JPH1012831A - Ferroelectric memory device and operation method thereof - Google Patents

Ferroelectric memory device and operation method thereof

Info

Publication number
JPH1012831A
JPH1012831A JP8181357A JP18135796A JPH1012831A JP H1012831 A JPH1012831 A JP H1012831A JP 8181357 A JP8181357 A JP 8181357A JP 18135796 A JP18135796 A JP 18135796A JP H1012831 A JPH1012831 A JP H1012831A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
iridium
ferroelectric
upper electrode
bit line
capacitor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP8181357A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yukio Fukuda
幸夫 福田
Katsuhiro Aoki
克裕 青木
Ken Numata
乾 沼田
Akitoshi Nishimura
明俊 西村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texas Instruments Japan Ltd
Original Assignee
Texas Instruments Japan Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Texas Instruments Japan Ltd filed Critical Texas Instruments Japan Ltd
Priority to JP8181357A priority Critical patent/JPH1012831A/en
Publication of JPH1012831A publication Critical patent/JPH1012831A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 強誘電体キャパシタが繰り返しの反転によっ
ても分極疲労を生じ難く、長寿命で高信頼性を保持する
ことのできる強誘電体メモリ装置と、その動作方法を提
供すること。 【解決手段】 イリジウム上部電極5とイリジウム下部
電極3との間にPZT薄膜4が設けられた強誘電体キャ
パシタCAPを有し、イリジウム上部電極5がビット線
6(BL)側に、イリジウム下部電極3がドライブ線32
(DL)側に接続されている強誘電体メモリ装置。この
メモリ装置を動作させるに際し、ビット線6(BL)の
データの種類に依らず、イリジウム上部電極5に負の電
圧パルスを印加する方法。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferroelectric memory device in which a ferroelectric capacitor hardly causes polarization fatigue even by reversal reversal, a long life and a high reliability can be maintained, and an operation method thereof. thing. SOLUTION: A ferroelectric capacitor CAP having a PZT thin film 4 provided between an iridium upper electrode 5 and an iridium lower electrode 3 is provided. The iridium upper electrode 5 is on the bit line 6 (BL) side, and the iridium lower electrode is on. 3 is drive line 32
A ferroelectric memory device connected to the (DL) side. A method of applying a negative voltage pulse to the iridium upper electrode 5 irrespective of the type of data of the bit line 6 (BL) when operating this memory device.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体メモリ装
置(特に、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)膜を有する
強誘電体キャパシタを用いた不揮発性半導体メモリ)及
びその動作方法に関するものである。
The present invention relates to a ferroelectric memory device (particularly, a nonvolatile semiconductor memory using a ferroelectric capacitor having a lead zirconate titanate (PZT) film) and a method of operating the same. .

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体物質であるPZTを誘電体膜と
して用いてキャパシタを形成することにより、その残留
分極特性を用いた簡単な構造の不揮発性記憶素子、即
ち、不揮発性メモリであるFRAMと称される強誘電体
RAM(Ferroelectric Random Access Memory)を作製
することができる。
2. Description of the Related Art By forming a capacitor using PZT, which is a ferroelectric substance, as a dielectric film, a nonvolatile memory element having a simple structure using its remanent polarization characteristics, that is, an FRAM as a nonvolatile memory. A ferroelectric RAM (Ferroelectric Random Access Memory) referred to as a ferroelectric random access memory (RAM) can be manufactured.

【0003】このようなFRAMは、既に一部実用化さ
れており、そのPZTキャパシタは図9(A)に示す如
くに構成され、またその強誘電体メモリセルは図9
(B)に示す如くに構成されている。
Such an FRAM has already been partially put into practical use, its PZT capacitor is configured as shown in FIG. 9A, and its ferroelectric memory cell is shown in FIG.
It is configured as shown in FIG.

【0004】図9(A)に示す従来のPZTキャパシタ
Capにおいては、スタック型のセルキャパシタとし
て、一般には、下部電極13としてTi接着層13B上にP
t層13Aを積層したPt/Ti構造が用いられており、
その上にゾルーゲル法、スパッタリング法又はCVD(C
hemical Vapor Deposition)法によってPZT薄膜14が
形成され、更に、上部電極15としてPtが用いられてい
る。
In the conventional PZT capacitor Cap shown in FIG. 9A, as a stack type cell capacitor, a P-type capacitor is generally provided on the Ti adhesive layer 13B as the lower electrode 13.
A Pt / Ti structure in which a t layer 13A is laminated is used,
The sol-gel method, sputtering method or CVD (C
A PZT thin film 14 is formed by a chemical vapor deposition method, and Pt is used as the upper electrode 15.

【0005】図9(B)について、上記のPZTキャパ
シタCapを有するFRAMのメモリセルを説明する
と、例えばP- 型シリコン基板17の一主面には、フィー
ルド酸化膜7で区画された素子領域が形成され、ここ
に、MOSトランジスタからなるトランスファゲートT
RとキャパシタCapとからなるメモリセルM−cel
が設けられている。
Referring to FIG. 9B, a memory cell of an FRAM having the above-described PZT capacitor Cap will be described. For example, an element region partitioned by a field oxide film 7 is formed on one main surface of a P type silicon substrate 17. Formed here, and a transfer gate T composed of a MOS transistor
Memory cell M-cel including R and capacitor Cap
Is provided.

【0006】トランスファゲートTRにおいては、例え
ばN+ 型ソース領域10とN+ 型ドレイン領域8が不純物
拡散でそれぞれ形成され、これら両領域間にはゲート酸
化膜11を介してワードライン9(WL)が設けられ、ド
レイン領域8にはSiO2 等の絶縁層1のコンタクトホ
ール18を介してビットライン16(BL)が接続されてい
る。
In the transfer gate TR, for example, an N + type source region 10 and an N + type drain region 8 are respectively formed by impurity diffusion, and a word line 9 (WL) is interposed between these two regions via a gate oxide film 11. And a bit line 16 (BL) is connected to the drain region 8 via a contact hole 18 of the insulating layer 1 such as SiO 2 .

【0007】キャパシタCapはスタック型と称される
ものであって、ソース領域10に絶縁層1のコンタクトホ
ール19を介してポリシリコン層20が接続され、更にこの
上に、上記した下部電極13が接続され、この下部電極上
にPZT強誘電体膜14及び上部電極15が順次積層されて
いる。
The capacitor Cap is of a so-called stack type, in which a polysilicon layer 20 is connected to the source region 10 through a contact hole 19 of the insulating layer 1, and the lower electrode 13 is further provided thereon. The PZT ferroelectric film 14 and the upper electrode 15 are sequentially stacked on the lower electrode.

【0008】なお、キャパシタCapを構成する強誘電
体膜14は、例えば原料溶液を用いてゾルーゲル法で形成
したPZT、即ちPb(Zr,Ti)O3 膜からなって
いる。また、下部電極13は、Ti層13B上にPt層13A
を付着したものからなっており、強誘電体膜14と接する
上部電極15はPtからなっている。
The ferroelectric film 14 constituting the capacitor Cap is made of, for example, PZT, that is, a Pb (Zr, Ti) O 3 film formed by a sol-gel method using a raw material solution. Further, the lower electrode 13 has a Pt layer 13A on the Ti layer 13B.
The upper electrode 15 in contact with the ferroelectric film 14 is made of Pt.

【0009】しかしながら、上記した従来のFRAMに
おいては、PZTキャパシタCapの動作時に反転(即
ち、データの書き込み及び読み出し動作のたびに行われ
る分極反転)を繰り返すことによって、分極特性が著し
く低下する“分極疲労”と呼ばれる現象を生じ易い。こ
れは、実デバイスを開発する上で問題となる現象であ
り、残留分極密度が 106回程度の反転によって劣化し、
初期値の2分の1以下に減少してしまうことがある。こ
のために、繰り返しの読み書きに関して信頼性の高いデ
バイスを開発することが困難であった。
However, in the above-mentioned conventional FRAM, the reversal of the inversion during the operation of the PZT capacitor Cap (that is, the polarization inversion performed every time data is written and read out) is repeated. A phenomenon called "fatigue" tends to occur. This is a phenomenon which is a problem in the development of actual device, the residual polarization density is degraded by about 10 6 times inversion,
It may be reduced to less than half of the initial value. For this reason, it has been difficult to develop a device having high reliability in repeated reading and writing.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、強誘
電体キャパシタが繰り返しの反転によっても分極疲労を
生じ難く、長寿命で高信頼性を保持することのできる強
誘電体メモリ装置と、その動作方法を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a ferroelectric memory device in which a ferroelectric capacitor is unlikely to cause polarization fatigue even by repeated inversion, and has a long life and high reliability. It is an object of the present invention to provide a method of operation.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、イリジ
ウムを主体とする上部及び下部電極と、これらの電極間
に強誘電体膜(例えばPZT膜:以下、同様)が設けら
れた強誘電体キャパシタを有し、前記上部電極(特にイ
リジウム上部電極:以下、同様)がビット線側に、前記
下部電極(特にイリジウム下部電極:以下、同様)がド
ライブ線側に接続されている強誘電体メモリ装置に係る
ものである。
That is, the present invention relates to a ferroelectric device in which an upper and lower electrode mainly composed of iridium and a ferroelectric film (for example, a PZT film: hereinafter the same) are provided between these electrodes. A ferroelectric body, wherein the upper electrode (especially iridium upper electrode: the same applies hereinafter) is connected to the bit line side and the lower electrode (especially iridium lower electrode: the same applies hereinafter) is connected to the drive line side The present invention relates to a memory device.

【0012】また、本発明は、イリジウムを主体とする
上部及び下部電極と、これらの電極間に強誘電体膜が設
けられた強誘電体キャパシタを有し、前記上部電極がビ
ット線側に、前記下部電極がドライブ線側に接続されて
いる強誘電体メモリ装置を動作させるに際し、前記ビッ
ト線のデータの種類に依らず、前記上部電極に負の電圧
パルスを印加する、強誘電体メモリ装置の動作方法も提
供するものである。
Further, the present invention has an upper electrode and a lower electrode mainly composed of iridium, and a ferroelectric capacitor having a ferroelectric film provided between these electrodes, wherein the upper electrode is provided on the bit line side, When operating a ferroelectric memory device in which the lower electrode is connected to a drive line, a negative voltage pulse is applied to the upper electrode regardless of the type of data on the bit line. Is also provided.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明の装置においては、具体的
には、前記ビット線のデータの種類に依らず、イリジウ
ム上部電極に負の電圧パルスが印加される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the device of the present invention, specifically, a negative voltage pulse is applied to the iridium upper electrode regardless of the type of data of the bit line.

【0014】また、強誘電体膜がジルコン酸チタン酸鉛
を主体としているのがよく、不揮発性メモリとして構成
されるのに好適である。
The ferroelectric film preferably comprises mainly lead zirconate titanate, which is suitable for being constituted as a nonvolatile memory.

【0015】本発明の方法では、具体的には、前記強誘
電体キャパシタのイリジウム上部電極を前記ビット線側
に、イリジウム下部電極を前記ドライブ線側に接続す
る。
In the method of the present invention, specifically, the iridium upper electrode of the ferroelectric capacitor is connected to the bit line side, and the iridium lower electrode is connected to the drive line side.

【0016】また、前記強誘電体膜としてジルコン酸チ
タン酸鉛を主体とする強誘電体膜を使用し、不揮発性メ
モリを動作させるのに好適である。
Further, a ferroelectric film mainly composed of lead zirconate titanate is used as the ferroelectric film, which is suitable for operating a nonvolatile memory.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明を実施例について説明する。The present invention will be described below with reference to examples.

【0018】まず、図1について、本発明に基づいて、
PZT薄膜を有する強誘電体キャパシタCAPを組み込
んだ半導体デバイス、例えば不揮発性メモリであるFR
AMの構成を説明する。ここでは、CUB(Cell under
Bitline)タイプのメモリセルについて説明する。
First, referring to FIG. 1, based on the present invention,
A semiconductor device incorporating a ferroelectric capacitor CAP having a PZT thin film, for example, a non-volatile memory FR
The configuration of the AM will be described. Here, CUB (Cell under
A (bitline) type memory cell will be described.

【0019】図1(A)に示すように、本実施例のPZ
TキャパシタCAPは、スタック型のセルキャパシタと
して、下部電極としてのイリジウム(Ir)層3と、そ
の上にゾルーゲル法、スパッタリング法又はCVD(Che
mical Vapor Deposition)法によって形成されたPZT
薄膜4と、更に、この上に上部電極として設けられたイ
リジウム(Ir)層5とによって構成されている。
As shown in FIG. 1A, the PZ of this embodiment is
The T-capacitor CAP is a stack-type cell capacitor having an iridium (Ir) layer 3 as a lower electrode and a sol-gel method, a sputtering method or a CVD (Che
PZT formed by the mical vapor deposition method
It comprises a thin film 4 and an iridium (Ir) layer 5 provided thereon as an upper electrode.

【0020】従って、このキャパシタCAPは、上下の
両電極ともにイリジウム金属を用いていることに特徴が
ある。これらの電極3及び5はそれぞれ、電子線加熱方
式の真空蒸着法によって 100〜300nm(例えば 200nm)の
膜厚に形成されてよい。PZT薄膜4は、Pb:Zr:
Ti=1.1 :0.5 :0.5 の組成で 300nmの膜厚に形成さ
れてよい。
Therefore, this capacitor CAP is characterized in that both upper and lower electrodes use iridium metal. Each of these electrodes 3 and 5 may be formed to a thickness of 100 to 300 nm (for example, 200 nm) by a vacuum evaporation method using an electron beam heating method. The PZT thin film 4 is composed of Pb: Zr:
It may be formed to a thickness of 300 nm with a composition of Ti = 1.1: 0.5: 0.5.

【0021】図1(B)について、上記のPZTキャパ
シタCAPを有するFRAMのメモリセルを説明する
と、例えばP- 型シリコン基板17の一主面には、フィー
ルド酸化膜7で区画された素子領域が形成され、ここ
に、MOSトランジスタからなるトランスファゲートT
RとキャパシタCAPとからなるメモリセルM−CEL
が設けられている。
Referring to FIG. 1B, a memory cell of an FRAM having the above-described PZT capacitor CAP will be described. For example, an element region partitioned by a field oxide film 7 is formed on one main surface of a P type silicon substrate 17. Formed here, and a transfer gate T composed of a MOS transistor
Memory cell M-CEL composed of R and capacitor CAP
Is provided.

【0022】トランスファゲートTRにおいては、例え
ばN+ 型ソース領域10とN+ 型ドレイン領域8が不純物
拡散でそれぞれ形成され、これら両領域間にはゲート酸
化膜11を介してポリシリコンワードライン9(WL)が
設けられ、ソース領域10にはSiO2 等の絶縁層1のコ
ンタクトホール28を介してビットライン6(BL)が接
続されている。
In the transfer gate TR, for example, an N + type source region 10 and an N + type drain region 8 are respectively formed by impurity diffusion, and a polysilicon word line 9 (between these two regions via a gate oxide film 11). WL) is provided, and the bit line 6 (BL) is connected to the source region 10 via the contact hole 28 of the insulating layer 1 such as SiO 2 .

【0023】キャパシタCAPはスタック型と称される
ものであって、ワードライン9上に位置すると共に、そ
の上部電極5は絶縁層1のコンタクトホール29及び30を
介してアルミニウム等の配線2によってドレイン領域8
に接続されている。他方、下部電極3はドライブライン
(図示せず)と接続されている。
The capacitor CAP is of a so-called stack type. The capacitor CAP is located on the word line 9, and its upper electrode 5 is drained by the wiring 2 made of aluminum or the like through the contact holes 29 and 30 of the insulating layer 1. Area 8
It is connected to the. On the other hand, the lower electrode 3 is connected to a drive line (not shown).

【0024】図2には、このメモリセルM−CELの等
価回路図を示す。Ir上部電極5は、トランスファゲー
トTRを介してビットライン6(ビット線容量Cをも
つ。)に接続され、このビット線は更にセンスアンプ回
路に導かれている。Ir下部電極3の方は、配線31を介
してドライブライン32(DL)に接続されている。
FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the memory cell M-CEL. The Ir upper electrode 5 is connected to a bit line 6 (having a bit line capacitance C) via a transfer gate TR, and this bit line is further led to a sense amplifier circuit. The Ir lower electrode 3 is connected to a drive line 32 (DL) via a wiring 31.

【0025】次に、上記のように構成されたキャパシタ
CAPと、これを組み込んだメモリセルM−CELの動
作を説明する。
Next, the operation of the capacitor CAP configured as described above and the memory cell M-CEL incorporating the capacitor CAP will be described.

【0026】まず、本発明者は、キャパシタCAPに±
5Vのバイポーラパルス電圧を加え、連続的に分極反転
を行った時の残留分極密度(Pr)と分極反転回数との
関係を求めた。但し、PZT薄膜4の組成はPb:Z
r:Ti=1.1 :0.5 :0.5 、厚みは 300nm、アニール
温度は 650℃とした。
First, the present inventor added ±
A bipolar pulse voltage of 5 V was applied, and the relationship between the remanent polarization density (Pr) and the number of times of polarization inversion when the polarization was inverted continuously was obtained. However, the composition of the PZT thin film 4 is Pb: Z
r: Ti = 1.1: 0.5: 0.5, thickness was 300 nm, and annealing temperature was 650 ° C.

【0027】図3には、下部電極をIrとし、上部電極
をIr、Pt又はAuとしたPZTキャパシタの各特性
を比較して示しているが、上下の両電極をIrとした本
実施例のキャパシタは、1×109 回までの測定範囲にお
いて、残留分極密度(出力2Pr)の低下が実質的にみ
られず、他のものに比べて分極反転時の残留分極密度
(Pr)が安定し、非常に優れていることが明らかであ
る。これは、Ir金属の耐酸化性等に寄因するものと思
われる。
FIG. 3 shows the respective characteristics of the PZT capacitor in which the lower electrode is Ir and the upper electrode is Ir, Pt or Au, and the upper and lower electrodes are Ir. The capacitor has substantially no decrease in the remanent polarization density (output 2Pr) in the measurement range up to 1 × 10 9 times, and the remanent polarization density (Pr) at the time of polarization reversal is more stable than the other capacitors. It is clear that it is very good. This is considered to be attributed to the oxidation resistance of Ir metal and the like.

【0028】なお、図6には、PZT薄膜4についての
残留分極密度のヒステリシス曲線を示す(以下、同
様)。
FIG. 6 shows a hysteresis curve of the remanent polarization density of the PZT thin film 4 (the same applies hereinafter).

【0029】更に、本発明者は、キャパシタCAPのユ
ニポーラーパルスに対する残留分極密度(出力2Pr)
の変化を検討した。この結果、Ir上部電極5に正電圧
(5V)のユニポーラーパルスを加えた場合には、図4
に示すように、残留分極密度がパルス数と共に低減して
しまうが、Ir上部電極5に負電圧(−5V)のユニポ
ーラーパルスを加えた場合には、図5に示すように、残
留分極密度(出力2Pr)がパルス数と共に回復増加す
る現象を見出した。但し、PZT薄膜4は図3の場合と
同様のものを用いた。
Further, the present inventor has determined that the remanent polarization density (output 2Pr) with respect to the unipolar pulse of the capacitor CAP.
Was examined. As a result, when a unipolar pulse of a positive voltage (5 V) is applied to the Ir upper electrode 5, FIG.
As shown in FIG. 5, the remanent polarization density decreases with the number of pulses. However, when a unipolar pulse of a negative voltage (-5 V) is applied to the Ir upper electrode 5, the remanent polarization density decreases as shown in FIG. (Output 2Pr) was found to recover and increase with the number of pulses. However, the same PZT thin film 4 as in FIG. 3 was used.

【0030】こうした知見に基づいて、Ir下部電極9
をドライブ線32側に接続し、Ir上部電極5をビット線
6側に接続したメモリセル構成とすれば、キャパシタの
既述した如き分極疲労の問題をほぼ回避できる見通しを
得た。
Based on these findings, the Ir lower electrode 9
Is connected to the drive line 32 side and the Ir upper electrode 5 is connected to the bit line 6 side, it is possible to avoid the problem of polarization fatigue of the capacitor as described above.

【0031】図2に示したように、1個のMOSトラン
ジスタTRとPZTキャパシタCAPとで構成された1
ビット分のメモリセルの回路構成において、PZTキャ
パシタCAPのIr下部電極3はドライブ線32(DL)
に接続され、Ir上部電極5はMOSトランジスタTR
を介してビット線6(BL)に接続されている。
As shown in FIG. 2, one MOS transistor TR and one PZT capacitor CAP
In the circuit configuration of the memory cell for the bit, the Ir lower electrode 3 of the PZT capacitor CAP is connected to the drive line 32 (DL).
And the Ir upper electrode 5 is connected to the MOS transistor TR.
Is connected to the bit line 6 (BL).

【0032】このメモリセルへのデータの書き込み方法
及び読み出し方法を説明する。
A method for writing and reading data to and from the memory cell will be described.

【0033】図7は、書き込み時のドライブ線32(D
L)及びビットライン6(BL)のタイミングチャート
を示している。
FIG. 7 shows the drive line 32 (D
L) and a timing chart of the bit line 6 (BL).

【0034】まず、ワード線9(WL)を高電位にして
メモリセルを選択する。次に、ドライブ線32(DL)に
正の電圧パルス(パルス幅をtWR:例えば50nsとす
る。)を印加してPZTキャパシタCAPの分極状態を
リセットし、分極方向をIr下部電極3側からIr上部
電極5側に揃える(このとき、Ir上部電極5には負の
電圧パルスが加わる)。この分極状態が“0”に対応す
る。
First, the word line 9 (WL) is set to a high potential to select a memory cell. Next, a positive voltage pulse (pulse width is t WR : for example, 50 ns) is applied to the drive line 32 (DL) to reset the polarization state of the PZT capacitor CAP, and the polarization direction is changed from the Ir lower electrode 3 side. The Ir upper electrode 5 is aligned (at this time, a negative voltage pulse is applied to the Ir upper electrode 5). This polarization state corresponds to “0”.

【0035】次に、ビット線6(BL)に正の電圧パル
ス(パルス幅をtWS:例えば40nsとする。)を印加して
分極方向を反転させる。この分極状態が“1”に対応す
る。
Next, a positive voltage pulse (pulse width is set to t WS : for example, 40 ns) is applied to the bit line 6 (BL) to reverse the polarization direction. This polarization state corresponds to "1".

【0036】以上の書き込み動作において、tWR>tws
に設定すれば、データの種類に関係なしにPZTキャパ
シタCAPのIr上部電極5に対して差し引き負の電圧
パルス(tWR−tws)が印加されたことになるから、図
5に示した結果から明らかなように、分極疲労の問題は
発生しない。
In the above write operation, t WR > t ws
, A negative voltage pulse (t WR −tws ) is applied to the Ir upper electrode 5 of the PZT capacitor CAP regardless of the type of data. Therefore, the result shown in FIG. As is clear from the above, the problem of polarization fatigue does not occur.

【0037】次に、図8に、読み出し時のタイミングチ
ャートを示す。まず、ワード線9(WL)を高電位にし
てメモリセルを選択する。次に、ドライブ線32(DL)
に正の電圧パルスを加える。この時、PZTキャパシタ
CAPの保持データが“0”の場合はその分極状態は変
化せず、ビット線電位もほとんど変化しない。
Next, FIG. 8 shows a timing chart at the time of reading. First, a word line 9 (WL) is set to a high potential to select a memory cell. Next, drive line 32 (DL)
A positive voltage pulse. At this time, when the data held in the PZT capacitor CAP is “0”, the polarization state does not change and the bit line potential hardly changes.

【0038】このように、“0”データの読み出し時に
は、PZTキャパシタCAPのIr上部電極5に対して
は負の電圧パルスのみが印加されることになるから、図
5に示した結果から、読み出し動作に伴う分極疲労の問
題は発生しない。
As described above, when reading "0" data, only a negative voltage pulse is applied to the Ir upper electrode 5 of the PZT capacitor CAP. Therefore, from the result shown in FIG. There is no polarization fatigue problem associated with operation.

【0039】一方、保持データが“1”の場合は、分極
状態が反転し、ビット線6(BL)に残留分極の約2倍
の電荷量が放出され、ビット線電位が上昇する。このビ
ット線電位の上昇をセンスアンプで検出し、ビット線電
位を強制的に高電位に持ち上げる。この動作がデータの
再書き込みである。
On the other hand, when the held data is "1", the polarization state is inverted, a charge amount about twice as large as the residual polarization is released to the bit line 6 (BL), and the bit line potential rises. This rise in bit line potential is detected by a sense amplifier, and the bit line potential is forcibly raised to a high potential. This operation is data rewriting.

【0040】この場合にも、ビット線電位が強制的に高
電位に持ち上げられている時間tRS(例えば40ns)を、
ドライブ線32(DL)に正の電圧パルスを印加している
時間tRR(例えば50ns)よりも短く設定しておけば、P
ZTキャパシタCAPのIr上部電極5に対して差し引
き負の電圧パルス(tRR−tRS)が印加されたことにな
り、やはり図5に示した結果から、書き込み動作と同様
に分極疲労の問題は発生しない。
Also in this case, the time t RS (for example, 40 ns) during which the bit line potential is forcibly raised to a high potential is represented by:
If it is set shorter than the time t RR (for example, 50 ns) during which a positive voltage pulse is applied to the drive line 32 (DL), P
As a result, a negative voltage pulse (t RR −t RS ) was applied to the Ir upper electrode 5 of the ZT capacitor CAP. From the results shown in FIG. Does not occur.

【0041】以上に説明したように、分極疲労を起こす
物質と考えられてきたPZTを用いたPZTキャパシタ
について、その電極材料としてIr金属3及び5を用
い、更に、Ir上部電極5に対して負電圧パルスが印加
されるように、上下のIr電極3及び5をそれぞれドラ
イブ線32(DL)側及びビット線6(BL)側に接続す
ることにより、分極疲労が回避されるばかりでなく、逆
に回復する現象が生じることが見出されたのである。こ
れは、画期的な知見であり、FRAMのPZTキャパシ
タCAPの長寿命化、信頼性の向上を効果的に実現する
ことができる。
As described above, the PZT capacitor using PZT, which has been considered to cause polarization fatigue, uses Ir metals 3 and 5 as its electrode material, and further has a negative electrode with respect to the Ir upper electrode 5. By connecting the upper and lower Ir electrodes 3 and 5 to the drive line 32 (DL) side and the bit line 6 (BL) side, respectively, so that a voltage pulse is applied, not only the polarization fatigue is avoided but also the reverse. It was found that a phenomenon of recovery occurred. This is an epoch-making knowledge, and it is possible to effectively realize a longer life and an improved reliability of the PZT capacitor CAP of the FRAM.

【0042】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
の実施例は本発明の技術的思想に基づいて更に変形が可
能である。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the above-described embodiment can be further modified based on the technical idea of the present invention.

【0043】例えば、上述のPZTキャパシタの構造は
種々変形でき、各層の厚みやパターン、作製方法等は上
述したものに限定されることはない。イリジウム電極は
イリジウム単体のみでなくても、他の元素が少量添加さ
れていてもよい。
For example, the structure of the above-described PZT capacitor can be variously modified, and the thickness, pattern, manufacturing method, and the like of each layer are not limited to those described above. The iridium electrode is not limited to iridium alone, and may contain a small amount of another element.

【0044】使用可能な強誘電体膜の材質は、上記のP
ZT以外にも、PZTにNb、Zr、Fe等を添加した
PZT、PLT((Pb,La)X (Ti,Zr)1-X
3)等であってよい。
The material of the ferroelectric film that can be used is P
In addition to ZT, PZT, PLT ((Pb, La) x (Ti, Zr) 1-x ) obtained by adding Nb, Zr, Fe, etc. to PZT
O 3 ).

【0045】また、上述したキャパシタCAPは、例え
ば図1に示した如きスタック型キャパシタであるのがよ
いが、これに限らず、いわゆるトレンチ(溝)内にキャ
パシタを組み込んだ構造のキャパシタにも適用可能であ
る。また、FRAM以外の用途にも適用できる。また、
COB(Cell over Bitline)タイプのメモリセルにも適
用可能である。
The above-mentioned capacitor CAP is preferably, for example, a stacked capacitor as shown in FIG. 1, but is not limited to this, and is also applicable to a capacitor having a structure in which a capacitor is incorporated in a so-called trench. It is possible. Further, the present invention can be applied to uses other than the FRAM. Also,
The present invention is also applicable to a COB (Cell over Bitline) type memory cell.

【0046】[0046]

【発明の作用効果】本発明は、上述した如く、イリジウ
ムを主体とする上部及び下部電極と、これらの電極間に
強誘電体膜が設けられた強誘電体キャパシタを有し、前
記上部電極(特にイリジウム上部電極)がビット線側
に、前記他方の電極(特にイリジウム下部電極)がドラ
イブ線側に接続されており、この強強誘電体メモリ装置
を動作させるに際し、前記ビット線のデータの種類に依
らず、前記上部電極に負の電圧パルスを印加しているの
で、強誘電体キャパシタが繰り返しの反転によっても分
極疲労を生じ難く、長寿命で高信頼性を保持することの
できる強誘電体メモリ装置と、その動作方法を提供する
ことができる。
As described above, the present invention has an upper electrode and a lower electrode mainly composed of iridium, and a ferroelectric capacitor in which a ferroelectric film is provided between these electrodes. In particular, the iridium upper electrode is connected to the bit line side, and the other electrode (particularly, the iridium lower electrode) is connected to the drive line side. When operating this ferroelectric memory device, the type of data of the bit line is Irrespective of the above, since a negative voltage pulse is applied to the upper electrode, the ferroelectric capacitor is unlikely to cause polarization fatigue even by repeated inversion, and has a long life and can maintain high reliability. A memory device and an operation method thereof can be provided.

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

【図1】本発明に基づくPZTキャパシタとこれを組み
込んだ半導体デバイス(FRAM)の概略断面図であ
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a PZT capacitor according to the present invention and a semiconductor device (FRAM) incorporating the same.

【図2】同デバイスのメモリセルの等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a memory cell of the device.

【図3】PZTキャパシタの残留分極密度と分極反転回
数との関係(バイポーラパルス電圧±5V)を比較して
示すグラフである。
FIG. 3 is a graph comparing the relationship between the remanent polarization density and the number of times of polarization reversal (bipolar pulse voltage ± 5 V) of a PZT capacitor.

【図4】Ir/PZT/Ir構造のキャパシタの正電圧
ユニポーラパルス(5V)に対する残留分極密度の変化
を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a change in remanent polarization density with respect to a positive voltage unipolar pulse (5 V) of a capacitor having an Ir / PZT / Ir structure.

【図5】Ir/PZT/Ir構造のキャパシタの負電圧
ユニポーラパルス(−5V)に対する残留分極密度の変
化を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a change in remanent polarization density with respect to a negative voltage unipolar pulse (−5 V) of a capacitor having an Ir / PZT / Ir structure.

【図6】同PZT薄膜の分極値のヒステリシス曲線図で
ある。
FIG. 6 is a hysteresis curve diagram of a polarization value of the PZT thin film.

【図7】同Ir/PZT/Irキャパシタを組み込んだ
メモリセルの書き込み動作のタイミングチャートであ
る。
FIG. 7 is a timing chart of a write operation of a memory cell incorporating the Ir / PZT / Ir capacitor.

【図8】同読み出し動作のタイミングチャートである。FIG. 8 is a timing chart of the read operation.

【図9】従来例によるPZTキャパシタとこれを組み込
んだ半導体デバイス(FRAM)の概略断面図である。
FIG. 9 is a schematic sectional view of a conventional PZT capacitor and a semiconductor device (FRAM) incorporating the same.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2、31・・・配線 3・・・Ir下部電極 4・・・強誘電体膜(PZT薄膜) 5・・・Ir上部電極 6(BL)・・・ビットライン 8・・・N+ 型ドレイン領域 9(WL)・・・ワードライン 10・・・N+ 型ソース領域 17・・・シリコン基板 32(DL)・・・ドライブライン CAP・・・強誘電体キャパシタ TR・・・トランスファゲート M−CEL・・・メモリセル2, 31 wiring 3 Ir lower electrode 4 ferroelectric film (PZT thin film) 5 Ir upper electrode 6 (BL) bit line 8 N + type drain Region 9 (WL) Word line 10 N + type source region 17 Silicon substrate 32 (DL) Drive line CAP Ferroelectric capacitor TR Transfer gate M- CEL: Memory cell

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/788 29/792 (72)発明者 沼田 乾 茨城県稲敷郡美浦村木原2355番地 日本テ キサス・インスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 西村 明俊 茨城県稲敷郡美浦村木原2355番地 日本テ キサス・インスツルメンツ株式会社内──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Agency reference number FI Technical indication H01L 29/788 29/792 (72) Inventor Ken Numata 2355 Kihara, Miura-mura, Inashiki-gun, Ibaraki Pref. (72) Inventor Akitoshi Nishimura 2355 Kihara, Miura-mura, Inashiki-gun, Ibaraki Prefecture Within Texas Instruments Instruments Inc.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 イリジウムを主体とする上部及び下部電
極と、これらの電極間に強誘電体膜が設けられた強誘電
体キャパシタを有し、前記上部電極がビット線側に、前
記下部電極がドライブ線側に接続されている強誘電体メ
モリ装置。
An upper and lower electrode mainly composed of iridium, and a ferroelectric capacitor having a ferroelectric film provided between these electrodes, wherein the upper electrode is on the bit line side, and the lower electrode is A ferroelectric memory device connected to the drive line side.
【請求項2】 強誘電体キャパシタのイリジウム上部電
極がビット線側に、イリジウム下部電極がドライブ線側
に接続されている、請求項1に記載した装置。
2. The device according to claim 1, wherein the iridium upper electrode of the ferroelectric capacitor is connected to the bit line side, and the iridium lower electrode is connected to the drive line side.
【請求項3】 ビット線のデータの種類に依らず、イリ
ジウム上部電極に負の電圧パルスが印加されるようにし
た、請求項2に記載した装置。
3. The device according to claim 2, wherein a negative voltage pulse is applied to the iridium upper electrode irrespective of the type of bit line data.
【請求項4】 強誘電体膜がジルコン酸チタン酸鉛を主
体としている、請求項1〜3のいずれか1項に記載した
装置。
4. The device according to claim 1, wherein the ferroelectric film is mainly composed of lead zirconate titanate.
【請求項5】 不揮発性メモリとして構成された、請求
項1〜4のいずれか1項に記載した装置。
5. The device according to claim 1, wherein the device is configured as a non-volatile memory.
【請求項6】 イリジウムを主体とする上部及び下部電
極と、これらの電極間に強誘電体膜が設けられた強誘電
体キャパシタを有し、前記上部電極がビット線側に、前
記下部電極がドライブ線側に接続されている強誘電体メ
モリ装置を動作させるに際し、前記ビット線のデータの
種類に依らず、前記上部電極に負の電圧パルスを印加す
る、強誘電体メモリ装置の動作方法。
6. An upper and lower electrode mainly composed of iridium, and a ferroelectric capacitor having a ferroelectric film provided between these electrodes, wherein the upper electrode is on the bit line side, and the lower electrode is A method of operating a ferroelectric memory device, comprising applying a negative voltage pulse to the upper electrode regardless of the type of data on the bit line when operating a ferroelectric memory device connected to a drive line.
【請求項7】 強誘電体キャパシタのイリジウム上部電
極をビット線側に、イリジウム下部電極をドライブ線側
に接続する、請求項6に記載した方法。
7. The method according to claim 6, wherein the iridium upper electrode of the ferroelectric capacitor is connected to the bit line and the iridium lower electrode is connected to the drive line.
【請求項8】 強誘電体膜としてジルコン酸チタン酸鉛
を主体とする強誘電体膜を使用する、請求項6又は7に
記載した方法。
8. The method according to claim 6, wherein a ferroelectric film mainly composed of lead zirconate titanate is used as the ferroelectric film.
【請求項9】 不揮発性メモリを動作させる、請求項6
〜8のいずれか1項に記載した方法。
9. The non-volatile memory for operating a non-volatile memory.
The method according to any one of claims 1 to 8.
JP8181357A 1996-06-21 1996-06-21 Ferroelectric memory device and operation method thereof Withdrawn JPH1012831A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8181357A JPH1012831A (en) 1996-06-21 1996-06-21 Ferroelectric memory device and operation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8181357A JPH1012831A (en) 1996-06-21 1996-06-21 Ferroelectric memory device and operation method thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH1012831A true JPH1012831A (en) 1998-01-16

Family

ID=16099313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8181357A Withdrawn JPH1012831A (en) 1996-06-21 1996-06-21 Ferroelectric memory device and operation method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH1012831A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100355777B1 (en) * 1999-01-27 2002-10-19 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션 Ferroelectric capacitor formed under the bit line
JP2003532275A (en) * 1998-08-31 2003-10-28 シメトリックス・コーポレーション Recovery by voltage cycling of ferroelectric film damaged by process
KR100415543B1 (en) * 2001-06-30 2004-01-24 주식회사 하이닉스반도체 Cell structure of FeRAM and method of fabricating the same
KR100551932B1 (en) * 1999-12-28 2006-02-16 후지쯔 가부시끼가이샤 Semiconductor memory device
KR100476397B1 (en) * 1998-10-28 2006-04-21 주식회사 하이닉스반도체 Fram Cell with Folded Bitline Structure
JP2014204146A (en) * 2013-04-01 2014-10-27 富士通セミコンダクター株式会社 Logic circuit

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003532275A (en) * 1998-08-31 2003-10-28 シメトリックス・コーポレーション Recovery by voltage cycling of ferroelectric film damaged by process
KR100476397B1 (en) * 1998-10-28 2006-04-21 주식회사 하이닉스반도체 Fram Cell with Folded Bitline Structure
KR100355777B1 (en) * 1999-01-27 2002-10-19 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션 Ferroelectric capacitor formed under the bit line
KR100551932B1 (en) * 1999-12-28 2006-02-16 후지쯔 가부시끼가이샤 Semiconductor memory device
KR100415543B1 (en) * 2001-06-30 2004-01-24 주식회사 하이닉스반도체 Cell structure of FeRAM and method of fabricating the same
JP2014204146A (en) * 2013-04-01 2014-10-27 富士通セミコンダクター株式会社 Logic circuit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5303182A (en) Nonvolatile semiconductor memory utilizing a ferroelectric film
JP3279453B2 (en) Non-volatile random access memory
US5679969A (en) Ferroelectric based capacitor for use in memory systems and method for fabricating the same
US5300799A (en) Nonvolatile semiconductor storage device with ferroelectric capacitors
CN100412986C (en) Strong medium memory and its operation method
US20040047219A1 (en) Ferroelectric nonvolatile semiconductor memory
JP2010267705A (en) Semiconductor memory cell and manufacturing method thereof
US5977577A (en) Ferroelectric based memory devices utilizing low curie point ferroelectrics and encapsulation
JP5081069B2 (en) Semiconductor memory device
US6194751B1 (en) Ferroelectric based memory devices utilizing low Curie point ferroelectrics and encapsulation
JP4539844B2 (en) Dielectric capacitor, method of manufacturing the same, and semiconductor device
JPH1012831A (en) Ferroelectric memory device and operation method thereof
JPH1022468A (en) Semiconductor storage device
JP4823895B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US6975529B2 (en) Ferroelectric memory with read-only memory cells, and fabrication method thereof
JP3131340B2 (en) Ferroelectric memory element
JPH11274429A (en) Semiconductor storage device
Dormans et al. Processing and performance of integrated ferroelectric and CMOS test structures for memory applications
KR100604673B1 (en) Ferroelectric Capacitors in Semiconductor Devices
JP4124010B2 (en) Ferroelectric memory and manufacturing method thereof
JP4827316B2 (en) Method for driving ferroelectric transistor type nonvolatile memory element
JPH05135570A (en) Non-volatile semiconductor memory device
JPH1027856A (en) Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US20240188304A1 (en) Capacitive memory structure and method for reading-out a capacitive memory structure
JPH09213899A (en) Nonvolatile memory device having ferroelectric film

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20030902