JPS5845114B2 - handmade takiokusouchi - Google Patents

handmade takiokusouchi

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JPS5845114B2
JPS5845114B2 JP50063211A JP6321175A JPS5845114B2 JP S5845114 B2 JPS5845114 B2 JP S5845114B2 JP 50063211 A JP50063211 A JP 50063211A JP 6321175 A JP6321175 A JP 6321175A JP S5845114 B2 JPS5845114 B2 JP S5845114B2
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JP
Japan
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voltage
memory
field effect
transistor
drain
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JP50063211A
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Japanese (ja)
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JPS51138347A (en
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幸令 黒木
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS5845114B2 publication Critical patent/JPS5845114B2/en
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    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/22Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Read Only Memory (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ゲート絶縁物として強誘電体を用いた絶縁ゲ
ート電界効果型半導体記憶素子を含み、不揮発性でかつ
電気的に書き換え可能で擬ランダムアクセスの機能を有
する半導体記憶装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is a nonvolatile, electrically rewritable semiconductor device that includes an insulated gate field effect semiconductor memory device using a ferroelectric material as a gate insulator and has a pseudo-random access function. It is related to storage devices.

強誘電体の自発分極により半導体表面の電気伝導を制御
し不揮発性半導体記憶装置とする考えは古くからあった
が、半導体基板上に強誘電体薄膜を形成することが困難
であったため、今まで行われた研究は強誘電体基板上に
半導体を蒸着するという薄膜トランジスタにかぎられて
おり、集積化も困難なため、実用に供されるには到らな
かった。
The idea of controlling electrical conduction on a semiconductor surface through spontaneous polarization of a ferroelectric material to create a nonvolatile semiconductor memory device has been around for a long time, but it has been difficult to form a ferroelectric thin film on a semiconductor substrate, so it has not been developed until now. The research carried out was limited to thin film transistors in which semiconductors were deposited on ferroelectric substrates, and because it was difficult to integrate them, they were not put into practical use.

その後、強誘電体の自発分極を利用するものとは全く原
理を異にする、ゲート絶縁膜に半導体表面から電荷を注
入しその電荷により半導体表面に電荷を誘起する型のも
のが提案され開発が進められて来ている。
Subsequently, a type of method was proposed and developed in which charge is injected into the gate insulating film from the semiconductor surface and the injected charge induces charge on the semiconductor surface, which is completely different in principle from the method that utilizes the spontaneous polarization of ferroelectric materials. It is being advanced.

しかしこの型式中最も開発が進んでいると思われるMN
OS (Metal −81licon N1tri
deS i 1icon −0xide −3em 1
conductor )を用いたメモリーをとってみて
も、書き込み消去の電圧が高いという欠点を持っている
However, the MN, which seems to be the most developed of this type,
OS (Metal-81licon N1tri
deSi 1icon -0xide -3em 1
Even when looking at memories using conductors, they have the disadvantage of high write/erase voltages.

またこの型式のものに改良を加えアバランシェ注入方式
を採用することにより、基板分離をせずに単極性の電圧
でランダムアクセスの動作も可能になったが、アバラン
シェ注入方式は一般に両極性の電源を用いた場合より大
きな書き込み消去電圧を必要とする。
Furthermore, by improving this type and adopting an avalanche injection method, it became possible to perform random access operation with a unipolar voltage without separating the substrate, but the avalanche injection method generally uses bipolar power supplies. requires a larger write/erase voltage than when using

また、この型式の場合、チャンネル全体に均一な書き込
みを実現させるためには、ソースとドレインとに同時に
電圧を加えなげればならないという制約がある(電子通
信学会 半導体、トランジスタ研究会資料、5SD74
−13)。
In addition, in the case of this type, there is a restriction that voltage must be applied to the source and drain at the same time in order to achieve uniform writing across the entire channel (IEICE Semiconductor and Transistor Research Group Materials, 5SD74
-13).

このため、メモリ、アレイとする場合、メモリ、セルを
構成するMNOSメモリトランジスタのソースとドレイ
ンとの両側に付加された、スイッチングMOSトランジ
スタのゲートを共通接続し、この2つのスイッチングM
OSトランジスタを同時に駆動するということが行われ
ている。
Therefore, when forming a memory or an array, the gates of the switching MOS transistors added on both sides of the source and drain of the MNOS memory transistor constituting the memory or cell are commonly connected, and the two switching MOS transistors are connected in common.
The OS transistors are driven simultaneously.

またこれらに付随する問題として周辺回路が複雑になら
ざるを得ない欠点がある。
Further, as a problem associated with these, there is a drawback that the peripheral circuits inevitably become complicated.

本発明の発明音等は、シリコン基板上に強誘電体チタン
酸ビスマス薄膜を形成する技術を確立し、強誘電体の自
発分極により半導体表面の電気伝導度を制御する、強誘
電絶縁ゲート型電界効果トランジスタを開発した。
The invention of the present invention is based on the establishment of a technology to form a ferroelectric bismuth titanate thin film on a silicon substrate, and a ferroelectric insulated gate electric field that controls the electrical conductivity of the semiconductor surface by spontaneous polarization of the ferroelectric material. Developed an effect transistor.

本発明者等が現に製品として提供し得るものの記憶保持
特性は、ソース、ドレイン間のチャンネルコンダクタン
スの変化を105秒まで実測し外挿して求めた結果、チ
ャンネ/L/コンダクタンスが1になるのに103°年
を必要とする程優秀なものである。
The memory retention characteristics of the product that the present inventors can actually provide as a product were determined by actually measuring and extrapolating the change in channel conductance between the source and drain for up to 105 seconds. It is so excellent that it required 103° years.

従来、広く強誘電体を用いた記憶素子は、強磁性体を用
いた磁気コアとの対比において考察されることが多(、
強誘電体の自発分極の反転電界は不安定であり記憶素子
に応用することは難しいとさえいわれていた。
Conventionally, memory elements using ferroelectric materials have often been considered in comparison with magnetic cores using ferromagnetic materials (
It was even said that the spontaneous polarization reversal electric field of ferroelectric materials is unstable and difficult to apply to memory elements.

分極反転の起しやすさやその安定さを議論するには、分
極反転を起させるに充分な印加電界を表わす活性化電界
αを用いるのが便利であるが、この活性化電界αが従来
のように小さ過ぎれば、それは実用に供し得ないという
ことになるであろう。
In order to discuss the ease with which polarization reversal occurs and its stability, it is convenient to use the activation electric field α, which represents the applied electric field sufficient to cause polarization reversal. If it is too small, it may not be of practical use.

1970年、ティラー(G 、W、 Taylor)氏
は、欧文雑誌rフエロエレクトリツクス (Ferroelectrics)J誌第1巻1号第7
9〜86頁に載せた論文において、自発分極の反転時間
t8が、活性化電界αと強誘電体に印加する電界の強さ
Eとを用いて、 なる関係を示すことを報告すると共に、チタン酸ビスマ
スが特異的に大きな活性化電界αを示し、印加電界Eが
5に■/c1rL以上の高電界界域において、αが25
〜50に■/crrLであり、印加電界Eを無限大とみ
なしたときの自発分極反転時間曜が0.1μsec以下
であることを報告した。
In 1970, Mr. Taylor (G, W, Taylor) published an article in the European journal Ferroelectrics J, Vol. 1, No. 7.
In the paper published on pages 9 to 86, we report that the reversal time t8 of spontaneous polarization shows the following relationship using the activation electric field α and the electric field strength E applied to the ferroelectric material, and also Bismuth oxide exhibits a specifically large activation electric field α, and in the high electric field region where the applied electric field E is 5 or more/c1rL or more, α is 25.
It was reported that the spontaneous polarization reversal time was 0.1 μsec or less when the applied electric field E was assumed to be infinite.

しかし、この報告にある活性化電界αをもってしても、
またそれを強誘電絶縁ゲート電界効果トランジスタに応
用するには、あまりにも小さく使用し得ない。
However, even with the activation electric field α in this report,
Moreover, it is too small to be used for application to ferroelectric insulated gate field effect transistors.

例えばこのチタン酸ビスマス薄膜をもって強誘電絶縁ゲ
ート電界効果トランジスタを構成したとき、半導体表面
に1V程度の表面電位が必然的に生じ、そのため強誘電
体薄膜内に反電場が生じる。
For example, when a ferroelectric insulated gate field effect transistor is constructed using this bismuth titanate thin film, a surface potential of about 1 V is inevitably generated on the semiconductor surface, and therefore an anti-electric field is generated within the ferroelectric thin film.

この反電場により、蓄積しておきたい記憶が徐々に揮発
していくが、この反転時間を仮に前記報告の活性化電界
値と曜値とを用い、チタン酸ビスマス膜の厚さを1μ扉
と仮定すると、前記関係式を用いて、自発分極反転拷問
t8 は約151tsecとなる。
Due to this anti-electric field, the memory that you want to store will gradually volatilize, but if we use the above-mentioned activation electric field value and day value as the reversal time, we will assume that the thickness of the bismuth titanate film is 1 μm. Assuming that, using the above relational expression, the spontaneous polarization reversal torture t8 is approximately 151 tsec.

すなわち、特に外部から電圧を印加しなくとも、記憶さ
せた内容は速やかに揮発してしまうのである。
In other words, the stored content quickly evaporates even without applying any external voltage.

本発明者等は、かような分析結果を踏まえ、努力した結
果、活性化電界値αが1.5X10’〜7×106v/
cIrLを示す特殊なチタン酸ビスマス膜の製造方法を
完成し、不可能とさえ言われていた強誘電絶縁ゲート電
界効果トランジスタを前に記したように現実のものとす
ることに成功したのである。
Based on such analysis results, the present inventors have made efforts and found that the activation electric field value α is 1.5×10' to 7×106v/
By perfecting a manufacturing method for a special bismuth titanate film exhibiting cIrL, they succeeded in making a ferroelectric insulated gate field effect transistor, which had been said to be impossible, a reality, as mentioned above.

そしてこの強誘電絶縁ゲート電界効果トランジスタを半
導体記憶装置のメモリセルとして用いたのが、本発明で
ある。
The present invention uses this ferroelectric insulated gate field effect transistor as a memory cell of a semiconductor memory device.

第1図は、との強誘電絶縁ゲート型電界効果トランジス
タの書き込み、消去特性を説明するための図で、Pチャ
ンネル型を例にとり、ドレイン電圧を一1vに保ち、ゲ
ートにIHz程度の正弦波を加えたときの、ゲート電圧
VGとドレイン電流■Dとのヒステリシス曲線を示した
ものである。
Figure 1 is a diagram for explaining the write and erase characteristics of a ferroelectric insulated gate field effect transistor. Taking a P-channel type as an example, the drain voltage is kept at -1V and a sine wave of about IHz is applied to the gate. This figure shows a hysteresis curve between the gate voltage VG and the drain current D when .

このとき、ソースおよび基板は接地しである第1図から
は、±15V程度低電圧で充分に書き込みおよび消去(
書き換え)を行い得ることが分かるであろう。
At this time, as shown in Figure 1, where the source and substrate are grounded, a low voltage of about ±15V is sufficient for writing and erasing (
It will be seen that it is possible to perform rewriting).

さて、このようにして現実のものとなった強誘電絶縁ゲ
ート電界効果トランジスタを多数組み合わせて、メモリ
ーを構成することを考えよう。
Now, let's consider constructing a memory by combining a large number of ferroelectric insulated gate field effect transistors, which have now become a reality.

今仮に、強誘電絶縁ゲート電界効果トランジスタを2次
元行列X、Yに配したメモリーを考える。
Let us now consider a memory in which ferroelectric insulated gate field effect transistors are arranged in a two-dimensional matrix X, Y.

そしてこのメモリーの書き換え方法を考えたとき、行X
の様には書き込みに要する電圧の半分を、また列Yの線
には絶対値はそれと等しく逆極性の電圧を印加すること
により、XYの交点にある素子のみを書き換えようとす
るのが普通である。
When thinking about how to rewrite this memory, line
It is normal to try to rewrite only the elements at the intersection of XY by applying half of the voltage required for writing to the lines in column Y, and applying a voltage with the same absolute value and opposite polarity to the lines in column Y. be.

しかし、この磁気コアメモリ的な駆動方法は、強誘電絶
縁ゲート電界効果トランジスタにはあまり良いものでは
ない。
However, this magnetic core memory-like driving method is not very suitable for ferroelectric insulated gate field effect transistors.

なぜならば、交点以外のメモリ素子にも反転分極するに
充分な電界の半分が常に印加され、記憶内容を揮発させ
る方向に働いているからである(このことを以下半選択
擾乱を受けるという)。
This is because half of the electric field sufficient to reverse polarization is always applied to memory elements other than those at the intersection, working in the direction of volatilizing the memory contents (hereinafter referred to as being subject to half-selective disturbance).

またこの駆動方法では、両極性の書き込み、消去電圧を
供給し得る電源が要求されるが、これも大きな欠点であ
る。
Furthermore, this driving method requires a power source capable of supplying bipolar write and erase voltages, which is also a major drawback.

本発明の目的は、書き込み消去電圧が低く、基板分離を
必要とせず、単極性の電源で動作し、ゲート絶縁膜が半
選択擾乱をほとんど受けずに書き込み読み出しが可能な
、周辺回路を簡単にできる、信頼性の高い、強誘電絶縁
ゲート電界効果型トランジスタメモリ装置を提供するこ
とにある。
The purpose of the present invention is to simplify the peripheral circuitry, which has a low write/erase voltage, does not require substrate separation, operates with a unipolar power supply, and allows writing/reading with the gate insulating film receiving almost no half-selective disturbance. An object of the present invention is to provide a highly reliable ferroelectric insulated gate field effect transistor memory device.

次に本発明の実施の一態様について図面を参照しながら
説明する。
Next, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

ここに述べるのは、メモリ素子としてpチャンネル強誘
電絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いた場合の実施
例である。
What will be described here is an embodiment in which a p-channel ferroelectric insulated gate field effect transistor is used as the memory element.

第2図は、ゲート絶縁物としてチタン酸ビスマス薄膜を
用いた強誘電絶縁ゲート電界効果トランジスタの一例の
断面を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of an example of a ferroelectric insulated gate field effect transistor using a bismuth titanate thin film as a gate insulator.

n型のシリコン基板1にp型のソース領域2およびドレ
イン領域3を設げ、高周波スパッタ法によるチタン酸ビ
スマス膜をソース領域2とドレイン領域3間のシリコン
基板上に形成しエツチングにより形状を整えた後熱処理
して結晶させゲート絶縁膜である強誘電体チタン酸ビス
マス膜4を得る。
A p-type source region 2 and a drain region 3 are provided on an n-type silicon substrate 1, a bismuth titanate film is formed on the silicon substrate between the source region 2 and the drain region 3 by high-frequency sputtering, and the shape is adjusted by etching. After that, a heat treatment is performed to crystallize the ferroelectric bismuth titanate film 4 which is a gate insulating film.

この上に、例えばTi−Pt−Auの多層金属による、
ゲート電極5をつげる。
On top of this, for example, a multilayer metal layer of Ti-Pt-Au is applied.
The gate electrode 5 is closed.

ソース電極6と基板電極8を接地し又ドレイン電極7を
−IVにバイアスしてIH7,の正弦波をゲート電極5
に加えた場合のドレイン電流■Dとゲート電圧vGのヒ
ステリシス特性の一例を示したのが、前にも説明した第
1図である。
The source electrode 6 and the substrate electrode 8 are grounded, and the drain electrode 7 is biased to -IV, and the sine wave of IH7 is applied to the gate electrode 5.
FIG. 1, which was explained earlier, shows an example of the hysteresis characteristics of the drain current ■D and the gate voltage vG when the voltage is applied to the gate voltage vG.

このヒステリシスは、MNOS等、絶縁膜中のトラップ
への注入電荷を利用したものとはそのヒステリシスの向
きが逆である。
The direction of this hysteresis is opposite to that of a device such as MNOS that utilizes charge injected into a trap in an insulating film.

このとき、チタン酸ビスマスにかかる電界Eと自発分極
Pに対するP−Eヒステリシスは、I。
At this time, the P-E hysteresis with respect to the electric field E and spontaneous polarization P applied to bismuth titanate is I.

−vGヒステリシスに応じ、第3図の実線の上を11→
12→13→14→15→16→11の順に動(。
-Depending on vG hysteresis, move above the solid line in Figure 3 by 11 →
Moves in the order of 12 → 13 → 14 → 15 → 16 → 11 (.

外部電界のないときはE中0であるから自発分極Pは1
2かまたは15の位置にあり、この2つの状態は強誘電
体の性質から安定である。
When there is no external electric field, E is 0, so spontaneous polarization P is 1
2 or 15, and these two states are stable due to the nature of the ferroelectric material.

たとえば12の位置にあるとき、メモリトランジスタは
、その自発分極によりソース、ドレイン間の半導体表面
に誘起された電荷のため、ソース、ドレイン間にチャン
ネルができon 状態になるものとすれば、15の位置
ではチャンネルが消えトランジスタはoff状態になる
For example, when the memory transistor is at position 12, a channel is formed between the source and drain due to charges induced on the semiconductor surface between the source and drain due to its spontaneous polarization, and the memory transistor becomes on state at position 15. At this point, the channel disappears and the transistor is turned off.

このヒステリシスを描くには、ゲート電極に正の電圧を
加えるかわりにゲート電極を接地し、ソースとドレイン
のうち少くとも一つと基板間に電圧を加えても行うこと
ができる。
This hysteresis can be created by grounding the gate electrode instead of applying a positive voltage to the gate electrode and applying a voltage between at least one of the source and drain and the substrate.

一方トランジスタを集積化する場合には周辺回路とメモ
リ部分の電気的な分離は複雑になるので、基板には電圧
を加えずソースとドレインの少くとも1つにのみ負電圧
を加える方式が望ましい。
On the other hand, when integrating transistors, electrical isolation between peripheral circuits and memory parts becomes complicated, so it is desirable to apply a negative voltage only to at least one of the source and drain without applying voltage to the substrate.

ゲートにソースとドレインの少くとも一つに対して負の
電圧を加えると、ソース又はドレインと基板間は順方向
となるので、チタン酸ビスマスには電圧がかかり、トラ
ンジスタがoff状態にあっても、第3図中15→16
→19においてソースとドレイン間にチャンネルができ
る。
When a negative voltage is applied to the gate with respect to at least one of the source and drain, the direction between the source or drain and the substrate becomes forward, so a voltage is applied to the bismuth titanate, even if the transistor is in the off state. , 15→16 in Figure 3
→At 19, a channel is created between the source and drain.

さらにチャンネルが出来てもチャンネルとゲート間に電
圧がかかり、自発分極の反転は進み、結局19→11→
12と完全にQn状態が成立する。
Furthermore, even if a channel is formed, a voltage is applied between the channel and the gate, and the reversal of spontaneous polarization progresses, eventually 19 → 11 →
12, the Qn state is completely established.

ところで逆にゲートを基板に接地し、ソースとドレイン
の少(とも一つに負電圧を加えると、チャンネルが形成
されている場合には、チャンネルとゲート間につまりゲ
ートのチタン酸ビスマス強誘電体膜に電圧がかかり、第
3図において12→13→17と移る(その際ソース又
はドレインと基板間は逆方向にバイアスされ電流は流れ
ない。
By the way, if you ground the gate to the substrate and apply a negative voltage to both the source and drain, if a channel is formed, the bismuth titanate ferroelectric material between the channel and the gate will be A voltage is applied to the film, and the transition changes from 12 to 13 to 17 in FIG. 3 (at this time, the source or drain and the substrate are biased in the opposite direction and no current flows.

)ここで自発分極が消失し、チャヤンネルがなくなりソ
ースとドレイン間がoff状態になると、ゲートの強誘
電体は電界がかからなくなり、それ以上自発分極を反転
させることができず、外部電界を切るとともにヒステリ
シスは17→18と移る。
) When the spontaneous polarization disappears and the channel disappears and the connection between the source and drain becomes OFF, the electric field is no longer applied to the ferroelectric material at the gate, and the spontaneous polarization can no longer be reversed, and the external electric field is cut off. At the same time, the hysteresis changes from 17 to 18.

実際には後述の如く、全ての場所において自発分極の値
が完全に零になったわけでないが平均して自発分極の値
Pが零に近い18の状態においても、外部電圧がない状
態では安定に保たれ、このときチャンネルが消失してい
るのでメモリトランジスタはoff状態である。
In fact, as will be explained later, even in the 18 states where the spontaneous polarization value P is close to zero on average, although the value of spontaneous polarization is not completely zero at all locations, it is stable in the absence of external voltage. At this time, since the channel has disappeared, the memory transistor is in the OFF state.

結局、ソースとドレインの少くとも一つとゲート間とに
電圧を印加する書き方法を使ってもons offの2
値が選択できるわけである。
In the end, even if you use a writing method that applies a voltage between at least one of the source and drain and the gate, the on-off
The value can be selected.

もつと詳細に議論すればこの動作ではoff書き込みを
行う際、書き込み電圧を加えたソースもしくはドレイン
側のチャンネル部分により大きな電圧がかかるため、ソ
ース側もしくはドレイン側のチャンネル部分がまずof
fになる。
To discuss this in more detail, when performing off writing in this operation, a larger voltage is applied to the channel part on the source or drain side to which the write voltage is applied, so the channel part on the source or drain side turns off first.
It becomes f.

つまり、ソース、ドレイン間の表面に自発分極により誘
起する電荷量、すなわち、みかげ上のゲート閾値電圧が
場所により異なるという特徴を持つ。
In other words, the amount of charge induced on the surface between the source and drain by spontaneous polarization, that is, the apparent gate threshold voltage, differs depending on the location.

−見これは欠点の如(みえるが読み出しの際メモリトラ
ンジスタのゲートにバイアスしてQn状態のコンダクタ
ンスを確保するわけではなく、ゲートを接地した状態で
Qn状態の良いコンダクタンスが得られており、一方o
ff状態もゲートを接地した状態で、ともか< off
であれば良いから、全く問題とならない。
- This seems to be a drawback (it seems that when reading, the gate of the memory transistor is not biased to ensure conductance in the Qn state, but good conductance in the Qn state is obtained with the gate grounded, but on the other hand o
In the ff state, the gate is grounded, and Tomoka < off
That's fine, so it's not a problem at all.

この点でも、MNOS等の注入現象を利用した半導体不
揮発性メモリーにくらべ、本発明の方が優れている。
In this respect as well, the present invention is superior to semiconductor nonvolatile memories such as MNOS that utilize the injection phenomenon.

vTの変化の小さいMNOS等の注入現象を利用した半
導体記憶装置では、読み出しの際メモリトランジスタの
ゲートに電圧をかげるので、とのチャンネル部の場所に
よるvTのばらつきは、非常な欠点となる。
In a semiconductor memory device that utilizes an injection phenomenon such as MNOS, which has a small change in vT, voltage is lowered to the gate of a memory transistor during reading, so variations in vT depending on the location of the channel portion are a serious drawback.

このため、この型のものでは、必ずソースとドレインと
から同時に電圧を加えてアバランシェを起す必要があり
、周辺回路が複雑にならざるを得ない等の問題が生じて
いる。
For this reason, in this type of device, it is necessary to apply voltage simultaneously from the source and drain to cause avalanche, which causes problems such as the peripheral circuitry becoming complicated.

第4図は、本発明の一実施例を説明するための図である
FIG. 4 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention.

強誘電体チタン酸ビスマスをゲート絶縁物として持つ絶
縁ゲート電界効果型メモリトランジスタMij(iは1
からmまでの整数、jは1からnまでの整数)m行n列
の行列に並べる。
Insulated gate field effect memory transistor Mij (i is 1
(j is an integer from 1 to n) arranged in an m-by-n matrix.

各メモリトランジスタMijのドレインに各々エンハン
スメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以下第1
のスイッチングトランジスタという)Jj(tは1から
mまでの整数、jは1からnまでの整数)のソースを接
続し、そのスイッチングトランジスタSijのドレイン
を行毎にかつゲートを列毎に共通接続し、それぞれその
出力端子をX・およびYj とする。
An enhancement type insulated gate field effect transistor (hereinafter referred to as a first transistor) is connected to the drain of each memory transistor Mij.
(referred to as switching transistors) Jj (t is an integer from 1 to m, j is an integer from 1 to n), and the drains of the switching transistors Sij are commonly connected for each row and the gates are commonly connected for each column. , and let their output terminals be X. and Yj, respectively.

また各メモリトランジスりMijのソースに、別系のエ
ンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以
下第2のスイッチングトランジスタという)Sij(i
は1からmまでの整数、jは1からnまでの整数)のド
レインを各々接続し、この第2のスイッチングトランジ
スタSijのソースおよびゲートを各々共通接続し、そ
れぞれOutおよびW/R端子とする。
In addition, a separate enhancement type insulated gate field effect transistor (hereinafter referred to as a second switching transistor) Sij(i) is connected to the source of each memory transistor Mij.
is an integer from 1 to m, and j is an integer from 1 to n) are connected to each other, and the source and gate of this second switching transistor Sij are connected in common, and are used as Out and W/R terminals, respectively. .

さらにたは各々メモリトランジスタMijのゲートを独
立に、もしくは語毎に、あるいは文字毎に、または頁毎
に、共通接続して、Erase端子とする。
Alternatively, the gates of the memory transistors Mij are commonly connected independently, or for each word, for each character, or for each page, and used as an Erase terminal.

以上構成の一例を述べた本発明の半導体記憶装置は、ビ
ットもしくは語あるいは文字または頁等の成る情報単位
毎の記憶内容の消去を行い、ビット毎の書き込みを行う
ことのできる、擬ランダムアクセス機能を有し、しかも
単極性の電圧により書き込み、消去が可能である。
The semiconductor memory device of the present invention having an example of the configuration described above has a pseudo-random access function capable of erasing memory contents for each information unit such as bits, words, characters, or pages, and writing bits for each bit. Moreover, writing and erasing can be performed using a unipolar voltage.

次に、第4図および第5図を参照して、その動作を説明
する。
Next, the operation will be explained with reference to FIGS. 4 and 5.

まず消去を行うには、全てのXi端子を接地し、かつ全
てのYj端子に負電圧を加えることにより、全ての第1
のスイッチングトランジスタS?jをOn状態として全
メモリトランジスタMijのドレインを接地しておき、
各情報単位毎に共通接続されたE rase端子に負の
消去電圧vwiを印加する。
First, to erase, all the first
switching transistor S? j is turned on and the drains of all memory transistors Mij are grounded,
A negative erase voltage vwi is applied to the commonly connected E rase terminal for each information unit.

このときW/R端子は、場合により、接地したり適当な
バイアスをかげたりすることができる。
At this time, the W/R terminal may be grounded or may be biased appropriately.

次に書き込みは、W/R端子を接地することにより、第
2のスイッチングトランジスタ群Sijを全てoffに
し各メモリセルの行列間の分離を行った状態で、Yl端
子に負電圧を加えスイッチングトランジスタ群5i1(
1=1.2、・・・・・・、m)をQn にし、さらに
Xk端子から負の書き込み電圧Vw2 を加えることに
よりに行1列にあるメモリトランジスタMklのみにド
レインから負の書き込み電圧■w2を加えることにより
行う。
Next, writing is performed by grounding the W/R terminal, turning off all the second switching transistor groups Sij and separating the rows and columns of each memory cell, and applying a negative voltage to the Yl terminal to turn off the switching transistor group Sij. 5i1(
1=1.2, . . . , m) is set to Qn, and by further applying a negative write voltage Vw2 from the Xk terminal, a negative write voltage ■ is applied from the drain to only the memory transistor Mkl in the first row and column. This is done by adding w2.

次に読み出しはW/R端子に負電圧を加えることにより
スイッチングトランジスタ群Sijを全てQn にして
おき、読み出したい番地のXq Yr端子に適当な負電
圧を加えq行r列にあるメモリトランジスタMqrのQ
n状態もしくはoff状態に応じた電圧、電流をOut
端子から読み出すことにより行う。
Next, for reading, all the switching transistor groups Sij are set to Qn by applying a negative voltage to the W/R terminal, and an appropriate negative voltage is applied to the Xq Yr terminal of the address to be read. Q
Output voltage and current according to n state or off state
This is done by reading from the terminal.

この際Xq端子から加える電圧vRは、読み出しに必要
な程度に大きく、書き込みの電圧VWZ よりもずっ
と小さい電圧に選び、メモリトランジスタのゲート強誘
電体に加わる擾乱を最小にする様にする。
At this time, the voltage vR applied from the Xq terminal is selected to be as large as necessary for reading and much smaller than the writing voltage VWZ, so as to minimize disturbances applied to the gate ferroelectric of the memory transistor.

実際には書き込み、消去電圧VWZ、■wnを一15V
程度に読み出し電圧を−3〜−5V程度に選ぶのか適当
である。
Actually, the write and erase voltages VWZ and ■wn are -15V.
It is appropriate to select the read voltage to be approximately -3 to -5V.

以下この場合についての半選択擾乱の影響を見積もる。Below, we will estimate the influence of half-selective disturbance in this case.

我々の得ているシリコン基板上に付着したチタン酸ビス
マス薄膜の活性化電界は1.5〜7×106■/crr
Lであり、約1μ扉の膜厚のチタン酸ビスマスを使用す
ると活性化に要する印加電圧は150〜700Vという
ことになる。
The activation electric field of the bismuth titanate thin film deposited on a silicon substrate that we have obtained is 1.5 to 7 x 106 ■/crr.
If bismuth titanate with a film thickness of about 1 μm is used, the applied voltage required for activation will be 150 to 700 V.

従って一5Vの擾乱による自発分極の反転時間は、−1
5■での反転時間が通常は0.1秒であるので、3.4
X105年以上とみつもれる。
Therefore, the reversal time of spontaneous polarization due to a disturbance of -5V is -1
Since the reversal time at 5■ is normally 0.1 seconds, 3.4
It is believed to be over 105 years old.

また単純な半選択方式の場合7.5v程度の半選択電圧
による擾乱を受けるが、この電圧による反転時間は15
年以上とみつもれる。
In addition, in the case of a simple half-selection method, there is disturbance due to a half-selection voltage of about 7.5V, but the inversion time due to this voltage is 15V.
Looks like it's over a year old.

従ってこのチタン酸ビスマス膜は半選択擾乱に対しても
ともと安定であるとはいえ、−抹の不安を残していたが
、本発明により半選択電圧による分極状態の寿命は約1
0’倍も改善され、全くその不安がなくなった。
Therefore, although this bismuth titanate film is originally stable against half-selective disturbances, there remained some concerns, but with the present invention, the lifetime of the polarized state due to half-selective voltage is approximately 1
It has improved by 0' times and I no longer have that anxiety.

この本発明の効果は誠に草絶したものと言わざるを得な
い。
It must be said that the effects of the present invention are truly unprecedented.

また、この他に本発明によれば、ドレインもしくはソー
スのいずれか片側からの書き込み方式を採用し得るため
、周辺回路をふくめで回路構成が単純となるという重大
な効果を生じる。
In addition, according to the present invention, since it is possible to adopt a writing method from either one side of the drain or the source, there is a significant effect that the circuit configuration including the peripheral circuits is simplified.

さらに、本発明により単極性とした実施例においては、
周辺回路を同一基板上に製作する場合にも、周辺回路と
メモリ部分を分離する必要がなく、構造を簡単にでき製
作が容易であり、かつ高密度集積化を可能にする。
Furthermore, in the unipolar embodiment according to the present invention,
Even when the peripheral circuits are manufactured on the same substrate, there is no need to separate the peripheral circuits and the memory portion, which simplifies the structure, facilitates manufacturing, and enables high-density integration.

また本発明によれば、完全なランダムアクセスはできな
いが、情報の流れは語もしくは文字あるいは頁等の単位
で流れることが多いのでこれらの情報単位毎にEras
e端子を設ければ、通常の記憶装置としては全くランダ
ムアクセスと同じ動作をさせることが可能である。
Further, according to the present invention, completely random access is not possible, but since information often flows in units of words, characters, pages, etc., erasing is performed for each unit of information.
By providing the e terminal, it is possible to perform the same operation as random access as a normal storage device.

先に、擬ランダムアクセス機能を有すると記したのはこ
のことである。
This is why I mentioned earlier that it has a pseudo-random access function.

前記実施例においては、スイッチトランジスタ群Sij
+ Sijを絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成
したが、本発明は絶縁ゲート電界効果トランジスタに限
定するものではなく、他のスイッチ素子で置き換えるこ
とが可能である。
In the embodiment, the switch transistor group Sij
Although +Sij is configured with an insulated gate field effect transistor, the present invention is not limited to an insulated gate field effect transistor, and can be replaced with other switching elements.

またメモリトランジスタMijのゲート絶縁物も実施例
に示したチタン酸ビスマス強誘電体にかぎらず、薄膜に
してもなお強誘電性を示す強誘電材料で置き換えること
が可能である。
Furthermore, the gate insulator of the memory transistor Mij is not limited to the bismuth titanate ferroelectric material shown in the embodiment, but can be replaced with a ferroelectric material that still exhibits ferroelectricity even when made into a thin film.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の実施例に使用したチタン酸ビスマス
強誘電体をゲート絶縁物として持つメモリトランジスタ
単体の書き込み、消去特性を説明するため図で■D−■
Gヒステリシス特性を示したものである。 第2図は、上記メモリトランジスタ単体の構造を示す模
式図であり、1はn型S、基板、2,3はそれぞれソー
ス又はドレインのp型不純物領域、4はチタン酸ビスマ
ス強誘電体絶縁薄膜、5はゲート電極、6,7はそれぞ
れソース又はドレイン電極8は基板電極である。 第3図は上記メモリトランジスタの書き込み方式を説明
するために用いる、分極と電界のヒステリシスループを
表した図である。 第4図は、本発明の一実施例を示すメモリアレイ構成図
であり、第5図は、上記メモリアレイの動作をさせるた
めの電圧の掛は方を示す説明図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating write and erase characteristics of a single memory transistor having a bismuth titanate ferroelectric material as a gate insulator used in an embodiment of the present invention.
This shows G hysteresis characteristics. FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a single memory transistor, in which 1 is an n-type S substrate, 2 and 3 are p-type impurity regions of the source or drain, respectively, and 4 is a bismuth titanate ferroelectric insulating thin film. , 5 is a gate electrode, and 6 and 7 are source or drain electrodes, respectively. 8 is a substrate electrode. FIG. 3 is a diagram showing a hysteresis loop of polarization and electric field, which is used to explain the writing method of the memory transistor. FIG. 4 is a configuration diagram of a memory array showing one embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an explanatory diagram showing how voltages are applied to operate the memory array.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 強誘電体をゲート絶縁物として持つ絶縁ゲート電界
効果型不揮発性メモリートランジスタを行列に並べ、各
メモリトランジスタのドレインに各各絶縁ゲート電界効
果型トランジスタのソースを接続してその絶縁ゲート電
界効果トランジスタのドレインを行毎に、ゲートを列毎
に共通接続し、又各メモリトランジスタのソースに別の
絶縁ゲート電界効果トランジスタのドレインを各々接続
してこの絶縁ゲート電界効果トランジスタのソースおよ
びゲートを各々共通接続し、さらに又メモリトランジス
タのゲート端子を独立に又は語毎、又は文字毎、又は頁
毎に共通接続することを特徴とする半導体記憶装置。
1 Insulated gate field effect nonvolatile memory transistors having ferroelectric material as a gate insulator are arranged in a matrix, and the source of each insulated gate field effect transistor is connected to the drain of each memory transistor to form the insulated gate field effect transistor. The drains of the insulated gate field effect transistors are commonly connected for each row, and the gates are commonly connected for each column, and the drains of other insulated gate field effect transistors are connected to the sources of each memory transistor, so that the sources and gates of the insulated gate field effect transistors are commonly connected. What is claimed is: 1. A semiconductor memory device characterized in that gate terminals of memory transistors are commonly connected independently or word by word, character by character, or page by page.
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