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JPH06119773A - Semiconductor memory - Google Patents

Semiconductor memory

Info

Publication number
JPH06119773A
JPH06119773A JP26717792A JP26717792A JPH06119773A JP H06119773 A JPH06119773 A JP H06119773A JP 26717792 A JP26717792 A JP 26717792A JP 26717792 A JP26717792 A JP 26717792A JP H06119773 A JPH06119773 A JP H06119773A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
capacitor
ferroelectric
memory cell
paraelectric
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.)
Pending
Application number
JP26717792A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Miki Takeuchi
幹 竹内
Masataka Kato
正高 加藤
Katsumi Matsuno
勝己 松野
Yoshinobu Nakagome
儀延 中込
Masakazu Aoki
正和 青木
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi 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 Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP26717792A priority Critical patent/JPH06119773A/en
Publication of JPH06119773A publication Critical patent/JPH06119773A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Dram (AREA)
  • Read Only Memory (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a high speed and highly integrated memory cell with high reliability by connecting a ferroelectric substance capacitor and a paraelectric substance capacitor in series and impressing a prescribed fixed voltage. CONSTITUTION:This memory is constituted so that the paraelectric substance capacitor CO and the ferroelectric substance capacitor CFE whose insulation film is made from ferroelectric substance are connected in series, and voltage in a connection node VN is detected by a voltage monitor. In information writing operation, the voltage VIS is impressed to a terminal V1, and the transition of two voltage stable points VN0, VN1 occurring in the VN is performed by making the impressed voltage in the V1 VIS to and from V1L, and write is executed. Further, in reading operation, though the voltage in the node VN is detected by the voltage monitor circuit and read is executed, at this time, since inversion in the polarization of the CFE is unnecessitated, the voltage in the V1 is made the fixed voltage inducing no polarization. Thus, delay in read due to the inversion in the polarization is eliminated, and fatigue in the ferroelectric substance film is suppressed, and the voltage is obtained regardless of the area of the capacitor, and high integration is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体を用いた不揮
発性の半導体メモリに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory using a ferroelectric substance.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体を用いたフェロエレクトリック
ランダムアクセスメモリ(FRAM)は、従来のダイナ
ミックランダムアクセスメモリとほとんど同じ性能を有
しつつ、さらに不揮発である特徴がある。図13は、F
RAMの一例として、USP.4,873,664で述
べられている構成を示したものである。このメモリはM
C11、MCB11のメモリセル対で情報1ビット分を
記憶している。このメモリセルでは、キャパシタ絶縁膜
として強誘電体を用い、強誘電体の分極の向きが記憶情
報を表す。この記憶情報を読出すには、たとえばデータ
線対BL1、BLB1を0Vのフローティング状態にし
た後、ワード線WL1を高電位にして、プレートPL1
を高電位にする。すると、BL1、BLB1はともに昇
圧されるが、メモリセル対MC11、MCB11の強誘
電体の分極方向の違いに起因して、BL1とBLB1と
の電位に差を生じる。これは、分極方向の違いが実効的
なキャパシタ容量の差を生むからである。これを、セン
ス回路で増幅して、キャパシタ絶縁膜の分極方向を判別
する。図13の例以外にも、いくつかFRAMの構成が
提案されているが、情報を読み出すための基本的な原理
は、これと同様である。
2. Description of the Related Art Ferroelectric random access memory (FRAM) using a ferroelectric material has almost the same performance as a conventional dynamic random access memory, but is also non-volatile. FIG. 13 shows F
As an example of the RAM, USP. 4, 873, 664. This memory is M
One bit of information is stored in the memory cell pair of C11 and MCB11. In this memory cell, a ferroelectric material is used as a capacitor insulating film, and the polarization direction of the ferroelectric material represents stored information. To read this stored information, for example, the data line pair BL1 and BLB1 is set to a floating state of 0V, and then the word line WL1 is set to a high potential to set the plate PL1.
To high potential. Then, both BL1 and BLB1 are boosted, but due to the difference in the polarization direction of the ferroelectric substance of the memory cell pair MC11 and MCB11, a difference occurs in the potential between BL1 and BLB1. This is because the difference in polarization direction causes an effective difference in capacitor capacitance. This is amplified by the sense circuit to determine the polarization direction of the capacitor insulating film. Some FRAM configurations other than the example of FIG. 13 have been proposed, but the basic principle for reading information is similar to this.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
実効的なキャパシタ容量の差を利用した読み出し方法で
は、次のような問題があった。
However, the read method utilizing the effective difference in the capacitance of the capacitors as described above has the following problems.

【0004】(1)メモリセルの情報を読出すごとにほ
ぼ1/2の確率で分極が反転する。そのため、強誘電体
膜が急速に疲労する。なぜなら、キャパシタ容量の差
は、プレートを高電位にした際に分極が反転するか、し
ないかによって生じるのであって、読み出し後には分極
の向きは必ず1方向に揃うからである。
(1) Every time the information in the memory cell is read, the polarization is inverted with a probability of about 1/2. Therefore, the ferroelectric film is rapidly fatigued. This is because the difference in the capacitance of the capacitors occurs depending on whether the polarization is inverted or not when the plate is set to a high potential, and the directions of polarization are always aligned in one direction after reading.

【0005】(2)分極反転に要する時間が、読み出し
動作にかかる時間を遅らせる。
(2) The time required for the polarization reversal delays the time required for the read operation.

【0006】(3)十分な信号量を得るためには、強誘
電体キャパシタの面積がある程度大きい必要があり、高
集積化の阻害要因となる。なぜなら、実効的なキャパシ
タ容量の差は、分極反転にともなう電荷の移動量に依存
する。さらに、その強誘電体膜単位面積当たりの電荷量
(残留分極)は、膜厚などに関係なく物質によって決ま
っているからである。
(3) In order to obtain a sufficient amount of signals, the area of the ferroelectric capacitor needs to be large to some extent, which becomes a factor to hinder high integration. This is because the effective difference in the capacitance of the capacitors depends on the amount of movement of the charges due to the polarization reversal. Furthermore, the amount of charge (remanent polarization) per unit area of the ferroelectric film is determined by the substance regardless of the film thickness.

【0007】本発明は、上記(1)、(2)および
(3)の問題を解決するための、FRAMの新しいメモ
リセル構成を提供するものである。
The present invention provides a new memory cell structure of an FRAM for solving the above problems (1), (2) and (3).

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】直列に接続された2つの
キャパシタ(CO,CFE)を有するメモリセルと、該
キャパシタ列(CO,CFE)の両端に一定電圧を印加
するための電圧印加手段と、上記2つのキャパシタ(C
O,CFE)の接続ノード(VN)の電圧を検出する検
出回路(電圧モニタ回路)とを半導体基板上に有し、上
記2つのキャパシタの一方は強誘電体をキャパシタ電極
間に挟んだ強誘電体キャパシタ(CFE)からなり、上
記2つのキャパシタの他方は常誘電体をキャパシタ電極
間に挟んだ常誘電体キャパシタ(CO)からなる半導体
メモリを用いる。
A memory cell having two capacitors (CO, CFE) connected in series, and a voltage applying means for applying a constant voltage across the capacitor column (CO, CFE). , The above two capacitors (C
A detection circuit (voltage monitor circuit) for detecting the voltage of a connection node (VN) of O, CFE) is provided on the semiconductor substrate, and one of the two capacitors is a ferroelectric having a ferroelectric substance sandwiched between capacitor electrodes. The semiconductor memory is composed of a body capacitor (CFE), and the other of the two capacitors is a semiconductor memory composed of a paraelectric capacitor (CO) having a paraelectric material sandwiched between capacitor electrodes.

【0009】より高精度に電圧を検出するためには、検
出回路に上記接続ノードにゲートを接続された電界効果
トランジスタを用いる。
In order to detect the voltage with higher accuracy, a field effect transistor whose gate is connected to the connection node is used in the detection circuit.

【0010】[0010]

【作用】メモリセルのキャパシタ列(CO,CFE)の
両端の端子に一定電圧(V1)を印加したとき、2つの
キャパシタ(CO,CFE)の接続ノード(VN)は、
強誘電体の分極の方向によって2つの電圧安定点(VN
0,VN1)を有する。2つの電圧安定点(VN0,V
N1)のいずれの状態にあるかによって、メモリセルに
蓄積された情報を検出できる。
When a constant voltage (V1) is applied to both terminals of the memory cell capacitor column (CO, CFE), the connection node (VN) of the two capacitors (CO, CFE) becomes
Two voltage stabilization points (VN
0, VN1). Two voltage stabilization points (VN0, V
The information stored in the memory cell can be detected depending on the state of N1).

【0011】[0011]

【実施例】図1(a)は、強誘電体メモリのセル構成を
示す本発明の第1の実施例である。常誘電体を絶縁膜と
する常誘電体キャパシタCOおよび強誘電体を絶縁膜と
する強誘電体キャパシタCFEが直列に接続され、常誘
電体キャパシタCOと強誘電体キャパシタCFEの接続
ノードVNには、接続ノードVNの電圧を検出するため
の電圧モニタ回路が接続されている。端子V1には、情
報書き込み時に強誘電体キャパシタCFEに分極を誘起
するための電圧を印加する電圧印加手段(図示せず)が接
続されている。この電圧印加手段は、情報読みだし時に
は、分極を誘起しない程度の一定の電圧を端子V1に印
加している。
FIG. 1A is a first embodiment of the present invention showing a cell structure of a ferroelectric memory. A paraelectric capacitor CO having a paraelectric material as an insulating film and a ferroelectric capacitor CFE having a ferroelectric material as an insulating film are connected in series, and a connection node VN between the paraelectric capacitor CO and the ferroelectric capacitor CFE is connected. A voltage monitor circuit for detecting the voltage of the connection node VN is connected. A voltage application means (not shown) for applying a voltage for inducing polarization to the ferroelectric capacitor CFE at the time of writing information is connected to the terminal V1. This voltage applying means applies a constant voltage to the terminal V1 to the extent that polarization is not induced when reading information.

【0012】常誘電体キャパシタの接続ノードVNに接
続されている端子とは異なる端子V1に電圧V1Sを印
加すると、図1(b)に示すようにVNは2つの電圧安
定点VN0、VN1を持つ。ここでは簡単のため、強誘
電体キャパシタの接続ノードVNに接続されている端子
とは異なる端子の電圧を0V(GND)としている。
When a voltage V1S is applied to a terminal V1 different from the terminal connected to the connection node VN of the paraelectric capacitor, VN has two voltage stabilization points VN0 and VN1 as shown in FIG. 1 (b). . Here, for simplification, the voltage of the terminal different from the terminal connected to the connection node VN of the ferroelectric capacitor is set to 0V (GND).

【0013】一方の安定点から他方の安定点に移行する
には、V1端子に電圧V1Sより十分低い電圧V1Lあ
るいは十分高い電圧V1Hを印加すればよい。すなわ
ち、接続ノードVNの電圧をVN0からVN1へ移行す
るには、一旦V1端子の電圧を電圧V1SからV1Lへ
下げ、再びV1Sへ戻せばよい。同様に、接続ノードV
Nの電圧をVN1からVN0へ移行するには、一旦V1
端子の電圧を電圧V1SからV1Hへ上げ、再びV1S
へ戻せばよい。これにより、本発明のメモリセルにおけ
る書き込み動作を行うことができる。
To shift from one stable point to the other stable point, a voltage V1L sufficiently lower than the voltage V1S or a voltage V1H sufficiently higher than the voltage V1S may be applied to the V1 terminal. That is, in order to shift the voltage of the connection node VN from VN0 to VN1, the voltage of the V1 terminal may be temporarily lowered from the voltage V1S to V1L and then returned to V1S again. Similarly, the connection node V
To shift the voltage of N from VN1 to VN0,
The voltage of the terminal is raised from the voltage V1S to V1H, and again V1S
Just go back to. As a result, the write operation in the memory cell of the present invention can be performed.

【0014】V1端子の電圧変化に対してVNの電位が
敏感に追従するよう、常誘電体キャパシタCOの容量は
強誘電体キャパシタCFEの容量と同程度かそれ以上に
するのがよい。したがって、COに用いる絶縁膜として
は、室温で常誘電性を示し、かつ強誘電体と同程度の大
きな誘電率を示す、たとえばSrTiO3などのペロブ
スカイト酸化物を用いるのがよい。たとえば、SrTi
3では200程度の高い誘電率が得られる。
It is preferable that the capacitance of the paraelectric capacitor CO be equal to or greater than that of the ferroelectric capacitor CFE so that the potential of VN follows the voltage change of the V1 terminal sensitively. Therefore, as the insulating film used for CO, it is preferable to use a perovskite oxide such as SrTiO 3 which exhibits paraelectric properties at room temperature and which has a large dielectric constant comparable to that of a ferroelectric substance. For example, SrTi
With O 3 , a high dielectric constant of about 200 can be obtained.

【0015】読み出し動作は、図1(a)に示す電圧モ
ニタ回路により接続ノードVNの電圧を検知することに
より行う。本実施例によれば、メモリセルの読み出し動
作時に強誘電体キャパシタの分極を反転させる必要がな
いので、強誘電体膜の疲労が抑えられ高信頼性の強誘電
体メモリが得られる。また、読み出し動作時に分極反転
が起きないので、読み出し時間の遅れもない。さらに、
VN0およびVN1の電圧は、強誘電体膜の抗電圧(ヒ
ステリシス曲線のVNとの切片)とほぼ同程度の値とな
るが、この抗電圧はキャパシタ面積に依らず物質と膜厚
とでほぼ決定される。したがって、強誘電体キャパシタ
の面積を小さくしても十分な信号電圧が確保でき、高集
積の強誘電体メモリが実現できる。また、分極反転に必
要な電圧V1Hは膜厚を薄くすることにより小さくでき
るので、低電圧化も容易である。たとえば、PZTでは
200nmの膜厚に対し抗電圧は1V程度となり、2V
電源を用いることができる。
The read operation is performed by detecting the voltage of the connection node VN by the voltage monitor circuit shown in FIG. According to this embodiment, it is not necessary to invert the polarization of the ferroelectric capacitor during the read operation of the memory cell, so that fatigue of the ferroelectric film is suppressed and a highly reliable ferroelectric memory can be obtained. Moreover, since the polarization inversion does not occur during the read operation, there is no delay in the read time. further,
The voltages of VN0 and VN1 are almost the same value as the coercive voltage of the ferroelectric film (intercept with VN of the hysteresis curve), but this coercive voltage is almost determined by the substance and film thickness regardless of the capacitor area. To be done. Therefore, a sufficient signal voltage can be secured even if the area of the ferroelectric capacitor is reduced, and a highly integrated ferroelectric memory can be realized. In addition, the voltage V1H required for polarization reversal can be reduced by reducing the film thickness, so that it is easy to reduce the voltage. For example, with PZT, the coercive voltage is about 1 V for a film thickness of 200 nm, and 2 V
A power supply can be used.

【0016】図2は、図1の原理を用いて構成したメモ
リセルである。VWWおよびVGLは、たとえばVcc
/2とする。接続ノードVNにゲートを接続された電界
効果トランジスタTR1のしきい電圧を、たとえば0V
とすれば、接続ノードVNが負電圧側の安定点にある
時、この電界効果トランジスタTR1はオフ状態とな
り、正電圧側の安定点にある時、電界効果トランジスタ
TR1はオン状態となる。したがって、ワード線VWR
およびこれに直交するデータ線VBLで選択されるメモ
リセルにおいて、VBLとVGLとの間に電流が流れる
か否かにより、記憶情報を検知することができる。
FIG. 2 shows a memory cell constructed using the principle of FIG. VWW and VGL are, for example, Vcc
/ 2. The threshold voltage of the field effect transistor TR1 whose gate is connected to the connection node VN is, for example, 0V.
Then, when the connection node VN is at the stable point on the negative voltage side, the field effect transistor TR1 is in the off state, and when it is at the stable point on the positive voltage side, the field effect transistor TR1 is in the on state. Therefore, the word line VWR
Also, in the memory cell selected by the data line VBL orthogonal to this, the stored information can be detected depending on whether or not a current flows between VBL and VGL.

【0017】図3は、図2に示すメモリセルを用いて構
成されるアレーの一例を示すものである。VWW1〜V
WWn及びVWWB1〜VWWBnは図2に示すVWW
に相当し、VWR1〜VWRn及びVWRB1〜VWR
Bnは図2に示すVWRに相当し、VBL1〜VBLm
及びVDL1〜VDLmは図2に示すVBLに相当し、
VGL1,VGL2及びVGDL1,VGDL2は図2
に示すVGLに相当する。
FIG. 3 shows an example of an array formed by using the memory cells shown in FIG. VWW1 to V
WWn and VWWB1 to VWWBn are VWW shown in FIG.
Corresponding to VWR1 to VWRn and VWRB1 to VWR
Bn corresponds to VWR shown in FIG. 2, and VBL1 to VBLm
And VDL1 to VDLm correspond to VBL shown in FIG.
VGL1, VGL2 and VGDL1, VGDL2 are shown in FIG.
Corresponds to VGL shown in FIG.

【0018】書き込み動作は、互いに直交する、たとえ
ばVWW1とVGL1との間に電圧を印加することによ
り行われる。読み出し動作は、たとえばメモリセルMC
11の電界効果トランジスタとそのダミーセルDC11
の電界効果トランジスタのいずれがオン状態にあるか
を、BS1で選択されたデータ線VBL1とそのダミー
データ線VDL1に流れる電流に変換して検知する。こ
の書き込み動作および読み出し動作を、以下図4及び図
5を用いてさらに説明する。
The write operation is performed by applying a voltage which is orthogonal to each other, for example, between VWW1 and VGL1. The read operation is performed, for example, in the memory cell MC.
11 field effect transistor and its dummy cell DC11
Which of the field effect transistors is ON is converted into a current flowing through the data line VBL1 selected by BS1 and its dummy data line VDL1 and detected. The write operation and the read operation will be further described below with reference to FIGS. 4 and 5.

【0019】図4は、図3のアレーにおける書き込み動
作を示す動作波形である。ここでは、メモリセルMC1
1に情報を書き込む場合を示す。書込み用ワード線VW
W1をVcc/2からVccにし、VGL1をVcc/
2から0にすると、メモリセルMC11の直列接続され
た常誘電体キャパシタと強誘電体キャパシタの端子に電
圧Vccが印加されるため、その直列接続された常誘電
体キャパシタと強誘電体キャパシタの接続ノードVN1
1の電圧は、高電圧側の安定点になる。
FIG. 4 is an operation waveform showing a write operation in the array of FIG. Here, the memory cell MC1
1 shows the case of writing information. Write word line VW
W1 is changed from Vcc / 2 to Vcc, and VGL1 is changed to Vcc /
When the value is changed from 2 to 0, the voltage Vcc is applied to the terminals of the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor connected in series of the memory cell MC11, so that the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor connected in series are connected. Node VN1
The voltage of 1 is the stable point on the high voltage side.

【0020】一方、上記メモリセルMC11と対をなす
ダミーセルDC11に対しては、書込み用ワード線VW
WB1をVcc/2から0にし、VGDL1をVcc/
2からVccにすると、ダミーセルDC11の直列接続
された常誘電体キャパシタと強誘電体キャパシタの端子
に電圧−Vccが印加されるため、その直列接続された
常誘電体キャパシタと強誘電体キャパシタの接続ノード
VDN11の電圧は、低電圧側の安定点になる。
On the other hand, for the dummy cell DC11 paired with the memory cell MC11, the write word line VW is used.
WB1 is changed from Vcc / 2 to 0, and VGDL1 is changed to Vcc /
When the voltage is changed from 2 to Vcc, the voltage -Vcc is applied to the terminals of the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor connected in series of the dummy cell DC11, so that the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor connected in series are connected. The voltage of the node VDN11 becomes a stable point on the low voltage side.

【0021】この時、同じVWW1、VGL1、VWW
B1およびVGDL1につながる他のメモリセルの直列
接続された常誘電体キャパシタと強誘電体キャパシタの
端子には、Vcc/2の電圧が印加されるが、この電圧
は記憶情報を破壊しないV1Hより充分低い電圧とす
る。すなわち、図1(b)のヒステリシス曲線におい
て、VN0又はVN1の安定点にあるメモリセルの直列
接続された常誘電体キャパシタと強誘電体キャパシタの
端子にVcc/2を印加した後、VWWおよびVGLを
Vcc/2に戻して直列接続された常誘電体キャパシタ
と強誘電体キャパシタの端子間電圧を0にしたとき、電
圧印加前のVN0又はVN1の安定点に戻るような電圧
にする。
At this time, the same VWW1, VGL1, VWW
A voltage of Vcc / 2 is applied to the terminals of the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor connected in series to other memory cells connected to B1 and VGDL1, but this voltage is more than V1H which does not destroy the stored information. Use a low voltage. That is, in the hysteresis curve of FIG. 1B, after applying Vcc / 2 to the terminals of the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor connected in series in the memory cell at the stable point of VN0 or VN1, VWW and VGL are applied. Is returned to Vcc / 2 and the voltage between terminals of the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor connected in series is set to 0, the voltage is set to return to the stable point of VN0 or VN1 before voltage application.

【0022】なお、メモリセルの直列接続された常誘電
体キャパシタと強誘電体キャパシタの接続ノードVNを
低電圧側の安定点にするには、これと反対の動作をすれ
ばよい。
In order to set the connection node VN of the paraelectric capacitor and the ferroelectric capacitor connected in series of the memory cells to the stable point on the low voltage side, the opposite operation may be performed.

【0023】図5は、図3のアレーにおける読み出し動
作を示す動作波形である。ここでは、メモリセルMC1
1の情報を読み出す場合を示す。BS1によりデータ線
VBL1およびダミーデータ線VDL1を選択し、Nチ
ャネルトランジスタTRN1,TRN2を介して、例え
ばVdの電圧を供給する。次に、ワード線VWR1,V
WRB1を選択する。メモリセルMC11内のトランジ
スタTR1が、オン状態にあれば、データ線VBL1は
Vcc/2のレベルにあるVGL1と導通するので、デ
ータ線VBL1の電位は、Vdより低下する。一方、ダ
ミーセルDC11内のトランジスタはオフ状態にあるか
ら、VDL1の電圧はVdのままである。このようにし
て生じたVBL1とVDL1との電圧差を、電圧増幅器
AMPにより検知、増幅して情報の読み出しを行う。
FIG. 5 is an operation waveform showing a read operation in the array of FIG. Here, the memory cell MC1
The case where the information of No. 1 is read is shown. The data line VBL1 and the dummy data line VDL1 are selected by BS1 and a voltage of Vd, for example, is supplied via the N-channel transistors TRN1 and TRN2. Next, the word lines VWR1 and V
Select WRB1. If the transistor TR1 in the memory cell MC11 is in the ON state, the data line VBL1 becomes conductive with VGL1 at the level of Vcc / 2, so that the potential of the data line VBL1 becomes lower than Vd. On the other hand, since the transistor in the dummy cell DC11 is in the off state, the voltage of VDL1 remains Vd. The voltage difference between VBL1 and VDL1 generated in this way is detected and amplified by the voltage amplifier AMP to read information.

【0024】なお、メモリセル内の常誘電体キャパシタ
COの容量は、VNをゲートとするトランジスタTR1
のゲート容量よりも十分大きくし、トランジスタTR2
を導通してトランジスタTR1のドレイン電圧をVdに
してもVNの電位がほとんど変動しないように設計する
必要が有る。図3から図5で説明した本発明の実施例に
依れば、従来の実効的なキャパシタ容量の差で生じる電
圧差を検知する方法に比べ情報の再書き込みが不要なの
で、読み出し速度を高速化できる効果がある。また、デ
ータ線電圧振幅を再書き込みに必要な電圧振幅にするす
る必要がないので、小さいデータ線電圧振幅で次段にデ
ータを転送でき、読み出し速度が速くなる効果がある。
The capacitance of the paraelectric capacitor CO in the memory cell is the transistor TR1 having VN as its gate.
The gate capacitance of the transistor TR2
It is necessary to design so that the potential of VN hardly changes even when the transistor TR1 is turned on and the drain voltage of the transistor TR1 is Vd. According to the embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 3 to 5, since rewriting of information is unnecessary as compared with the conventional method of detecting the voltage difference caused by the effective difference in the capacitor capacitance, the read speed is increased. There is an effect that can be done. Further, since it is not necessary to set the data line voltage amplitude to the voltage amplitude required for rewriting, data can be transferred to the next stage with a small data line voltage amplitude, and the reading speed is increased.

【0025】図6は、本発明のメモリセルの第2の実施
例である。図6に示すメモリセルは図2に示したメモリ
セルにくらべ、トランジスタTR2がない点で異なる。
従って、このメモリセルではより高集積化が可能とな
る。なお、図6では強誘電体キャパシタCFEがワード
線VW側にあるが、図2と同様にVGL側にあってもよ
い。書き込み動作は、図2に示すメモリセルと同様であ
る。ただし、VGLとVBLとを同電位になったとき、
不要な電流がメモリセルのトランジスタTR1に流れな
いようにする。
FIG. 6 shows a second embodiment of the memory cell of the present invention. The memory cell shown in FIG. 6 is different from the memory cell shown in FIG. 2 in that the transistor TR2 is not provided.
Therefore, this memory cell can be highly integrated. Although the ferroelectric capacitor CFE is on the word line VW side in FIG. 6, it may be on the VGL side as in FIG. The write operation is similar to that of the memory cell shown in FIG. However, when VGL and VBL have the same potential,
An unnecessary current is prevented from flowing to the transistor TR1 of the memory cell.

【0026】図7を用いて図6に示すメモリセルの読み
出し動作を説明する。図7は、図6のメモリセルの強誘
電体キャパシタCFEと常誘電体キャパシタCOの接続
ノードVNの電圧とキャパシタの電荷量Qとの関係を示
す状態図である。
The read operation of the memory cell shown in FIG. 6 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a state diagram showing the relationship between the voltage of the connection node VN of the ferroelectric capacitor CFE and the paraelectric capacitor CO of the memory cell of FIG. 6 and the charge amount Q of the capacitor.

【0027】図7(a)はメモリセルが情報を保持して
いる状態での関係を示し、図7(b)はメモリセルから
情報を読み出す際の状態での関係を示している。
FIG. 7A shows the relationship when the memory cell holds information, and FIG. 7B shows the relationship when the information is read from the memory cell.

【0028】ヒステリシス曲線は強誘電体キャパシタC
FEの状態を、直線は常誘電体キャパシタCOの状態を
示し、その交点がVNの安定点となる。通常は、ワード
線VWを負の電圧VWLとし、VNの電圧がVNL0、
VNL1のいずれの安定点にあってもメモリセルのトラ
ンジスタTR1がオフ状態にあるようにする。すなわ
ち、VNL0、VNL1がともにトランジスタTR1の
しきい電圧Vth以下になるようにする。読み出し時に
は、選択ワード線VWを記憶情報を破壊しない程度の正
の電圧VWHにして、接続ノードVNが高電圧側の安定
点(VNH1)にある時はメモリセルのトランジスタT
R1がオン状態に、低電圧側の安定点(VNL1)にあ
る時はオフ状態にする。これにより、図3で説明したの
と同様な方法で読み出し動作を行うことができる。
The hysteresis curve is the ferroelectric capacitor C
In the state of FE, the straight line shows the state of the paraelectric capacitor CO, and the intersection point becomes the stable point of VN. Normally, the word line VW is set to a negative voltage VWL, the voltage VN is VNL0,
The transistor TR1 of the memory cell is turned off at any stable point of VNL1. That is, both VNL0 and VNL1 are set to be equal to or lower than the threshold voltage Vth of the transistor TR1. At the time of reading, the selected word line VW is set to a positive voltage VWH that does not destroy the stored information, and when the connection node VN is at the stable point (VNH1) on the high voltage side, the transistor T of the memory cell is read.
When R1 is in the on state and is at the stable point (VNL1) on the low voltage side, it is turned off. As a result, the read operation can be performed by the same method as described with reference to FIG.

【0029】図8に図6に示すメモリセルのデバイス構
造を示す。VGLとしては、たとえばAlとPtとの積
層構造を用いる。その上に、SrTiO3などの高い誘
電率を持つ絶縁膜HEを形成し、さらにPtなどで接続
ノードVNを形成する。VNはAlなどで形成されたト
ランジスタのゲートと接続する。さらにVNの上にPZ
Tなどの強誘電体膜FEを形成し、さらにその上にVW
を形成する。この結果、VGL、HE及びVNにより常
誘電体キャパシタCOが形成され、VN、FE及びVW
により強誘電体キャパシタが形成される。情報書込み時
にVNの電位がVWの電位に容易に追従できるように、
常誘電体キャパシタCOの容量は、強誘電体キャパシタ
CFEの容量と同程度かそれ以上に設計する。そのため
に、常誘電体キャパシタCOの絶縁膜として高い誘電率
を持つヘロブスカイト酸化物などを用いたり、常誘電体
キャパシタCOのキャパシタ面積を強誘電体キャパシタ
CFEのそれより大きくしたり、あるいは、常誘電体キ
ャパシタCOの絶縁膜厚を強誘電体キャパシタCFEの
それより小さくしたりするのがよい。
FIG. 8 shows a device structure of the memory cell shown in FIG. As VGL, for example, a laminated structure of Al and Pt is used. An insulating film HE having a high dielectric constant such as SrTiO 3 is formed thereon, and a connection node VN is formed using Pt or the like. VN is connected to the gate of a transistor formed of Al or the like. PZ on top of VN
Ferroelectric film FE such as T is formed, and VW is formed on it.
To form. As a result, the paraelectric capacitor CO is formed by VGL, HE and VN, and VN, FE and VW are formed.
This forms a ferroelectric capacitor. When writing information, the potential of VN can easily follow the potential of VW,
The capacitance of the paraelectric capacitor CO is designed to be equal to or greater than the capacitance of the ferroelectric capacitor CFE. Therefore, a perovskite oxide having a high dielectric constant is used as the insulating film of the paraelectric capacitor CO, the capacitor area of the paraelectric capacitor CO is made larger than that of the ferroelectric capacitor CFE, or It is preferable to make the insulating film thickness of the dielectric capacitor CO smaller than that of the ferroelectric capacitor CFE.

【0030】図9に図6に示すメモリセルの他のデバイ
ス構造を示す。この場合は、常誘電体キャパシタCOと
強誘電体キャパシタCFEが上下逆になっている。
FIG. 9 shows another device structure of the memory cell shown in FIG. In this case, the paraelectric capacitor CO and the ferroelectric capacitor CFE are upside down.

【0031】図10に図9に示すメモリセルのレイアウ
トを示す。
FIG. 10 shows a layout of the memory cell shown in FIG.

【0032】図9に示すメモリセルのデバイス構造で
は、常誘電体キャパシタをVW側にすることにより、そ
の面積を強誘電体キャパシタのそれより大きく設計する
ことが容易になり、比較的低い電圧で書き込み動作を行
うことができる。
In the device structure of the memory cell shown in FIG. 9, by making the paraelectric capacitor on the VW side, it becomes easy to design its area larger than that of the ferroelectric capacitor, and at a relatively low voltage. A write operation can be performed.

【0033】図11に図6に示すメモリセルのさらに他
のデバイス構造を示す。図11に示すデバイス構造で
は、VGLおよびVNの側壁に常誘電体膜が形成されて
いる。電極の厚さを増すことにより常誘電体キャパシタ
の面積を大きくすることができる。したがって、高集積
でかつ比較的低い電圧で書き込み動作が行える強誘電体
メモリが得られる。
FIG. 11 shows still another device structure of the memory cell shown in FIG. In the device structure shown in FIG. 11, paraelectric films are formed on the sidewalls of VGL and VN. The area of the paraelectric capacitor can be increased by increasing the thickness of the electrode. Therefore, it is possible to obtain a ferroelectric memory which is highly integrated and can perform a writing operation at a relatively low voltage.

【0034】図12は、本発明のメモリセルの第3の実
施例である。図12に示すメモリセルは図6のメモリセ
ルにおける常誘電体キャパシタをトランジスタのゲート
容量と兼ねた。本実施例によれば、極めて高集積な強誘
電体メモリが実現できる。
FIG. 12 shows a third embodiment of the memory cell of the present invention. In the memory cell shown in FIG. 12, the paraelectric capacitor in the memory cell of FIG. 6 also serves as the gate capacitance of the transistor. According to this embodiment, an extremely highly integrated ferroelectric memory can be realized.

【0035】[0035]

【発明の効果】情報読み出し時に、強誘電体キャパシタ
の両端に印加する電圧値を変化させる必要がないので、
不要な分極の反転を避けることができ、強誘電体の疲労
が少なくかつ高速の強誘電体メモリが実現できる。
Since it is not necessary to change the voltage value applied across the ferroelectric capacitor when reading information,
Unnecessary inversion of polarization can be avoided, and a ferroelectric memory with less fatigue of the ferroelectric and high speed can be realized.

【0036】また、強誘電体キャパシタの分極方向によ
る2つの安定点の電圧差は強誘電体キャパシタの面積に
依存しないので、キャパシタ面積を小さくしても十分な
信号電圧が得られ、高S/Nで高集積のメモリが実現で
きる。
Further, since the voltage difference between the two stable points depending on the polarization direction of the ferroelectric capacitor does not depend on the area of the ferroelectric capacitor, a sufficient signal voltage can be obtained even if the capacitor area is reduced, and high S / N can realize a highly integrated memory.

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

【図1】本発明の強誘電体メモリセルの構成(a)およ
び記憶ノードVNの状態図(b)である。
FIG. 1 is a configuration (a) of a ferroelectric memory cell of the present invention and a state diagram (b) of a storage node VN.

【図2】本発明の強誘電体メモリセルの構成である。FIG. 2 is a structure of a ferroelectric memory cell of the present invention.

【図3】図2のメモリセルを用いたアレー構成である。FIG. 3 is an array configuration using the memory cell of FIG.

【図4】図3のアレーにおける書き込み動作である。FIG. 4 is a write operation in the array of FIG.

【図5】図3のアレーにおける読み出し動作である。5 is a read operation in the array of FIG.

【図6】本発明の強誘電体メモリセルの構成である。FIG. 6 is a structure of a ferroelectric memory cell of the present invention.

【図7】図6の記憶ノードVNの状態図である。FIG. 7 is a state diagram of the storage node VN of FIG.

【図8】図6のメモリセルの断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the memory cell of FIG.

【図9】図6と類似のメモリセルの断面図である。9 is a cross-sectional view of a memory cell similar to FIG.

【図10】図6と類似のメモリセルのレイアウトであ
る。
FIG. 10 is a layout of a memory cell similar to that of FIG.

【図11】図6のメモリセルの断面図である。11 is a cross-sectional view of the memory cell of FIG.

【図12】本発明の強誘電体メモリセルの構成である。FIG. 12 is a structure of a ferroelectric memory cell of the present invention.

【図13】従来の強誘電体メモリのアレー構成である。FIG. 13 is an array configuration of a conventional ferroelectric memory.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

VN…情報記憶ノード、V1…情報書込み用端子、CO
…常誘電体キャパシタ、CFE…強誘電体キャパシタ、
VN0,VN1…電圧安定点、V1S…情報保持時のV
1、V1H…VN1からVN0へ移行する場合のV1、
V1L…VN0からVN1へ移行する場合のV1、VW
W,VWW1…情報書込み用ワード線、VWR,VWR
1…情報読み出し用ワード線、VBL,VBL1…デー
タ線、VGL,VGL1…グランド線、MC,MC11
…メモリセル、BS1…データ線選択線、VNL0,V
NL1…情報保持時の電圧安定点、VNH0,VNH1
…情報読み出し時の電圧安定点、FE…強誘電体膜、H
E…常誘電体膜、S…ソース、D…ドレイン、SUB…
基板、WL1…ワード線、BL1,BLB1…データ線
対、PL1…プレート線、BLP…プリチャージ信号。
VN ... Information storage node, V1 ... Information writing terminal, CO
… Paraelectric capacitors, CFE… Ferroelectric capacitors,
VN0, VN1 ... Voltage stable point, V1S ... V when information is held
1, V1H ... V1 when transitioning from VN1 to VN0,
V1L ... V1 and VW when shifting from VN0 to VN1
W, VWW1 ... Word line for writing information, VWR, VWR
1 ... Information read word line, VBL, VBL1 ... Data line, VGL, VGL1 ... Ground line, MC, MC11
... memory cell, BS1 ... data line selection line, VNL0, VNL
NL1 ... Voltage stable point when information is held, VNH0, VNH1
… Voltage stability point when reading information, FE… Ferroelectric film, H
E ... Paraelectric film, S ... Source, D ... Drain, SUB ...
Substrate, WL1 ... Word line, BL1, BLB1 ... Data line pair, PL1 ... Plate line, BLP ... Precharge signal.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/04 C 8427−4M 27/108 (72)発明者 中込 儀延 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 青木 正和 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Reference number within the agency FI Technical indication location H01L 27/04 C 8427-4M 27/108 (72) Inventor Yoshinobu Nakagome 1 Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo 280-chome, Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Masakazu Aoki 1-280, Higashi-Kengikubo, Kokubunji, Tokyo Metropolitan Research Center, Hitachi, Ltd.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】直列に接続された2つのキャパシタを有す
るメモリセルと、該キャパシタ列の両端に電圧を印加す
るための電圧印加手段と、上記2つのキャパシタの接続
ノードの電圧を検出する検出回路とを半導体基板上に有
し、上記2つのキャパシタの一方は強誘電体をキャパシ
タ電極間に挟んだ強誘電体キャパシタからなり、上記2
つのキャパシタの他方は常誘電体をキャパシタ電極間に
挟んだ常誘電体キャパシタからなることを特徴とする半
導体メモリ。
1. A memory cell having two capacitors connected in series, a voltage applying means for applying a voltage to both ends of the capacitor column, and a detection circuit for detecting a voltage at a connection node of the two capacitors. On a semiconductor substrate, and one of the two capacitors is a ferroelectric capacitor in which a ferroelectric substance is sandwiched between capacitor electrodes.
The other of the two capacitors is a paraelectric capacitor in which a paraelectric material is sandwiched between capacitor electrodes, which is a semiconductor memory.
【請求項2】上記検出回路は上記2つのキャパシタの上
記接続ノードにゲートを電気的に接続された電界効果ト
ランジスタを有し、上記2つのキャパシタの上記接続ノ
ードの電圧を上記電界効果トランジスタのソース−ドレ
イン間の電流に変換することを特徴とする請求項1記載
の半導体メモリ。
2. The detection circuit has a field effect transistor whose gates are electrically connected to the connection nodes of the two capacitors, and the voltage at the connection node of the two capacitors is the source of the field effect transistor. The semiconductor memory according to claim 1, wherein the current is converted into a current between the drain and the drain.
【請求項3】上記検出回路は上記電界効果トランジスタ
のソース−ドレインを通して流れる電流を遮断する選択
用電界効果トランジスタを有することを特徴とする請求
項2記載のメモリ。
3. The memory according to claim 2, wherein the detection circuit has a selection field effect transistor for interrupting a current flowing through the source-drain of the field effect transistor.
【請求項4】上記常誘電体はペロブスカイト酸化物であ
ることを特徴とする請求項1記載のメモリ。
4. The memory according to claim 1, wherein the paraelectric material is a perovskite oxide.
【請求項5】上記強誘電体はペロブスカイト酸化物であ
ることを特徴とする請求項1記載のメモリ。
5. The memory according to claim 1, wherein the ferroelectric substance is a perovskite oxide.
【請求項6】上記強誘電体はBaTiO3であることを
特徴とする請求項1記載のメモリ。
6. The memory according to claim 1, wherein the ferroelectric substance is BaTiO3.
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