JPH06237174A - 強誘電体素子 - Google Patents

強誘電体素子

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JPH06237174A
JPH06237174A JP1640293A JP1640293A JPH06237174A JP H06237174 A JPH06237174 A JP H06237174A JP 1640293 A JP1640293 A JP 1640293A JP 1640293 A JP1640293 A JP 1640293A JP H06237174 A JPH06237174 A JP H06237174A
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JP
Japan
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bit
gate electrode
regions
gate
ferroelectric
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Pending
Application number
JP1640293A
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English (en)
Inventor
Takeshi Kawabe
武司 川辺
Noboru Otani
昇 大谷
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 より少ない素子数でDA変換機能を実現す
る。 【構成】 不純物拡散領域11、12に挟まれた基板表
面にはゲート絶縁膜としての強誘電体膜15が設けられ
ている。強誘電体膜15上には4つのゲート電極16
a、16b、16c、16dが設けられており、それぞ
れのゲート電極長は同一で、ゲート電極幅は隣接するゲ
ート電極間で2倍となっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ゲート絶縁膜として強
誘電体薄膜を用いた、MIS(Metal−Insul
ator−Semiconductor)構造おける、
強誘電体素子に関し、特にデジタル−アナログ変換素子
として機能する強誘電体素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】デジタル−アナログ変換素子(以下、D
A変換素子と略記する)は種々の構成で実現されている
が、たとえば、図3に示すようなはしご型NビットDA
変換素子はn−1個の抵抗R、n+2個の抵抗2R及び
n個のアナログスイッチS0 〜Sn-1 で構成されてい
る。基準電圧VS は入力端子In-1 ・In-2 …I0 に入
力される自然2進コードに基づくデジタル信号bn-1 ・
bn-2 …b0 によって制御されるアナログスイッチ群S
n-1 ・Sn-2 …S0 を通して抵抗2Rからなる抵抗回路
網に加えられる。これにより入力信号に応じてアナログ
スイッチが閉じ、Out端子からの出力電圧が決定され
る。ここでのアナログスイッチは電界効果トランジスタ
等により構成されている。
【0003】一方、強誘電体材料に関して、強誘電体が
ヒステリシス効果を示すのは周知の通りであり、この強
誘電体材料を用いた不揮発性メモリーが、近年、提案さ
れている。
【0004】たとえば、図4に示すように、P型の半導
体基板40上に、相対向して配置されたN型を有する一
対の高濃度不純物領域41、42を設け、この二つの不
純物領域に挟まれた半導体基板上に、ゲート絶縁膜とし
て強誘電体薄膜47を形成し、それぞれ、二つの不純物
領域上及び、ゲート絶縁膜上に電極44、45、46を
配しひとつのメモリセルとして、形成する。ゲート絶縁
膜上の電極49により強誘電体の分極状態を制御し、そ
の分極により基板と反対の電荷を半導体基板上に誘起し
二つの不純物領域に電流経路となるチャネルを形成す
る。ゲート電極上の電圧を取り除いても分極の状態は保
持され、半永久的に情報が記録される。
【0005】しかしながら、強誘電体材料を用いた不揮
発性メモリ以外の応用については、何等の提案もなされ
ていないのが現状で有り、その特徴を生かした新たな応
用が望まれていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のようなはしご型
DA変換素子はNビットのDA変換素子に対してN個の
アナログスイッチ及び高精度の抵抗がN〜N+2個必要
になり1個のDA変換素子を作るのに多くの素子が必要
になる。
【0007】そこで、本発明は上記課題を解決し、より
少ない素子数でDA変換機能を実現するとともに、強誘
電体材料の新たな応用を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明にお
いては、第1の導電型を有する半導体基板の面上に相対
向して配置された第2導電型を有するの不純物ドープ領
域と、これらの領域に挟まれた半導体基板表面に堆積さ
れたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けたゲート電
極と、該不純物領域上に設けた電極を有する半導体装置
であって、ゲート絶縁膜の少なくとも一部は強誘電体か
らなり、ゲート電極は相対向して配置された不純物領域
と直角又はそれに近い角度で複数領域に分割され、分割
された各領域に入力線が接続されている、強誘電体素子
によって達成される。
【0009】ここでは、上記ゲート絶縁膜膜上に設けら
れたゲート電極に於て、複数の領域のそれぞれの面積が
一定でなく、所定の大小関係を有していることが特に望
ましい。
【0010】
【作用】ゲート絶縁膜上の電極より強誘電体の分極状態
を制御し、その分極により基板と反対の電荷を半導体基
板上に誘起し二つの不純物領域に電流経路となるチャネ
ルを形成する。この2つの不純物領域間に流れる電流
(ドレイン電流)はゲート電極幅又はゲート電極面積に
比例して増加する。従ってゲート電極の複数の領域上に
印加されたNビットの自然2進コード信号の値に応じた
ドレイン電流が流れる。又、電極上の電圧を取り除いて
も分極の状態は保持され、半永久的に情報が記録され、
ビット信号に応じた出力が取り出せる。
【0011】これによりNビットのDA変換素子は1個
の強誘電体電界トランジスタとN個の面積の異なるゲー
ト電極領域によりを実現する事ができ、素子が単純な構
成で実現できる。
【0012】
【実施例】以下図面を参照して本発明の強誘電体素子の
実施例を説明する。
【0013】図1は本発明の強誘電体素子の一実施例で
ある強誘電体DA変換素子の構造を模型的に示したもの
である。図1においてn型のシリコン基板10に不純物
拡散により、p+領域ソース11、ドレイン12が相対
向した位置に配置される。このときシリコン基板はn
型、p型どちらを使用してもよい。但し、シリコン基板
にn型を用いた場合、不純物拡散領域はp層に、シリコ
ン基板にp型を用いた場合、不純物拡散領域はn層にす
るものとする。
【0014】不純物拡散領域11、12は80KeV、
1×1016/cm2 でAsを注入し、1000度でアニ
ール処理することにより形成した(拡散深さ800n
m)。不純物拡散領域11、12に挟まれた基板表面に
はゲート絶縁膜としての強誘電体膜15が設けられてい
る。強誘電体膜15は例えばPZTを用いて、MOCV
D法により作製した。膜厚は300nm、残留分極4μ
C/cm2 以上、組成はPb(Zr1-X TiX )O3
おいてX=0.3〜0.6である。不純物拡散領域のサ
イズ及び製法は同様の効果が得られる範囲であればこの
條件に限定されるものではなく、強誘電体膜材料も同様
の効果が得られる範囲であればPZTに限定されるもの
ではなく他の物質を用いてもよい。
【0015】不純物拡散領域11、12上には、ソース
電極13、ドレイン電極14がそれぞれ設けられてお
り、これらはアルミニウム(Al)を用いて作製され
た。強誘電体膜15上には4つのゲート電極16a、1
6b、16c、16dが設けられており、これらはアル
ミニウム(Al)を用いて作製された。それぞれのゲー
ト電極長は同一で、ゲート電極幅は隣接するゲート電極
間で2倍となっている。ここでは、ゲート電極長は5μ
m、ゲート電極16aの幅は4μm、ゲート電極16b
の幅は8μm、ゲート電極16cの幅は16μm、ゲー
ト電極16dの幅は32μmである。尚、図中17は絶
縁膜を示す。
【0016】ソース電極13には信号線18、 ドレイ
ン電極14には信号線19が夫々設けられている。ま
た、ゲート電極16aには入力線20a、ゲート電極1
6bには入力線20b、ゲート電極16cには入力線2
0c、ゲート電極16dには入力線20dが夫々設けら
れている。
【0017】次に本発明の動作を図2により説明する。
【0018】最初に、シリコン基板に対してゲート電極
の電位を低くすることで、強誘電体膜15の分極方向に
上向き一様にそろえておく。この状態ではドレイン電極
19に電圧を印加しても、ドレイン電流は流れない(状
態1)。次に、ゲート電極16a、16b、16c、1
6dに正の電圧を印加し、シリコン基板を接地すること
で、強誘電体膜15の分極方向を下に向ける。この時印
加した電圧は強誘電体膜15の抗電界を越える電圧とす
る。これにより、強誘電体膜15の下部にチャネルが形
成され、ドレイン電極19に電圧を印加することで、ド
レイン電流が流れる。この時、流れる電流はZ:伝導チ
ャンネルの幅、μn:電子の移動度、Qn:電荷密度、
Vd:ドレイン電圧、L:不純物拡散領域間距離とする
と以下の式で決定される。
【0019】Id=(Z×μn×Qn)×Vd/L つまりドレイン電流は不純物拡散領域間距離が一定であ
れば伝導チャンネルの幅、電荷密度に比例して増加す
る。
【0020】即ち、ゲート電極16a、16b、16
c、16dにおける電極幅比を1:2:4:8とするこ
とで、伝導チャンネルの幅Zの比を1:2:4:8とす
ることが可能となる。このような構造の基で分割された
ゲート電極のそれぞれを電極幅の小さい順に下位ビット
から割り当てる。この実施例においてはゲート電極16
aをビットb0、ゲート電極16bをビットb1、ゲート
電極16cをビットb2、ゲート電極16dをビットb3
とする。
【0021】例えばビットb0をON状態にし、残りの
ビットをOFF状態とした時の、ドレイン電流はId0=
(Z×μn×Qn)×Vd/Lとなり(状態2)、ビッ
トb1をON状態にし、残りのビットをOFF状態とし
た時の、ドレイン電流はId2=2×(Z×μn×Qn)
×Vd/Lとなり(状態3)、Id0の2倍の電流が流れ
る。このように各ビットに自然2進コードを割当て、各
ビットにデジタル信号を印加すると、それに対応したド
レイン電流が流れアナログ信号に変換されたことにな
る。
【0022】本実施例は4ビットのデジタル−アナログ
変換素子を示しているが、ビット数はこれに限らず、分
割数を任意に選択することでnビットまで対応できる。
【0023】入力されたビット信号は強誘電体膜の分極
状態により永久に保持さえるため、ビット信号の書換え
があるまでは入力の必要がない。
【0024】また、本実施例は強誘電体素子のデジタル
−アナログ変換素子への適用に係わるものであるが、本
実施例の素子を1チップ上に多数配置すれば、多値メモ
リとしても動作可能であることはいうまでもない。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
複数に分割されたゲート電極領域の各ビットに自然2進
コードを割当て、各ビットにデジタル信号を印加するこ
とにより、それに対応したドレイン電流が流れアナログ
信号に変換される。この構造によれば素子構造が単純化
され、1つのデバイスでデジタル−アナログ変換素子が
達成できる。また入力したデジタル信号は本発明のメモ
リ機能により永久に保持され、データの書き換えがある
まで入力の必要がないため、消費電力が低く抑えられ
る。
【0026】また、本発明の素子を1チップ上に多数配
置すれば、デジタル−アナログ変換素子のみならず、多
値メモリとして動作可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す強誘電体素子の断面を
示す模式図である。
【図2】本発明の動作を説明するためのドレイン電圧−
ドレイン電流の関係を示すグラフである。
【図3】従来のデジタル−アナログ変換回路の回路図で
ある。
【図4】従来の不揮発性メモリの断面図を示す模式図で
ある。
【符号の説明】
10 シリコン基板 11、12 不純物拡散領域 13、14 電極 15 強誘電体膜 16a、16b、16c、16d 分割されたゲート電

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の導電型を有する半導体基板の面上
    に相対向して配置された第2導電型を有する不純物ドー
    プ領域と、これらの領域に挟まれた半導体基板表面に堆
    積されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けたゲー
    ト電極と、該不純物領域上に設けた電極を有する半導体
    装置であって、ゲート絶縁膜の少なくとも一部が強誘電
    体からなり、ゲート電極が相対向して配置された不純物
    領域と直角又はそれに近い角度で複数領域に分割されて
    おり、分割された各領域に入力線が接続されていること
    を特徴とする強誘電体素子。
  2. 【請求項2】 上記ゲート絶縁膜膜上に設けられたゲー
    ト電極に於て、分割された複数の領域のそれぞれの面積
    が一定でなく、所定の大小関係を有する請求項1に記載
    の強誘電体素子。
JP1640293A 1993-02-03 1993-02-03 強誘電体素子 Pending JPH06237174A (ja)

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JP1640293A JPH06237174A (ja) 1993-02-03 1993-02-03 強誘電体素子

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100893798B1 (ko) * 2001-10-31 2009-04-20 소니 가부시끼 가이샤 강유전체형 비휘발성 반도체 메모리를 구비한디지털-아날로그 변환기 및 디지털 데이터를 아날로그데이터로 변환하는 방법
JP2011250679A (ja) * 2010-05-21 2011-12-08 Aeg Power Solutions Bv 点火パルスを分配するための手段、かかる点火パルスを分配するための手段を有する電力制御装置の制御のための回路配置、およびかかる回路配置で実施するための、電力制御装置による制御のための方法

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