專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具備鐵電體電容器的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
以下，參照?qǐng)D8說(shuō)明現(xiàn)有的具備鐵電體電容器的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
如圖8所示，在硅襯底1的表面部分形成源區(qū)2及漏區(qū)3，而且，在硅襯底1上源區(qū)2和漏區(qū)3之間的區(qū)域上順序形成硅氧化膜4、由鋯鈦酸鉛(PZT)或鉭酸鉍鍶(SBT)等金屬氧化物組成的鐵電體膜5及柵電極6，由此，構(gòu)成鐵電體FET。
在這種結(jié)構(gòu)中，電鐵體5的極化方向可以設(shè)定為上向或下向、與極化的兩個(gè)狀態(tài)(上向或下向的狀態(tài))相對(duì)應(yīng)、在硅襯底1上柵電極6下側(cè)區(qū)域的界面電位深度也可以設(shè)定兩種不同的狀態(tài)。由于該界面電位的深度與鐵電體FET的源·漏間電阻相對(duì)應(yīng)，因鐵電體膜5的極化方向使源·漏間的電阻成為高值及低值中的一個(gè)。只要保持鐵電體膜5的極化特性，就能保持(存儲(chǔ))極化上向或下向的狀態(tài)，因此鐵電體FET就能夠用作非易失性的存儲(chǔ)裝置。
在這種結(jié)構(gòu)的鐵電體FET中，如果使鐵電體5的極化方向下向狀態(tài)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)“1”、同時(shí)極化方向上向狀態(tài)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)“0”，假如在硅襯底1的下面施加接地電位的同時(shí)在柵電極6上施加強(qiáng)的正電壓、將鐵電體膜5的極化方向設(shè)定為下向，還有，在硅襯底1的下面施加接地電位的同時(shí)在柵電極6上施加強(qiáng)的負(fù)電壓、鐵電體膜5的極化就能設(shè)定為上向。此外，在將鐵電體膜5的極化設(shè)定為下向或上向后、將柵電極6的電位接地。
圖9(a)、(b)及(c)示出硅襯底1的導(dǎo)電類(lèi)型為P型、源區(qū)2及漏區(qū)3的導(dǎo)電類(lèi)型為n型時(shí)的能帶圖，圖9(a)示出極化下向的情況(數(shù)據(jù)“1”的情況)，圖9(b)示出極化上向的情況(數(shù)據(jù)“0”的情況)，圖9(c)示出熱平衡的能量狀態(tài)。在圖9(a)～(c)中，11表示柵電極6的導(dǎo)帶、12表示鐵電體膜5的能帶、13表示硅氧化膜4的能帶、14表示硅襯底1的能帶、15表示在硅襯底1的表面附近形成的耗盡層的能帶。還有，中間空白的箭頭表示鐵電體膜5的極化方向。
如圖9(a)所示，極化方向下向的情況(數(shù)據(jù)“1”的情況)下，由于負(fù)的離子化耗盡層15擴(kuò)展到硅襯底1的很深區(qū)域，硅襯底1的界面電位比接地電位還低。
另一方面，如圖9(b)所示，極化方向上向的情況(數(shù)據(jù)“0”的情況)下，由于P型載流子空穴蓄積在硅襯底1的表面，硅襯底1上沒(méi)有形成耗盡層、硅襯底1的界面電位成為地電位。
這樣，由于極化的方向、在硅襯底1柵電極6下側(cè)的界面電位不同，這時(shí)如在漏·源間加上電位差，就會(huì)因極化方向不同造成流經(jīng)源·漏間電流不同。也就是說(shuō)，當(dāng)硅襯底1的界面電位處于比接地電位還低的狀態(tài)時(shí)(數(shù)據(jù)“1”狀態(tài))，漏·源間是低電阻(ON狀態(tài))，漏·源之間流過(guò)大電流，另一方面，硅襯底1的界面電位處于地電位情況(數(shù)據(jù)“0”情況)時(shí)，漏·源間是高電阻(OFF狀態(tài))，漏·源之間幾乎沒(méi)有電流流過(guò)。這樣，只要檢測(cè)出漏·源之間的電流值，就能夠知道鐵電體FET是處于數(shù)據(jù)“1”狀態(tài)，還是處于數(shù)據(jù)“0”狀態(tài)。
由于這樣做就可以知道鐵電體FET是處于數(shù)據(jù)“1”狀態(tài)還是處于數(shù)據(jù)“0”狀態(tài)，在從鐵電體FET中讀出數(shù)據(jù)時(shí)，鐵電體5的極化不發(fā)生反轉(zhuǎn)，就能夠得到所謂的非破壞性數(shù)據(jù)讀出。也就是說(shuō)，在數(shù)據(jù)讀出后不需要恢復(fù)極化方向或極化大小的動(dòng)作，即不需要重寫(xiě)入工作。
這樣，由于鐵電體FET能夠進(jìn)行非破壞方式的讀出工作，就不會(huì)發(fā)生伴隨極化反轉(zhuǎn)的破壞方式讀出工作中產(chǎn)生的鐵電體膜的極化疲勞與退化，因此，可以期待鐵電體FET提供無(wú)數(shù)次讀取的非易失性存儲(chǔ)器。
但是，通常在電鐵體FET中鐵電體膜5是具有許多缺陷能級(jí)的半導(dǎo)體，電子和空穴很容易在鐵電體膜5內(nèi)移動(dòng)。
因此，如9(a)所示，鐵電體FET處于ON狀態(tài)時(shí)，由于電子從柵極6的導(dǎo)帶11注入到鐵電體膜5中，使極化先頭的電荷被中和，V字形電位的底端漸漸上升，過(guò)渡到圖9(c)所示的熱平衡狀態(tài)。
另一方面，如圖9(b)所示，鐵電體FET處于OFF狀態(tài)時(shí)，空穴從柵極6的導(dǎo)帶11注入到鐵電體膜5中，極化先頭的電荷被中和、∧形電位的頂部漸漸下降，也還是過(guò)渡到圖9(c)所示的熱平衡能量狀態(tài)。
其結(jié)果，盡管極化有上向或下向兩種不同的方向，由于硅襯底1的界面電位變成同一水平，產(chǎn)生了很難用漏·源間電流區(qū)分兩種狀態(tài)的問(wèn)題。
這個(gè)問(wèn)題可以由

圖10所示描述在極化—電壓(Q-V)平面上的鐵電體電容器滯后曲線20及鐵電體FET柵極電容負(fù)載線21說(shuō)明。如果在鐵電體膜5和硅氧化膜4之間插入一個(gè)假想的電極，圖8所示鐵電體FET結(jié)構(gòu)可以看作是鐵電體電容器和金屬—氧化膜—硅(MOS)電容的串聯(lián)電路。
在這個(gè)串聯(lián)電路中，在極化處于下向狀態(tài)(數(shù)據(jù)“1”狀態(tài))(相當(dāng)于圖8(a)能帶圖的狀態(tài))時(shí)、數(shù)據(jù)剛寫(xiě)入后的極化是點(diǎn)22、在鐵電體膜5上施加從原點(diǎn)0起到點(diǎn)22為止的負(fù)的偏置電壓，由于該偏置電壓成為向鐵電體膜5注入電子的誘因，極化從點(diǎn)22移動(dòng)到原點(diǎn)0。
另一方面，極化是上向狀態(tài)(數(shù)據(jù)“0”狀態(tài))(相當(dāng)于圖8(b)的能帶圖狀態(tài))時(shí)，數(shù)據(jù)剛寫(xiě)入后的極化在點(diǎn)23，在鐵電體膜5上施加有從原點(diǎn)0到點(diǎn)23的正向偏置電壓，因?yàn)檫@個(gè)偏置電壓成為向鐵電體膜5注入空穴的誘因，極化從點(diǎn)23移動(dòng)到原點(diǎn)0。
這樣，在現(xiàn)有的鐵電體FET中，因?yàn)橛蓸O化的方向在鐵電體膜5和硅氧化膜4之間感應(yīng)產(chǎn)生的電位差區(qū)別數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”的差異，在鐵電體膜5和硅氧化膜4之間感應(yīng)產(chǎn)生的電位成為注入電子和空穴使感應(yīng)電位消失的驅(qū)動(dòng)力。就是說(shuō)，在鐵電體FET中，由注入向鐵電體膜5中電子和空穴引起的電壓消失是無(wú)法避免的問(wèn)題。
鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是即使因?yàn)殡娮雍涂昭ǖ淖⑷胧故┘釉阼F電體電容器上的電位差消失，也可以讀出保持在鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)。
為達(dá)到上述目的，與本發(fā)明相關(guān)的第1種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置形成在半導(dǎo)體襯底上、并且具備鐵電體電容器、在鐵電體電容器上寫(xiě)入數(shù)據(jù)和讀出存儲(chǔ)在鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的單元；鐵電體電容器，具有鐵電體膜、在鐵電體膜上形成的第1電極和在鐵電體膜下形成的第2電極；鐵電體膜的極化方向從第1電極向著第2電極的方向或者從第2電極向著第1電極的方向、而且鐵電體膜具有幾乎飽和的極化值的狀態(tài)為第1狀態(tài)，或鐵電體膜的極化方向與第1狀態(tài)方向相同、而且鐵電體膜具有幾乎為0的極化值的狀態(tài)為第2狀態(tài)；數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元是在鐵電體電容器上寫(xiě)入與第1狀態(tài)或第2狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)的讀出單元是由檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)或是第2狀態(tài)、由此讀出存儲(chǔ)在鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)。
采用第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，鐵電體電容器保持不同數(shù)據(jù)(例如數(shù)據(jù)“1”和“0”)的兩個(gè)狀態(tài)由鐵電體膜的極化方向相互相同、鐵電體膜具有幾乎飽和極化值的第1狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“1”狀態(tài))和鐵電體膜具有幾乎為零極化值的第2狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“0”狀態(tài))進(jìn)行區(qū)別，即使施加在鐵電體電容器上的電位差因電子或空孔的注入而消失，也能讀出鐵電體電容器上保存的數(shù)據(jù)。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中，數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元最好是在連接第1電極的第1信號(hào)線和連接第2電極的第2信號(hào)線之間施加電壓、使鐵電體電容器產(chǎn)生第1狀態(tài)或第2狀態(tài)。
這樣做，使鐵電體電容器上產(chǎn)生第1狀態(tài)或第2狀態(tài)，可以簡(jiǎn)單而且直接地在鐵電體電容器上寫(xiě)入數(shù)據(jù)“1”或數(shù)據(jù)“0”。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中，數(shù)據(jù)讀出單元最好是具有在第1電極和第2電極之間產(chǎn)生電壓、以在鐵電體膜內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生與鐵電體膜極化方向相同方向的電場(chǎng)的單元。
這樣，即使在鐵電體電容器上施加讀出電壓、鐵電體膜的極化方向也不發(fā)生變化，鐵電體電容器就能持續(xù)的保存數(shù)據(jù)，能夠減少鐵電體極化的疲勞退化。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中，數(shù)據(jù)讀出單元最好具有與鐵電體電容器串聯(lián)連接的電容性負(fù)載和在電鐵電體電容器及電容性負(fù)載組成的串聯(lián)電路兩端施加讀出電壓的單元，讀出電壓按鐵電體電容器的電容值與電容性負(fù)載電容值之比分割，檢測(cè)在電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓、由此檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)還是第2狀態(tài)。
這樣，當(dāng)在鐵電體電容器和電容性負(fù)載組成的串聯(lián)電路兩端施加讀出電壓時(shí)，由檢測(cè)在電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓讀出保存在鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)，使讀出工作變的簡(jiǎn)單容易。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中，數(shù)據(jù)讀出單元，最好具有形成在半導(dǎo)體襯底上、柵電極與第2電極連接的場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及在第1電極和半導(dǎo)體襯底或者場(chǎng)效應(yīng)晶體管源電極間施加讀出電壓的單元，讀出電壓按鐵電體電容器的電容值與場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵電容值之比被分割、由檢測(cè)因在柵電極上感應(yīng)產(chǎn)生的在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道電導(dǎo)上表現(xiàn)出的變化，由此檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)還是第2狀態(tài)。
這樣，當(dāng)在第1電極和半導(dǎo)體襯底或場(chǎng)效應(yīng)晶體管源電極之間施加讀出電壓時(shí)，能夠?qū)⒃趫?chǎng)效應(yīng)晶體管柵電極上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓變化作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道電導(dǎo)的變化檢測(cè)出來(lái)，讀出動(dòng)作簡(jiǎn)單而且可靠。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中，數(shù)據(jù)讀出單元最好具有與所述第2電極連接的位線以及在所述第1電極與所述位線間施加讀出電壓的單元，讀出電壓按鐵電體電容器的電容值與位線的電容值之比分割、通過(guò)檢測(cè)在位線上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，由此檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)或是第2狀態(tài)。
與本發(fā)明相關(guān)的第2半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置具備存儲(chǔ)單元塊，數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元和數(shù)據(jù)讀出單元；存儲(chǔ)單元塊，由多個(gè)存儲(chǔ)單元連續(xù)連接構(gòu)成，存儲(chǔ)單元具有鐵電體電容器和與鐵電體電容器串聯(lián)連接的單元選擇晶體管，鐵電體電容器具有鐵電體膜、在鐵電體膜上形成的第1電極以及在鐵電體膜下形成的第2電極；數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元包含構(gòu)成存儲(chǔ)單元塊的有兩個(gè)共通的節(jié)點(diǎn)，控制線與兩個(gè)共通節(jié)點(diǎn)中的第1共通節(jié)點(diǎn)連接，在控制線和兩個(gè)共通節(jié)點(diǎn)中的第2共通節(jié)點(diǎn)間施加寫(xiě)入電壓，由單元選擇晶體管在多個(gè)鐵電體電容器中選擇被選鐵電體電容器，使被選鐵電體電容器的鐵電體膜極化產(chǎn)生第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)，由此，在被選鐵電體電容器上寫(xiě)入與第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；第1狀態(tài)時(shí)，鐵電體膜的極化方向從第1電極向著第2電極的方向或者從第2電極向著第1電極的方向、而且鐵電體膜保持幾乎飽和的極化值，第2狀態(tài)時(shí)，鐵電體膜的極化方向與第1狀態(tài)方向相同、而且鐵電體膜保持幾乎為零的極化值；數(shù)據(jù)讀出單元包含具有與第1共通節(jié)點(diǎn)連接的電容性負(fù)載，和在第2共通節(jié)點(diǎn)與電容性負(fù)載間施加讀出電壓的單元，用單元選擇晶體管從多個(gè)鐵電體電容器中選擇被選鐵電體電容器，讀出電壓按被選鐵電體電容器的電容值和電容性負(fù)載的電容值之比被分割，檢測(cè)在電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，由此檢測(cè)被選鐵電體電容器是的第1狀態(tài)或是的第2狀態(tài)，并由此讀出存儲(chǔ)在被選鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)。
采用第2半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，由于區(qū)別電鐵體電容器保持不同數(shù)據(jù)(例如數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”)的兩個(gè)狀態(tài)，是由鐵電體膜極化的方向相互相同、鐵電體膜具有幾乎飽和極化值的第1狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“1”狀態(tài))和鐵電體膜具有幾乎為零的極化值的第2狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“0”狀態(tài))區(qū)分的，因此，即使因電子或空穴的注入使施加在電鐵體電容器上的電位差消失，也能實(shí)現(xiàn)讀出保持在電鐵體電容器上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元陣列。
與本發(fā)明相關(guān)的第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法包含以下工程在鐵電體電容器上寫(xiě)入數(shù)據(jù)的工程和讀出存儲(chǔ)在鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的工程，鐵電體電容器形成在半導(dǎo)體襯底上，具有鐵電體膜、在鐵電體膜上形成的第1電極和在鐵電體膜下形成的第2電極；數(shù)據(jù)寫(xiě)入工程包含使鐵電體膜的極化產(chǎn)生第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)，由此在鐵電體電容器上寫(xiě)入與第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的工程；第1狀態(tài)時(shí)，鐵電體膜的極化方向是從第1電極向著第2電極的方向或者從第2電極向著第1電極的方向、而且鐵電體膜具有幾乎飽和的極化值，第2狀態(tài)時(shí)，鐵電體膜的極化方向與第1狀態(tài)相同而且鐵電體膜具有幾乎為零的極化值；數(shù)據(jù)讀出工程包含通過(guò)檢測(cè)鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)還是第2狀態(tài)，由此讀出存儲(chǔ)在所述鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的工程。
采用第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置驅(qū)動(dòng)方法，由于是靠區(qū)分在鐵電體膜上極化方向彼此相同、鐵電體膜具有幾乎飽和極化值的第1狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“1”狀態(tài))和鐵電體膜具有幾乎為零的極化值的第2狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“0”狀態(tài))來(lái)區(qū)別鐵電體電容器上保持不同數(shù)據(jù)(例如數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”)的兩種狀態(tài)的，即使因電子或空穴的注入使施加在鐵電體電容器上的電位差消失，鐵電體電容器也能持續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)，減少鐵電體極化的疲勞退化。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法中，數(shù)據(jù)寫(xiě)入工程最好包含在與第1電極連接的第1信號(hào)線和與第2電極連接的第2信號(hào)線之間施加電壓，使鐵電體電容器上產(chǎn)生第1狀態(tài)或第2狀態(tài)的工程。
這樣，就可以使鐵電體電容器產(chǎn)生第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)，由此能夠簡(jiǎn)單而又直接的在鐵電體電容器上進(jìn)行寫(xiě)入數(shù)據(jù)“1”或數(shù)據(jù)“0”的動(dòng)作。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法中，數(shù)據(jù)讀出工程最好包含將第2信號(hào)線的電位設(shè)定為地電位后，切斷第2信號(hào)線與第2電極的連接、使第2電極處于浮置狀態(tài)，然后，由檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)或是第2狀態(tài)讀出存儲(chǔ)在鐵電體上的數(shù)據(jù)。
這樣，如果將第2信號(hào)線的電位設(shè)為地電位、第2電極的電位就被確定、除去在讀出動(dòng)作前進(jìn)行的寫(xiě)入動(dòng)作或是讀出動(dòng)作而蓄積在第2電極上的不需要的電荷。還有，切斷第2電極與第2信號(hào)線的連接，使第2電極成浮置狀態(tài)后，施加讀出電壓時(shí)，能夠確實(shí)檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)或是第2狀態(tài)。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法中，數(shù)據(jù)讀出工程最好包含在第1電極和第2電極之間產(chǎn)生電壓的工程，使鐵電體膜上感應(yīng)產(chǎn)生與鐵電體膜極化方向相同電場(chǎng)。
這樣，即使在鐵電體電容器上施加讀出電壓，因?yàn)殍F電體膜極化方向不變，鐵電體電容器能夠繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法中，數(shù)據(jù)讀出工程最好包含數(shù)據(jù)讀出工程包含在鐵電體電容器和與鐵電體電容器串聯(lián)連接的電容性負(fù)載組成的串聯(lián)電路的兩端施加讀出電壓，讀出電壓按照鐵電體電容器的電容值和電容性負(fù)載的電容值之比被分割、檢測(cè)在電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，由此檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)還是第2狀態(tài)的工程。
這樣，通過(guò)檢測(cè)在由鐵電體電容器和電容性負(fù)荷組成的串聯(lián)電路兩端施加讀出電壓時(shí)，在電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，能夠讀出保持在鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)，使讀出動(dòng)作變的簡(jiǎn)單易行。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置驅(qū)動(dòng)方法中，數(shù)據(jù)讀出工程最好包含在第1電極和形成在半導(dǎo)體襯底上、柵電極與第2電極連接的場(chǎng)效應(yīng)晶休管的源電極或者半導(dǎo)體襯底之間施加讀出電壓，讀出電壓按鐵電體電容器的電容值與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電容值之比被分割、檢測(cè)因在所述柵電極上感應(yīng)產(chǎn)生、在場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道電導(dǎo)上表現(xiàn)出來(lái)的變化，由此檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)還是第2狀態(tài)的工程。
這樣，在第1電極與半導(dǎo)體襯底或場(chǎng)效應(yīng)晶體管源電極之間施加讀出電壓時(shí)，由檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道電導(dǎo)的變化可以檢測(cè)出在場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵電極上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，讀出動(dòng)作簡(jiǎn)單而且準(zhǔn)確。
在第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置驅(qū)動(dòng)方法中，數(shù)據(jù)讀出工程也可以包含在第1電極和連接在第2電極上的位線之間施加讀出電壓，讀出電壓按鐵電體電容器的電容值和位線電容值之比被分割，由檢測(cè)在位線上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓檢測(cè)鐵電體電容器是第1狀態(tài)或是第2狀態(tài)的工程。
第1半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置驅(qū)動(dòng)方法最好還具備鐵電體電容器至少是在第2狀態(tài)情況下，在讀出數(shù)據(jù)工程中，在除去施加在第1電極上的讀出電壓后，將第2電極的電位設(shè)定為地電位的工程。
這樣，由于鐵電體膜的極化返回到讀出前的狀態(tài)，即使鐵電體電容器是第2狀態(tài)，也能反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出動(dòng)作。
與本發(fā)明相關(guān)的第2半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置驅(qū)動(dòng)方法具備由鐵電體膜、在鐵電體膜上形成的第一電極和在鐵電體膜下形成的第2電極組成鐵電體電容器，由鐵電體電容器和與鐵電體電容器串聯(lián)連接的單元選擇晶體管組成存儲(chǔ)單元，由多個(gè)存儲(chǔ)單元連續(xù)連接形成存儲(chǔ)單元塊，由單元選擇晶體管在多個(gè)鐵電體電容器中選擇被選鐵電體電容器，具備在被選鐵電體電容器上寫(xiě)入數(shù)據(jù)的工程，并具備讀出存儲(chǔ)在由單元選擇晶體管從構(gòu)成存儲(chǔ)單元塊的多個(gè)鐵電體電容器中選出的鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的工程；數(shù)據(jù)寫(xiě)入工程包含構(gòu)成存儲(chǔ)單元塊有兩個(gè)共同的節(jié)點(diǎn)，在與兩個(gè)共通節(jié)點(diǎn)中第1共通節(jié)點(diǎn)連接的控制線和兩個(gè)共通節(jié)點(diǎn)中的第2共通節(jié)點(diǎn)之間施加寫(xiě)入電壓，由單元選擇晶體管選擇鐵電體電容器，使被選的鐵電體電容器產(chǎn)生第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)，由此，在被選的鐵電體電容器上寫(xiě)入與第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的工程；第1狀態(tài)時(shí)，被選的鐵電體電容器的鐵電體膜的極化方向是從第1電極向著第2電極的方向或者從第2電極向著第1電極的方向、而且鐵電體膜具有幾乎飽和的極化值，第2狀態(tài)時(shí)，被選的鐵電體電容器的鐵電體膜的極化方向與第1狀態(tài)相同、而且鐵電體膜具有幾乎為零的極化值；數(shù)據(jù)讀出工程包含在第2共通節(jié)點(diǎn)和連接在第1共通節(jié)點(diǎn)上的電容性負(fù)載間施加讀出電壓，讀出電壓根據(jù)用單元選擇晶體管被選的鐵電體電容器的電容值和電容性負(fù)載的電容值之比被分割、由檢測(cè)在電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓檢測(cè)被選的鐵電體電容器是第1狀態(tài)或者是第2狀態(tài)，由此讀出存儲(chǔ)在鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的工程。
采用第2半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置驅(qū)動(dòng)方法，由于可以由鐵電體膜極化方向相同、鐵電體膜保持幾乎飽和極化值的第1狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“1”狀態(tài))和鐵電體膜保持幾乎為零極化值的第2狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“0”狀態(tài))區(qū)別鐵電體電容器保持不同數(shù)據(jù)(例如數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”)的兩種狀態(tài)，即使由于電子或空穴的注入造成施加在鐵電體電容器上的電位差消失，也能讀出構(gòu)成存儲(chǔ)單元陣列的鐵電體電容器保持的數(shù)據(jù)。
圖2是表示在與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中，寫(xiě)入數(shù)據(jù)“1”或“0”時(shí)第1電極的電位與鐵電體膜極化的關(guān)系的圖。
圖3是表示從與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中讀出數(shù)據(jù)“1”或數(shù)據(jù)“0”時(shí)，浮置柵電極的電位與鐵電體膜極化的關(guān)系的圖。
圖4是與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的等效電路圖。
圖5是表示在與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置上脈沖式施加讀出電壓時(shí)，讀出次數(shù)與輸出的關(guān)系的圖。
圖6是顯示與第2實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置構(gòu)成的電路圖。
圖7是顯示與第2實(shí)施方式變形例相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置構(gòu)成的電路圖。
圖8是表示現(xiàn)有的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的剖面圖。
圖9(a)～(c)是現(xiàn)有的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中柵電極與硅襯底間的能帶圖。
圖10是表示在現(xiàn)有的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中寫(xiě)入數(shù)據(jù)“1”或數(shù)據(jù)“0”時(shí)，柵電極的電位與鐵電體膜極化的關(guān)系的圖。
符號(hào)說(shuō)明100—硅襯底，101—源區(qū)，102—漏區(qū)，103—溝道區(qū)，104—柵絕緣膜，105—浮置柵電極，110—鐵電體膜，111—第1電極，112—第2電極，113—鐵電體電容器，121—第1信號(hào)，122—第2信號(hào)，131—第1負(fù)載線，132—第2負(fù)載線，201—第1共通節(jié)點(diǎn)，202—第2共通節(jié)點(diǎn)，203—控制線，204—讀出晶體管，205—存儲(chǔ)塊選擇晶體管，206—復(fù)位晶體管，207—位線電容，208—讀出放大器。
圖1是表示與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的剖面結(jié)構(gòu)。例如，在P型硅襯底100表面部上，形成由n型摻雜層組成的源區(qū)101及漏區(qū)102、在源區(qū)101和漏區(qū)102之間的硅襯底100表面部上形成溝道區(qū)域103。在硅襯底100上的源區(qū)101和漏區(qū)102之間的區(qū)域上，通過(guò)由硅氧化膜組成的柵絕緣膜104設(shè)有浮置柵電極105。由源區(qū)101、漏區(qū)102、溝道區(qū)103、柵絕緣膜104及浮置柵電極105構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)晶體管(以下稱(chēng)的FET)。
在浮置柵電極105的上側(cè)，通過(guò)圖中未顯示的絕緣膜設(shè)有鐵電體電容器113，該鐵電體電容器113由鐵電體膜110、在鐵電體膜110上形成的第1電極111和在鐵電體膜110下形成的第2電極112構(gòu)成。在第1電極111上連接第1信號(hào)線121的同時(shí)，在第2電極112及浮置柵電極105上連接第2信號(hào)線122。就是說(shuō)，第2電極112和浮置柵電極105通過(guò)第2信號(hào)線122相連接。舉例來(lái)說(shuō)，鐵電體膜110由SBT組成，膜厚約200nm，這時(shí)鐵電體膜110的矯頑電壓是1V左右。
與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的特征是在數(shù)據(jù)寫(xiě)入動(dòng)作時(shí)，能夠直接在第1信號(hào)線121和第2信號(hào)線122之間施加使鐵電體膜110的極化發(fā)生變化的電壓，在讀出數(shù)據(jù)動(dòng)作前，由第2信號(hào)線122確定浮置柵電極105的電位。
(數(shù)據(jù)寫(xiě)入動(dòng)作)在與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中，數(shù)據(jù)寫(xiě)入動(dòng)作由使鐵電體膜110的極化發(fā)生第1狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“1”)或是發(fā)生第2狀態(tài)(例如數(shù)據(jù)“0”)進(jìn)行，第1狀態(tài)時(shí)，鐵電體膜110的極化方向是從第1電極111向著第2電極112(下向方向)或是從第2電極112向著第1電極111的方向(上向方向)、而且鐵電體膜110具有幾乎飽和的極化值，第2狀態(tài)時(shí)，鐵電體膜110的極化方向與第1狀態(tài)相同而且具有的極化值幾乎為零。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)“1”的狀態(tài)和數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)極化方向相同、由極化值不同的兩個(gè)狀態(tài)區(qū)別。
以下，參照?qǐng)D2所示，在Q-V平面上描繪出的滯后曲線、就數(shù)據(jù)寫(xiě)入動(dòng)作的具體例子進(jìn)行說(shuō)明。在圖2中實(shí)線示出與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置鐵電體膜110的滯后曲線，虛線示出現(xiàn)有的鐵電體FET鐵電體膜5的滯后曲線。
此外，在以下的說(shuō)明中、假定硅襯底100的電位經(jīng)常是地電位，還定義極化方向下向時(shí)的極化值為正。
在與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中、由于寫(xiě)入數(shù)據(jù)前，鐵電體膜110的極化值幾乎是零，極化的位置在原點(diǎn)0附近。
在鐵電體膜110上寫(xiě)入數(shù)據(jù)“1”的情況下，在設(shè)定第2信號(hào)線122的電位為地電位的同時(shí)，設(shè)定第1信號(hào)線121的電位為3V。這樣，鐵電體膜110的極化沿著實(shí)線從原點(diǎn)0移向點(diǎn)a1，然后將第1信號(hào)線121的電位變?yōu)榈仉娢?，極化就沿著實(shí)線從點(diǎn)a1移向點(diǎn)a0，鐵電體膜110保持約10μC/cm2的電荷作為數(shù)據(jù)“1”。
其次，在將數(shù)據(jù)“1”改寫(xiě)為數(shù)據(jù)“0”的情況下，仍設(shè)定第2信號(hào)線122的電位為地電位，而將第1信號(hào)線121的電位設(shè)定為約-1V。這樣做時(shí)，鐵電體膜110的極化就沿實(shí)線從點(diǎn)a0移到點(diǎn)b1。然后，將第1信號(hào)線121的電位變?yōu)榈仉娢?，極化就沿實(shí)線從點(diǎn)b1移動(dòng)到點(diǎn)b0。此外，點(diǎn)b0是正、而且是在原點(diǎn)0附近的點(diǎn)。這樣，鐵電體膜110是正、而且保持有0μC/cm2的電荷作為數(shù)據(jù)“0”。
此外，為了寫(xiě)入數(shù)據(jù)“0”、替代設(shè)定第2信號(hào)線122的電位為地電位而且第1信號(hào)線121的電位約為-1V，也可以將第1信號(hào)線121的電位設(shè)定為地電位而且第2信號(hào)線122的電位為1V。
在第1實(shí)施方式中，為了寫(xiě)入數(shù)據(jù)“0”、沒(méi)有必要將第2信號(hào)線122的電位設(shè)定為地電位而且將第1信號(hào)線121的電位設(shè)定為-3V。其理由是在本發(fā)明中，由于將因極化引起的電荷是正，而且是0μC/cm2的狀態(tài)定義為數(shù)據(jù)“0”，寫(xiě)入數(shù)據(jù)“0”時(shí)的極化值幾乎是0μC/cm2就可以。
(數(shù)據(jù)讀出動(dòng)作)在與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置中，數(shù)據(jù)讀出動(dòng)作是由檢測(cè)鐵電體膜110是具有幾乎飽和極化值的第1狀態(tài)(例如保持?jǐn)?shù)據(jù)“1”的狀態(tài))還是具有幾乎為零極化值的第2狀態(tài)(例如保持?jǐn)?shù)據(jù)“0”的狀態(tài))進(jìn)行的。
以下，就數(shù)據(jù)讀出動(dòng)作的具體例進(jìn)行說(shuō)明。
首先，設(shè)定第2信號(hào)線122的電位是地電位，確定浮置柵極105的電位。這是為除去因在這次讀出動(dòng)作之前進(jìn)行的寫(xiě)入動(dòng)作及讀出動(dòng)作而蓄積在浮置柵電極105上的不需要的電荷。
其次，將第2信號(hào)線122從外部電路切斷后、在第1信號(hào)線121上施加規(guī)定的讀出電壓VR。讀出電壓VR按照鐵電體電容器113的電容值與FET的柵電容之比，分割施加于鐵電體膜110上的電壓和施加于柵絕緣膜105上的電壓。
參照?qǐng)D3對(duì)該動(dòng)作說(shuō)明如下。此外，在圖3中、131是當(dāng)?shù)?電極111的電位是0V時(shí)、表示FET的柵電容的第1負(fù)載線，132是當(dāng)?shù)?電極111的電位是VR(約2V)時(shí)表示FET柵電容的第2負(fù)載線。
鐵電體膜110的極化值大的情況下(保持?jǐn)?shù)據(jù)“1”的情況)，在浮置柵電極105上產(chǎn)生從硅襯底100看用圖3的VG1表示的電位。這種情況下，施加在鐵電體膜110上的電場(chǎng)方向和保持?jǐn)?shù)據(jù)“1”的極化方向是一致的，極化從點(diǎn)a0移動(dòng)到a2，因?yàn)闃O化值幾乎飽和，即使除去讀出電壓VR，極化的方向和大小與讀出動(dòng)作前的狀態(tài)沒(méi)有變化。
另一方面，鐵電體膜110的極化值小的情況下(保持?jǐn)?shù)據(jù)“0”的情況)，在浮置柵電極105上產(chǎn)生從硅100襯底看用圖3的VG0表示的電位，這種情況下，施加在鐵電體膜110上的電場(chǎng)和保持?jǐn)?shù)據(jù)“0”的極化方向一致，極化從點(diǎn)b0移動(dòng)到b2。
但是，在鐵電體膜110的極化值小的情況下(保持?jǐn)?shù)據(jù)“0”的情況)，反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出時(shí)，極化值逐漸變大、數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”的極化值的差變小，不能區(qū)別數(shù)據(jù)。
因此，在第2信號(hào)線122開(kāi)放的狀態(tài)下、將第1信號(hào)線121接地，除去讀出電壓VR。這樣，因?yàn)樵阼F電體膜110上產(chǎn)生與VR相反的電位差，極化就沿著小的滯后曲線從b2點(diǎn)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)b3點(diǎn)移到b4點(diǎn)。然后，將第2信號(hào)線122接地，因?yàn)闃O化從b4點(diǎn)返回到b0點(diǎn)，鐵電體膜110的極化值恢復(fù)到小的狀態(tài)(保持?jǐn)?shù)據(jù)“0”的狀態(tài)。)這樣，在鐵電體膜110極化值小的情況下(保持?jǐn)?shù)據(jù)“0”的情況)，即使反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出動(dòng)作，也能夠讀出數(shù)據(jù)。
但是，由于施加讀出電壓VR在FET浮置柵電極105上施加的電壓有VG0＞VG1的關(guān)系，這從圖3中可以明白看出。
根據(jù)本申請(qǐng)案發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，在設(shè)定鐵電體電容器的電容值為FET柵電容值4倍情況下，讀出電壓VR為2V時(shí)，在浮置柵電極105上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓約為0.5V，VG0與VG1的差約為60mV。
這樣，采用第1實(shí)施方式，在讀出數(shù)據(jù)“1”及數(shù)據(jù)“0”的任何一個(gè)的情況下，因?yàn)樵谧x出動(dòng)作后極化都自動(dòng)的恢復(fù)到原來(lái)的位置，在讀出動(dòng)作后沒(méi)有必要再寫(xiě)入，能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的非破壞讀出動(dòng)作。
還有，采用第1實(shí)施方式，即使在讀出數(shù)據(jù)“1”及數(shù)據(jù)“0”中的任何一個(gè)時(shí)，因?yàn)闃O化都不反轉(zhuǎn)(極化不成為負(fù)值)，大大減少了極化的疲勞退化。
下面，參照?qǐng)D4及圖5說(shuō)明為評(píng)價(jià)與第1實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。
在圖4所示的等效電路中，當(dāng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)“1”時(shí)，一方面在鐵電體電容器CF的第1電極和第2電極之間施加寫(xiě)入電壓VW＝5V，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)“0”時(shí)，在鐵電體電容器CF的第1電極和第2電極之間施加寫(xiě)入電壓VW＝-1V，還有讀出數(shù)據(jù)時(shí)，在置位線SET上連續(xù)的施加脈沖狀的讀出電壓VR＝2.2V，測(cè)量讀出用場(chǎng)效應(yīng)晶體管Qa的輸出Vout。
圖5示出用圖4的等效電路讀出數(shù)據(jù)時(shí)讀出次數(shù)與輸出Vout的關(guān)系。從圖5可以明白，即使施加讀出電壓VR1012次，數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”的任何一個(gè)也沒(méi)有出現(xiàn)輸出電平差的變化，輸出電平的差幾乎是一定的，就是說(shuō)實(shí)際證明了沒(méi)有出現(xiàn)極化的疲勞退化。
第2實(shí)施方式下面，參照?qǐng)D6，說(shuō)明與本發(fā)明第2實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
如圖6所示，與第2實(shí)施方式相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置具備由多個(gè)存儲(chǔ)單元連續(xù)連接構(gòu)成的存儲(chǔ)單元塊，存儲(chǔ)單元具有與第1實(shí)施方式相關(guān)的鐵電體電容器113同樣結(jié)構(gòu)的鐵電體電容器CF0、CF1、……CFn和源區(qū)與各鐵電體電容器CF0、CF1、……、CFn的第2電極相連接的單元選擇晶體管Q0、Q1、……、Qn，鐵電體電容器具有鐵電體膜、在鐵電體膜上形成的第1電極及在鐵電體膜下形成的第2電極。
存儲(chǔ)單元塊具備一端與各單元選擇晶體管Q0、Q1、……、Qn的各漏區(qū)共通連接的第1共通節(jié)點(diǎn)201，一端與各鐵電體電容器CF0、CF1、……、CFn的第1電極共通連接的第2共通節(jié)點(diǎn)202，一端與第1共通節(jié)點(diǎn)201的他端連接的控制線203，柵電極與第1共通節(jié)點(diǎn)201的他端相連接的讀出晶體管(電容性負(fù)載)204，漏區(qū)與置位線SET連接而且源區(qū)與第2共通節(jié)點(diǎn)202的他端連接的塊選擇晶體管205，漏區(qū)與控制線203的他端連接而且源區(qū)與復(fù)位線RST連接的復(fù)位晶體管206等各部分。
還有，在單元選擇晶體管Q0、Q1、……、Qn的各柵電極上連接有字線WL0、WL1、……、WLn，讀出晶體管204的漏區(qū)與復(fù)位線RST連接，讀出晶體管204的源區(qū)與位線BL連接。
此外，復(fù)位線RST與讀出晶體管204的源區(qū)連接，替代它、也可以連接到形成讀出晶體管204的半導(dǎo)體襯底上(圖6中以上向箭頭表示的部分)。
(數(shù)據(jù)寫(xiě)入動(dòng)作)以下，就數(shù)據(jù)寫(xiě)入動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
首先，將存儲(chǔ)塊選擇晶體管205置導(dǎo)通狀態(tài)使置位線SET和第2共通節(jié)點(diǎn)202導(dǎo)通的同時(shí)、將復(fù)位晶體管206置導(dǎo)通狀態(tài)使復(fù)位線RST與控制線203導(dǎo)通。還有，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)單元的字線置接通狀態(tài)，使構(gòu)成數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)單元的單元選擇晶體管導(dǎo)通。
其次，在置位線SET與復(fù)位線RST之間給予電位差，當(dāng)在第2共通節(jié)點(diǎn)202和控制線203之間施加寫(xiě)入電壓VWR時(shí)，由于在各個(gè)鐵電體電容器CF0、CF1、……、CFn中被選擇的鐵電體電容器第1電極和第2電極之間直接施加了寫(xiě)入電壓VWR，就在被選擇的鐵電體電容器上寫(xiě)入了數(shù)據(jù)。
寫(xiě)入電壓VWR的大小與第1實(shí)施方式相同，由使鐵電體膜的極化產(chǎn)生第1狀態(tài)或是產(chǎn)生第2狀態(tài)進(jìn)行，第1狀態(tài)時(shí)，鐵電體膜的極化方向是從第1電極向第2電極的方向或者從第2電極向第1電極的方向、而且鐵電體膜保持幾乎飽和的極化值(數(shù)據(jù)“1”狀態(tài))，第2狀態(tài)時(shí)，鐵電體膜的極化與第1狀態(tài)的方向相同、而且保持幾乎為零的極化值(數(shù)據(jù)“0”狀態(tài))。
(數(shù)據(jù)讀出動(dòng)作)以下，說(shuō)明數(shù)據(jù)的讀出動(dòng)作。
首先，將存儲(chǔ)塊選擇晶體管205置于導(dǎo)通狀態(tài)、使置位線SET與第2共通節(jié)點(diǎn)202連接。還有使復(fù)位晶體管206置于截止?fàn)顟B(tài)使控制線203一度接地后，復(fù)位晶體管206置于截止?fàn)顟B(tài)切斷控制線203和復(fù)位線RST的連接、將控制線203置于浮置電位。還有，將讀出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的字線置于接通狀態(tài)、使構(gòu)成數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)單元的單元選擇晶體管導(dǎo)通。
其次，在置位線SET和復(fù)位線RST之間給予電位差，在第2共通節(jié)點(diǎn)202和復(fù)位線RST之間施加讀出電壓VR，該讀出電壓VR按被選擇的鐵電體電容器的電容值與讀出晶體管204的柵電容值之比分割、被分割的電壓施加在讀出晶體管204的柵電極上。也就是說(shuō)，因?yàn)樵谧x出晶體管204的柵電極上施加了由被選鐵電體電容器上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(“1”或者“0”)決定的電壓，檢測(cè)在讀出晶體管204的漏·源間流動(dòng)的電流，進(jìn)而檢測(cè)讀出晶體管204的溝道電導(dǎo)，就能讀出存儲(chǔ)在被選鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)。
采用第2實(shí)施方式，與第1實(shí)施方式同樣，在讀出數(shù)據(jù)“1”及數(shù)據(jù)“0”中任何一個(gè)的情況下，沒(méi)有必要在讀出動(dòng)作后進(jìn)行再寫(xiě)入動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的非破壞方式讀出動(dòng)作。
還有，采用第2實(shí)施方式，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)讀出后極化不反轉(zhuǎn)(極化不成為負(fù)值)，大大減少了極化的疲勞退化。
進(jìn)一步，因?yàn)樽x出晶體管204為多個(gè)鐵電體電容器所共有，可以實(shí)現(xiàn)面積效率優(yōu)秀的高集成度存儲(chǔ)器陣列。
第2實(shí)施方式的變形例以下，參照?qǐng)D7，說(shuō)明與本發(fā)明第2實(shí)施方式變形例相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
第2實(shí)施方式的變形例與第2實(shí)施方式相比，與第1共通節(jié)點(diǎn)201成為位線的同時(shí)，僅僅與該第1共通節(jié)點(diǎn)201他端連接的電容性負(fù)載不同，因?yàn)槠渌臉?gòu)成與第2實(shí)施方式同樣，下面僅說(shuō)明電容性負(fù)載。
將位線電容207連接到第1共通節(jié)點(diǎn)201的同時(shí)，第1共通節(jié)點(diǎn)201的他端連接讀出放大器。
數(shù)據(jù)讀出動(dòng)作時(shí)，在第2共通節(jié)點(diǎn)202和復(fù)位線RST之間施加讀出電壓VR，該讀出電壓按被選鐵電體電容器的電容值與位線電容207電容值之比被分割，被分割的電壓施加在讀出放大器208上。也就是說(shuō)，由讀出放大器檢測(cè)出由存儲(chǔ)在被選鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)(“1”或是“0”)決定的電壓，就能夠讀出存儲(chǔ)在被選鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)。
發(fā)明的效果采用與本發(fā)明相關(guān)的第1或第2半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置以及第1或第2半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，因?yàn)殍F電體電容器保持不同數(shù)據(jù)的兩種狀態(tài)能夠由鐵電體膜極化方向互相相同、鐵電體膜保持幾乎飽和極化值的第1狀態(tài)，和鐵電體膜保持幾乎為零極化值的第2狀態(tài)區(qū)別，即使施加在鐵電體電容器上的電位差由于電子或空穴的注入而消失，鐵電體電容器也能夠繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)、減少鐵電體極化的疲勞退化。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，其特征在于形成在半導(dǎo)體襯底上，具備鐵電體電容器、數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元和數(shù)據(jù)讀出單元；鐵電體電容器，具有鐵電體膜、在所述鐵電體膜上形成的第1電極和在鐵電體膜下形成的第2電極；數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元，由使所述鐵電體膜發(fā)生第1狀態(tài)或是第2狀態(tài)、在所述鐵電體電容器上寫(xiě)入與所述第1狀態(tài)或第2狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，第1狀態(tài)時(shí)，所述鐵電體膜的極化方向從所述第1電極向著所述第2電極的方向或者從所述第2電極向著第1電極的方向、而且所述鐵電體膜保持幾乎飽和的極化值，第2狀態(tài)時(shí)，所述鐵電體膜的極化方向與所述第1狀態(tài)方向相同、而且所述鐵電體膜保持幾乎為零的極化值；數(shù)據(jù)讀出單元，由檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)或是所述第2狀態(tài)、讀出存儲(chǔ)在所述鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元，在與所述第1電極連接的第1信號(hào)線和與所述第2電極連接的第2信號(hào)線之間施加電壓、使所述鐵電體電容器產(chǎn)生所述第1狀態(tài)或者所述第2狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出單元，具有能夠在所述第1電極與所述第2電極之間產(chǎn)生電壓的單元、這一電壓能夠在所述鐵電體膜上感應(yīng)產(chǎn)生與所述鐵電體膜極化方向相同的電場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出單元，具有在與所述鐵電體電容器串聯(lián)連接的電容性負(fù)載和由所述鐵電體電容器及所述電容性負(fù)載組成的串聯(lián)電路兩端施加讀出電壓的單元，所述讀出電壓按所述鐵電體電容器的電容值與所述電容性負(fù)載的電容值之比分割、由檢測(cè)在所述電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓、由此檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)或是所述第2狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出單元，具有形成在所述半導(dǎo)體襯底上、柵電極與所述第2電極連接的場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及在所述第1電極和所述半導(dǎo)體襯底或者所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管源電極間施加讀出電壓的單元，所述讀出電壓按所述鐵電體電容器的電容值與所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵電容值之比被分割、由檢測(cè)因在所述柵電極上感應(yīng)產(chǎn)生的在所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道電導(dǎo)上表現(xiàn)出的變化，由此檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)還是所述第2狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出單元，具有與所述第2電極連接的位線以及在所述第1電極與所述位線間施加讀出電壓的單元，所述讀出電壓按所述鐵電體電容器的電容值與所述位線的電容值之比分割、通過(guò)檢測(cè)在所述位線上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，由此檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)或是所述第2狀態(tài)。
7.一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，其特征在于具備存儲(chǔ)單元塊，數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元和數(shù)據(jù)讀出單元；存儲(chǔ)單元塊，由多個(gè)存儲(chǔ)單元連續(xù)連接構(gòu)成，存儲(chǔ)單元具有鐵電體電容器和與所述鐵電體電容器串聯(lián)連接的單元選擇晶體管，鐵電體電容器具有鐵電體膜、在所述鐵電體膜上形成的第1電極以及在所述鐵電體膜下形成的第2電極；數(shù)據(jù)寫(xiě)入單元包含構(gòu)成所述存儲(chǔ)單元塊的有兩個(gè)共通的節(jié)點(diǎn)，控制線與兩個(gè)共通節(jié)點(diǎn)中的第1共通節(jié)點(diǎn)連接，在控制線和所述兩個(gè)共通節(jié)點(diǎn)中的第2共通節(jié)點(diǎn)間施加寫(xiě)入電壓，由所述單元選擇晶體管在所述多個(gè)鐵電體電容器中選擇被選鐵電體電容器，使所述被選鐵電體電容器的鐵電體膜極化產(chǎn)生第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)，由此，在所述被選鐵電體電容器上寫(xiě)入與所述第1狀態(tài)或者所述第2狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；第1狀態(tài)時(shí)，所述鐵電體膜的極化方向從所述第1電極向著所述第2電極的方向或者從所述第2電極向著第1電極的方向、而且所述鐵電體膜保持幾乎飽和的極化值，第2狀態(tài)時(shí)，所述鐵電體膜的極化方向與所述第1狀態(tài)方向相同、而且所述鐵電體膜保持幾乎為零的極化值；數(shù)據(jù)讀出單元包含具有與所述第1共通節(jié)點(diǎn)連接的電容性負(fù)載，和在所述第2共通節(jié)點(diǎn)與所述電容性負(fù)載間施加讀出電壓的單元，用所述單元選擇晶體管從所述多個(gè)鐵電體電容器中選擇被選鐵電體電容器，所述讀出電壓按所述被選鐵電體電容器的電容值和所述電容性負(fù)載的電容值之比被分割，檢測(cè)在所述電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，由此檢測(cè)所述被選鐵電體電容器是所述的第1狀態(tài)或是所述的第2狀態(tài)，并由此讀出存儲(chǔ)在所述被選鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)。
8.一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于包括在鐵電體電容器上寫(xiě)入數(shù)據(jù)的工程和讀出存儲(chǔ)在所述鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的工程，鐵電體電容器形成在半導(dǎo)體襯底上，具有鐵電體膜、在所述鐵電體膜上形成的第1電極和在鐵電體膜下形成的第2電極；所述數(shù)據(jù)寫(xiě)入工程包含使所述鐵電體膜的極化產(chǎn)生第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)，由此在所述鐵電體電容器上寫(xiě)入與所述第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的工程；第1狀態(tài)時(shí)，所述鐵電體膜的極化方向是從所述第1電極向著所述第2電極的方向或者從所述第2電極向著所述第1電極的方向、而且所述鐵電體膜具有幾乎飽和的極化值，第2狀態(tài)時(shí)，所述鐵電體膜的極化方向與所述第1狀態(tài)相同而且所述鐵電體膜具有幾乎為零的極化值；所述數(shù)據(jù)讀出工程包含通過(guò)檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)還是所述第2狀態(tài)，由此讀出存儲(chǔ)在所述鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的工程。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)寫(xiě)入工程包含在與所述第1電極連接的第1信號(hào)線和與所述第2電極連接的第2信號(hào)線之間施加電壓，使所述鐵電體電容器上產(chǎn)生所述第1狀態(tài)或者所述第2狀態(tài)的工程。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出工程包含將所述第2信號(hào)線的電位設(shè)定為接地電位后，切斷所述第2電極與所述第2信號(hào)線的連接，使第2電極成浮置狀態(tài)，然后由檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)或是所述第2狀態(tài)，讀出存儲(chǔ)在所述鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出工程包含在所述第1電極與所述第2電極之間產(chǎn)生電壓的工程，該電壓在所述鐵電體膜上感應(yīng)產(chǎn)生與所述鐵電體膜極化方向相同的電場(chǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出工程包含在所述鐵電體電容器和與所述鐵電體電容器串聯(lián)連接的電容性負(fù)載組成的串聯(lián)電路的兩端施加讀出電壓，所述讀出電壓按照所述鐵電體電容器的電容值和所述電容性負(fù)載的電容值之比被分割、檢測(cè)在所述電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，由此檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)還是所述第2狀態(tài)的工程。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出工程包含在所述第1電極和形成在半導(dǎo)體襯底上、柵電極與所述第2電極連接的場(chǎng)效應(yīng)晶休管的源電極或者所述半導(dǎo)體襯底之間施加讀出電壓，所述讀出電壓按所述鐵電體電容器的電容值與所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電容值之比被分割、檢測(cè)因在所述柵電極上感應(yīng)產(chǎn)生、在所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道電導(dǎo)上表現(xiàn)出來(lái)的變化，由此檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)還是所述第2狀態(tài)的工程。
14.根據(jù)權(quán)利8所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)讀出工程包含在所述第1電極和連接在所述第2電極上的位線之間施加讀出電壓，所述讀出電壓按所述鐵電體電容器的電容值和所述位線電容值之比被分割，由檢測(cè)在所述位線上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓檢測(cè)所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)或是所述第2狀態(tài)的工程。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于還具備，所述鐵電體電容器至少是在所述第2狀態(tài)情況下，在所述數(shù)據(jù)讀出工程中，在除去施加在所述第1電極的所述讀出電壓后，將所述第2電極的電位設(shè)定為地電位的工程。
16.一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于由鐵電體膜、在所述鐵電體膜上形成的第一電極和在所述的鐵電體膜下形成的第2電極組成鐵電體電容器，由鐵電體電容器和與所述鐵電體電容器串聯(lián)連接的單元選擇晶體管組成存儲(chǔ)單元，由多個(gè)存儲(chǔ)單元連續(xù)連接形成存儲(chǔ)單元塊，由所述單元選擇晶體管在多個(gè)所述鐵電體電容器中選擇被選鐵電體電容器，具備在被選鐵電體電容器上寫(xiě)入數(shù)據(jù)的工程，并具備讀出存儲(chǔ)在由所述單元選擇晶體管從構(gòu)成所述存儲(chǔ)單元塊的多個(gè)所述鐵電體電容器中選出的鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的工程；所述數(shù)據(jù)寫(xiě)入工程包含構(gòu)成所述存儲(chǔ)單元塊有兩個(gè)共同的節(jié)點(diǎn)，在與兩個(gè)共通節(jié)點(diǎn)中第1共通節(jié)點(diǎn)連接的控制線和所述兩個(gè)共通節(jié)點(diǎn)中的第2共通節(jié)點(diǎn)之間施加寫(xiě)入電壓，由所述單元選擇晶體管選擇所述鐵電體電容器，使被選的鐵電體電容器產(chǎn)生第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)，由此，在被選的所述鐵電體電容器上寫(xiě)入與所述第1狀態(tài)或者第2狀態(tài)相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的工程；第1狀態(tài)時(shí)，被選的鐵電體電容器的鐵電體膜的極化方向是從所述第1電極向著所述第2電極的方向或者從所述第2電極向著所述第1電極的方向、而且所述鐵電體膜具有幾乎飽和的極化值，第2狀態(tài)時(shí)，被選的所述鐵電體電容器的鐵電體膜的極化方向與第1狀態(tài)相同、而且所述鐵電體膜具有幾乎為零的極化值；所述數(shù)據(jù)讀出工程包含在所述第2共通節(jié)點(diǎn)和連接在所述第1共通節(jié)點(diǎn)上的電容性負(fù)載間施加讀出電壓，所述讀出電壓根據(jù)用所述單元選擇晶體管被選的所述鐵電體電容器的電容值和所述電容性負(fù)載的電容值之比被分割、由檢測(cè)在所述電容性負(fù)載上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓檢測(cè)被選的所述鐵電體電容器是所述第1狀態(tài)或者是所述第2狀態(tài)，由此讀出存儲(chǔ)在所述鐵電體電容器上的數(shù)據(jù)的工程。
全文摘要
一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法,半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置具有鐵電體電容器,即使由于電子或空穴的注入使施加在鐵電體電容器上的電位差消失,也能夠讀出鐵電體電容器所保持的數(shù)據(jù)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)是:由源區(qū)(101)、漏區(qū)(102)、溝道區(qū)(103)、柵絕緣膜(104)及浮置柵電極(105)構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)晶體管,通過(guò)絕緣膜在該場(chǎng)效應(yīng)晶體管上設(shè)置鐵電體電容器(113),鐵電體電容器由鐵電體膜(110)和上側(cè)的第1電極(111)及下側(cè)的第2電極(112)組成。將鐵電體膜(110)的極化方向下向、且鐵電體膜(110)具有幾乎飽和極化值的第1狀態(tài)作為數(shù)據(jù)“1”寫(xiě)入的同時(shí),將鐵電體膜的極化方向下向、且鐵電體膜(110)具有幾乎為零的極化值的第2狀態(tài)作為數(shù)據(jù)“0”寫(xiě)入。
文檔編號(hào)G11C11/22GK1379475SQ0210802
公開(kāi)日2002年11月13日 申請(qǐng)日期2002年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者嶋田恭博, 加藤剛久, 山田隆善 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社