JP3206975B2 - Semiconductor storage device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は不揮発性半導体記憶装置
に関する。さらに詳しくは、強誘電体膜を使用した金属
膜−強誘電体膜−半導体層構造のFET(以下、MFS
−FETという)を使用した選択的に書込み、非破壊読
出しが可能な不揮発性半導体記憶装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device. More specifically, an FET having a metal film-ferroelectric film-semiconductor layer structure using a ferroelectric film (hereinafter referred to as MFS)
A non-volatile semiconductor memory device capable of selectively writing and non-destructively reading using an FET.
【0002】[0002]
【従来の技術】強誘電体膜は図3に示すように、ヒステ
リシスを有するため、一旦充分な分極がえられる電界
(図3のA)以上の電圧が印加されると、分極した分極
電荷は印加電圧が0になっても残留し、電源がOFFに
なっても記憶を保持できる。しかも、ゲート電極とチャ
ネル領域のあいだにこの強誘電体膜を配置することによ
り、読出し時にソース−ドレイン間に電流が流れても、
強誘電体膜中の分極は影響を受けず、非破壊で読出すこ
とができ、MFS−FET構造のメモリセルの開発が進
められている。2. Description of the Related Art As shown in FIG. 3, a ferroelectric film has a hysteresis. Therefore, once a voltage higher than an electric field (A in FIG. 3) at which sufficient polarization can be obtained is applied, the polarized electric charge becomes polarized. It remains even when the applied voltage becomes 0, and can retain the memory even when the power is turned off. Moreover, by arranging the ferroelectric film between the gate electrode and the channel region, even if a current flows between the source and the drain during reading,
The polarization in the ferroelectric film is not affected and can be read nondestructively, and a memory cell having an MFS-FET structure is being developed.
【0003】このようなMFS−FET構造の例を図4
の(a)〜(c)に、また強誘電体膜が分極したときの
チャネルの状態を図4の(d)に示す。図4の(a)は
MFS−FETの最も簡単な構造の例で、たとえばp型
の半導体基板21の表面に強誘電体膜27およびゲート電極
28が形成され、該強誘電体膜27の下側の半導体基板21の
表面のチャネル領域26の両側にたとえばn+型の不純物
領域が形成されてソース領域22、ドレイン領域23が形成
され、MFS−FETが構成されている。ここで、強誘
電体膜27は酸化物ペロブスカイト構造を有するPZT
(Pb(Zr1-x Tix)O3 )、PLZT(Pb1-x Lax (Zr
1-y Tiy )1-x/4 O3 )、PbTiO3 、BaTiO3
などが下地との整合性の点から結晶性の良い膜がえら
れ、好ましい。また、ゲート電極28は強誘電体膜27の配
向性から白金が好ましい。FIG. 4 shows an example of such an MFS-FET structure.
4 (a) to 4 (c), and FIG. 4 (d) shows the state of the channel when the ferroelectric film is polarized. FIG. 4A shows an example of the simplest structure of the MFS-FET. For example, a ferroelectric film 27 and a gate electrode are formed on the surface of a p-type semiconductor substrate 21.
28, an n + -type impurity region, for example, is formed on both sides of the channel region 26 on the surface of the semiconductor substrate 21 below the ferroelectric film 27 to form a source region 22 and a drain region 23. The FET is configured. Here, the ferroelectric film 27 is made of PZT having an oxide perovskite structure.
(Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 ), PLZT (Pb 1-x La x (Zr
1-y Ti y ) 1-x / 4 O 3 ), PbTiO 3 , BaTiO 3
Is preferable because a film having good crystallinity can be obtained from the viewpoint of compatibility with the base. The gate electrode 28 is preferably made of platinum from the viewpoint of the orientation of the ferroelectric film 27.
【0004】図4の(b)の構造は強誘電体膜27と半導
体基板21とのあいだにたとえばCaF2 やSiO2 など
の絶縁膜25を介在させたもので、これは強誘電体膜27で
あるPZTのPbが半導体基板21に溶け込むのを防止す
るためのものである。The structure shown in FIG. 4B has an insulating film 25 such as CaF 2 or SiO 2 interposed between the ferroelectric film 27 and the semiconductor substrate 21. This is to prevent the Pb of PZT from melting into the semiconductor substrate 21.
【0005】また、図4の(c)の構造は(b)の強誘
電体膜27と絶縁膜25とのあいだにさらに白金などの電極
膜24を介在させたもので、この電極膜24は強誘電体膜27
の配向性を向上させるものである。すなわち、SiO2
などの絶縁膜25はアモルファスであり、PZTなどの強
誘電体膜27は結晶質であり、アモルファス上に強誘電体
膜27を形成すると、配向性のない膜となる。しかし白金
膜は<111>配向性を有する膜がえられ、その上に形
成されるPZTも配向性を有する結晶膜になるからであ
る。In the structure shown in FIG. 4C, an electrode film 24 made of platinum or the like is further interposed between the ferroelectric film 27 and the insulating film 25 shown in FIG. Ferroelectric film 27
Is intended to improve the orientation. That is, SiO 2
The insulating film 25 is amorphous, and the ferroelectric film 27 such as PZT is crystalline. When the ferroelectric film 27 is formed on the amorphous, the film has no orientation. However, this is because a platinum film having a <111> orientation is obtained, and PZT formed thereon is also a crystalline film having an orientation.
【0006】このMFS−FETのゲート電極28と半導
体基板21とのあいだに、ゲート電極28が正電圧となるよ
うに充分な分極がえられる電圧が印加されると、図4の
(d)に示すように分極され、半導体基板21のチャネル
領域26に電子が誘起されて空乏層が形成される。そのた
めゲート電極が0Vであっても、n+型領域のソース領
域22、ドレイン領域23に電圧が印加されていると導通状
態になり、ソース領域22に連結されたセンスアンプ(図
示せず)などを通じて強誘電体膜27の記憶状態を読み出
せる。[0006] When a voltage is applied between the gate electrode 28 of the MFS-FET and the semiconductor substrate 21 so that the gate electrode 28 becomes a positive voltage, sufficient polarization is obtained. As shown, electrons are induced in the channel region 26 of the semiconductor substrate 21 to form a depletion layer. Therefore, even when the gate electrode is at 0 V, the voltage is applied to the source region 22 and the drain region 23 of the n + -type region so that the gate electrode becomes conductive and a sense amplifier (not shown) connected to the source region 22 Through this, the storage state of the ferroelectric film 27 can be read.
【0007】しかし、このMFS−FETをメモリセル
として、マトリックス状に並べ、記憶装置として使用す
るばあい、各セルごとに選択的に書込みや読出しをでき
るような選択回路が必要となる。このような選択回路と
して従来考えられている回路はたとえば、特開平2-6499
3 号公報に開示されているように、2つのMOSトラン
ジスタがメモリ用MFS−FETの両側に直列に接続さ
れた回路が提案されている。However, when the MFS-FETs are arranged as a memory cell in a matrix and used as a storage device, a selection circuit which can selectively perform writing and reading for each cell is required. A circuit conventionally considered as such a selection circuit is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2-6499.
As disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 3 (1993), there has been proposed a circuit in which two MOS transistors are connected in series on both sides of a memory MFS-FET.
【0008】このようなメモリセルMCの等価回路を図
5に示す。この構成で、まず書込みをするには、トラン
ジスタT1 をONにすると共に、トランジスタT2 をO
FFにし、ビット線BLからのデータをMFS−FET
のメモリ用トランジスタTMに印加し、このトランジス
タTMのゲート電極−基板間に所定の向きの電圧1/2Vc
cを印加する。これにより、トランジスタTMは強誘電
体膜が所定の向きの電気分極状態になり、データの書込
みができる。FIG. 5 shows an equivalent circuit of such a memory cell MC. In this configuration, the writing is first with the transistors T 1 to ON, the transistor T 2 O
FF, and the data from the bit line BL is MFS-FET
And application of the memory transistor T M, the gate electrode of the transistor T M - voltage 1 / 2Vc of predetermined orientation between the substrates
Apply c. Thus, transistor T M is the ferroelectric film becomes electric polarization state of the predetermined direction, the data can be written.
【0009】一方、読出し動作においては、トランジス
タT2 をオンにしておきトランジスタT1 もオンにす
る。その結果、強誘電体膜の電気分極の向きにより、メ
モリトランジスタTMが導通になったり、非導通になっ
たりして、記憶状態「1」、「0」の状態に対応され、
ビット線BLの電位変化を検出することでデータの読出
しをすることができる。On the other hand, in a read operation is also turned on transistors T 1 advance to turn on the transistor T 2. As a result, depending on the direction of the electric polarization of the ferroelectric film, the memory transistor TM becomes conductive or non-conductive, corresponding to the storage states “1” and “0”,
Data can be read by detecting a potential change of the bit line BL.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】前述のMFS−FET
を使用したメモリセルの構造はメモリ用のMFS−FE
T1つと、MOSFET2つとで構成されているため、
1つのセルに3個のトランジスタを形成することにな
り、大きなセル面積を必要とする。したがって、小さな
面積のチップにセル数を沢山形成する高集積化を図れな
いという問題がある。The above-mentioned MFS-FET
Is a memory cell structure using MFS-FE for memory.
Since it is composed of one T1 and two MOSFETs,
Since three transistors are formed in one cell, a large cell area is required. Therefore, there is a problem that high integration in which a large number of cells are formed on a chip having a small area cannot be achieved.
【0011】さらに、このような強誘電体膜を使用した
メモリセルでは、ゲート電極にしきい値電圧より低い電
圧が印加されても、分極状態が変化してデータエラーが
発生し易く、寄生容量などの影響で不要な電位差が生じ
易いという問題がある。Further, in a memory cell using such a ferroelectric film, even if a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode, the polarization state changes and a data error is likely to occur, and a parasitic capacitance and the like are generated. There is a problem that an unnecessary potential difference easily occurs due to the influence of the above.
【0012】本発明はこのような問題を解消して簡単な
構成でセルの選択ができ、高集積化ができると共に、書
込み、消去時以外は強誘電体に不要な電位差が生じない
で、データエラーの発生しないメモリセルを有する半導
体記憶装置を提供することを目的とする。The present invention solves such a problem and allows a cell to be selected with a simple structure, high integration can be achieved, and an unnecessary potential difference does not occur in the ferroelectric except at the time of writing and erasing. It is an object to provide a semiconductor memory device having a memory cell in which no error occurs.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明による半導体記憶
装置は、ゲート電極と半導体基板とのあいだに少なくと
も強誘電体膜を有する不揮発性メモリトランジスタと、
該メモリトランジスタの前記ゲート電極と前記半導体基
板とのあいだに接続され、前記ゲート電極と半導体基板
とのあいだに電圧が印加される場合には該電圧を維持
し、前記ゲート電極と半導体基板とのあいだに電圧が印
加されない場合には前記ゲート電極の浮遊電荷を放電す
る作用をする電位等価手段と、前記ゲート電極に接続さ
れたMOSトランジスタとからなるメモリセルを有して
いるものである。A semiconductor memory device according to the present invention comprises: a nonvolatile memory transistor having at least a ferroelectric film between a gate electrode and a semiconductor substrate;
It is connected to between the gate electrode and the semiconductor substrate of the memory transistor, the gate electrode and the semiconductor substrate
If a voltage is applied during this period, the voltage is maintained
Voltage is applied between the gate electrode and the semiconductor substrate.
If not applied, the floating charge of the gate electrode is discharged.
A potential equivalent means which act that is intended to have a memory cell consisting of the MOS transistors connected to the gate electrode.
【0014】また、本発明によるマトリックス化した半
導体記憶装置は、前記メモリセルが、該セルの前記メモ
リトランジスタのソース電極またはドレイン電極にダイ
オードが接続されてマトリックス状に配列され、前記M
OSトランジスタおよび前記ダイオードにより各メモリ
セルを選択的にスイッチングすることを特徴とするもの
である。Further, in the semiconductor memory device in a matrix according to the present invention, the memory cells are arranged in a matrix by connecting a diode to a source electrode or a drain electrode of the memory transistor of the cell.
Each memory cell is selectively switched by an OS transistor and the diode.
【0015】[0015]
【作用】本発明によれば、MFS−FETのゲート電極
を電位等価手段を介して半導体基板に接続している。こ
の電位等価手段として、たとえば1G〜1MΩ位の高抵
抗を使用しているため、ゲート電極に寄生容量などに起
因する浮遊電荷が発生しても電位等価手段を介して放電
され、分極状態に悪影響を及ぼさない。また書込みや読
出しなどのとき、ゲート電極と半導体基板間に電圧が印
加されると、電位等価手段を介してゲート電極に電圧が
保持され、書込み、読出しをすることができる。According to the present invention, the gate electrode of the MFS-FET is connected to the semiconductor substrate via the potential equalizing means. Since a high resistance of, for example, about 1 G to 1 MΩ is used as the potential equalizing means, even if floating charge due to parasitic capacitance or the like is generated in the gate electrode, the floating charge is discharged through the potential equalizing means and adversely affects the polarization state. Has no effect. In addition, when a voltage is applied between the gate electrode and the semiconductor substrate at the time of writing, reading, or the like, the voltage is held at the gate electrode via the potential equalizing means, so that writing and reading can be performed.
【0016】さらに、この各セルに選択的に書込み、読
出し、消去を行うため、メモリトランジスタのゲート電
極に接続されたMOSトランジスタおよびメモリトラン
ジスタのソース(ドレイン)電極側に接続されたダイオ
ードをスイッチング手段として利用しているため、各セ
ルを選択的に低電圧で駆動することができ、小さいセル
面積で半導体記憶装置を構成できる。Further, in order to selectively write, read and erase each cell, a MOS transistor connected to the gate electrode of the memory transistor and a diode connected to the source (drain) electrode side of the memory transistor are switched. Therefore, each cell can be selectively driven at a low voltage, and a semiconductor memory device can be configured with a small cell area.
【0017】[0017]
【実施例】つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体
記憶装置のメモリセルについて説明する。図1は本発明
の一実施例であるメモリセル部の要部の等価回路図であ
る。Next, a memory cell of a semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a main part of a memory cell section according to one embodiment of the present invention.
【0018】図1において、TMがメモリ用のMFS−
FETで、メモリ用トランジスタTMのゲート電極gは
電位等価手段としての高抵抗の抵抗体Rの一端と接続さ
れ、抵抗体Rの他端はメモリトランジスタTMのドレイ
ン(またはソース)電極3、基板1と共に連結されてい
る。メモリトランジスタTMのソース(またはドレイ
ン)電極2はビット線に接続されるように独立して引き
出されている。この構成でメモリトランジスタTMに書
込みをするばあいには、端子gと基板間に充分な分極が
えられる電界以上の電圧が印加されることにより、電位
等価手段としての抵抗体Rは高抵抗であるため電流は殆
ど流れないで強誘電体膜の両端間に電圧が印加され、強
誘電体膜に分極を生じせしめることができる。この際、
ゲート電極側に正の電圧が印加されれば、強誘電体膜の
半導体基板側に正の電荷が分極され、書込み電圧が除去
されたのちの半導体基板表面(チャネル領域)に電子が
誘起される。また、逆にゲート電極側に負の電圧が印加
されれば、強誘電体膜の半導体基板側に負の電荷が分極
され、書込み電圧が除去されたのちの半導体基板表面に
正孔が誘起される。従ってMFS−FETがpチャネル
かnチャネルかに応じて、またしきい値電圧の設定に応
じて、ゲート電極すなわち端子gに正か負の電圧を印加
することにより書込みなどがなされる。In FIG. 1, T M is an MFS- for memory.
In FET, the gate electrode g of the memory transistor T M is connected to one end of the resistor R of high resistance as a potential equivalent means, the other end of the resistor R is the memory transistor T M drain (or source) electrode 3, It is connected with the substrate 1. The source of the memory transistor T M (or drain) electrode 2 is drawn independently to be connected to the bit line. When writing to the memory transistors T M in this configuration, by the terminal g and the electric field voltage above which sufficient polarization between the substrates will be obtained is applied, the resistor R as a potential equivalent means high resistance Therefore, a voltage is applied across both ends of the ferroelectric film with almost no current flowing, and polarization can be caused in the ferroelectric film. On this occasion,
When a positive voltage is applied to the gate electrode, positive charges are polarized on the semiconductor substrate side of the ferroelectric film, and electrons are induced on the semiconductor substrate surface (channel region) after the write voltage is removed. . Conversely, when a negative voltage is applied to the gate electrode side, negative charges are polarized on the semiconductor substrate side of the ferroelectric film, and holes are induced on the semiconductor substrate surface after the write voltage is removed. You. Therefore, writing or the like is performed by applying a positive or negative voltage to the gate electrode, that is, the terminal g, depending on whether the MFS-FET is the p-channel or the n-channel and according to the setting of the threshold voltage.
【0019】本実施例では、メモリトランジスタTMの
ゲート電極と基板間に、該メモリトランジスタTMと並
列に電位等価手段(たとえば抵抗体R)が接続されてい
るため、端子gに電圧が印加されていないときは、たと
え浮遊電荷が発生しても電位等価手段を介して放電さ
れ、ゲート電極gは基板と同電位に保持され、浮遊電荷
などにより強誘電体膜に分極した電荷に悪影響を及ぼさ
ない。[0019] In this embodiment, between the gate electrode and the substrate of the memory transistors T M, because the memory transistors T M to the potential equivalent means in parallel (e.g. resistor R) is connected, the voltage on the terminal g is applied Otherwise, even if floating charges are generated, they are discharged through the potential equalizing means, the gate electrode g is kept at the same potential as the substrate, and adversely affects charges polarized in the ferroelectric film due to floating charges and the like. Has no effect.
【0020】本発明では、前述の端子gに選択的に電圧
を印加するのに、メモリトランジスタTMのゲート電極
側にMOSトランジスタTSを接続して該MOSトラン
ジスタTSの基板側端子cに印加する電圧を制御してメ
モリトランジスタTMのゲート電極に電圧が印加された
り、されなかったりするスイッチング作用を行うもので
ある。なお、メモリトランジスタTMのソース(ドレイ
ン)側である端子bにダイオードを接続すれば、このメ
モリセルをマトリックスに組んで半導体記憶装置とした
とき、各メモリトランジスタを選択的に読み出すことが
できる。マトリックス状に配列された各メモリセルの横
方向に並んだこのMOSトランジスタTSの基板cまた
はMOSトランジスタのゲート電極eを連結して第2の
ワード線c1 、c2 …cnとし、また横方向に並んだ各
セルの電位等価手段の他端側、メモリ用トランジスタT
Mのドレイン(ソース)電極およびメモリ用トランジス
タの基板との接続部を連結して第2のビット線d1 、d
2 …dnとする。またマトリックス状に配列された各メ
モリセルの縦方向に並んだMOSトランジスタのドレイ
ン電極(ソース電極)を連結して第1のワード線a1 、
a2 …anとし、メモリ用トランジスタTMのソース
(ドレイン)電極側端子を連結して第1のビット線
b1 、b2 …bnとすることにより、マトリックス状に
配列されたメモリセルを2本ずつのワード線とビット線
で連結して、各セルに選択的に書込み、読出し、消去を
できるように構成することができる。なお、前述の各セ
ルの横方向および縦方向の連結はそれぞれ逆にすること
もできる。In the present invention, for selectively applying a voltage to the aforementioned terminal g, and connect the MOS transistor T S to the gate electrode of the memory transistor T M to the substrate side terminals c of the MOS transistor T S or a voltage is applied to the gate electrode of the memory transistor T M by controlling a voltage applied, and performs switching action or not. Incidentally, by connecting the diode to the terminal b is the source (drain) side of the memory transistors T M, the memory cell when the semiconductor memory device teamed a matrix, it is possible to read each memory transistor selectively. Side-by-side direction of each memory cell arranged in a matrix and the MOS transistor T second word line c 1 by connecting the gate electrode e of the substrate c or MOS transistors of S, c 2 ... c n, The The other end of the potential equalization means of each cell arranged in the horizontal direction, the memory transistor T
The connection between the drain (source) electrode of M and the substrate of the memory transistor is connected to form second bit lines d 1 , d
2 ... and d n. Also, the drain electrodes (source electrodes) of the MOS transistors arranged in the vertical direction of each memory cell arranged in a matrix are connected to each other to form a first word line a 1 ,
and a 2 ... a n, a first bit line by connecting the source (drain) electrode terminal of the memory transistor T M b 1, b 2 ... With b n, memory cells arranged in a matrix Are connected by two word lines and two bit lines, so that each cell can be selectively written, read and erased. The horizontal and vertical connections of each cell described above can be reversed.
【0021】つぎに、本発明によるメモリセルをマトリ
ックス状に配列した半導体記憶装置の書込み、読出し、
消去の駆動法について説明する。Next, writing and reading of a semiconductor memory device in which memory cells according to the present invention are arranged in a matrix,
An erasing driving method will be described.
【0022】図2は本発明によるメモリセルをマトリッ
クス状に配列した半導体記憶装置の一部の等価回路図で
ある。同図において、横に並んだ各行のメモリセルのM
OSトランジスタTSの基板を連結して第2のワード線
c1 、c2 …cnとし、電位等価手段である抵抗体の他
端とメモリトランジスタTMのソース(ドレイン)電極
と基板との接続点を連結した第2のビット線d1 、d2
…dnが形成され、縦方向に並んだ各列のメモリセルの
MOSトランジスタTSのドレイン(ソース)電極を連
結した第1のワード線a1 、a2 …anおよびメモリト
ランジスタTMのドレイン(ソース)電極にダイオード
を介した端子を接続した第1のビット線b1 、b2 …b
nが形成されて半導体記憶装置が構成されている。な
お、この構成はメモリトランジスタTMがpチャネル
で、MOSトランジスタTSもpチャネルの例のばあい
で、nチャネルになればダイオードの極性も逆になり、
ドレインとソースの関係も逆になる。FIG. 2 is a partial equivalent circuit diagram of a semiconductor memory device in which memory cells according to the present invention are arranged in a matrix. In the figure, M of memory cells in each row
By connecting the substrate of the OS transistor T S is a second word line c 1, c 2 ... c n , the resistor is a potential equivalent means other end of the memory transistor T M source (drain) electrode and the substrate Second bit lines d 1 and d 2 connecting the connection points
... d n is formed, in each column arranged in the longitudinal direction of the memory cell of the MOS transistor T S drain (source) first the electrodes were connected word lines a 1, a 2 ... a a n and the memory transistors T M A first bit line b 1 , b 2 ... B in which a terminal via a diode is connected to a drain (source) electrode
The semiconductor memory device is formed by forming n . Note that this configuration is the memory transistor T M is p-channel, in case the MOS transistors T S example of p-channel, the polarity of the diode if the n-channel also reversed,
The relationship between the drain and the source is also reversed.
【0023】この構成でセルQ1 にまず書込みをするば
あいは、メモリトランジスタTMのゲート電極gに負の
電圧−Vccが印加されなければならないので、a1 に−
Vccの電圧が印加され、スイッチング用のMOSトラン
ジスタTSがONになるように、c1 に正の電圧Vccが
印加され、他のb1 、d1 、a2 …an 、b2 …bn、
c2 …cn 、d2 …dn は0Vにする。そうすることに
よりセルQ1 のメモリトランジスタTMのゲート電極と
基板間のみに、ゲート電極が負となるような電圧が印加
されることになり、セルQ2 ではa2 が0Vのため、M
OSトランジスタTSがONになってもメモリトランジ
スタTMのゲート電極gは0Vで書込みはされず、また
セルQ3 、Q4 ではc2 が0Vであるため、MOSトラ
ンジスタTSがOFFになりメモリトランジスタTMの
ゲート電極gには電圧が印加されず、電位等価手段Rに
よってゲート電極gと基板とは同電位になっており、書
込みは行われない。[0023] Since the case of the first write to the cell Q 1 in this configuration must negative voltage -Vcc is applied to the gate electrode g of the memory transistors T M, the a 1 -
Voltage of Vcc is applied, as MOS transistor T S for switching is turned ON, the positive voltage Vcc is applied to the c 1, other b 1, d 1, a 2 ... a n, b 2 ... b n ,
c 2 ... c n, d 2 ... d n is at 0V. Only between the gate electrode and the substrate of the memory transistors T M of the cell Q 1 By doing so, will be a voltage such as a gate electrode is negative is applied, for a 2 in cell Q 2 is 0V, M
Since OS transistor T S gate electrode g of the memory transistor T M be turned ON is writing 0V Sarezu and c 2 in cell Q 3, Q 4 is 0V, MOS transistor T S is turned OFF no voltage is applied to the gate electrode g of the memory transistors T M, and the gate electrode g and the substrate by the potential equivalent means R has the same potential, the write is not performed.
【0024】つぎに、読出しについて説明する。セルQ
1 の読出しをするには、b1 をセンスアンプSAの測定
手段に接続し、c1 、d1 にそれぞれVccを印加し、a
1 に0Vを印加する。また、b2 …bn にもVccを印加
し、他のa2 …an 、c2 …cn 、d2 …dn は0Vと
する。その結果セルQ1 ではMOSトランジスタTSは
ゲート電極、基板共にVccの電圧が印加されてOFFに
なり、メモリ用トランジスタTMのゲート電極と基板は
電位等価手段により同電位のVcc電圧となる。しかし書
込みにより強誘電体膜の基板側に負の電荷が分極されて
いると、チャネル領域に正孔が誘起され導通状態となっ
てドレイン−ソース間に電流が流れ「1」の状態を読み
出すことができる。書込みがなされていないと非導通で
「0」の状態を読み出すことができる。セルQ2 ではd
1 、b2 が共にVccであるため記憶状態に拘らずドレイ
ン−ソース間に電流が流れず読み出すことができない。
また、セルQ3 、Q4 ではb1 、b2 の電位がd2 の電
位より高くダイオードDが逆方向となりドレイン−ソー
ス間に電流は流れず読み出すことはできない。Next, reading will be described. Cell Q
To read 1 , b 1 is connected to the measuring means of the sense amplifier SA, Vcc is applied to c 1 and d 1 , and a
Apply 0V to 1 . Further, b 2 ... it is applied to Vcc to b n, the other a 2 ... a n, c 2 ... c n, d 2 ... d n is a 0V. In the result cell Q 1 MOS transistor T S is the gate electrode, the voltage of Vcc is applied to the substrate both to become OFF, the gate electrode and the substrate of the memory transistor T M is the Vcc voltage of the same potential by the potential equivalent means. However, when a negative charge is polarized on the substrate side of the ferroelectric film by writing, holes are induced in the channel region to be in a conductive state, a current flows between the drain and the source, and the state of "1" is read. Can be. If writing is not performed, the state of “0” can be read out without conduction. In the cell Q 2 d
1, b 2 is regardless drain in the storage state for a Vcc both - can not be read without current flows between the source.
In the cells Q 3 and Q 4 , the potentials of b 1 and b 2 are higher than the potential of d 2 , and the diode D is in the opposite direction, so that no current flows between the drain and the source, and reading cannot be performed.
【0025】つぎに消去について説明する。消去のばあ
いはc1 にVccを印加し、d1 およびa2 …an に−V
ccを印加して他は全て0VにすることによりセルQ1 の
みを消去することができる。すなわち、セルQ1 のスイ
ッチング用のMOSトランジスタTSはpチャネルで、
c1 の電位はd1 の電位より大であるためONになり、
メモリトランジスタTMのゲート電極はa1 の電位すな
わち0Vで基板の電位(d1 )の−Vccより高くなる。
従って書込みのときと逆の電圧関係になり、書き込まれ
た分極状態がキャンセルされ消去される。セルQ2 では
やはりスイッチング用のMOSトランジスタTSはON
になるが、a2 に−Vccが印加されているため、メモリ
トランジスタTMのゲート電極と基板間は同電位とな
り、消去は行われない。さらにセルQ3 、Q4 ではMO
SトランジスタTSのゲート電極と基板が共に0Vであ
るためOFFになりメモリトランジスタのゲート電極も
メモリトランジスタの基板と同電位になり消去は行われ
ない。Next, erasure will be described. For erasing the Vcc is applied to the c 1, -V to d 1 and a 2 ... a n
Other by applying cc can delete the cell Q 1 by all 0V. That, MOS transistors T S for switching the cells Q 1 is a p-channel,
Since the potential of c 1 is higher than the potential of d 1 , it is turned ON,
The gate electrode of the memory transistor T M is higher than -Vcc of the substrate potential (d 1) at a potential i.e. 0V a 1.
Accordingly, the voltage relationship is opposite to that at the time of writing, and the written polarization state is canceled and erased. MOS transistor T S is ON for still in the cell Q 2 switching
But becomes, for -Vcc in a 2 is applied, between the gate electrode and the substrate of the memory transistor T M is the same potential, the erase is not performed. Further, in cells Q 3 and Q 4 , MO
Erase becomes S transistor T substrate the same potential of the gate electrode is also the memory transistor of the memory transistor becomes OFF because the gate electrode and the substrate are both 0V of S is not performed.
【0026】以上説明したスイッチング用のMOSトラ
ンジスタTSおよびメモリトランジスタTMを共にpチ
ャネルで形成し、書込み、読出し、消去をセルQ1 につ
いて行うばあいの印加する電圧の関係を表にまとめると
表1のようになる。ここで、Vccは3V位にすれば、強
誘電体の分極が充分えられる電圧以上となるが、通常3
〜12Vの範囲で設定される。The above-described switching MOS transistor T S and memory transistor T M are both formed of p-channel, and writing, reading, and erasing are performed on the cell Q 1. It looks like 1. Here, if Vcc is set to about 3 V, the voltage becomes higher than the voltage at which the polarization of the ferroelectric substance can be sufficiently obtained.
It is set in the range of ~ 12V.
【0027】[0027]
【表1】 [Table 1]
【0028】つぎに、メモリトランジスタTMはpチャ
ネルのままで、スイッチング用のMOSトランジスタT
Sをnチャネルにしたばあいの駆動法について説明す
る。[0028] Next, the memory transistor T M remains of the p-channel, MOS transistor T for switching
A driving method when S is n-channel will be described.
【0029】まず、書込みのばあいは、a1 、c1 、c
2 …cn 、d2 …dn に−Vccを印加し、他のb1 、d
1 、a2 …an およびb2 …bn を0Vにする。すなわ
ち、セルQ1 でみると、MOSトランジスタTSはnチ
ャネルのためゲート電極の電位(d1 )より基板の電位
(c1 )が低く、ONになる。その結果a1 の電位−V
ccがメモリトランジスタTMのゲート電極に印加され、
メモリトランジスタTMの基板(d1 =0)とのあいだ
に印加された電圧が強誘電体の基板側に負の電荷が分極
されて、書込みがなされる。一方セルQ2 ではスイッチ
ング用のMOSトランジスタTSはONになるが、a2
が0Vで、メモリトランジスタのゲート電極と基板間は
同電位となり、書込みはなされない。また、セルQ3 、
Q4 ではc2 、d2 に共に−Vccが印加されているた
め、MOSトランジスタがOFFとなり、メモリトラン
ジスタのゲート電極には電圧が印加されず書込みはなさ
れない。First, in the case of writing, a 1 , c 1 , c
2 ... c n, applied to -Vcc to d 2 ... d n, other b 1, d
1, a 2 ... to 0V to a n and b 2 ... b n. That is, when viewed in cell Q 1, MOS transistor T S is the substrate potential than the potential of the gate electrode (d 1) for the n-channel (c 1) is low, turned ON. As a result, the potential of a 1 -V
cc is applied to the gate electrode of the memory transistor T M,
Negative charges on the substrate side of the applied voltage ferroelectric between the substrate of the memory transistor T M (d 1 = 0) is polarized, the writing is performed. In contrast cell Q 2 MOS transistor T S for switching becomes the ON, a 2
Is 0 V, the potential between the gate electrode of the memory transistor and the substrate is the same, and writing is not performed. Also, cells Q 3 ,
Since Q 4 In c 2, both -Vcc to d 2 is applied, MOS transistor is turned OFF, the write no voltage is applied to the gate electrode of the memory transistor is not performed.
【0030】つぎに、読出しについて説明する。読出し
のばあいはa1 、c1 、d1 およびa2 …an 、b2 …
bn にそれぞれVccを印加し、b1 をセンスアンプSA
にc2 …cn およびd2 …dn を0Vにして行う。すな
わち、セルQ1 についてみると、c1 とd1 は同電位で
スイッチング用のMOSトランジスタTSはOFFであ
り、メモリトランジスタTMのゲート電極gと基板は同
電位であるが、強誘電体が記憶されて分極されていれば
チャネル領域に正孔を誘起し、ドレイン−ソース間に電
流が流れ読出しができる。一方、セルQ2 では、ドレイ
ン−ソース間が同電位でチャネル領域がたとえ導通状態
になっていても電流は流れない。さらに、セルQ3 、Q
4 ではドレイン−ソース間の電圧が逆方向になり、ダイ
オードDにより流れず、読出しを行えず、セルQ1 のみ
の読出しを行うことができる。Next, reading will be described. In the case of reading, a 1 , c 1 , d 1 and a 2 ... An , b 2 .
Vcc is applied to each of b n and b 1 is applied to the sense amplifier SA.
Carried out to 0V c 2 ... c n and d 2 ... d n to. That is, looking at the cell Q 1, c 1 and d 1 are MOS transistors T S for switching the same potential is OFF, the the gate electrode g and the substrate of the memory transistor T M is the same potential, the ferroelectric Is stored and polarized, holes are induced in the channel region, and a current flows between the drain and the source, so that reading can be performed. On the other hand, the cell Q 2, the drain - current does not flow even if between the source becomes the channel region even if the conductive state at the same potential. Further, cells Q 3 , Q
4, the drain - source voltage of is reversed direction, does not flow through the diode D, not done reading, it can be read only cells Q 1.
【0031】つぎに、消去については、a1 にVcc、c
1 に−Vccを印加し、他は全て0Vにすることにより、
セルQ1 のみを消去できる。すなわち、スイッチングト
ランジスタTSがnチャネルで基板側の電位(c1 =−
Vcc)がゲート電極の電位(d1 =0)より低いためス
イッチング用のMOSトランジスタTSがONとなり、
メモリトランジスタTMのゲート電極gが正の電位Vcc
となり、書込みのばあいと逆の電圧関係になり消去され
る。一方、セルQ2 においては、MOSトランジスタT
Sは同様にONになるが、a2 が0Vでメモリトランジ
スタTMのゲート電極gは基板と同電位(d1 =0)と
なり消去されない。さらにセルQ3 、Q4 ではMOSト
ランジスタTSがOFFとなり、メモリトランジスタT
Mのゲート電極には電圧は印加されず、消去はされな
い。[0031] Next, erase, Vcc to a 1, c
By applying -Vcc to 1 and 0V for all others,
It can be erased only cell Q 1. That is, the switching transistor T S is the substrate side of an n-channel potential (c 1 = -
Vcc) is a MOS transistor T S is turned ON for switching lower than the potential (d 1 = 0) of the gate electrode,
Memory transistors T M gate electrode g is a positive potential Vcc of
Then, the voltage relationship is opposite to that in the case of writing, and the data is erased. On the other hand, in the cell Q 2 , the MOS transistor T
S is turned ON similarly, the gate electrode g of the memory transistor T M in a 2 is 0V, the substrate and the same potential (d 1 = 0) is not erased next. In addition cell Q 3, Q 4 MOS transistor T S is turned OFF, the memory transistor T
No voltage is applied to the M gate electrode, and no erasing is performed.
【0032】以上説明した、スイッチング用MOSトラ
ンジスタTSがnチャネルでメモリトランジスタTMが
pチャネルで形成され、書込み、読出し、消去がセルQ
1 について行われるばあいの印加する電圧の関係を表2
にまとめる。The above described, the memory transistor T M is formed by p-channel switching MOS transistor T S is an n-channel, writing, reading, erasing cell Q
Table 2 shows the relationship between the applied voltages in the case of 1
Put together.
【0033】[0033]
【表2】 [Table 2]
【0034】なお前述の例では、いずれもメモリトラン
ジスタTMをpチャネルのばあいの例で説明したが、n
チャネルにしても同様に形成できることは言うまでもな
い。It should be noted in the foregoing examples, although the both memory transistors T M described in example for p-channel, n
It goes without saying that a channel can be similarly formed.
【0035】[0035]
【発明の効果】本発明によれば、強誘電体膜を使用した
不揮発性メモリセルをメモリトランジスタのゲート電極
と基板のあいだに電位等価手段を接続すると共に、該ゲ
ート電極にスイッチング用MOSトランジスタを接続し
て形成し、ソース電極(ドレイン電極)側にダイオード
を接続してマトリックス状に配設しているため、各メモ
リセルを選択的に書込み、読出し、消去ができ、電位等
価手段、ダイオードは小面積で形成できるため、小さな
セル面積で強誘電体膜を使用した不揮発性半導体記憶装
置を構成できる。According to the present invention, a non-volatile memory cell using a ferroelectric film is connected to a potential equalizing means between a gate electrode of a memory transistor and a substrate, and a switching MOS transistor is connected to the gate electrode. Since they are connected and formed, and diodes are connected to the source electrode (drain electrode) side and arranged in a matrix, each memory cell can be selectively written, read, and erased. Since it can be formed with a small area, a nonvolatile semiconductor memory device using a ferroelectric film with a small cell area can be configured.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】本発明の一実施例である半導体記憶装置のメモ
リセルの等価回路図である。FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a memory cell of a semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention.
【図2】本発明の一実施例であるメモリセルをマトリッ
クス状に形成したばあいの等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram when memory cells according to an embodiment of the present invention are formed in a matrix.
【図3】強誘電体材料のヒステリシス特性を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a hysteresis characteristic of a ferroelectric material.
【図4】(a)〜(c)はMFS構造の例を示す図で、
(d)は強誘電体膜が分極されたときの状態を説明する
図である。FIGS. 4A to 4C are diagrams showing examples of an MFS structure.
(D) is a diagram illustrating a state when the ferroelectric film is polarized.
【図5】従来のMFS−FETを用いた半導体記憶装置
のメモリセルの回路構成の例である。FIG. 5 is an example of a circuit configuration of a memory cell of a semiconductor memory device using a conventional MFS-FET.
g ゲート電極 TM メモリトランジスタ(MFS−FET) TS MOSトランジスタ R 抵抗体 D ダイオードg gate electrode T M memory transistor (MFS-FET) T S MOS transistor R resistor D diode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/105 G11C 16/04 H01L 21/8247 H01L 29/788 H01L 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 27/105 G11C 16/04 H01L 21/8247 H01L 29/788 H01L 29/792
Claims (2)
なくとも強誘電体膜を有する不揮発性メモリトランジス
タと、該メモリトランジスタの前記ゲート電極と前記半
導体基板とのあいだに接続され、前記ゲート電極と半導
体基板とのあいだに電圧が印加される場合には該電圧を
維持し、前記ゲート電極と半導体基板とのあいだに電圧
が印加されない場合には前記ゲート電極の浮遊電荷を放
電する作用をする電位等価手段と、前記ゲート電極に接
続されたMOSトランジスタとからなるメモリセルを有
する半導体記憶装置。1. A non-volatile memory transistor having at least a ferroelectric film between the gate electrode and the semiconductor substrate is connected to between the semiconductor substrate and the gate electrode of the memory transistor, the gate electrode and the semi Guidance
If a voltage is applied between the substrate and
Maintain a voltage between the gate electrode and the semiconductor substrate.
When no voltage is applied, the floating charge of the gate electrode is released.
A semiconductor memory device having a memory cell composed of potential equalizing means for supplying electricity and a MOS transistor connected to the gate electrode.
前記メモリトランジスタのソース電極またはドレイン電
極にダイオードが接続されてマトリックス状に配列さ
れ、前記MOSトランジスタおよび前記ダイオードによ
り各メモリセルを選択的にスイッチングすることを特徴
とする半導体記憶装置。2. The memory cell according to claim 1, wherein a diode is connected to a source electrode or a drain electrode of said memory transistor of said cell and arranged in a matrix, and each memory cell is selected by said MOS transistor and said diode. A semiconductor memory device which performs switching in a dynamic manner.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21921992A JP3206975B2 (en) | 1992-08-18 | 1992-08-18 | Semiconductor storage device |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP21921992A JP3206975B2 (en) | 1992-08-18 | 1992-08-18 | Semiconductor storage device |
Publications (2)
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| JPH0669465A JPH0669465A (en) | 1994-03-11 |
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ID=16732073
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Country Status (1)
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| JP (1) | JP3206975B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100298439B1 (en) * | 1998-06-30 | 2001-08-07 | 김영환 | Nonvolatile ferroelectric memory |
-
1992
- 1992-08-18 JP JP21921992A patent/JP3206975B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0669465A (en) | 1994-03-11 |
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