JPH098160A - 強誘電性メモリ素子及びその駆動方法 - Google Patents

強誘電性メモリ素子及びその駆動方法

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JPH098160A
JPH098160A JP8142784A JP14278496A JPH098160A JP H098160 A JPH098160 A JP H098160A JP 8142784 A JP8142784 A JP 8142784A JP 14278496 A JP14278496 A JP 14278496A JP H098160 A JPH098160 A JP H098160A
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
    • H10B53/30Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors characterised by the memory core region

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 情報再生時のみならず、記録時にも強誘電体
膜に分極反転が起こらないように構造が改善された強誘
電性メモリ素子を提供する。 【解決手段】 ウェル10aを中心にして両側にソース
30及びドレイン20が形成される基板10と、ウェル
10aの上部に設けられるゲート絶縁層40と、ゲート
絶縁層40の上部に設けられるゲート電極50と、ゲー
ト電極50の上部に設けられ、その分極状態によってゲ
ート電極50に対応電荷を誘導する強誘電体膜60と、
強誘電体膜60の上部に設けられる上部電極70と、ゲ
ート電極50に電気的に接続されてゲート絶縁層40に
誘導された電荷を排出するためのライン80とを具備し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は強誘電性メモリ素子
及びその駆動方法に係り、さらに詳細には強誘電性キャ
パシタにより誘導されたゲート絶縁膜の電荷を別途の経
路に沿って排出させる非破壊的記録/再生(NDWR:
NonDestructive Write and Read )方式の強誘電性メモ
リ素子及びその駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般的な強誘電性キャパシタは分極反
転、即ち正分極及び負分極の状態で情報を貯蔵する媒体
である。分極状態の判断のための方法には一定の信号を
強誘電性キャパシタに印加して、これから発生される信
号を感知する方法と、記録時に限って分極反転が起こり
再生時には分極反転が起こらないNDRO(NonDestruc
tive Reading Operation)方法とがある。NDRO方式
のキャパシタは通常のキャパシタとは違う新たな構造を
有する。
【0003】図1はNDRO方式の強誘電性キャパシタ
が適用された強誘電性メモリ素子の単位構造を示してお
り、図2及び図3は強誘電性キャパシタの分極状態によ
る情報の再生動作を示している。図1を参照すれば、接
地されている基板1に備えられたトランジスタは、ウェ
ルの両端に位置するドレイン2及びソース3、ウェルの
上部に順に積層されたゲート絶縁層4及びゲート電極5
を具備する。そして、キャパシタは前記ゲート電極5上
に備えられるが、前記ゲート電極5上に積層された強誘
電体膜6、そしてこの上部電極7を具備する。前記ゲー
ト電極5は前記キャパシタの下部電極としての役割を果
たす。即ち、前記トランジスタとキャパシタが前記ゲー
ト電極5をそれぞれの電極として共有する。
【0004】このようなNDRO方式の強誘電性メモリ
素子はトランジスタのソースにキャパシタが連結される
既存の強誘電性メモリ素子とは違ってゲートにキャパシ
タが連結されている。このような強誘電性メモリ素子の
動作において、上部電極7からグラウンドの方に情報を
記録するためにワード電圧を加えるとゲート絶縁層4に
電荷が誘起される。
【0005】図2はソース3とドレイン2間に電流が流
れる状態即ち、p−ウェル1aのオン又はハイ状態を示
し、これに反して、図3はオフ又はロー状態を示してい
る。図2はトランジスタがnpn型であり、キャパシタ
の強誘電体の上下が陽極と陰極に分離され、これにより
ゲート絶縁層の下部は負の電荷が誘導される状態を示
す。従って、前記p−ウェル1aには負のチャネルが形
成され、結果的にソース3とドレイン2との間には電流
が流れるようになる。
【0006】図3は図2とは反対に、キャパシタの強誘
電体の上下部位が陰極と陽極とに分極され、これにより
ゲート絶縁層4の上下部が正と負の電荷が誘起された状
態を示す。従って、前記p−ウェルには正のチャネルが
形成され、結果的にソース3とドレイン2との間には電
流が流れなくなる。以上、ゲート絶縁層4の誘導電荷の
正負によりドレイン2とソース3間のウェルには負又は
正のチャネルが形成される。したがって、情報を読み出
す時には、チャネルの正・負の状態によりゲート電圧が
印加されない状態でドレイン2とソース3間に電流が流
れる(“オン”)状態か、又は流れない(“オフ”)状
態かを検知することにより強誘電体膜の分極状態即ち、
記録された2進の論理的な状態の情報が読み取れる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このような方式は、情
報の読取時にキャパシタの分極反転の起きる破壊的な再
生動作を必要とする既存の強誘電性メモリ素子とは異な
って、キャパシタの強誘電体層に分極反転の起きない非
破壊的な再生動作(NDRO)が可能となる長所があ
る。しかしながら、このようなNDRO方式の強誘電性
メモリ素子はキャパシタに情報を書き込んでゲート絶縁
層に電荷が誘導されなければならないので高いワード電
圧が求められる。さらに、情報を再生する時とは違っ
て、情報書込時に強誘電体を図2と図3に示されたよう
に陰極及び陽極に分極させるべきなので、記録時の強誘
電体膜の分極反転により相変わらず疲労が生じる恐れが
ある。このような疲労はキャパシタの寿命を縮めるの
で、記録時における強誘電体の分極反転による疲労減少
を避ける必要がある。このような疲労を減らし得る方法
としては特殊な素材の電極を用いても良いが、この場合
は強誘電体膜の分極量が減少される恐れがある。
【0008】本発明の目的は情報再生は無論、記録時に
も強誘電体膜に分極反転が起こらないように構造が改善
された強誘電性メモリ素子及びその駆動方法を提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る強誘電性メ
モリ素子は、ウェルを中心にして両側にソース及びドレ
インが形成された基板と、前記ウェルの上部に設けられ
るゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層の上部に設けられ
るゲート電極と、前記ゲート電極の上部に設けられ、そ
の分極状態により前記ゲート電極に対応電荷を誘導する
強誘電体膜と、前記強誘電体膜の上部に設けられる上部
電極と、前記ゲート電極と電気的に接続されて前記ゲー
ト絶縁層に誘起された電荷を排出させるための電荷排出
手段とを具備する。
【0010】さらに、本発明による強誘電性メモリ素子
の駆動方法は、ウェルを中心にして両側にソース及びド
レインが形成された基板と、前記ウェルの上部に設けら
れるゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層の上部に設けら
れるゲート電極と、前記ゲート電極の上部に設けられ、
その分極状態により前記ゲート電極に対応電荷を誘導す
る強誘電体膜と、前記強誘電体膜の上部に設けられる上
部電極とを具備する強誘電性メモリ素子に情報を記録及
び再生する駆動方法であって、2進の論理的な情報の記
録時、前記ウェルを通じたソースとドレイン間の電流の
流れを遮って論理的な“ロー”状態にするために、前記
強誘電体膜により誘導された前記ゲート絶縁層の電荷を
前記ゲート電極を通じて直接放出させることを特徴とす
る。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発
明を詳細に説明する。図4において、接地されている基
板10に備えられたトランジスタは、ウェル10aを中
心にして両側に位置するドレイン20及びソース30、
ウェル10aの上部に順次積層されたゲート絶縁層40
及びゲート電極50を具備する。そして、キャパシタは
ゲート電極50上に備えられるが、ゲート電極50上に
積層された強誘電体膜60及びその上部電極70を具備
する。この際、ゲート電極50がキャパシタの下部電極
の機能を果たすことによって、従来の強誘電性メモリ素
子の構造と同様に、トランジスタとキャパシタとがゲー
ト電極50をそれぞれの電極として共有している。
【0012】このような構造において、ゲート電極50
は本発明の特徴的な要素を有する。即ち、ゲート電極5
0は既存の強誘電性メモリ素子のゲート電極とは違って
別途の電気的なライン80を通じて外部要素と電気的に
接続される。このようなゲート電極50はライン80に
より強誘電体膜60により誘導されたゲート絶縁層40
の電荷を直接放出するための電荷排出手段としての機能
を有する。
【0013】以上、本発明においてトランジスタはnp
n型又はpnp型であり、この際、印加される電圧の極
性はトランジスタの形態に応じて変わるべきである。そ
して、強誘電体膜60は一方向への分極を極大化するた
めに保磁電界(coercive field)の大きい物質が用いれ
るのが好ましく、そしてゲート絶縁層40に誘導される
電荷の電圧を下げるためにSiO2 より高誘電率の誘電
体を用いることが好ましい。
【0014】以下、“ロー”と“ハイ”とに区分される
論理的な情報の記録及び再生のための強誘電性メモリ素
子の駆動方法の実施例を説明する。論理的な情報の再生
は既存のNDRO方式と実際同一なので論理的な情報の
再生に対する説明は省略し、以下、情報記録方法に対し
てのみ説明する。図5はキャパシタの強誘電体膜により
電荷の誘導されたゲート絶縁層により論理的にハイ状態
の情報を記録する状態を示す。また、図6は電荷の誘導
されないゲート絶縁層により論理的にロー状態の情報を
記録する状態を示す。
【0015】論理的なハイ状態にするために、図5に示
したように、上部電極70からグラウンドの方にワード
電圧を加えてキャパシタに情報を書き込むようにしてこ
の電気的な経路上に位置したゲート絶縁層40に電荷を
誘導させる。この際、p−ウェル10aに負の電荷が強
誘電体層の領域により誘起され、ゲート電極50の上下
に正、負の電荷が分布される。しかしながら、正、負の
電荷が上下に分布されたゲート電極は全体的には電気的
に中性の状態となる。これにより、電荷の誘導されたゲ
ート絶縁層40によりウェル10aにはチャネルが形成
され、よってソース30とドレイン20との間には電流
が流れる。
【0016】そして、論理的なロー状態にするためにゲ
ート電極50に負の電圧を印加し、上部電極70に0V
の電圧又はグラウンド状態を保たせる。これによって、
ゲート絶縁層40に誘起された電荷のみゲート電極50
に接続された外部への電気的な経路を通じて迅速に放電
される上にp−ウェルの電荷が消滅され、よって強誘電
体膜60がリフレッシュされる。この際、強誘電体膜6
0は0V状態でも分極が残留するので低電圧で再びゲー
ト絶縁層40に電荷を誘導して論理的にハイ状態にし得
る。
【0017】
【発明の効果】以上のような論理的な情報の書込状態を
調べてみると、強誘電体膜の分極反転の起こらない状態
で“ロー”及び“ハイ”の論理的な情報が書き込めるよ
うになる。このように分極反転のない状態で情報が書き
込まれると、強誘電体膜の疲労が防止できる。また、前
述したように情報の書込が繰り返される間にも残留分極
が存在し続けるので低電圧からも情報の記録が可能とな
る。
【0018】さらに、一方向にのみ強誘電体膜を分極さ
せるので回路を必要とせず寿命を延ばし得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のNDRO方式の強誘電性メモリ素子の概
略的な構造図である。
【図2】図1に示されたNDRO方式の強誘電性メモリ
素子の論理的な“ハイ”状態を示す図面である。
【図3】図1に示されたNDOR方式の強誘電性メモリ
素子の論理的な“ロー”状態を示す図面である。
【図4】本発明による強誘電性メモリ素子の概略的な構
造図である。
【図5】図4に示された本発明による強誘電性メモリ素
子の論理的な“ハイ”状態で情報を記録する状態を示す
図面である。
【図6】図4に示された本発明による強誘電性メモリ素
子の論理的な“ロー”状態で情報を記録する状態を示す
図面である。
【符号の説明】
10 基板 10a ウェル 20 ドレイン 30 ソース 40 ゲート絶縁層 50 ゲート電極 60 強誘電体膜 70 上部電極 80 ライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/108 21/8242

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ウェルを中心にして両側にソース及びド
    レインが形成された基板と、 前記ウェルの上部に設けられるゲート絶縁層と、 前記ゲート絶縁層の上部に設けられるゲート電極と、 前記ゲート電極の上部に設けられ、その分極状態により
    前記ゲート電極に対応電荷を誘導する強誘電体膜と、 前記強誘電体膜の上部に設けられる上部電極と、 前記ゲート電極と電気的に接続されて前記ゲート絶縁層
    に誘起された電荷を排出するための電荷排出手段と、を
    具備する強誘電性メモリ素子。
  2. 【請求項2】 前記ゲート絶縁層は非酸化珪素物の誘電
    性物質よりなることを特徴とする請求項1に記載の強誘
    電性メモリ素子。
  3. 【請求項3】 ウェルを中心にして両側にソース及びド
    レインが形成された基板と、前記ウェルの上部に設けら
    れるゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層の上部に設けら
    れるゲート電極と、前記ゲート電極の上部に設けられ、
    その分極状態により前記ゲート電極に対応電荷を誘導す
    る強誘電体膜と、前記強誘電体膜の上部に設けられる上
    部電極とを具備する強誘電性メモリ素子に情報を記録及
    び再生する駆動方法であって、 2進の論理的な情報の記録時、前記ウェルを通じた前記
    ソースとドレイン間の電流の流れを遮って論理的に“ロ
    ー”状態にするために、前記強誘電体膜により誘導され
    た前記ゲート絶縁層の電荷を前記ゲート電極を通じて直
    接放出させることを特徴とする強誘電性メモリ素子の駆
    動方法。
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