の増幅電圧を再びSN1とSN2にフィードバックして増幅を維持する。この際、フィードバックループが完成すると、第9,第10NMOSトランジスタMN9,MN10を活性化させ外部のデータバース及びデータバーバスとセンスアンプとのデータ伝達が行われるようにする。
【0083】
また、第5NMOSトランジスタMN5を再び活性化させ、ノードSN1の電圧をBLGTに伝達させ、セルアレイ部にフィードバックして再格納できるようにする。このようなセンスアンプによれば、第3NMOSトランジスタMN3と第4NMOSトランジスタMN4は第1増幅部251を構成し、第1PMOSトランジスタMP1と第2PMOSトランジスタMP2は第2増幅部253を構成する。ここで、符号SENはセンスアンプ活性化信号であってローアクティブ信号であり、SALE信号は第1NMOSトランジスタMN1と第2NMOSトランジスタMN2を活性化させる信号であってハイアクティブ信号である。
【0084】
一方、図32のように、データバスと連結されるセンスアンプの出力端にSRAMセルよりなるレジスタ270を配置することが可能であるが、これはNAND型不揮発性メモリセルから読み出ししたデータを一時的に格納するための格納場所として用いられる。したがって、レジスタに格納されたデータは書込みモード及び再格納モードで不揮発性メモリセルに再格納される。
もちろん、図31のように、レジスタを構成せずにデータの格納場所としてセンスアンプを用いることも可能である。
【0085】
これらの実施形態においては、参照セルはカラム方向に構成されている。したがって、カラム方向に形成される参照セルアレイのそれぞれのセルは、それらのワードラインに接続されたセルの数だけ選択されればよく、その後のワードラインに連結されるセルの選択時には、そのワードラインに接続された参照セルだけを選択される。したがって、参照セルがロー方向に形成されていた従来技術に比べて、参照セルが選択される数は著しく減少する。
【0086】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセル及びそれを用いた不揮発性強誘電体メモリ装置は次のような効果がある。
第一に、参照セルの一回アクセス時、メインセルも一回アクセスされるので、参照セルとメインセルのアクセスされる数は同一である。
したがって、メインセルに比べて参照セルが過度にアクセスされる従来の技術とは異なって、参照セルによる誘導電圧とメインセルによる誘導電圧を同一に維持させ、素子の寿命を延長させることができる。
第二に、セル製造時、キャパシタ下部電極を基板のN+ 不純物領域に使用し、基板の両側のN+ 不純物領域にのみビットラインコンタクトが形成されるので、セルトランジスタごとにビットラインとコンタクトしていた従来に比べ、ビットラインコンタクトの数を減少させられる。
したがって、素子の面積を最小化できるので、レイアウトの面積を最小化して高集積化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一般的なNAND型DRAMセルの構成図である。
【図2】 一般的な強誘電体のヒステリシスループを示す特性図である。
【図3】 従来の不揮発性メモリ装置による単位セルの構成図である。
【図4】 従来の不揮発性強誘電体メモリ装置を駆動するための駆動回路である。
【図5】 従来の技術による強誘電体メモリ素子の書込みモードの動作を示すタイミング図である。
【図6】 従来の技術による強誘電体メモリ素子の読み出しモードの動作を示すタイミング図である。
【図7】 本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルによる単位セルである。
【図8】 図7によるレイアウト図である。
【図9】 図8のI−I線の構造断面図である。
【図10】 本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法による第1実施形態を説明するための工程断面図である。
【図11】 本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法による第1実施形態を説明するための工程断面図である。
【図12】 本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法による第2実施形態を説明するための工程断面図である。
【図13】 本発明のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法による第2実施形態を説明するための工程断面図である。
【図14】 本発明によるマルチ-NAND型基本セルの構成図である。
【図15】 本発明によるNAND不揮発性強誘電体メモリセルの基本動作メカニズムを説明するためのブロックダイアグラム。
【図16】 図14のようなメカニズムで動作する読み出し及び書込みモードによるタイミング図である。
【図17】 本発明による強誘電体キャパシタにロジック″1″を処理するための基本的な読み出し/書込み動作メカニズムを説明するための図面である。
【図18】 本発明による強誘電体キャパシタにロジック″0″を処理するための基本読み出し/書込み動作メカニズムを詳細に説明するための図面である。
【図19】 本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の構成図である。
【図20】 図19を繰り返して構成する場合の不揮発性強誘電体メモリ装置の構成図である。
【図21】 本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図である。
【図22】 本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図である。
【図23】 図22に図示のサブ駆動部の詳細構成図である。
【図24】 本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図である。
【図25】 図21の「A」部分に対する詳細図である。
【図26】 本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の部分的詳細図である。
【図27】 図26のビットライン制御部を中心により詳細に示す図面である。
【図28】 本発明の第2実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置を説明するためのセルアレイ部の構成図である。
【図29】 本発明の第2実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置の構成図である。
【図30】 本発明の第1実施形態及び第2実施形態による不揮発性強誘電体メモリ装置のビットラインプリーチャージ回路部をより詳細に示す図面である。
【図31】 本発明の第1実施形態及び第2実施形態に共通に使用されるセンスアンプをより詳細に示す図面である。
【図32】 読み出ししたデータの一時的格納場所として、センスアンプの出力端に構成されたレジスタを用いる場合を説明するための図面である。
【符号の説明】
81:第1導電型半導体基板
85a〜85d:キャパシタの第1電極
87a〜87f:ソース及びドレイン領域
89:強誘電体膜
90a〜90d:キャパシタの第2電極
94a〜94d:プラグ
96:ビットラインコンタクト
97:ビットライン
151:グローバルXデコーダ部
153,159:第1,第2セルアレイ部
155,157:第1,第2ワードライン駆動部
165a:メインビットライン制御部
161,163:第1,第2ローカルXデコーダ部
165b:参照ビットライン制御部
165,167:第1,第2ビットライン制御部
Claims (32)
- 直列に形成されたN(Nは2以上の自然数)個のトランジスタ;
前記N個のトランジスタ中最初のトランジスタの入力端とN番目トランジスタの出力端とが連結されるビットライン;
前記N番目のトランジスタを除いた各トランジスタのゲートごとに連結されたワードライン;
前記N番目のトランジスタのゲートに連結され、書込みまたは再格納モードでのみこのN番目のトランジスタを活性化させる書込許可(WEC)信号が印加されるWEC信号ライン;
前記各ワードラインとそのトランジスタの出力端との間に形成された強誘電体キャパシタ
を含むことを特徴とするNAND型不揮発性強誘電体メモリセル。 - 前記WEC信号ラインに前記書込許可(WEC)信号を印加して前記N番目のトランジスタを活性化させる前記書込みまたは再格納モードでは、1から(N−1)番目の前記トランジスタを順に不活性化させた後に、前記N番目のトランジスタを不活性化させることにより、前記強誘電体キャパシタにデータを格納することを特徴とする請求項1記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセル。
- 第1導電型の半導体基板;
前記半導体基板の表面内に一定の間隔をおいて形成されるn(nは2以上の自然数)個のソース及びドレイン領域である不純物領域;
前記不純物領域の間の前記基板上に形成されたワードライン;
前記ワードライン中(n−1)番目のワードライン以外のワードライン上にバリアメタルを介在して形成された強誘電体キャパシタの第1電極;
前記第1電極の上部及び側面に形成された強誘電体膜;
前記強誘電体膜上に形成された強誘電体キャパシタの第2電極;
前記n個の不純物領域のうち最初及びn番目の不純物領域を除いた残りの不純物領域と前記残りの不純物領域にそれぞれ隣接した前記第2電極とを電気的に連結したプラグ;
前記プラグを含む基板上に絶縁層を間において形成され、前記最初及びn番目の不純物領域と電気的に連結されるビットライン
を含み、
前記(n−1)番目のワードラインは、書込みモードまたは再格納モードでのみ書込許可(WEC)信号を印加するWEC電極として使用されることを特徴とするNAND型不揮発性強誘電体メモリセル。 - 前記WEC電極は二つまたはそれ以上のワードラインごとに一つずつ構成されることを特徴とする請求項3記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセル。
- 前記各ワードライン及び前記WEC電極は絶縁膜によって前記基板と絶縁されることを特徴とする請求項3記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセル。
- 前記書込みモードまたは再格納モードでは、1から(n−2)番目の前記ワードラインに対して順に不活性化信号を印加させた後に、(n−1)番目のワードラインである前記WEC電極に不活性化信号を印加することにより、前記強誘電体キャパシタにデータを格納することを特徴とする請求項3記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセル。
- 第1導電型半導体基板;
前記基板上に強誘電体膜を介在して形成されたN(Nは2以上の自然数)個のワードライン;
前記ワードライン中N番目のワードライン以外のワードラインの縁部の下部基板内に形成されたキャパシタの第1電極;
前記ワードライン両側の基板内に形成される(N+1)個のソース及びドレイン領域である不純物領域;
前記不純物領域のうち最初及び(N+1)番目の不純物領域と電気的に連結されるビットラインを含み、
前記第1電極は、前記不純物領域に接し、
前記N番目のワードラインは、書込みモードまたは再格納モード時にのみ書込許可(WEC)信号を印加するWEC電極として使用されることを特徴とするNAND型不揮発性強誘電体メモリセル。 - 前記キャパシタの第1電極の上部に形成されたワードラインはキャパシタの第2電極としても使用されることを特徴とする請求項7記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセル。
- (1)第1導電型半導体基板上に一定の間隔をおいてN(Nは2以上の自然数)個のワードラインを形成する工程;
(2)前記ワードライン中N番目のワードライン以外のワードライン上にバリアメタルを介在して、強誘電体キャパシタの第1電極を形成する工程;
(3)前記第1電極の両側の前記基板内に第2導電型のソース及びドレイン領域をである(N+1)個の不純物領域を形成する工程;
(4)前記第1電極の上部及び側面に強誘電体膜を形成する工程;
(5)前記強誘電体膜上にキャパシタの第2電極を形成する工程;
(6)前記(N+1)個の不純物領域のうち最初及び(N+1)番目の不純物領域を除いた残りの不純物領域と前記残りの不純物領域にそれぞれ隣接した第2電極とを電気的に連結するプラグを形成する工程;
(7)前記プラグを含む基板上に、絶縁層を間において前記最初及び(N+1)番目の不純物領域と電気的に連結されるようにビットラインを形成する工程を含み、
前記N番目のワードラインは、書込みモードまたは再格納モード時にのみ書込許可(WEC)信号を印加するWEC電極として使用されることを特徴とするNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。 - 前記ワードライン及び第1電極を形成する工程は、
(10−1)前記第1導電型の半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と;
(10−2)前記ゲート絶縁膜上にワードライン物質層を形成する工程と;
(10−3)前記ワードライン物質層上にバリアメタル層を形成する工程と;
(10−4)前記バリアメタル層上にキャパシタ電極物質層を形成する工程と;
(10−5)前記キャパシタ電極物質層、前記バリアメタル層、前記ワードライン物質層、ゲート絶縁膜を選択的に除去して、前記ゲート絶縁膜により基板と絶縁されるワードライン及び前記ワードラインとの間にバリアメタルが介在された第1電極を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項9記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。 - 前記(10−5)ステップ後、前記バリアメタル層の側面が露出されるまで前記ワードラインとワードラインとの間を絶縁物質で満たす工程をさらに含むことを特徴とする請求項10記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。
- (1)第1導電型の半導体基板の表面内に一定の間隔をおいてキャパシタの第1電極を形成する工程;
(2)前記半導体基板上に強誘電体膜を介してワードライン及び書込許可(WEC)信号を印加するWEC電極を形成する工程;
(3)前記ワードライン及び前記WEC電極をマスクとして前記半導体基板に第2導電型の不純物イオン注入を行った後、熱処理してソース及びドレイン領域をであるn(nは2以上の自然数)個の不純物領域を形成する工程;
(4)前記不純物領域のうち最初及びn番目の不純物領域と電気的に連結されるようにビットラインを形成する工程を含み、
前記第1電極は、それぞれ前記ワードワインの縁部に沿って配置され、
前記WEC電極は、(n−1)番目の不純物領域とn番目の不純物領域との間に位置することを特徴とするNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。 - 前記キャパシタの第1電極は不純物イオン注入により形成されることを特徴とする請求項12記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。
- 前記第1電極を形成する工程は、
(14−1)前記第1導電型の半導体基板上にフォトレジストを塗布する工程と
(14−2)前記一定の間隔で基板が露出されるように前記フォトレジストをパターニングする工程と;
(14−3)パターニングされたフォトレジストをマスクとして用いた不純物イオン注入を行った後、熱処理して前記基板の表面内に一定の間隔を持つ第1電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項13記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。 - 前記ワードライン及び前記WEC電極を形成する工程は、
前記第1電極が形成された基板上に強誘電体膜を形成する工程と;
前記強誘電体膜上にワードライン物質層を形成する工程と;
前記ワードライン物質層をパターニングしてワードライン及びWEC電極を形成する工程
を含むことを特徴とする請求項12記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。 - 前記強誘電体膜を形成する前に、前記強誘電体膜が基板に拡散することを防ぐための拡散防止膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項14記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。
- 前記強誘電体膜を形成した後、前記強誘電体膜が前記ワードライン物質層に拡散することを防止するための拡散防止膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項14記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルの製造方法。
- 複数本のグローバルワードラインを制御するグローバルXデコーダ部;
隣接するトランジスタのドレイン領域とソース領域とが共通の不純物領域で構成され、直列に連結されたN(Nは2以上の自然数)個のトランジスタと、
前記トランジスタ中最初のトランジスタのソース及びN番目のトランジスタのドレインに連結されたビットラインと、
N番目のトランジスタのゲートに連結される書込許可(WEC)信号ラインと、
前記N番目のトランジスタ以外のトランジスタのゲートに連結されるワードラインと、
前記N番目のトランジスタを除いた各トランジスタのドレインとそのワードラインとの間に連結される強誘電体キャパシタとからなる複数個のNAND型不揮発性強誘電体セルより構成されたセルアレイ部と;
前記セルアレイ部から選択された任意のセルから読み出ししたデータを一時的に格納して、書込み及び再格納時に出力するビットライン制御部と;
前記ワードラインを活性化させる活性化信号及び前記書込許可(WEC)信号を出力するローカルXデコーダ部と;
前記ローカルXデコーダ部から出力されるワードライン活性化信号を最初のトランジスタから順次に印加し、書込みモードでのみ前記書込許可(WEC)信号を印加するワードライン駆動部と
を含むことを特徴とするNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。 - 前記セルアレイ部は、
ロー方向に形成された複数個のグローバルワードラインと、
前記グローバルワードラインと交差する方向に形成された複数個のメイングローバルビットライン及び少なくとも一対の参照グローバルビットラインと、
前記各グローバルワードラインと交差する各グローバルビットラインごとに連結されるNAND型不揮発性強誘電体セルと
を含むことを特徴とする請求項18記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。 - 前記セルアレイ部は、
ロー方向に形成された複数個のグローバルワードラインと、
前記グロバールワードラインを横切る方向に形成された複数個のグローバルビットラインと、
前記各グローバルビットラインに相応して同一の方向に形成されたローカルビットラインと、
前記各ローカルビットラインに並列に連結された複数個のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルと、
前記ローカルビットラインの先端に形成され、前記複数個のNAND型不揮発性強誘電体メモリセルのデータをそのグローバルビットラインにスイッチングするスイッチング素子と
を含むことを特徴とする請求項18記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。 - 前記ワードライン駆動部は前記各グローバルワードラインごとに連結されるサブ駆動部からなることを特徴とする請求項18記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。
- 前記サブ駆動部は、前記グローバルワードラインに直列に連結されたN個のトランジスタより構成された第1制御部;
前記各トランジスタの出力端にゲートが連結され、ソースが前記ローカルXディコーダ部と連結され、前記第1制御部の制御によって前記ワードライン活性化信号を順次に出力するN個のトランジスタより構成された第2制御部;
前記ローカルXデコーダ部から出力される前記書込許可(WEC)信号を書込み及び再格納モードでのみ前記書込許可(WEC)信号ラインに伝達するトランジスタ
を含むことを特徴とする請求項21記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。 - 前記ビットライン制御部は、
前記一対の参照グローバルビットラインのうち、1ビットラインを介して印加される信号をセンシングして、参照電圧を出力する参照センスアンプより構成される参照ビットライン制御部;
前記参照ビットライン制御部の一側に形成され、前記メイングローバルビットラインごとに連結され、前記参照電圧を受けてそのグローバルビットラインを介して印加される信号をセンシングする複数個のメインセンスアンプより構成されるメインビットライン制御部
から構成されることを特徴とする請求項18記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。 - 前記参照グローバルビットラインのうち、前記参照センスアンプと連結されてない残りの一つの参照グローバルビットラインには一定の電圧が印加されることを特徴とする請求項23記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。
- 前記ビットライン制御部は隣接したビットラインを同一レベルにプレチャージさせるプレチャージ回路部をさらに備えることを特徴とする請求項23記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。
- ビットライン制御部は、列(カラム)方向に隣接する前記セルアレイ部を共有することを特徴とする請求項18記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。
- 前記メインセンスアンプは、
カラム方向に隣接するセルアレイ部に構成されたグローバルビットラインにソースが連結された第1NMOSトランジスタと、
カラム方向に隣接する前記セルアレイ部に構成された参照グローバルビットラインにソースが連結され、ゲートは前記第1NMOSトランジスタのゲートに共通連結された第2NMOSトランジスタと、
前記第1NMOSトランジスタを介して入力される信号電圧を増幅する第3NMOSトランジスタと、
前記第2NMOSトランジスタを介して入力される基準電圧を増幅する第4NMOSトランジスタと、
ソースがそれぞれ電源端に連結され、ドレインは第1NMOSトランジスタの出力端と第2NMOSトランジスタの出力端にそれぞれ連結される第1PMOSトランジスタ及び第2PMOSトランジスタと、
センスアンプ等化器信号によって前記第1NMOSトランジスタの出力端の電位と前記第2NMOSトランジスタの出力端の電位を等電位とする第3PMOSトランジスタと
を含むことを特徴とする請求項23記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。 - 前記第1PMOSトランジスタのドレインは第2PMOSトランジスタのゲートに連結され、前記第2PMOSトランジスタのドレインは前記第1PMOSトランジスタのゲートに連結されることを特徴とする請求項27記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。
- 前記第1NMOSトランジスタのソースと前記上部のセルアレイ部に構成されたグローバルビットラインとの間に第5NMOSトランジスタがさらに構成され、前記第1NMOSトランジスタのソースと前記下部のセルアレイ部に構成されたグローバルビットラインとの間に第6NMOSトランジスタがさらに構成され、前記第2NMOSトランジスタのソースと前記上部のセルアレイ部に構成された参照グローバルビットラインとの間に第7NMOSトランジスタが構成され、前記第2NMOSトランジスタのソースと前記下部のセルアレイ部に構成された参照グローバルビットラインの間に第8NMOSトランジスタがさらに構成されることを特徴とする請求項27記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ措置。
- 前記メインセンスアンプの出力端にはカラム選択信号によってデータバスと選択的にスイッチングする第9NMOSトランジスタと、データバーバスと選択的にスイッチングする第10NMOSトランジスタとがさらに構成されることを特徴とする請求項27記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。
- 前記NAND型不揮発性強誘電体セルのデータを読み出しして、前記メインセンスアンプに一時的に格納することを特徴とする請求項18記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。
- 前記データバスと前記第9NMOSトランジスタとの間にレジスタを構成して、前記読み出ししたデータを一時格納することを特徴とする請求項30記載のNAND型不揮発性強誘電体メモリ装置。
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