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JP3961651B2 - Semiconductor memory device - Google Patents

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JP3961651B2
JP3961651B2 JP34640497A JP34640497A JP3961651B2 JP 3961651 B2 JP3961651 B2 JP 3961651B2 JP 34640497 A JP34640497 A JP 34640497A JP 34640497 A JP34640497 A JP 34640497A JP 3961651 B2 JP3961651 B2 JP 3961651B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置に係わり、特に強誘電体キャパシタを用いた不揮発性の半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体メモリの一つとして強誘電体キャパシタ(Ferroelectric Capacitor )を用いた不揮発性メモリ(FRAM:Ferroelectric RAM )が注目されている。このFRAMは、不揮発性で、しかも書き換え回数が10の12乗、読み出し,書き込み時間がDRAM程度、3V〜5Vの低電圧動作等の長所があるため、全メモリ市場を置き換える可能性がある。現状の学会レベルでは、1MビットFRAMの発表が行われている(H.Koike et al.,1996IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Paper,pp.368-369,Feb,1996)。
【0003】
FRAMのセルは、開発当初のSRAM+Shadow Memory 構成から、2トランジスタ+2キャパシタ構成と、DRAMの開発と同じく時代と共にセル構成の簡略化,微細化により、セルサイズが縮小されてきた。図74(a)に従来のDRAMの1トランジスタ+1キャパシタ構成のメモリセルを、(b)に従来FRAMの1トランジスタ+1キャパシタ構成のメモリセルを示す。明らかに、従来FRAMの1トランジスタ+1キャパシタ構成のメモリセルにおいては、もはやDRAMのトランジスタとキャパシタを直列接続する1トランジスタ+1キャパシタ構成と同様である。
【0004】
異なる点は、DRAMでは、図75(a)の電圧−蓄積電荷の関係に示すように、キャパシタとして通常のものを用いるが、FRAMでは、図75(b)の電圧−分極量の関係に示すように、ヒステリス特性を持つ強誘電体性のものを用いる点である。よって、セルアレイ構成もDRAMと同等で、図74(c)に示すような、フォールデッドBL構成を取り、最小セルサイズは、2F×4F=8F2 となり、これ以上小さくしにくい。ここで、Fは最小加工寸法を示す。
【0005】
無理に4F2 サイズを実現した例として、縦型トランジスタや縦型TFT(Thin Film Transistor) を用いた例(K.Sunouchi et al,1998 IEEE IEDM Digest of Technical Paper,pp.23-26,Dec, 1989)等が存在するが、製造が極めて困難である。また、セルトランジスタを直列接続し、その間とPL間にキャパシタを接続して、ほぼ4F2 サイズを実現する(NAND型セル)も提案されている(T.Hasegawa et al,1993 IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Paper,pp.46-47,Feb,1993 )が、ランダムアクセスができず汎用性に乏しい。
【0006】
このように、従来FRAMセルにおいては、(1)小さい4F2 サイズのメモリセル、(2)製造が容易な平面トランジスタ、(3)汎用性のあるランダムアクセス機能、の3点を両立できないという第1の問題点が存在した。
【0007】
また、動作方法で言えば、DRAMでは、キャパシタの一端のプレート電極を (1/2)Vddに固定するが、FRAMでは、0V〜Vdd間で、変動させる点のみ異なる。この点に関しても、図76(a)に示すような、プレート電極を変動する方式(T.Sumi et al,1994 IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Paper,pp.268-269,Feb,1994 等)から、図76(b)(c)に示すような、プレート電極を (1/2)Vddに固定する方式(H.Koike et al.,1996 IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Paper,pp.368-369,Feb,1996 、又はK.Takeuchi et al.,IEICE Trans,Electron.,Vol.E79-C,No.2,Feb,1996 )に切り替わりつつある。
【0008】
プレート電極を0V〜Vdd間を駆動する方式は、プレート電極には多くのメモリセルが接続され、負荷容量が大きく、駆動時間が非常に長いため、従来DRAMと比べて、アクセスタイムとサイクルタイムの両方共動作が遅くなるのが現状である。プレートを (1/2)Vddに固定する方式は、負荷容量の重いプレートを駆動する必要が無いため、DRAMと同等のアクセスタイムとサイクルタイムが実現できる。
【0009】
しかしながら、従来FRAMのメモリセルは、図74(b)に示すように、DRAMと同じくトランジスタと強誘電体キャパシタを直列接続した構成を取っており、ストレージノード(SN)は電源投入後のスタンドバイ時にフローティングになる。よって、SNに“1”データ保持時、SNがセルトランジスタのpn接合部のジャンクションリークによりVssに降下するため、プレレート電極が (1/2)Vdd固定の場合、セル情報が破壊される。よって、 (1/2)Vddセルプレート方式においては、DRAMと同様なリフレッシュ動作が必要になり、パワーの増加の問題や、セルリークスペックが厳しく製造が困難になる。
【0010】
このように、従来FRAMにおいては、高速動作(PL電位固定)とリフレッシュ不要の両立は困難であるという第2の問題点が存在した。
【0011】
また、従来のFRAMにおいては、次のような問題点も存在していた。図77(a)は従来FRAMのスタンドバイ状態を示し、図77(b)はPL駆動方式の動作を示し、図77(d)は読み出し時のヒステリス曲線上の軌跡を示す。従来の読み出し方式においては、飽和分極量をPs、残留分極量をPrとすると、図77(d)に示すように、“1”データはPs+Pr、“0”データはPs−Prとなり、その差が信号量となる(1T/1Cではその半分)。しかしながら強誘電体キャパシタは、製造ばらつき等により常誘電体成分に大きなばらつきを持ち、これが読み出しマージンを大きく劣化させる。例えば、“1”データでは、Ps+Prの内のPs−Pr分が常誘電体成分で、“0”データでは、信号全体が常誘電体成分となる。特にPZT等の強誘電体材料では、誘電率自身の値が大きいため、ばらつきの絶対値も大きき問題となる。
【0012】
図77(c)はこの問題を解決する従来方式を示す。読み出し時、PLをVssからVddに上げ、さらにVddからVssに下げた後、センスアンプを動作させ信号を増幅する方式である。これの読み出し時のヒステリス曲線上の軌跡を図77(e)に示す。“1”データ((2)の点)は、一度分極反転して(1)の点の位置に来るがPLを下げることにより(3)の位置に来る。よって“1”データは、行き帰りで常誘電体成分がカットされ、残留分極成分:2Prだけビット線に信号として読み出される。“0”データは、(3)の点から(1)の点に行き、(3)の点に単に戻るだけであるため、信号は読み出されない。結局信号としては、ばらつきの多い常誘電体成分の無い分極成分2Prだけとなり、ノイズがなくなる。
【0013】
しかしながらこの方法は、図77(c)に示すように、データの再書き込みを行うために、再度PLを上げ、PLを下げるため、結局2度PLを上げ下げする必要が生じるため、図77(b)に比べ非常にアクセスタイム及びサイクルタイムが長くなる問題があった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のFRAMにおいては、小さい4F2 サイズのメモリセル、製造が容易な平面トランジスタ、汎用性のあるランダムアクセス機能、の3点を両立できないという第1の問題点があり、さらに高速動作(PL電位固定)とリフレッシュ不要の両立は困難であるという第2の問題があった。また、強誘電体キャパシタの常誘電体成分のばらつきを抑制しようとすると、動作が遅くなる問題があった。
【0015】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、縦型トランジスタ等を用いることなく4F2 サイズのメモリセルを実現することができ、かつランダムアクセス機能も保つことのできる不揮発性の半導体記憶装置を提供することにある。
【0016】
また、本発明の他の目的は、プレート電位の固定による高速動作とリフレッシュ不要の両立をはかり得る半導体記憶装置を提供することにある。
【0017】
また、本発明の他の目的は、動作速度の低下を招くことなく、強誘電体キャパシタの常誘電体成分のばらつきを抑制することのできる半導体記憶装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
(構成)
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【0019】
(1) ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース・ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、このメモリセルブロックを複数配置してセルアレイを構成する半導体記憶装置であって、前記ビット線は2本で対を成して同一のセンスアンプ回路に接続され、前記対を成す2本のビット線の各々に接続され同一のワード線群に接続される2個のメモリセルブロックは、各々異なる信号の第1のプレート線,第2のプレート線に接続されることを特徴とする。
【0020】
(2) ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース・ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、このメモリセルブロックを複数配置してセルアレイを構成する半導体記憶装置であって、第1のプレート線と第2のプレート線が1個毎に交互に、ワード線方向に複数配置された前記メモリセルブロックの各々に接続されることを特徴とする。
【0021】
(3) ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース,ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、このメモリセルブロックを複数配置してセルアレイを構成する半導体記憶装置であって、第1のプレート線と第2のプレート線が2個毎に交互に、ワード線方向に複数配置された前記メモリセルブロックの各々に接続されることを特徴とする。
【0022】
(4) セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース,ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックを複数配置したセルアレイと、前記メモリセルに外部からデータの書き込みを行う書き込みバッファを備えた半導体記憶装置であって、前記書き込みバッファは、第1の書き込みトランジスタと、第1の書き込みトランジスタより駆動力の大きい第2の書き込みトランジスタを備え、書き込み時は、第1の書き込みトランジスタを駆動し始める時間に比べ第2の書き込みトランジスタの駆動し始める時間が遅れることを特徴とする。
【0023】
(5) ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース,ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続されている半導体記憶装置であって、前記セルトランジスタと前記強誘電体キャパシタを接続する金属配線層と同一の金属配線層で、前記プレート線を形成することを特徴とする。
【0024】
(6) ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続されている半導体記憶装置であって、前記ワード線のゲート配線層よりも上層に形成され、第1の間隔おきに前記ゲート配線層とコンタクトを取るワード線スナップ用の第1の金属配線層と同一の金属配線層で、前記プレート線の配線層と第2の間隔おきにコンタクトを取ることを特徴とする。
【0025】
(7) ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、このメモリセルブロック複数配置しセルアレイを構成する半導体記憶装置であって、前記ビット線方向に、前記プレート線を駆動する駆動回路が、前記メモリセルブロックの1個毎或いは2個毎に配置されていることを特徴とする。
【0026】
(8) nMOSトランジスタとpMOSトランジスタと強誘電体キャパシタとからメモリセルを構成した半導体記憶装置であって、前記nMOSトランジスタのソースと前記pMOSトランジスタのソースと前記強誘電体キャパシタの一端は接続され、前記nMOSトランジスタのドレインと前記pMOSトランジスタのドレインと前記強誘電体キャパシタの他端は接続されていることを特徴とする。
【0027】
(9) ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックを複数配置してセルアレイを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、更に前記ワード線に接続されるサブローデコーダと、前記サブローデコーダに接続されるメインワード線を備える半導体記憶装置であって、前記プレート線の金属配線層と同一の配線層で、前記メインワード線を形成することを特徴とする。
【0028】
(10)セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成する半導体記憶装置であって、前記強誘電体キャパシタの下部電極と前記ソース端子を接続する第1のコンタクトと、前記強誘電体キャパシタの上部電極から第2コンタクトを介して接続される第1の金属配線層と前記ドレイン端子を接続する第3のコンタクトとを備え、少なくとも前記第1のコンタクトと前記第3のコンタクトの一部は同一のプロセスで形成されることを特徴とする。
【0029】
(11)セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成する半導体記憶装置であって、前記強誘電体キャパシタの下部電極と前記ソース端子を接続する第1のコンタクトと、前記強誘電体キャパシタの上部電極から第2コンタクトを介して接続される第1の金属配線層と前記ドレイン端子を接続する第3のコンタクトとを備え、前記第1のコンタクトと前記第3のコンタクトは異なる材料で構成されることを特徴とする。
【0030】
(12)セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成する半導体記憶装置であって、前記強誘電体キャパシタの下部電極と前記ソース端子を接続する第1のコンタクトと、前記強誘電体キャパシタの上部電極から第2コンタクトを介して接続される第1の金属配線層と前記ドレイン端子を接続する第3のコンタクトとを備え、前記第1のコンタクトと前記第3のコンタクトは少なくとも2種類以上の材料の異なる物質が積層されて形成されることを特徴とする。
【0031】
(13)セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成する半導体記憶装置であって、前記強誘電体キャパシタの下部電極と前記ソース或いはドレイン端子とを接続するコンタクト層は、少なくとも2種類以上の異なる材料層が積層されて形成されることを特徴とする。
【0036】
(作用)
前記 (1) (3) によれば、PL線を分けることにより、1T/1C構成で、PL駆動方式を採用しても、選択したワード線に接続されながら、ブロック選択トランジスタがONされずに、セルデータが読み出されないセルブロックに接続されるPL線は駆動されないため、セルデータが読み出されないセルブロック内のフローティングノードの電位は変化せず分極データの低減は起こらない。
【0038】
前記(4) によれば、書き込みスピードが遅いため、強誘電体メモリ特有のデータの書き込み時のノイズを低減できる。
【0039】
前記(5) によれば、セルトランジスタと強誘電体キャパシタを接続する金属配線を用いて、PL配線を構成できるため、PL配線の抵抗を低減でき、PL駆動方式における、PL配線のRC遅延が短縮できる。
【0040】
前記(6) によれば、ワード線スナップ用の金属配線を用いて、PL配線を構成できるため、PL配線の抵抗を低減でき、PL駆動方式における、PL配線のRC遅延が短縮できる。
【0041】
前記(7) によれば、プレート線駆動回路のプレート線駆動トランジスタのサイズを大きくでき、このトランジスタのON抵抗が低減でき、PL駆動方式における、PL配線のRC遅延が短縮できる。
【0042】
前記(8) によれば、メモリセルトランジスタ及び、ブロック選択トランジスタをフルCMOS化でき、しきい値電圧落ちがなくなり、ワード線、ブロック選択線をVdd以上に昇圧しなくても、データの読み出し書き込みができ、昇圧回路が不要になり、信頼性の向上及び混載等の容易化が可能となる。
【0043】
【発明の実施の形態】
まず、本発明者らが既に提案している先願の内容について説明する。
【0044】
前述した第1,第2の大きな問題点に対して本発明者は、不揮発性の強誘電体メモリで、(1)小さい4F2 サイズのメモリセル、(2)製造が容易な平面トランジスタ、(3)汎用性のあるランダムアクセス機能、の3点が両立でき、しかもPL電位固定で、高速化を保ちつつ、スタンドバイ中でも、データ保持が可能でリフレッシュ動作を不要とする半導体記憶装置を提案した(特願平9−153137号)。
【0045】
先願の概要を簡単に述べる。図78、図79、図80に、先願発明のメモリセルの構成回路と動作例を示す。先願においては、1個のメモリセルは、セルトランジスタと強誘電体キャパシタの並列接続で構成され、1つのメモリセルブロックは、この並列接続のメモリセルを複数直列接続して、一端はブロック選択トランジスタを介してビット線に接続され、他端はプレートに接続される。この構成により、平面トランジスタを用いながら、4F2 サイズのメモリセルが実現している。
【0046】
図78(a)に示すように、スタンドバイ時には、全てのセルトランジスタをONにしておき、ブロック選択トランジスタをOFFにしておく。こうすることにより、強誘電体キャパシタの両端は、ONしているセルトランジスタにより電気的に短絡されるため、両端の電位差は発生しない。よって、“1”の分極データは、図78(a)のヒステリス曲線の“1”の点、“0”の分極データは、ヒステリス曲線の“0”の点に安定に保持される。これにより、スタンドバイ時、pn接合リーク等の各種リーク電流があろうと、プレートの駆動方式が、0V〜Vdd駆動方式であろうと、 (1/2)Vdd固定方式であろうと、セルデータは安全に保持される。
【0047】
図78(b)に示すように、アクティブ時は、読み出したい強誘電体キャパシタに並列に接続されるセルトランジスタのみOFFにして、ブロック選択トランジスタをONにする。この時、PLとBL間の電位差が、OFFしたセルトランジスタに並列接続した強誘電体キャパシタの両端にのみ印加され、強誘電体キャパシタの分極情報がビット線に読み出される。よって、メモリセルを直列接続しても、任意のワード線を選択することにより、任意の強誘電体キャパシタのセル情報が読み出され、完全なランダムアクセスが実現できるわけである。これにより、図78に示すセルブロックにより、先願で述べてあるように、オープンBL方式が実現できる。
【0048】
さらに、図78に示すセルブロックを2個対にして、各々をビット線対(/BL,BL)のどちらかに接続して、2個のセルブロックで同じワード線に接続される2個のメモルセルを組みにして、2トランジスタ/2強誘電体キャパシタ(=2T/2C)で1ビットを記憶すれば、先願で述べてあるように、フォールデッドBL方式が実現できる。
【0049】
また、図79(a)に示すように、ブロック選択トランジスタを2個直列接続して、一方をD(Depletion )タイプのトランジスタにし、ブロック選択トランジスタ(BS0,BS1)のどちらか一方を“H”にすると、2つのセルブロックの一方のデータしかビット線に読み出されず、ビット線対の他方を参照ビット線にすれば、これもフォールデッドBL方式が実現できる。
【0050】
図79(b)(c)はフォールデッドBL方式の動作例に示す。先願で述べてあるように、 (1/2)Vdd固定プレート電極方式(図79(b))、駆動プレート電極方式(図79(c))が適用できる。
【0051】
しかしながら先願においても、図80に示すように、一部の動作モードで不都合が存在していた。図80は従来FRAMと先願の比較表を示している。従来FRAMでは、2T/2Cセル,1T/1Cセルの両方において、動作の遅いPL駆動方式しか適用できず、 (1/2)Vdd固定PL方式ではリフレッシュ動作を必要としていた。これに対して先願のセル方式では、2T/2Cセル,1T/1Cセルの両方において、高速の (1/2)Vdd固定PL方式も、PL駆動方式も適用できる。しかしながら、1T/1Cセルで、PL駆動方式においては、動作上大きなノイズが発生する問題が生じる。
【0052】
この問題を図79を用いて説明する。例えば、WL2を選択して、MC1を読み書きしたい場合、WL2をHighからLowにして、セルトランジスタをONし、BS0をLowからHighにして、ブロック選択トランジスタQ1をONする。その後、PLをLowからHighする。
【0053】
PL電位は、MC1の強誘電体キャパシタの一端に印加され、ビット線(/BL)電位は、MC1の強誘電体キャパシタの他端に印加されるため、/BLをVssにプリチャージしてあった場合、PLをVssからVddにすることにより、強誘電体キャパシタの両端にVdd−Vssの電位差が印加され、分極データが読み出されるわけである。この時、BS1はLowレベルであり、ブロック選択トランジスタQ2はOFFされたままのため、ビット線BLにはMC2のセル情報が読み出されない。よって、BL側を参照ビット線として、フォールデッドBL方式が取れるわけである。
【0054】
しかし、MC2の強誘電体キャパシタの一端がPLに接続されているために、MC2の強誘電体キャパシタの一端もVssからVddに上がる。この時、MC2の他端(n1)及びONしている非選択のセルトランジスタに接続されるn2〜n3のノードは、WL2に接続されるセルトランジスタがOFFしているためフローティングになる。よって、n1〜n3には必ず寄生容量(総計をCtot とすると)が存在するため、これらのノードは、PLがVssからVddに変化すると、強誘電体キャパシタの両端には、0Vではなく、Ctot /(CMC2+Ctot )×Vddの電位差が発生する。即ち寄生容量により、n1〜n3の電位がVssからVddに変化せず、僅かに電位が下がり、ノイズとなり一部分極データが破壊される問題点があった。
【0055】
先願で述べたように、 (1/2)Vdd固定方式でも同様にn1〜n3はフローティングになるが、PL電位が不動のため、アクティブ時間だけ、リーク等によりn1〜n3が電位が変動しなければ問題ない。アクティブ時間は通常tRCmax =10μsであるため、この時間は短く問題がない。
【0056】
このように、先願の強誘電体メモリにおいては、製造の容易化、ランダムアクセル機能を保ちつつ、高集積化を実現し、さらにビット線容量の低減、低ノイズ化をも可能にし、また高速化を保ちつつリフレッシュ動作を不要とすることができるが、1トランジスタ+1キャパシタ構成で、プレート駆動方式を適用する場合、フローティング起因のノイズが存在していた。本発明では、このような問題をも解決している。
【0057】
以下、本発明の実施形態を図面を参照として説明する。
【0058】
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図、図2は同実施形態の具体的な動作例を示す信号波形図である。本実施形態は、先願と同様に、1個のメモリセルは、セルトランジスタと強誘電体キャパシタの並列接続で構成され、1つのメモリセルブロックは、この並列接続のメモリセルを複数直列接続して構成され、一端はブロック選択トランジスタを介してビット線に接続され、他端はプレートに接続される。この構成により、平面トランジスタを用いて、4F2 サイズのメモリセルが実現できる。
【0059】
図1に示すように、ブロック選択トランジスタを2個直列接続して、一方をDタイプのトランジスタにし、ブロック選択トランジスタ(BS0,BS1)のどちらか一方をHighにすると、2つのセルブロックの一方のデータしか、ビット線に読み出されず、ビット線対の他方を参照ビット線とするフォールデッドBL方式が実現でき、1個のセルトランジスタと1個の強誘電体キャパシタで1ビットのデータを記憶する1T/1Cセルが構成できる。
【0060】
本実施形態が先願と異なる点は、従来1種類であったプレート線が、本実施形態においては、2種類のプレート線(PLBBL、PLBL)に分離されている点である。ビット線対のBBLi(BBL0、BBL1)側に接続されるセルブロックには、プレート線PLBBLが接続され、ビット線対のBLi(BL0,BL1)側に接続されるセルブロックには、プレート線PLBLが接続される構成となる。
【0061】
このようにプレート線を分離することにより、図2(b)に示すように、動作時、BBLi側のセルブロック内のセルを選択する場合、PLBBLのみ0V→Vdd→0Vと駆動してセルデータを読み書きし、参照ビット線となるBLi側に接続されるセルブロックに接続されるプレート線PLBLは0Vのままであるため、フローティングになるセルノードは、0Vのままで、従来分極データが一部破壊される問題を、本実施形態では回避できる。
【0062】
セルノードがフローティングであっても、プレート線が0Vであれば、セルノードは、セルノードと0Vにバイアスされた基板(又はウエル)とのpn接合のリークにより常に0Vになるため、強誘電体キャパシタ両端の電位差は0Vのままで、分極データは保存される。本実施形態により、高密度の1T/1C構成で、低電圧動作が可能となるPL駆動方式で、しかもフローティングによる分極データ破壊の問題を回避しつつ実現可能となる。
【0063】
本発明の構成においても、1T/1C構成ばかりでなく、2T/2C構成が実現できる。この場合、図2(a)に示すように、ブロック選択信号BS0とBS1を動作時両方Highレベルにし、ビット線対BBLi,BLiにつながるセルブロック両方とも選択して、プレート線もPLBBL,PLBL両方動作させれば実現できる。
【0064】
また、図2(a)(b)の方式を同じチップ内で実現するようにしておくこともできる。こうすることにより、例えば2T/2C構成の製品を販売する場合でも、試験では1T/1C構成で動作させ、強誘電体キャパシタ1個毎に評価試験ができるメリットがある。1個のセルブロック毎に、2つのプレート線を接続するとその分だけチップ面積が増加するが、図に示すように、ビット線方向に隣接した2個のセルブロックでプレート線を共有すれば、実質的に1個のセルブロック毎に1本のプレート線接続となり、面積増を抑えられる。
【0065】
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図である。図1に示した第1の実施形態と異なる点は、セルブロックにつながるセル数を4個から8個に増やしたことにある。この場合でも、第1の実施形態と同様の効果がある。このように、セル数は4個,8個,16個,32個,64個と任意に設計できる。セルブロック内のセル数を増やせば増やすほどプレート分離によるチップ面積増の影響は低減できる。
【0066】
図4は、図3の変形例であり、Dタイプのトランジスタを用いるのではなく、このトランジスタを無くし、ソース側とドレイン側を直接接続した場合を示している。この場合でも動作は図2と同じで、図1、図3と同じ効果がある。さらに、非選択セルブロックのDタイプのトランジスタ部分の容量がビット線容量として見えないメリットがある分、ビット線容量が低減できる。
【0067】
(第3の実施形態)
図5〜図13は本発明の第3〜第7の実施形態を示し、図1の構成にダーミセル部分を加えた場合の実施形態である。これらの実施形態も当然図1と同様に、フローティングによる分極データ破壊の問題は回避できる。勿論、図3、図4のの形態も適用できるし、セルブロック内のセル数も任意に設計できる。
【0068】
図5は、本発明の第3の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図であり、強誘電体メモリセルブロック及びタミーセル構成を示している。ダミーセルにおいてもメモリセルと同様に、強誘電体キャパシタとセルトランジスタの並列接続で構成され、これをメモリセルと同様に複数個並列接続してダミーセルブロックを構成する。本実施形態では、ビット線対(BBLi,BLi)で1個のダミーセルブロックを共有している。例えば、BBLiにセルデータを読み出す場合、DBS0をhighレベルにすれば、ダミーセルが参照ビット線側のBLiに接続され、BLiにセルデータを読み出す場合、DBS1をhighレベルにすれば、ダミーセルが参照ビット線側のBBLiに接続される。
【0069】
図6は、図5の構成の動作例を示す。図6(a)は1T/1C構成で、プレート駆動方式の場合を示す。WL2及びDWL2をLowレベル、BS0及びDBS0をHighレベルにして、メモリセル及びダミーセルをビット線に接続後、メモリセルブロック用プレート線(PLBBL,PLBL)の内の1本と、ダミーセルブロック用のプレート線(DPL)を駆動することにより、セルデータとダミーセルデータがビット線に読み出される。データの読み書き後、BS0を下げ、WL2を上げ、ビット線をVssにプリチャージした後も、DWLをLow、DBS0をHighに保つことにより、ダミーセルに“0”データが再書き込みされる。その後、DBS0を下げDWL2を上げることにより、アクティブ動作が終了する。
【0070】
ダミーセルの強誘電体キャパシタの面積をメモリセルの強誘電体キャパシタ面積より大きき設計しておくと、ダミーセルの“0”データがメモリセルの“0”データと“1”データ間に来ることができ、基準となり得る。
【0071】
図6(b)は、 (1/2)Vdd固定プレート方式動作の場合を示し、図6(a)に比べ、プレートを固定させた点を除き動作は同様である。
【0072】
(第4の実施形態)
図7は、本発明の第4の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図であり、強誘電体メモリセルブロック及びダミーセル構成を示している。図5と異なる点は、ダミーセルブロック内にリセットトランジスタ(Q3,Q4)とリセット信号(RST)を追加した点である。本実施形態の効果としては、図5と比較してサイクルタイムが短くなるメリットがある。その動作例を図8に示す。
【0073】
図8(b)は1T/1C構成で、プレート駆動方式の場合を示す。WL2及びDWL2をLowレベル、BS0及びDBS0をHighレベルにして、メモリセル及びダミーセルをビット線に接続後、メモリセルブロック用プレート線(PLBBL,PLBL)の内1本と、ダミーセルブロック用のプレート線(DPL)を駆動することによりセルデータとダミーセルデータがビット線に読み出される。
【0074】
その後、センスアンプ動作前、或いは動作後、DBS0を下げ、ダミーセルブロックとビット線を分離して、複数の直列接続されたダミーセルブロックの一端のプレート線をHighに保ったまま、RST線を上げ、他端をVss1に落とし、選択されたダミーセルの強誘電体キャパシタの両端にVddの電位差を印加してダミーセルに“0”データを再書き込みする。なお、ダミーセルの強誘電体キャパシタの面積ばかりでなく、ダミープレート電位、リセット電位(Vss1)を自由に設計することでもリファレンス電位を設定できる。
【0075】
その後、RST線を下げ、プレート線(DPL)を下げ、DWL2を上げることにより、アクティブ動作は終了する。メモリセルの(再)書き込み動作及び、WL2,BS0のリセット動作はダミーセル動作と並列で実行でき、図6のように、WL2,BS0のリセット後、ダミーセルの再書き込み動作をする必要がなく、サイクルタイムの短縮が図れる。
【0076】
図8(a)は、 (1/2)Vdd固定プレート方式動作の場合を示し、図8(b)に比べ、プレートを固定させた点を除き動作は同様である。
【0077】
(第5の実施形態)
図9は、本発明の第5の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図であり、強誘電体メモリセルブロック及びダミーセル構成を示している。本実施形態では、ダミーセルに常誘電体キャパシタを用いている。
【0078】
本実施形態のように常誘電体キャパシタを用いた場合、ダミーセルキャパシタ面積が大ききなるデメリットがある反面、疲労、relaxation(depolarization)、Imprint 等の膜の劣化が小さく(無く)、リファレンス電位が安定化するメリットがある。図9のダミーセルは、常誘電体キャパシタと、これをショートさせるトランジスタ(Q5,Q6)とこれを制御する信号線(RST)と、ビット線対の内の一方に接続する選択トランジスタ(Q7,Q8)と、その制御線(DWL0,DWL1)と、プレート線(DPL)から構成されている。
【0079】
(第6の実施形態)
図10は、本発明の第6の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図であり、強誘電体メモリセルブロック及びダミーセル構成を示している。本実施形態では、図9と同様に常誘電体キャパシタを用いたダミーセルを用いている。
【0080】
本実施形態が図9のダミーセルと異なる点は、RST信号を用いて、常誘電体キャパシタをショートさせるのでは無く、常誘電体キャパシタの一端をプレートに接続して、他端をRST信号をHighレベルにすることにより、任意の電位Vss1に接続して、常誘電体キャパシタをDPL−Vss1の電位差にリセットすることにある。ます、図9、図10は次の図11に示すように、同じ動作が可能である。
【0081】
図11(a)は、1T/1C構成で、プレート駆動方式の場合を示す。WL2をLowレベル、BS0をHighレベルにして、メモリセルをビット線に接続し、DWL0をHighレベルにしてダミーセルをリファレンスビット線に接続する。その後、セルブロック用プレート線(PLBBL,PLBL)の内の1本を駆動して、セルデータをビット線に読み出し、ダミーセルは、ダミーセルプレート線(DOPL)を駆動することによりキャパシタカップリングにより、リファレンスビット線を所望の電位にする。その後、DWL0を下げ、DPL線をVssにし、RST線をHighレベルにすることにより、ダミーセルの常誘電体キャパシタの電位差を0Vにリセットできし、アクティブ動作が終了する。
【0082】
図11(b)は、 (1/2)Vdd固定プレート方式動作の場合を示し、図11(a)に比べ、プレートを固定させた点を除き動作は同様である。但し、ダミーセルのプレートはキャパシタカップリングを用いるため、駆動する。なお、ダミーセルプレート線を (1/2)Vdd(或いは任意の電位)に固定することも可能で、例えば、図9において、スタンドバイ時、DPLを (1/2)Vddにしておいて、RSTを下げると、常誘電体キャパシタの両端は (1/2)Vddになっているため、DWL0を上げると自動的にキャパシタカップリングでリファレンスビット線電位が上がるため動作が可能となる。
【0083】
なお、図10の例では、スタンドバイ時、常誘電体キャパシタの両端を (1/2)Vddにしておくためには、DPLばかりでなく、Vss1も (1/2)Vddに設定しておく必要がある。
【0084】
(第7の実施形態)
図12は、本発明の第7の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図であり、強誘電体メモリセルブロック及びダミーセル構成を示している。本実施形態においては、図9、図10と同様に、常誘電体キャパシタを用いたダミーセルを用いているが、プレート線(DPL)と常誘電体キャパシタと選択トランジスタでダミーセルを構成し、リセットトランジスタを省略している。図12のメリットは、リセットトランジスタ、リセット信号が要らず、最も素子数が少なくて済む点である。この動作例を図13に示す。
【0085】
図13(a)は1T/1C構成で、プレート駆動方式の場合を示す。WL2をL0wレベル、BS0をHighレベルにして、メモリセルをビット線に接続する。同時に、スタンドバイ時に両方Highレベルであった、ダミーセル用選択線DWL0,DWL1の内、セルデータが読み出されるビット側の選択線のみをHighレベルからLowレベルに下げ、常誘電体キャパシタをリファレンスビット線にのみ接続する。
【0086】
その後、セルブロック用プレート線(PLBBL,PLBL)の内の1本を駆動して、セルデータをビット線に読み出し、ダミーセルは、ダミーセルプレート線(DPL)を駆動することによりキャパシタカップリングにより、リファレンスビット線を所望の電位にする。センス動作後、DPLを下げ、その後、ダミーセル用選択線DWL0,DWL1を両方Highに戻す。セルデータ書き込み後、ビット線がVssにプリチャージされると、DWL1,DWL0がHighのため、自動的に、常誘電体キャパシタの両端は0Vになりリセットされる。
【0087】
図13(b)は、 (1/2)Vdd固定プレート方式動作の場合を示し、図13(a)に比べ、プレートを固定させた点を除き動作は同様である。但し、ダミーセルのプレート線は駆動する必要が生じる。
【0088】
(第8の実施形態)
図14は、本発明の第8の実施形態に係わるFRAMの動作方式を示す信号波形図である。
【0089】
本実施形態は先願と同様に、1個のメモリセルは、セルトランジスタと強誘電体キャパシタの並列接続で構成され、1つのメモリセルブロックは、この並列接続のメモリセルを複数直列接続して、一端はブロック選択トランジスタを介してビット線に接続され、他端はプレートに接続されるメモリセルに適用でき、先願の方式と比べ、強誘電体キャパシタの常誘電体成分のばらつきを制御しつつ、高速動作が可能となる。
【0090】
前記図77で示したように、シングルプレート方式(図77(b))においては、プレート電極を動作時、Vss→Vdd→Vssと1回動作させればよかったが、図77(d)に示したように、飽和分極量をPs、残留分極量をPrとすると、“1”データはPs+Pr、“0”データはPs−Prとなり、その差が信号量となる(1T/1Cではその半分)。しかしながら強誘電体キャパシタは、製造ばらつき等により常誘電体成分に大きなばらつきを持ち、これが読み出しマージンを大きく劣化させる問題点が有った、
さらに、この問題を解決する従来方式のダブルプレート方式(図77(c))は、プレート電圧を動作時、Vss→Vdd→Vss→Vdd→Vssと2度動作させ、図77(e)に示したように、行き帰りで常誘電体成分をキャンセルでき、ばらつきの問題点をキャンセルできるメリットがある反面、2度PLを上げ下げする必要が生じるため、非常にアクセスタイム及びサイクルタイムが長くなる問題点があった。
【0091】
これに対して図14においては、1度のプレート駆動で、2度プレート駆動したのと同様に、常誘電体成分をキャンセルできる。2種類の動作が可能であり、図14(a)は、プリチャージ時、プレート(PL) を0V、ビット線(BLs)をVddに逆にプリチャージする。これにより、WL2を下げ、BS0を下げるだけで、プレートを駆動すること無く、選択した強誘電体キャパシタの両端にVddの電位が印加される。
【0092】
従来方式のメモリセルにおいては、セルトランジスタと強誘電体キャパシタが直列接続されており、スタンドバイ時、セルノードがフローティングであるため、プレートを0Vにしておかなければ、ジャンクションリークによりセル分極データが破壊されるし、ビット線電位も0Vにしておかなければ、トランジスタリークによりセル分極データが破壊される問題点があったが、先願のメモリセル構成においては、スタンドバイ時、セルトランジスタがONして、強誘電体キャパシタが常にショートされているため、プレート電位、ビット線電位に制限が無いメリットがあった。本実施形態のスタンドバイ時のプレート電位とビット線電位の逆プリチャージは、このメリットを生かしている。
【0093】
このような読み出し方式により、“1”データは図77(e)の(2)の点から(1)の点に、“0”データは(3)の点から(1)の転移に遷移して、分極データがビット線に読み出される(図77(e)において、x軸の極性は従来方式の説明と逆である)。その後、PLを初めて、Vddに上げると、“1”データは図77(e)の(1)の点から(3)の点に、“0”データも(1)の点から(3)の転移に遷移する。これにより、“1”データは、行き帰りで常誘電体成分がカットされ、残留分極成分:2Prだけビット線に信号として読み出される。“0”データは、(3)の点から、(1)の点に行き、(3)の点に単に戻るだけであるため、信号は読み出されない。結局、信号としては、ばらつきの多い常誘電体成分の無い、分極成分2Prだけとなり、ノイズがなくなる。
【0094】
この後、ビット線対の電位差をセンスアンプ回路で増幅する。プレートがVddのままにしておくと、0Vに下げられた“0”データの再書き込みが行われ、その後、プレートをVssに下げると、Vddに上げられた“1”データの再書き込みが行われ、再書き込みが終了する。その後、BS0を下げ、WL2を上げ、ビット線をVddにプリチャージしてアクティブ動作が終了する。つまり、本実施形態により、プレートは1回の上げ下げ動作だけで済み、高速化とばらつきキャンセルの両立が実現できる。
【0095】
図14(b)は、図14(a)に対しプレートとビット線の電位を完全に逆動作させた場合を示す。この方法においても、1度のプレート駆動で、2度プレート駆動したと同様に、常誘電体成分をキャンセルできる。プリチャージ時、プレート(PL)をVdd、ビット線(BLs)をVssに逆にプリチャージする。これにより、WL2を下げ、BS0を下げるだけで、プレートを駆動すること無く、選択した強誘電体キャパシタの両端にVddの電位が印加される。
【0096】
このような読み出し方式により、“1”データは図77(e)の(2)の点から(1)の点に、“0”データは(3)の点から(1)の転移に遷移して、分極データがビット線に読み出される。その後、PLを初めて、Vssに下げると、“1”データは図77(e)の(1)の点から(3)の点に、“0”データも(1)の点から(3)の転移に遷移する。
【0097】
これにより、“1”データは、行き帰で常誘電体成分がカットされ、残留分極成分:2Prだけビット線に信号として読み出される。“0”データは、(3)の点から、(1)の点に行き、(3)の点に戻るだけであるため、信号は読み出されない。結局信号としては、ばらつきの多い常誘電体成分の無い、分極成分2Prだけとなり、ノイズがなくなる。
【0098】
この後、ビット線対の電位差をセンスアンプ回路で増幅する。プレートがVssのままにしておくと、Vddに上げられた“1”データの再書き込みが行われ、その後、プレートをVddに上げると、Vssに下げられた“0”データの再書き込みが行われ、再書き込みが終了する。その後、BS0を下げ、WL2を上げ、ビット線をVssにプリチャージしてアクティブ動作が終了する。結局本発明により、プレートは一回の下げ上げ動作だけで済み、高速化とばらつきキャンセルの両立が実現できる。
【0099】
図14(a)(b)の方式は、先願の2T/2C方式(図15(a))にも適用できるし、プレート電極を分離した、本発明の方式(図15(b))にも適用できる。この場合、1T/1C,2T/2Cの両方が実現できる。
【0100】
(第8の実施形態)
図16は、本発明の第9の実施形態に係わるFRAMの動作を示す信号波形図である。図14、図15のプレート、ビット線逆プリチャージ方式適用時の、電源ON、電源OFF時の動作シーンケンスを示す。図16(a)は、図14(a)の場合を示し、図16(b)は図14(b)の場合を示す。
【0101】
図16(a)において、電源ON時は、電源が完全に立ち上がって、プレート電位をVssに保ちつつ、内部ノードが安定してから、ビット線電位(ビット線プリチャージ電源:VBL)をVddにすれば、セルデータが破壊されなく、電源OFF時は、VddがVccmin に下がる前にビット線電位(ビット線プリチャージ電源:VBL)をVssに下げれば、セルデータが破壊されない。
【0102】
図16(b)において、電源ON時は、電源が完全に立ち上がって、ビット線電位(ビット線プリチャージ電源:VBL)をVssに保ちつつ、内部ノードが安定してから、プレート電位をVddにすれば、セルデータが破壊されなく、電源OFF時は、VddがVccmin に下がる前にプレート電位をVssに下げれば、セルデータが破壊されない。
【0103】
(第10の実施形態)
図17は、本発明の第10の実施形態に係わるFRAMのセンスアンプ部構成を示す図である。図14(a)のプリチャージ時、プレートをVssに、ビット線をVddにする方式に適用できるセンスアンプ回路を示す。
【0104】
センスアンプ回路とは別に、ビット線をプリチャージするためのトランジスタが設けられており、プリチャージ時にEQL信号をLowレベルにすることにより、ビット線対をVddにプリチャージできる。
【0105】
(第11の実施形態)
図18は、本発明の第11の実施形態に係わるFRAMのセンスアンプ部構成を示す図である。図14(b)のプリチャージ時、プレートをVddに、ビット線をVssにする方式に適用できるセンスアンプ回路を示す。この例では、プリチャージ時EQL信号をHighレベルにすることにより、ビット線対をVssにプリチャージできる。
【0106】
(第12の実施形態)
ところで、プレート電位、ビット線電位プリチャージ方式は、先願に示したように、1個のメモリセルは、セルトランジスタと複数の抗電圧の異なる強誘電体キャパシタの並列接続で構成し、1つのメモリセルブロックは、このメモリセルを複数直接接続して、一端はブロック選択トランジスタを介してビット線に接続され、他端はプレートに接続されるメモリセルの構成して1個のメモリセルに2ビット以上の多ビットの情報を記憶させる方式に適用した場合、大幅に読み出し信頼性の向上と高速動作の両立が可能となる。これは、先願の多ビットセル方式においては、先願の1ビット方式よりも増して、強誘電体キャパシタの常誘電体成分のばらつきが大きく見え、これを抑制することが重要であるためである。
【0107】
図19は先願における多ビット/セル方式のセルブロック等価回路を示す。強誘電体キャパシタCaとCbでは、Caの抗電圧をVca、Cbの抗電圧をVcbとするとVca<Vcbの関係が成り立つ。図20は先願における図19のセル構造の断面図の一例を示している。CaとCbでは、Caの強誘電体キャパシタの膜厚をCbに比べ薄くすることにより実現できる。図21は、図19の多ビット/セル方式の動作を示す、理論上のヒステリシス曲線を示し、図22は実際のヒステリシス曲線を示す。
【0108】
図21を用いて簡単に動作を説明する。図21(a)は強誘電体キャパシタCaのヒステリシス曲線を示し、図21(b)は強誘電体キャパシタCbのヒステリシス曲線を示す。図21(c)は、CaとCbを並列接続した場合のヒステリシス曲線を示す。CaとCb各々に1ビットの情報を記憶する。
【0109】
図21(c)において、E''点はCa,Cb各々1データと1データ(=11)を記憶している点を示し同様に、F''点は10、C''点は01、A''点は00の結果として4つ状態を持ち、2ビットデータを記憶する。
【0110】
読み書き動作としては、Cbの抗電圧以下の電圧を並列強誘電体キャパシタに印加して、Caのデータを読み出し、その後、Cbの抗電圧以上の電圧を並列強誘電体キャパシタに印加して、Cbのデータを読み出し、再書き込みして、その後、Cbの抗電圧以下の電圧を並列強誘電体キャパシタに印加して、Caの再書き込みを行うわけである。
【0111】
しかしながら先願の多ビット/セル方式においては、Vca<Vcbを実現する場合、実際のCa,Cbのヒステリシス曲線は、図22(a)(b)示すように、CaとCbでは、抗電界が等しい強誘電体キャパシタ材料の膜厚を変えて構成した場合、厚みが異なる分だけ誘電率が異なり、Caの常誘電体キャパシタ成分が大きくなってしまう。結果として、CaとCbを並列接続したヒステリシス曲線(図22(c))は、2種類の常誘電体キャパシタ成分が交じり、読み出しマージンを劣化させてしまう。特に、Cbの読み出し時、Caの大きな常誘電体キャパシタ成分が混じり、常誘電体キャパシタ成分がばらつくと大きな問題点となる。
【0112】
上記したような多ビット/セル構成で、プレート駆動方式を採用する場合も、フォールデッドBL構成で、ダミーセルを利用する場合は、前記図1で示したように、プレート線を2種類に分けることにより、フローティングになるセルノードによるノイズをなくすことができる。図23は、本発明の第12の実施形態に係わるFRAMの強誘電体メモリセルブロックの断面図であり、2ビット/セルでプレートを2種類(PLBBL,PLBL)に分離した場合を示している。
【0113】
この実施形態では、膜厚が異なり、抗電圧が異なる強誘電体キャパシタを縦方向に形成した場合を示している。勿論、先願に示したように、膜厚が異なり抗電圧が異なる強誘電体キャパシタを横方向に積層した場合も、プレートを容易に分離できる。
【0114】
(第13の実施形態)
図24は、先願で説明したプレート駆動方式を適用した場合の多ビット/セルの動作の具体的な動作タイミングの例を示す。1回目のWL02がLowレベルになるとき、プレート(PL)及び、ビット線(/BL、BL)を小振幅動作させ、Caのデータのみ読み出しアレイ外で一時記憶する。その後、Caの“1”データと“0”データの両方場合での差をなくすため、強誘電体キャパシタに一定電圧を印加して、Caに“0”データを書き込む。
【0115】
2回目のWL02がLowレベルになるとき、プレート(PL)及び、ビット線(/BL、BL)を大振幅動作させ、Cbのデータの読み書きを行い、最後に、3回目のWL02がLowレベルになるとき、一時記憶しておいたCaデータをCaに再び書き込む。この場合、当然図22で説明した、常誘電体キャパシタ成分のノイズは大きなままである。なお、図中、(1)に示す1回〜3回目間で一々WL02とBS0をリセットせずに、WL02をLowのまま、BS0をHighのままでも動作可能である。
【0116】
図25は、本発明の第13の実施形態における駆動方式を示す動作タイミング図である。本実施形態では、1〜3回目でWL02をLowのまま、BS0をHighの間まで、しかも1回目のCaのデータ読み出し後、EQLをHighにしてビット線対(/BL,BL)をVssに落し、Caのデータをリセットした後もプレート(PL)を小振幅のHighのままにしておき、EQLをLowにして、ビット線のイコライズを解除した後、PLを大振幅のHigh電位にしてCbのデータを読み出している。これにより、図24に比べ余分なプレート動作をなくし、高速動作を実現できる。
【0117】
(第14の実施形態)
図26は、本発明の第14の実施形態を説明するためのもので、図25の動作及びその他の多ビット/セルの動作例の動作を実現するコア部回路構成を示している。
【0118】
図26(a)に示すように、2つの電源Va,Vbを用いて、φa,φbを切り換えることにより、図25に示すような小振幅と大振幅のプレート動作を実現できる。同様に、図26(b)に示すように、pMOSセンスアンプ回路の電源線(VSAH)をφsa,φsbを切り換えることにより、2つの電源Va,Vbに接続でき、図25に示すような、小振幅と大振幅のビット線動作を実現できる。信号RONに接続されるトランジスタと強誘電体キャパシタを用いて、1回目のCaのデータを蓄えるテンポラリイ・レジスタが容易に実現できる。
【0119】
図25に示すように、1回目のCaデータの読み出し動作時でビット線の増幅後、RONをHighにして、レジスタ内のキャパシタにCaのデータを書き込み、RONをLowにして保持する。例えば、RPL線をVaにしておけば、“0”データ側のビット線に接続される強誘電体キャパシタは分極反転、“1”側は非分極反転となり、データが保持できるわけである。3回目のCaデータ書き込み動作時としては、2回目のCbデータの読み書き終了後、EQLをHighにして、ビット線対をVssに落としてから、EQLをLowにして、ビット線対をVssにプリチャージした後、RONをHighにしてレジスタデータをビット線に読み出す。このとき、例えばRPL線をVa電位に設定しておけば、2個の強誘電体キャパシタの1個が分極反転読み出し、他方が非分極反転読み出しとなる。
【0120】
この後、ビット線を増幅して、Caデータをメモリセルに再書き込みする。データの再書き込みにおけるPL動作としては、図25の(2) に示すように、ビット線の増幅後、PLを上げ下げしてもよいし、図25の(1) に示すように、2回目の読み書き後のEQLをHighにした状態で、PLを前もって上げておいて、ビット線増幅後PLを下げてもよい。また、1回目のCaの読み出しときは、図25の(3) のように、図26(b)のφtiを上げたまま増幅してもよいし、図25の(4) のように、φtiを一旦下げて、センスアンプ内だけビット線を増幅してもよい。これは、セルアレイ内のビット線を増幅する必要をなくし、高速動作を可能にする。
【0121】
図25にカラム選択線(CSL)の動作例を示す。本多ビット/セル方式によりセンスアンプ部のビット線は小振幅、大振幅となるが、図25に示すように、/DQ,DQ線が大振幅のままの場合、CSLをHighにした場合、1回目に外部データから書き込みがあった場合、小振幅より大きな電位がセンスアンプのビット線に書き込まれる。これは、図26(a)の回路を用いて図25の(5) に示すようにCSL電位も小振幅、大振幅の2種類用意すれば回避できる。また、図25の(6) に示すようなCSLを大振幅のままにして、図26(a)のような回路で/BDQ,DQ線の書き込み時の振幅を2種類用意しても回避できる。
【0122】
ダミーセルとしては、強誘電体キャパシタを用いてもよいし、図27(c)(d)のような常誘電体キャパシタを用いてもよい。図27(c)の例では、ダミープレート線(DPL)の振幅電位を1回目と2回目の読み出しで、Va' ,Vb' と変えることにより、Ca,Cbの各々のセルに合わせてダミーセル電位をチューニングできる。図27(d)の例では、DPL電位は、1回目と2回目で変化させずとも、ダミーセル電位を変える例を示す。
【0123】
例えば、異なる容量の常誘電体キャパシタDC0,DC1を用意して、1回目の読み出し時にRST1をHigh、RST0をLowにして、DPLをHighにすると、常誘電体キャパシタCD0がビット線に読み出され、3回目の読み出し時にRST0をHigh、RST1をLowにして、DPLをHighにすると、常誘電体キャパシタDC1がビット線に読み出され、REFRENCE側のビット線電位を変えることができる。変形例として、RST1とRST0をHighにして、並列容量を用いることもできる。
【0124】
(第15の実施形態)
図28は、本発明の第15の実施形態に係わるFRAMの動作を説明するための動作タイミング図である。図24と異なる点は、プレート電極を1回目と2回目で、2度上げ下げしている点である。一度プレートを上げ下げしたあと読み出したデータをセンスアンプで増幅してやれば、常誘電体キャパシタ成分をキャンセルでき、特に多ビット/セル方式での2種類の常誘電体キャパシタ成分によるノイズをキャンセルでき、読み出しの信頼性が大幅に向上できる。なお、図24と同様に図28において、(1) に示す1回〜3回目間で一々WL02とBS0をリセットせずに、WL02をLowのまま、BS0をHighのままでも動作可能である。3回目にWL02を下げる時は、Caの再書き込みのみ行うため、プレートは一度だけ、上げ下げするだけで良い。
【0125】
このように、先願とダブルプレート方式を組み合わせると、先願1ビット当たり2F2 サイズ以下のメモリセルを実現しつつ、これの問題点である2種類の常誘電体キャパシタ成分によるノイズ、及び常誘電体キャパシタ成分のばらつき成分のノイズをキャンセルでき、高い信頼性を得ることが可能となる。
【0126】
(第16の実施形態)
図29及び図30は、本発明の第16の実施形態に係わるFRAMの動作を説明するための動作タイミング図であり、先願の多ビット/セル方式で、プレートの駆動回数を減らし高速動作を実現しつつ、2種類の常誘電体キャパシタ成分によるノイズ、及び常誘電体キャパシタ成分のばらつき成分のノイズをキャンセルでき、高い信頼性を得ることが可能とする動作を示す。原理的には、図14のプレートとビット線を逆にプリチャージする方式でこれを実現している。
【0127】
図29の例では、スタンドバイ時、ビット線を小振幅のHighレベルにプリチャージして、プレートをVssにプリチャージしておく。WL02,BS0選択後は、プレート駆動せずに、強誘電体キャパシタCaに電圧が印加され、Caのデータが読み出される。その後、プレートを小振幅のHighレベルにすると、常誘電体キャパシタ成分がキャンセルできる。
【0128】
その後、PLをLow、BLをHighにして、Caに一定電圧を印加して“0”,“1”データの差を無くし、BS0をLowレベルにして、セルブロックとビット線を分離する。この間に、ビット線を大振幅のHighレベルにプリチャージして2回目もBS0をHighレベルにするだけで、Cbの強誘電体キャパシタの分極データがビット線に読み出され、PLをHighレベルにして、常誘電体キャパシタ成分を無くし、その後センス動作させ、データの再書き込みをするため、PLをLowレベルにする。3回目は、Caの再書き込みのみ行うため、当然PLを1回上げ下げするだけで済む。なお、図中(1) 線に示すように1回目〜3回目でWL02を上げ直すのを省略できる。
【0129】
図30は図29と同様に、図14のプレートとビット線を逆にプリチャージする方式でこれを実現している。図30の例では、図29とプレートとビット線の電位が逆なだけであとは同じである。スタンドバイ時、ビット線をLowレベルにプリチャージして、プレートを小振幅のHighレベルにプリチャージしておく。WL02,BS0選択後は、プレート駆動せずに、強誘電体キャパシタCaに電圧が印加され、Caのデータが読み出される。その後、プレートをVssレベルにすると、常誘電体キャパシタ成分がキャンセルできる。
【0130】
その後、PLをHigh、BLをLowにして、Caに一定電圧を印加して“0”,“1”データの差を無くし、BS0をLowレベルにして、セルブロックとビット線を分離する。この間に、プレート線を大振幅のHighレベルにプリチャージして2回目もBS0をHighレベルにするだけで、Cbの強誘電体キャパシタの分極データがビット線に読み出され、PLをLowレベルにして、常誘電体キャパシタ成分を無くし、その後センス動作させ、データの再書き込みをするため、PLをHighレベルにする。3回目は、Caの再書き込みのみ行うため、当然PLを1回下げ上げするだけで済む。なお、図中(1) 線に示すように1回目〜3回目でWL02を上げ直すのを省略できる。
【0131】
(第17の実施形態)
図31及び図32は、本発明の第17の実施形態に係わるFRAMの動作を説明するためのもの動作タイミング図であり、図29及び図30の効果を実現しつつ、さらにPL駆動回数を減らし高速化を実現している。
【0132】
図31の例では、スタンドバイ時、ビット線を小振幅のHighレベルにプリチャージして、プレートをVssにプリチャージしておく。WL02,BS0選択後は、プレート駆動せずに、強誘電体キャパシタCaに電圧が印加され、Caのデータが読み出される。その後、プレートを小振幅のHighレベルにすると、常誘電体キャパシタ成分がキャンセルできる。
【0133】
その後、PLをHighのまま、BL対をLowにして、Caに一定電圧を印加して“0”,“1”データの差を無くし、BS0をLowレベルにして、セルブロックとビット線を分離する。この間に、プレート線を大振幅のHighレベルにして2回目もBS0をHighレベルにするだけで、Cbの強誘電体キャパシタの分極データがビット線に読み出され、PLをLowレベルにして、常誘電体キャパシタ成分を無くし、その後センス動作させ、データの再書き込みをするため、PLをHighレベルにする。そして、BS0をLowにして、ビット線をVssにプリチャージし、プレートを小振幅のHighレベルにする。BS0をHighにして3回目を行う。PLを小振幅のHighからVssにするだけでCaの再書き込みができる。なお、図中(1) 線に示すように1回目〜3回目でWL02を上げ直すのを省略できる。
【0134】
図32の例では、スタンドバイ時、プレート線を小振幅のHighレベルにして、ビット線をVssにプリチャージしておく。WL02,BS0選択後は、プレート駆動せずに、強誘電体キャパシタCaに電圧が印加され、Caのデータが読み出される。その後、プレートをVssレベルにすると、常誘電体キャパシタ成分がキャンセルできる。
【0135】
その後、PLをLowのまま、BL対を小振幅のHighレベルにして、Caに一定電圧を印加して“0”,“1”データの差を無くし、BS0をLowレベルにして、セルブロックとビット線を分離する。この間に、ビット線対を大振幅のHighレベルにして2回目もBS0をHighレベルにするだけで、Cbの強誘電体キャパシタの分極データがビット線に読み出され、PLを大振幅のHighレベルにして、常誘電体キャパシタ成分を無くし、その後センス動作させ、データの再書き込みをするため、PLをVssレベルにする。そして、BS0をLowにして、ビット線を小振幅のHighレベルにプリチャージする。BS0をHighにして3回目を行う。PLをVssレベルから小振幅のHighレベルするだけでCaの再書き込みができる。なお、図中(1) 線に示すように1回目〜3回目でWL02を上げ直すのを省略できる。
【0136】
(第18の実施形態)
図33は、本発明の第18の実施形態に係わるFRAMの動作を説明するための動作タイミング図である。これは、ビット線とプレート線の逆プリチャージ方式とダブルプレート方式の組み合わせた場合を示す。
【0137】
図33では、Caの読み出しは、ビット線を小振幅のHighレベルにプリチャージし、プレート線をVssに逆にプリチャージする方式を適用し、Cbの読み書きでは、ビット線とプレート線をVssにプリチャージした後に行い、ダブルプレート方式を適用している。Caの再書き込みでは、プレートの上げ下げで再書き込みを行う。本実施形態の特徴は、1回目〜3回目間で、BS0とWL02の上げ下げを省略できる点である。
【0138】
(第19の実施形態)
図34は、本発明の第19の実施形態に係わるFRAMの動作を説明するための動作タイミング図である。これは、ビット線とプレート線の逆プリチャージ方式とダブルプレート方式の組み合わせた場合を示す。
【0139】
図34では、Caの読み出しは、プレート線を小振幅のHighレベルにプリチャージし、ビット線をVssに逆にプリチャージする方式を適用し、Cbの読み書きでは、ビット線とプレート線をVssにプリチャージした後に行い、ダブルプレート方式を適用している。Caの再書き込みでは、プレートの上げだけで再書き込みを行う。本実施形態の特徴は、1回目〜3回目間で、BS0とWL02の上げ下げを省略できる点である。
【0140】
(第20の実施形態)
図35は、先願におけるその他の問題点を示す図である。先願の1個のメモリセルは、セルトランジスタと強誘電体キャパシタの並列接続で構成され、1つのメモリセルブロックは、この並列接続のメモリセルを複数直列接続する構成において、読み出したデータと逆データを書き込む場合、選択したセルブロック内の非選択メモリセルにおいて、原理的には、非選択のONしているセルトランジスタによって、非選択の強誘電体キャパシタはショートとされ、安定な状態を保つはずではある。しかし実際には、非選択のONしているセルトランジスタのON抵抗の存在によって、僅かではあるが短時間の間、非選択の強誘電体キャパシタの両端に電圧が印加されてしまう。
【0141】
先願においては、セルブロック内のメモリセル数を増やすとこのノイズが低減されると述べているが、これだけでは、不十分である。図35は、先願の逆データ書き込み時の、ビット線の立ち上がり立ち下がり遷移時間と、このノイズ関係を示している。このように、非選択のメモリセルデータを安全に保持するには、常にある程度書き込み時間を長くする必要がある。
【0142】
図36は、上記の問題を解決した本発明の第20の実施形態を説明するためのもので、書き込み時間緩和方式を示す。ここでは2つの方法が含まれている。
【0143】
第1の方法は、メモリセルアレイ内のビット線(BBL,BL)とセンスアンプ部のビット線(BBLSA,BLSA)の間にトランジスタ(Q9,Q10)を挿入する方法である。メインアンプ(Main Amp)のライトバッファ(Write Buffer)から逆データを書き込む場合、BDQ,DQ線を通して、センスアンプ(Sense Amp )部のフリップフロップを反転して、反転データがBBL,BLに書き込まれる。この場合、トランジスタ(Q9,Q10)のON抵抗と、大きな容量のあるセルアレイ側のビット線(BBL,BL)の容量とのRC時定数により、BBL,BLの書き込みの遷移時間が緩和される。これにより、ノイズが低減できる。
【0144】
第2の方法は、メインアンプ(Main Amp)のライトバッファ(Write Buffer)から逆データを書き込む場合、ライトバッファに駆動能力の異なる、2種類以上のドライバを持たせ、さらに2種類以上のドライバ各々を駆動させる時間をずらす方法である。この実施形態の例では、駆動能力の小さいドライバでまず最初弱い力でBDQ,DQ線を駆動して、ある程度ビット線(BBLSA,BLSA,BBL,BL)のHighレベルを下げ、Lowレベルを上げる。次に、時間をずらして、大きなドライバを駆動させて、ビット線を反転させ、緩やかにビット線を反転させてデータ書き込みを行い、前述の書き込みノイズを低減する。
【0145】
その他、3種類以上のバッファを用いたり、同じサイズのバッファを時間をずらして用いても効果がある。さらに、1種類のバッファを用いて、バッファの駆動トランジスタのゲート電圧を緩やかに、或いは段階的に上げてもよいし、さらに、逆データを書き込む前に、一度BDQ,DQ或いはビット線をショートしてから、逆データを書き込んでも良いし、上記各手法を組み合わせてもよい。
【0146】
(第21の実施形態)
図37は、本発明の第21の実施形態を説明するための図である。これは、図36のライトバッファのより具体的な構成例を示す。図37(a)はトランジスタサイズの異なる2種類のクロックドインバータを示し、図37(b)はこれを時間を遅らせて駆動する信号線の遅延回路例を示す。また、図37(c)はこれらのタイミングチャートを示す。
【0147】
(第22の実施形態)
図38は、本発明の第22の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、図3の実施形態の等価回路を実現するメモリセルブロックの具体的なレイアウト図を示す。図38では、ビット線(M2層)、ワード線(GC層)、拡散層(AA層)、セル配線層(MI層)、強誘電体キャパシタの下部電極(BE層)、上部電極(TE層)、Dタイプトランジスタ用イオン注入用レイヤー層(Dimp層)、M1−M2間コンタクト、TE−M1間コンタクト、BE−M1間コンタクトを示している。
【0148】
図39、図40は、図38におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示してある。図41は、図38のレイアウトのA−A′間、B−B′間、C−C′間、D−D′間の断面例を示す。TE,BEは、その上に形成したM1層からTE−M1間コンタクト、BE−M1間コンタクトを介して接続されている。M1層はAA−M1間コンタクトを介してAA層と接続される。
【0149】
図38に示すように、M2−M1間は、AA−M1間コンタクト、M1−M2間コンタクトとM1層を介して接続されている。図38〜図41において、セル内部ノード接続用配線M1は、強誘電体キャパシタ形成工程後に形成しているため、抵低抗の金属配線が適用でき、このM1配線はプレート配線にも適用できている。プレート駆動方式においては、負荷容量の大きいプレート線を駆動するため、プレート配線の金属化が必須であるが、このセル構造では、容易にプレート配線の低低抗化が可能でプレート駆動時間の短縮が図れる。
【0150】
特に、図38〜図41の構成では、M1のAl配線或いはCu配線が可能で、大幅なアクセスタイム,サイクルタイムの短縮がはかれる。その大きな理由は、従来のセルトランジスタと強誘電体キャパシタを直列接続するメモリセルにおいては、セル毎にプレート配線が必要で、セル内で、セル内部ノード接続用の配線層とプレート配線層を共有することは面積的に損であったし、共有せずにBE層などでプレート線を構成すると抵抗が高いためにプレート駆動時間が非常に長くなっていた。プレート専用の金属配線を設けると、プロセスコストが増加する問題点があった。
【0151】
先願のメモリセルでは、プレート配線はセルブロック毎に0.5本(隣と共有)、1本或いは2本で済む。図38〜図41のプレート配線部のように、2本のプレート線PLBBL,PLBLのM1層は1ビット線毎に、下部電極(BE)とBE−M1コンタクトを取れば、容易に図3の等価回路が実現できる。図41の断面図に示すように、BE層をビット線方向に隣接したセルブロックと接続してやれば、プレート線の隣接セルブロック間での共有が容易に実現できる。
【0152】
(第23の実施形態)
図42は、本発明の第23の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、図38のレイヤー構成、デバイス構造で、プレート分離を行わない場合、即ち先願の図79の等価回路を実現するメモリセルブロックの具体的なレイアウト図を示している。プレート線及び、その接続部周辺を除いて、図38と同じであり、効果も同様である。
【0153】
図42は、ビット線(M2層)、ワード線(GC層)、拡散層(AA層)、セル配線層(M1層)、強誘電体キャパシタの下部電極(BE層)、上部電極(TE層)、Dタイプトランジスタ用イオン注入レイヤー層(Dimp層)、M1−M2間コンタクト、TE−M1間コンタクト、BE−M1間コンタクトを示している。
【0154】
図43、図44は、図42におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示してある。図45は、図42のレイアウトのA−A′間、B−B′間の断面例を示す。TE、BEは、その上に形成したM1層からTE−M1間コンタクト、BE−M1間コンタクトを介して接続されている。M1層はAA−M1間コンタクトを介してAA層と接続される。
【0155】
図38に示すように、M2−M1間は、AA−M1間コンタクト、M1−M2間コンタクトとM1層を介して接続されている。図42〜図45において、セル内部ノード接続用配線M1は、強誘電体キャパシタ形成工程後に形成しているため、低抵抗の金属配線が適用でき、このM1配線は、プレート配線にも適用できている。プレート駆動方式においては、負荷容量の大きなプレート線を駆動するため、プレート配線の金属化が必須であるがこのセル構造では、容易にプレート配線の低抵抗化が可能でプレート駆動時間の短縮が図れる。
【0156】
特に、図43〜図45の構成では、M1のAl配線或いはCu配線が可能で、大幅なアクセスタイム,サイクルタイムの短縮がはかれる。大きな理由は、従来のセルトランジスタと強誘電体キャパシタを直列接続するメモリセルにおいては、セル毎にプレート線が必要で、セル内で、セル内部ノード接続用の配線層とプレート配線層を共有することは面積的に損であったし、共有せずにBE層などでプレート線を構成すると抵抗が高いためにプレート駆動時間が非常に長くなっていた。プレート専用の金属配線を設けると、プロセスコストが増加する問題点があった。
【0157】
先願のメモリセルでは、プレート配線はセルブロック毎に0.5本(隣と共有)或いは1本で済む。図43〜図45のプレート配線部のように、1本のプレート線PLのM1層は下部電極(BE)とBE−M1コンタクトを取れば、容易に図79の等価回路が実現できる。図45の断面図に示すように、BE層をビット線方向に隣接したセルブロックと接続してやれば、プレート線の隣接セルブロック間での共有が容易に実現できる。
【0158】
(第24の実施形態)
図46は、本発明の第24の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、図38のレイヤー構成、デバイス構造で、図42と同様にプレート分離を行わない場合、即ち先願の図79の等価回路を実現するメモリセルブロックの具体的なレイアウト図を示している。効果も図42と同様である。図46は、ビット線(M2層)、ワード線(GC層)、拡散層(AA層)、セル配線層(M1層)、強誘電体キャパシタの下部電極(BE層)、上部電極(TE層)、Dタイプトランジスタ用イオン注入用レイヤー層(Dimp層)、M1−M2間コンタクト、TE−M1間コンタクト、BE−M1間コンタクトを示している。
【0159】
図47、図48は、図46におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示してある。図42と異なる点は、図46に示すように、ビット線BBLに接続されるセルブロックは図42と同じで、ビット線BLに接続されるセルブロックにおいては、上部電極(TE)と下部電極(BE)の位置が1セル分ビット線方向にずれている点である。図42に比べ、隣接したセルブロック間で下部電極や、上部電極や、それらのコンタクト間の距離が図46の方が遠くなるため、これらのルールでセルサイズが律則される場合、図46の方がセルサイズが縮小できることになる。
【0160】
(第25の実施形態)
図49は、本発明の第25の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、図5の実施形態のダミーセルブロックの等価回路を実現する具体的なレイアウト図を示している。レイヤー構成、セル構造は、図38と同一である。図49は、ビット線(M2層)、ワード線(GC層)、拡散層(AA層)、セル配線層(M1層)、強誘電体キャパシタの下部電極(BE層)、上部電極(TE層)、Dタイプトランジスタ用イオン注入用レイヤー層(Dimp層)、M1−M2間コンタクト、TE−M1間コンタクト、BE−M1間コンタクトを示してしる。
【0161】
図50、図51は、図49におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示してある。図49〜図51において、セル内部ノード接続用配線M1は、強誘電体キャパシタ形成工程後形成しているため、低抵抗の金属配線が適用でき、このM1配線は、ダミーセルブロック用のプレート配線にも適用できているためダミーセルのプレートも高速に駆動できる。
【0162】
(第26の実施形態)
図52は、本発明の第26の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、図4の実施形態の等価回路を実現するメモリセルブロックの具体的なレイアウト図を示している。図52は、ビット線(M2層)、ワード線(GC層)、拡散層(AA層)、セル配線層(M1層)、強誘電体キャパシタの下部電極(BE層)、上部電極(TE層)、Dタイプトランジスタ用イオン注入用レイヤー層(Dimp層)、M1−M2間コンタクト、TE−M1間コンタクト、BE−M1間コンタクトを示している。
【0163】
図53、図54は、図52におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示してある。
【0164】
図55は、図52のレイアウトのA−A′間、B−B′間、C−C′間、D−D′間の断面例を示す。TE,BEは、その上に形成したM1層からTE−M1間コンタクト、BE−M1間コンタクトを介して接続されている。M1層はAA−M1間コンタクトを介してAA層と接続される。図52に示すように、M2−M1間は、AA−M1間コンタクト、M1−M2間コンタクトとM1層を介して接続されている。
【0165】
図52〜図55において、セル内部ノード接続用配線M1は、強誘電体キャパシタ形成工程後形成しているため、低抵抗の金属配線が適用でき、プレート駆動を高速化できる。図52〜図55においては、Dタイプ用イオン注入マスクは不要となる。これは図55に示すように、M1配線を用いて、通過のブロック選択トランジスタのソースとドレインを接続しているからである。Dタイプトランジスタの反転層容量が無い分、非選択セルブロック部のビット線容量が減る効果がある。更に図55に示すように、通過のブロック選択トランジスタをフィールドトランジスタ化すればさらに容量が低減できる。
【0166】
(第27の実施形態)
図56は、本発明の第27の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成を示す断面図である。等価回路的には、図3と同じである。ワード線上に、同じピッチで、Al,Cu等の金属配線(図中Metal1)を配設し、ワード線と一定間隔おきにシャント(スナップとも言う)をとり、抵抗の高いワード線材料によるワード線遅延を減らすことができる。このワード線シャント用のメタル配線はそのまま、プレート配線として用いることできる。さらに、上部電極を隣接セルブロックでつなげることにより、PLBBLとPLBLを隣接セルブロックで共有化している。
【0167】
図56では、プレートをPLBBL、PLBLの2種類に分けた図3の方式の例である。図中上の図(a)と下の図(b)は1ビット線毎に交代、或いは2ビット線毎に交代となる。これは、プロセスコストを増加させずに、プレート駆動遅延を低減できる。プレートを (1/2)Vddに固定する方式に適用しても、プレート電極の電位の安定に寄与できる。
【0168】
(第28の実施形態)
図57は、本発明の第28の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成を示す断面図である。等価回路的には、図3と同じである。図56と異なる点は、ビット線用金属配線(Metal2)と金属配線(Metal1)の形成工程が逆になった点である。
【0169】
(第29の実施形態)
図58は、本発明の第29の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成を示す断面図である。等価回路的には、図3と同じである。図56と異なる点は、ビット線層を形成後に強誘電体キャパシタを形成した点、更にその後にワード線シャント用、プレート配線用兼用のメタル配線層を形成した点である。
【0170】
(第30の実施形態)
図59は、本発明の第30の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成を示す断面図である。等価回路的には、図3と同じである。図58と異なる点は、ワード線シャント方式を用いるのではなく、メイン・ロウ・デコーダとサブ・ロウ・デコーダを用いて、階層ワード線方式を採用した場合を示している。これにより、金属配線(Metal1)はメインワード線として用い、Metal1のピッチをワード線ピッチの2倍〜8倍と緩和できる。(図の例では4倍)。当然にこの例でも、メインワード線とプレート配線は同じMetal1を兼用できている。
【0171】
(第31の実施形態)
図60は、本発明の第31の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成を示す断面図である。これは、図79の等価回路で、ワード線シャント用メタル配線(Metal1)を採用した例である。この場合でもプレート配線もMetal1を利用できている。
【0172】
図60の下の2個の図は、上の図の2個所(ワード線部、プレート部)で切った場合のワード線方向の断面図(A−A′,B−B′)を示す。ワード線は、シャント部で、ワード線層とMetal1層をコンタクトし、プレート部では、1ビット線毎にMetal1とプレート電極とコンタクトを取っている。
【0173】
(第32の実施形態)
図61は、本発明の第32の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成を示す断面図である。これは、図79の等価回路で、ワード線シャント用メタル配線(Metal1)を採用した例である。図60との違いは、Metal1と強誘電体キャパシタの間にビット線層を形成した点である。この場合でもプレート配線もMetal1を利用できている。
【0174】
図61の下の2個の図は、上の図の2個所(ワード線部、プレート部)で切った場合のワード線方向の断面図(A−A′,B−B′)を示す。ワード線は、シャント部で、ワード線層とMetal1をコンタクトし、プレート部もシャント部でMetal1とプレート電極とコンタクトを取っている。
【0175】
(第33の実施形態)
図62及び図63は、本発明の第33の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成を示す断面図である。
【0176】
図62は、図79の等価回路で、階層ワード線及び、更にカラム選択線用のメタル配線層(CSL)を追加した場合を示す。勿論、図3のプレートの分離方式も実現できる。図63は、図79の等価回路で、ワード線シャント方式及び、更にカラム選択線用のメタル配線層(CSL)を追加した場合を示す。勿論、図3のプレート分離方式も実現できる。
【0177】
(第34の実施形態)
図64は、本発明の第34の実施形態に係わるFRAMのセル構成を示す断面図である。図56から図63の例では、強誘電体キャパシタ部の構造や配線接続の概念図示しか示していないが、本実施形態の図64(a)〜(f)は図56から図63の例や、先願例に適用できる、強誘電体キャパシタ部の詳細配線構成を示す。
【0178】
(a)は、強誘電体膜61に上部電極62を形成して、その後にセルトランジスタと上部電極を接続する配線63を形成した例を示す。(b)は、(a)に加えて、トランジスタ形成後、Siプラグ、Wプラグ等のプラグ64を形成し、その上に下部電極65を形成した例を示す。(c)は、(b)に加えて、プラグと下部電極65の間に、強誘電体材料の拡散等を防ぐバリア層66を形成した例を示す。
【0179】
(a)〜(c)の例では、上部電極62を形成後、絶縁膜を被せ、上部電極62と配線63との接続は、セルトランジスタとのコンタクト開口後、又は開口前、エッチバックやCMP等で、この絶縁膜を削り上部電極を露出させ、配線63を形成し、配線63と上部電極62を接続して形成している。これに対し(d)の例では、絶縁膜形成後、コンタクトホールを上部電極上と、セルトランジスタの拡散層上に開け、配線63で接続している。
【0180】
(e)の例では、(c)のプラグ形成後、配線63とセルトランジスタの拡散層との接続部でもプラグ67を形成して、コンタクトホールのアスペクト比を小さくしている。(f)の例では、(e)の例に加え、強誘電体キャパシタ膜を隣接セルで接続した例を示す。強誘電体膜厚/上部電極間距離の比が小さい場合や、分極量の異方性が大きい場合に適用できる。(a)〜(f)の例では、各種変形を順に加えた場合を示したが、これに限らず、自由に各種変形を組み合わせることができる。
【0181】
(第35の実施形態)
図65〜図68は、本発明の第35の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成を示す断面図である。
【0182】
図65は、図4の等価回路で、隣接したセルノードを同時に形成し、その間に強誘電体キャパシタを形成した場合で、更にワード線シャント用とプレート配線兼用のメタル配線を形成した場合を示す。図66は、図79の等価回路で、隣接したセルノードを同時に形成し、その間に強誘電体キャパシタを形成した場合で、更にワード線シャント用とプレート配線兼用のメタル配線を形成した場合を示す。
【0183】
図67は、図4の等価回路で、隣接したセルノードを同時に形成し、その間に強誘電体キャパシタを形成した場合で、更に階層ワード線のメインワード線とプレート配線兼用のメタル配線を形成した場合を示す。図68は、図79の等価回路で、隣接したセルノードを同時に形成し、その間に強誘電体キャパシタを形成した場合で、更に階層ワード線のメインワード線とプレート配線兼用のメタル配線を形成した場合を示す。
【0184】
(第36の実施形態)
図69は、本発明の第36の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、メモリセルアレイとプレート駆動回路ブロックを示している。これは、図3の方式に適用できる。プレート駆動回路は、1つのセルブロックに2個必要で、隣接セルブロックでプレート線を共有しているため、結局1個のセルブロックに対して1個のみ必要となる。従来の分割プレート方式の様に、1本のワード線に対して、1個のプレート駆動線が必要なものと比べて大幅にプレート駆動回路数を低減し、チップサイズの減少を可能にする。
【0185】
さらに、図38〜図68で示したプレート配線抵抗の大幅低減によるプレート遅延低減効果にも増して本実施形態においてはさらにプレート駆動遅延を低減できる。プレート遅延は、負荷容量と抵抗のRC遅延で決まり、負荷容量は、セル内の寄生容量より、容量の大きい強誘電体キャパシタの容量で決まる。即ち、従来セルでも、セルを複数直列接続する先願、本発明のセルでも負荷容量はさして変わらない。これは、先願、本発明セルでは、非選択セルは、ショートされており容量が見えないためである。これに比べて、抵抗成分は、プレート線の配線抵抗とプレート駆動回路のプレート線駆動の最終段のドライバトランジスタのON抵抗で決まる。
【0186】
本実施形態においては、プレート線配線の低抵抗化の効果と、プレート駆動回路の大幅な低減による、プレート駆動回路のドライバトランジスタサイズの大型化を可能にし、ON抵抗の大幅な低減を可能にする。結局、RC遅延のCはほぼ変わらず、Rの大幅な低減を可能にするわけである。
【0187】
(第37の実施形態)
図70は、本発明の第37の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、メモリアレイとロウ・デコーダとプレート駆動回路を示している。この実施形態は、プレートを分離しない2T/2C方式で、プレート駆動する場合に適用できる。この場合は、図69と比べ更に、プレート駆動回路数を半減して、2セルブロックに1個の割合で配置でき、プレート駆動回路のドライバトランジスタサイズを大きくでき、更なる高速化が実現できる。
【0188】
(第38の実施形態)
図71は、本発明の第38の実施形態に係わるFRAMの回路構成を示す図である。これは、メモリセルトランジスタとブロック選択トランジスタを従来のnMOSで構成するのではなく、nMOSとpMOSを並列接続で構成する場合を示す。
【0189】
このような構成であれば、ワード線、ブロック選択線をVdd以上に昇圧することなく動作でき、低電圧動作や、ロジックやその他との混載メモリとして利用する場合に有効となる。この例では、2個の強誘電体キャパシタで1ビットのデータ記憶させる方式を示しており、ブロック選択線は1種類である。なお、/WLiとWLi、/BSとBSは逆電圧の相補信号である。
【0190】
(第39の実施形態)
図72は、本発明の第39の実施形態に係わるFRAMの回路構成を示す図である。これは、メモリセルトランジスタとブロック選択トランジスタを従来のnMOSで構成するのではなく、nMOSとpMOSを並列接続で構成する場合を示す。
【0191】
このような構成であれば、ワード線、ブロック選択線をVdd以上に昇圧することなく動作でき、低電圧動作や、ロジックやその他との混載メモリとして利用する場合に有効となる。この例では、1個の強誘電体キャパシタで1ビットのデータ記憶させる方式をしめしており、ブロック選択線は2種類である。なお、/WLiとWLi、/BSとBSは逆電圧の相補信号である。プレート線は、図79のような1種類の場合( (1/2)Vdd固定プレート方式)と、図4のような分離した場合の2種類の場合(プレート駆動方式)が適用できる。
【0192】
(第40の実施形態)
図73は、本発明の第40の実施形態に係わるFRAMの回路構成を示す図である。これは、セルブロックはワード線方向に1配列しか無い小さいメモリの場合を示している。この場合、ブロック選択トランジスタは省略できる。
【0193】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【0194】
【発明の効果】
以上詳述してきたように本発明によれば、不揮発性で、平面トランジスタで容易化に製造でき、しかも、ランダムアクセル機能を保ちつつ、4F2 サイズの高集積化を実現できつつ、(1)1T/1C型で、プレート駆動方式が適用でき、高密度で低電圧動作が可能となる。さらに、(2)強誘電体キャパシタの常誘電体成分のばらつきを抑制しつつ、高速動作が可能となる。さらに、(3)書き込み時のノイズを低減できる。さらに、(4)プレート駆動方式でも、プロセスコスト、チップサイズ小さく抑えつつ、高速動作が可能となる。(5)さらに、セルをCMOS化することにより、ワード線、ブロック選択線の昇圧を不要にできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図2】第1の実施形態の具体的な動作例を示すタイミング図。
【図3】第2の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図4】図3の変形例を示す回路構成図。
【図5】第3の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図6】図5の構成の動作例を示すタイミング図。
【図7】第4の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図8】図7の構成の動作例を示すタイミング図。
【図9】第5の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図10】第6の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図11】図9、図10の構成の動作例を示すタイミング図。
【図12】第7の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図13】図12の構成の動作例を示すタイミング図。
【図14】第8の実施形態に係わるFRAMの動作方式を示すタイミング図。
【図15】先願の2T/2C方式の構成を示す回路構成図。
【図16】第9の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図17】第10の実施形態に係わるFRAMのセンスアンプ部構成を示す図。
【図18】第11の実施形態に係わるFRAMのセンスアンプ部構成を示す図。
【図19】先願における多ビット/セル方式のセルブロック等価回路図。
【図20】図19のセル構造の断面の一例を示す図。
【図21】図19の多ビット/セル方式の動作におけるヒステリシス曲線を示す図。
【図22】実際のヒステリシス曲線を示す図。
【図23】第12の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロック構成を示す断面図。
【図24】先願で説明したプレート駆動方式を適用した場合の多ビット/セルの動作の具体的な動作例を示すタイミング図。
【図25】第13の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図26】第14の実施形態を説明するためのコア部回路構成を示す図。
【図27】第14の実施形態を説明するためのコア部回路構成を示す図。
【図28】第15の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図29】第16の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図30】第16の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図31】第17の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図32】第17の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図33】第18の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図34】第19の実施形態の動作を示すタイミング図。
【図35】先願におけるその他の問題点を示す図。
【図36】第20の実施形態における書き込み時間緩和方式を示す図。
【図37】第21の実施形態におけるライトバッファのより具体的な構成例を示す図。
【図38】第22の実施形態を説明するためのもので、図3の実施形態の等価回路を実現するメモリセルブロックの具体的なレイアウト図。
【図39】図38におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図40】図38におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図41】図38のレイアウトのA−A′間、B−B′間、C−C′間、D−D′間の断面例を示す図。
【図42】第23の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの具体的なレイアウト図。
【図43】図42におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図44】図42におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図45】図42のレイアウトのA−A′間、B−B′間の断面例を示す図。
【図46】第24の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの具体的なレイアウト図。
【図47】図46におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図48】図46におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図49】第25の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、図5のダミーセルブロックの等価回路を実現する具体的なレイアウト図。
【図50】図49におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図51】図49におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図52】第26の実施形態に係わるFRAMを説明するためのもので、図4の等価回路を実現するメモリセルブロックの具体的なレイアウト図。
【図53】図52におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図54】図52におけるレイアウトを分りやすいように分けて表示した図。
【図55】図52のレイアウトのA−A′間、B−B′間、C−C′間、D−D′間の断面例を示す図。
【図56】第27の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。。
【図57】第28の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図58】第29の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図59】第30の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図60】第31の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図61】第32の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図62】第33の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図63】第33の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図64】第34の実施形態に係わるFRAMのセル構成を示す断面図。
【図65】第35の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図66】第35の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図67】第35の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図68】第35の実施形態に係わるFRAMのメモリセルブロックの構成例を示す断面図。
【図69】第36の実施形態に係わるFRAMのメモリセルアレイとプレート駆動回路の構成を示す図。
【図70】第37の実施形態に係わるFRAMのメモリアレイとロウ・デコーダ及びプレート駆動回路の構成を示す図。
【図71】第38の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図72】第39の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図73】第40の実施形態に係わるFRAMを示す回路構成図。
【図74】従来のDRAMのメモリセル、従来FRAMのメモリセル、フォールデッドBL構成を示す図。
【図75】電圧−蓄積電荷の関係と電圧−分極量の関係を示す図。
【図76】従来のFRAMにおける動作例を示すタイミング図。
【図77】従来FRAMの動作を説明するための図。
【図78】先願発明のメモリセルの構成回路と動作例を示す図。
【図79】先願発明のメモリセルの構成回路と動作例を示す図。
【図80】先願発明のメモリセルの構成回路と動作例を示す図。
【符号の説明】
BSi,BSij,/BSi…ブロック選択線
Pwell…p型ウェル
+ …n型拡散層
SA…センスアンプ
Φti…セルアレイ−センスアンプ分離信号
EQL…ビット線イコライスズ信号
CSL…カラム選択線
DWLi…ダミーワード線
SEN…nMOSセンスアンプ制御線
/SEP…pMOSセンスアンプ制御線
Ci…カップリング容量
VBL…ビット線プリチャージ信号
DBSi…ダミーセル用ブロック選択線
F…最小加工寸法
Ps…飽和分極(Saturation Polarization )
Pr…残留分極(Remnat Polarization )
Vc…抗電圧(Coercive Voltage)
RST…リセット線
WQni,WQmi…トランジスタのチャネル幅
BDQ,DQ…データ線
WENB,/WENB,/WENBD,WENBD…データ書き込み制御信号
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device using a ferroelectric capacitor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a nonvolatile memory (FRAM: Ferroelectric RAM) using a ferroelectric capacitor (Ferroelectric Capacitor) has attracted attention as one of semiconductor memories. This FRAM is non-volatile and has the advantages such as the number of rewrites of 10 12, read and write times of DRAM, low voltage operation of 3V to 5V, etc., and thus may replace the entire memory market. At the current academic level, 1 Mbit FRAM has been announced (H. Koike et al., 1996 IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Paper, pp. 368-369, Feb, 1996).
[0003]
The cell size of FRAM cells has been reduced by the two-transistor + 2-capacitor configuration from the initial SRAM + Shadow Memory configuration, and the simplification and miniaturization of the cell configuration with the era as in the development of DRAM. FIG. 74 (a) shows a conventional DRAM 1-transistor + 1-capacitor memory cell, and FIG. 74 (b) shows a conventional FRAM 1-transistor + 1-capacitor memory cell. Obviously, the conventional FRAM 1-transistor + 1-capacitor memory cell is no longer the same as the 1-transistor + 1-capacitor configuration in which the DRAM transistor and capacitor are connected in series.
[0004]
A different point is that a normal capacitor is used as a capacitor in the DRAM as shown in the voltage-accumulated charge relationship in FIG. 75A, whereas a voltage-polarization amount relationship in FIG. 75B is used in the FRAM. As described above, a ferroelectric material having a hysteresis characteristic is used. Therefore, the cell array configuration is the same as that of the DRAM, a folded BL configuration as shown in FIG. 74C is adopted, and the minimum cell size is 2F × 4F = 8F.2It is difficult to make it smaller. Here, F indicates a minimum processing dimension.
[0005]
Forcibly 4F2As an example of realizing the size, there are examples using vertical transistors and vertical TFTs (Thin Film Transistor) (K. Sunouchi et al, 1998 IEEE IEDM Digest of Technical Paper, pp. 23-26, Dec, 1989). Exists but is very difficult to manufacture. In addition, cell transistors are connected in series, and a capacitor is connected between them and between PL and approximately 4F.2(N. cell) has also been proposed (T. Hasegawa et al, 1993 IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Paper, pp. 46-47, Feb, 1993). Not very versatile.
[0006]
Thus, in the conventional FRAM cell, (1) small 4F2There is a first problem that the three points of (2) a memory cell having a size, (2) a planar transistor that is easy to manufacture, and (3) a versatile random access function cannot be achieved.
[0007]
In terms of the operation method, in the DRAM, the plate electrode at one end of the capacitor is fixed to (1/2) Vdd, but in the FRAM, the only difference is that it varies between 0 V and Vdd. Also in this regard, a method of changing the plate electrode as shown in FIG. 76 (a) (T. Sumi et al, 1994 IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Paper, pp. 268-269, Feb, 1994). 76), the plate electrode is fixed to (1/2) Vdd (H. Koike et al., 1996 IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Paper). pp.368-369, Feb, 1996, or K. Takeuchi et al., IEICE Trans, Electron., Vol. E79-C, No. 2, Feb, 1996).
[0008]
In the method of driving the plate electrode between 0 V and Vdd, since many memory cells are connected to the plate electrode, the load capacity is large, and the driving time is very long, the access time and cycle time are longer than those of the conventional DRAM. The current situation is that the operation of both is slow. The method of fixing the plate to (1/2) Vdd does not need to drive a plate having a heavy load capacity, and can therefore achieve an access time and cycle time equivalent to those of a DRAM.
[0009]
However, as shown in FIG. 74 (b), the conventional FRAM memory cell has a configuration in which a transistor and a ferroelectric capacitor are connected in series like the DRAM, and the storage node (SN) is a standby after power-on. Sometimes floating. Therefore, when “1” data is held in SN, SN falls to Vss due to a junction leak at the pn junction of the cell transistor, so that the cell information is destroyed when the pre-rate electrode is fixed to (1/2) Vdd. Therefore, in the (1/2) Vdd cell plate system, a refresh operation similar to that of the DRAM is required, and the problem of an increase in power and the cell leak specification are severe, making it difficult to manufacture.
[0010]
As described above, the conventional FRAM has the second problem that it is difficult to achieve both high-speed operation (PL potential fixed) and refresh unnecessary.
[0011]
The conventional FRAM also has the following problems. 77 (a) shows the standby state of the conventional FRAM, FIG. 77 (b) shows the operation of the PL drive system, and FIG. 77 (d) shows the locus on the hysteresis curve at the time of reading. In the conventional readout method, when the saturation polarization amount is Ps and the residual polarization amount is Pr, as shown in FIG. 77 (d), “1” data is Ps + Pr, “0” data is Ps−Pr, and the difference Is the signal amount (half of that for 1T / 1C). However, the ferroelectric capacitor has a large variation in the paraelectric component due to manufacturing variation or the like, which greatly deteriorates the read margin. For example, in “1” data, Ps−Pr of Ps + Pr is a paraelectric component, and in “0” data, the entire signal is a paraelectric component. Particularly in the case of a ferroelectric material such as PZT, since the value of the dielectric constant itself is large, the absolute value of variation is also a problem.
[0012]
FIG. 77 (c) shows a conventional method for solving this problem. At the time of reading, PL is raised from Vss to Vdd, and further lowered from Vdd to Vss, and then the sense amplifier is operated to amplify the signal. FIG. 77 (e) shows the locus on the hysteresis curve at the time of reading. The “1” data (point (2)) is inverted once and comes to the position (1), but comes to the position (3) by lowering the PL. Therefore, in the “1” data, the paraelectric component is cut back and forth, and the remanent polarization component: 2Pr is read as a signal to the bit line. Since the “0” data simply goes from the point (3) to the point (1) and returns to the point (3), no signal is read out. Eventually, the signal is only the polarization component 2Pr having no paraelectric component with many variations, and noise is eliminated.
[0013]
However, in this method, as shown in FIG. 77 (c), in order to rewrite data, it is necessary to raise and lower PL twice in order to raise PL again and lower PL. ) Has a problem that the access time and cycle time become very long.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, in the conventional FRAM, a small 4F2There is a first problem that it is not possible to achieve both the size memory cell, the easy-to-manufacture planar transistor, and the versatile random access function. Furthermore, it is difficult to achieve both high-speed operation (PL potential fixation) and refresh unnecessary. There was a second problem. In addition, there has been a problem that the operation becomes slow when an attempt is made to suppress variations in the paraelectric component of the ferroelectric capacitor.
[0015]
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its object is to use 4F without using a vertical transistor or the like.2An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device that can realize a memory cell of a size and can also maintain a random access function.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of achieving both high-speed operation by fixing the plate potential and no need for refresh.
[0017]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that can suppress variations in the paraelectric component of a ferroelectric capacitor without causing a decrease in operating speed.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
(Constitution)
In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.
[0019]
  (1) A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. In addition, a memory cell block selection transistor is connected to at least one end of the plurality of serially connected ones to form a memory cell block. One end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line.A plurality of memory cell blocks are arranged to form a cell array.A semiconductor memory device,The bit lines are paired with twoConnected to the same sense amplifier circuit and connected to each of the two bit lines forming the pair.Same word line groupThe two memory cell blocks connected to each other are connected to the first plate line and the second plate line of different signals, respectively.
[0020]
(2)A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, A memory cell block selection transistor is connected to at least one end of a plurality of serially connected memory cells to form a memory cell block. One end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. A semiconductor memory device in which a plurality of blocks are arranged to constitute a cell array, each of the memory cell blocks in which a plurality of first plate lines and second plate lines are alternately arranged in the word line direction. Connected toIt is characterized by that.
[0021]
(3)A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, A memory cell block selection transistor is connected to at least one end of a plurality of serially connected memory cells to form a memory cell block. One end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. A semiconductor memory device in which a plurality of blocks are arranged to constitute a cell array, and each of the memory cell blocks in which a plurality of first plate lines and second plate lines are alternately arranged every two in the word line direction. Connected toIt is characterized by that.
[0022]
  (4) A memory cell is constituted by a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series to constitute a memory cell block. A semiconductor memory device comprising a cell array in which a plurality of the memory cell blocks are arranged, and a write buffer for writing data to the memory cell from the outside, wherein the write buffer includes a first write transistor, a first write transistor, From the writing transistorDriving forceA second writing transistor having a large current is provided, and at the time of writing, the time for starting driving the second writing transistor is delayed compared to the time for starting driving the first writing transistor.
[0023]
(Five) A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, A memory cell block is formed by connecting a memory cell block selection transistor to at least one end of a plurality of serially connected ones, and one end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. The device is the device, wherein the plate line is formed of the same metal wiring layer as that connecting the cell transistor and the ferroelectric capacitor.It is characterized by that.
[0024]
(6)A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. A memory cell block is formed by connecting a memory cell block selection transistor to at least one end of a plurality of serially connected ones, and one end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. The same metal wiring layer as the first metal wiring layer for word line snap, which is formed in an upper layer than the gate wiring layer of the word line and contacts the gate wiring layer at a first interval. In contact with the wiring layer of the plate line at every second intervalIt is characterized by that.
[0025]
(7)A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. A memory cell block selection transistor is connected to at least one end of a plurality of serially connected memory cells to form a memory cell block. One end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. A semiconductor memory device comprising a plurality of blocks and constituting a cell array, wherein a drive circuit for driving the plate line is arranged in the bit line direction for every one or every two of the memory cell blocks.It is characterized by that.
[0026]
(8)A semiconductor memory device comprising a memory cell comprising an nMOS transistor, a pMOS transistor, and a ferroelectric capacitor, wherein the source of the nMOS transistor, the source of the pMOS transistor, and one end of the ferroelectric capacitor are connected, and the nMOS transistor And the other end of the ferroelectric capacitor are connected to each other.It is characterized by that.
[0027]
  (9) A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. In addition, a memory cell block selection transistor is connected to at least one end of the plurality of serially connected ones to form a memory cell block, and a plurality of the memory cell blocks are arranged to form a cell array, and one end of the memory cell block is a bit. Connected to the wire, the other end is connected to the plate wire,Furthermore,Word lineConnected toSub-row decoder and the sub-row decoderConnectedA semiconductor memory device having a main word line, wherein the main word line is formed of the same wiring layer as the metal wiring layer of the plate line.
[0028]
  (10) A memory cell is composed of a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, the memory cells are connected in series, and the plurality of memory cells are connected in series. A semiconductor memory device in which a memory cell block is configured by connecting a memory cell block selection transistor to at least one end of the semiconductorCapacitorsA first contact connecting the lower electrode and the source terminal; a first metal wiring layer connected via a second contact from the upper electrode of the ferroelectric capacitor; and a third contact connecting the drain terminal. And at least part of the first contact and the third contact are formed by the same process.
[0029]
  (11) A memory cell is composed of a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. A semiconductor memory device in which a memory cell block is configured by connecting a memory cell block selection transistor to at least one end of the semiconductorCapacitorsA first contact connecting the lower electrode and the source terminal; a first metal wiring layer connected via a second contact from the upper electrode of the ferroelectric capacitor; and a third contact connecting the drain terminal. And the first contact and the third contact are made of different materials.
[0030]
  (12) A memory cell is composed of a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, the memory cells are connected in series, and the plurality of memory cells are connected in series. A semiconductor memory device in which a memory cell block is configured by connecting a memory cell block selection transistor to at least one end of the semiconductorCapacitorsA first contact connecting the lower electrode and the source terminal; a first metal wiring layer connected via a second contact from the upper electrode of the ferroelectric capacitor; and a third contact connecting the drain terminal. Contact, and the first contact and the third contact are made of at least two kinds of materials.Different materials are stackedIt is formed.
[0031]
  (13) A memory cell is composed of a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. A semiconductor memory device in which a memory cell block is configured by connecting a memory cell block selection transistor to at least one end of the semiconductorCapacitorsThe contact layer connecting the lower electrode and the source or drain terminal has at least two different material layers.Formed by stackingIt is characterized by that.
[0036]
(Function)
Above(1) ~ (3) Therefore, even if the PL driving method is adopted in the 1T / 1C configuration by dividing the PL line, the block selection transistor is not turned on and the cell data is not read while being connected to the selected word line. Since the PL line connected to the cell block is not driven, the potential of the floating node in the cell block from which cell data is not read does not change, and polarization data does not decrease.
[0038]
Said(Four) According to the present invention, since the writing speed is slow, noise at the time of writing data peculiar to the ferroelectric memory can be reduced.
[0039]
Said(Five) According to the above, since the PL wiring can be configured using the metal wiring connecting the cell transistor and the ferroelectric capacitor, the resistance of the PL wiring can be reduced, and the RC delay of the PL wiring in the PL driving method can be shortened.
[0040]
Said(6) According to the above, since the PL wiring can be configured using the metal wiring for word line snap, the resistance of the PL wiring can be reduced, and the RC delay of the PL wiring in the PL driving method can be shortened.
[0041]
Said(7) Accordingly, the size of the plate line drive transistor of the plate line drive circuit can be increased, the ON resistance of this transistor can be reduced, and the RC delay of the PL wiring in the PL drive system can be shortened.
[0042]
Said(8) The memory cell transistor and block selection transistor can be made full CMOS, the threshold voltage does not drop, data can be read / written without boosting the word line and block selection line to Vdd or higher, A circuit is unnecessary, and reliability can be improved and mixed loading can be facilitated.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the contents of the prior application already proposed by the present inventors will be described.
[0044]
For the first and second major problems described above, the present inventor is a nonvolatile ferroelectric memory, and (1) a small 4F23 size memory cell, (2) easy-to-manufacture planar transistor, and (3) general-purpose random access function, and the PL potential is fixed. A semiconductor memory device that can be held and does not require a refresh operation has been proposed (Japanese Patent Application No. 9-153137).
[0045]
An outline of the prior application will be briefly described. 78, 79, and 80 show a configuration circuit and an operation example of the memory cell of the prior invention. In the prior application, one memory cell is constituted by parallel connection of a cell transistor and a ferroelectric capacitor, and one memory cell block is formed by connecting a plurality of parallel-connected memory cells in series, and one end is a block selection. It is connected to the bit line through the transistor, and the other end is connected to the plate. With this configuration, while using a planar transistor, 4F2A memory cell of a size is realized.
[0046]
As shown in FIG. 78A, at the time of standby, all the cell transistors are turned on, and the block selection transistors are turned off. By doing so, both ends of the ferroelectric capacitor are electrically short-circuited by the cell transistor that is turned on, so that a potential difference between both ends does not occur. Therefore, the polarization data “1” is stably held at the “1” point of the hysteresis curve in FIG. 78A, and the polarization data “0” is stably held at the “0” point of the hysteresis curve. As a result, cell data is safe regardless of whether there is any leakage current such as pn junction leakage during standby, plate driving method is 0V to Vdd driving method, or (1/2) Vdd fixed method. Retained.
[0047]
As shown in FIG. 78B, when active, only the cell transistor connected in parallel to the ferroelectric capacitor to be read is turned OFF, and the block selection transistor is turned ON. At this time, the potential difference between PL and BL is applied only to both ends of the ferroelectric capacitor connected in parallel to the OFF cell transistor, and the polarization information of the ferroelectric capacitor is read to the bit line. Therefore, even if memory cells are connected in series, by selecting an arbitrary word line, cell information of an arbitrary ferroelectric capacitor is read, and complete random access can be realized. Thereby, the open BL system can be realized by the cell block shown in FIG. 78 as described in the prior application.
[0048]
Further, two cell blocks shown in FIG. 78 are paired and each is connected to one of the bit line pairs (/ BL, BL), and two cell blocks connected to the same word line in two cell blocks. If a memory cell is assembled and 1 bit is stored in a 2 transistor / 2 ferroelectric capacitor (= 2T / 2C), a folded BL system can be realized as described in the previous application.
[0049]
Further, as shown in FIG. 79A, two block selection transistors are connected in series, and one of them is a D (Depletion) type transistor, and one of the block selection transistors (BS0, BS1) is set to “H”. Then, only the data of one of the two cell blocks is read out to the bit line, and if the other of the bit line pair is used as a reference bit line, the folded BL method can be realized.
[0050]
FIGS. 79B and 79C show an example of operation of the folded BL system. As described in the previous application, the (1/2) Vdd fixed plate electrode method (FIG. 79 (b)) and the drive plate electrode method (FIG. 79 (c)) can be applied.
[0051]
However, even in the prior application, there are inconveniences in some operation modes as shown in FIG. FIG. 80 shows a comparison table between the conventional FRAM and the prior application. In the conventional FRAM, only the PL driving method having a slow operation can be applied to both the 2T / 2C cell and the 1T / 1C cell, and the (1/2) Vdd fixed PL method requires a refresh operation. On the other hand, in the cell system of the prior application, both the high-speed (1/2) Vdd fixed PL system and the PL driving system can be applied to both 2T / 2C cells and 1T / 1C cells. However, with the 1T / 1C cell, the PL driving method has a problem of generating large noise in operation.
[0052]
This problem will be described with reference to FIG. For example, when WL2 is selected and MC1 is read / written, WL2 is changed from High to Low, the cell transistor is turned ON, BS0 is changed from Low to High, and the block selection transistor Q1 is turned ON. After that, PL is changed from Low to High.
[0053]
The PL potential is applied to one end of the ferroelectric capacitor of MC1, and the bit line (/ BL) potential is applied to the other end of the ferroelectric capacitor of MC1, so that / BL is precharged to Vss. In this case, by changing PL from Vss to Vdd, a potential difference of Vdd−Vss is applied to both ends of the ferroelectric capacitor, and polarization data is read out. At this time, BS1 is at the low level, and the block selection transistor Q2 remains OFF, so that the cell information of MC2 is not read out to the bit line BL. Therefore, the folded BL system can be taken with the BL side as the reference bit line.
[0054]
However, since one end of the ferroelectric capacitor of MC2 is connected to PL, one end of the ferroelectric capacitor of MC2 also rises from Vss to Vdd. At this time, the nodes n2 to n3 connected to the other end (n1) of MC2 and the non-selected cell transistor that is turned on become floating because the cell transistor connected to WL2 is turned off. Therefore, since parasitic capacitance (assuming the total is Ctot) always exists in n1 to n3, when PL changes from Vss to Vdd, these nodes are not connected to both ends of the ferroelectric capacitor by 0V but Ctot. A potential difference of / (CMC2 + Ctot) × Vdd is generated. That is, there is a problem that the potential of n1 to n3 does not change from Vss to Vdd due to the parasitic capacitance, and the potential is slightly lowered, resulting in noise and partial polarization data being destroyed.
[0055]
As described in the previous application, (1/2) Vdd fixed method also causes n1 to n3 to float, but because the PL potential does not move, n1 to n3 fluctuate due to leakage, etc. only during the active time. If there is no problem. Since the active time is usually tRCmax = 10 μs, this time is short and causes no problem.
[0056]
As described above, in the ferroelectric memory of the prior application, it is possible to realize high integration while facilitating manufacture and maintaining the random accelerator function, further enabling reduction of bit line capacity and low noise, and high speed. However, when the plate driving method is applied with a 1 transistor + 1 capacitor configuration, noise due to floating exists. The present invention also solves such a problem.
[0057]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0058]
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a signal waveform diagram showing a specific operation example of the embodiment. In this embodiment, as in the prior application, one memory cell is configured by parallel connection of a cell transistor and a ferroelectric capacitor, and one memory cell block includes a plurality of memory cells connected in parallel. One end is connected to the bit line via the block selection transistor, and the other end is connected to the plate. With this configuration, using a planar transistor, 4F2A memory cell of a size can be realized.
[0059]
As shown in FIG. 1, when two block selection transistors are connected in series, one of them is a D-type transistor and one of the block selection transistors (BS0, BS1) is set to High, one of the two cell blocks Only the data is read out to the bit line, and a folded BL system in which the other of the bit line pair is the reference bit line can be realized, and 1T data is stored by one cell transistor and one ferroelectric capacitor. / 1C cell can be configured.
[0060]
This embodiment is different from the prior application in that one type of plate line is separated into two types of plate lines (PLBBL, PLBL) in the present embodiment. The plate line PLBBL is connected to the cell block connected to the BBLi (BBL0, BBL1) side of the bit line pair, and the plate line PLBL is connected to the cell block connected to the BLi (BL0, BL1) side of the bit line pair. Are connected.
[0061]
By separating the plate lines in this way, as shown in FIG. 2B, when selecting a cell in the cell block on the BBLi side during operation, only PLBBL is driven from 0V → Vdd → 0V to obtain cell data. Since the plate line PLBL connected to the cell block connected to the BLi side serving as the reference bit line remains at 0V, the cell node that becomes floating remains at 0V, and the conventional polarization data is partially destroyed. This problem can be avoided in this embodiment.
[0062]
Even if the cell node is floating, if the plate line is 0V, the cell node always becomes 0V due to leakage of the pn junction between the cell node and the substrate (or well) biased to 0V. The potential difference remains 0V and the polarization data is preserved. According to the present embodiment, it is possible to realize a PL driving method capable of low voltage operation with a high density 1T / 1C configuration, while avoiding the problem of polarization data destruction due to floating.
[0063]
In the configuration of the present invention, not only the 1T / 1C configuration but also the 2T / 2C configuration can be realized. In this case, as shown in FIG. 2A, the block selection signals BS0 and BS1 are both set to a high level during operation, both the cell blocks connected to the bit line pair BBLi and BLi are selected, and both the plate line and the PLBBL and PLBL are selected. This can be achieved by operating.
[0064]
Also, the method shown in FIGS. 2A and 2B can be realized in the same chip. Thus, for example, even when a 2T / 2C configuration product is sold, there is a merit that the test can be operated in the 1T / 1C configuration and an evaluation test can be performed for each ferroelectric capacitor. When two plate lines are connected for each cell block, the chip area increases correspondingly. However, as shown in the figure, if two cell blocks adjacent in the bit line direction share the plate line, Substantially one plate line connection is made for each cell block, and an increase in area can be suppressed.
[0065]
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to the second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment shown in FIG. 1 is that the number of cells connected to the cell block is increased from four to eight. Even in this case, the same effect as the first embodiment can be obtained. Thus, the number of cells can be arbitrarily designed as 4, 8, 16, 32, and 64. As the number of cells in the cell block increases, the effect of increasing the chip area due to plate separation can be reduced.
[0066]
FIG. 4 is a modification of FIG. 3 and shows a case where the D-type transistor is not used but this transistor is eliminated and the source side and the drain side are directly connected. Even in this case, the operation is the same as in FIG. 2, and the same effect as in FIGS. Further, the bit line capacitance can be reduced because there is a merit that the capacitance of the D-type transistor portion of the unselected cell block cannot be seen as the bit line capacitance.
[0067]
(Third embodiment)
5 to 13 show third to seventh embodiments of the present invention, which are embodiments in which a dermicel portion is added to the configuration of FIG. Of course, these embodiments can avoid the problem of polarization data destruction due to floating, as in FIG. Of course, the configurations of FIGS. 3 and 4 can be applied, and the number of cells in the cell block can be arbitrarily designed.
[0068]
FIG. 5 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to the third embodiment of the present invention, and shows a ferroelectric memory cell block and a Tammy cell configuration. Similarly to the memory cell, the dummy cell is composed of a parallel connection of a ferroelectric capacitor and a cell transistor, and a plurality of these are connected in parallel like the memory cell to constitute a dummy cell block. In this embodiment, one dummy cell block is shared by the bit line pair (BBLi, BLi). For example, when reading cell data to BBLi, if DBS0 is set to high level, the dummy cell is connected to BLi on the reference bit line side, and when reading cell data to BLi, when DBS1 is set to high level, the dummy cell becomes the reference bit. Connected to BBLi on the line side.
[0069]
FIG. 6 shows an operation example of the configuration of FIG. FIG. 6A shows a 1T / 1C configuration and a plate driving method. WL2 and DWL2 are set to the low level, BS0 and DBS0 are set to the high level, the memory cell and the dummy cell are connected to the bit line, one of the memory cell block plate lines (PLBBL, PLBL), and the dummy cell block plate By driving the line (DPL), cell data and dummy cell data are read out to the bit line. After reading and writing data, BS0 is lowered, WL2 is raised, and the bit line is precharged to Vss, so that "0" data is rewritten in the dummy cell by keeping DWL low and DBS0 high. Thereafter, by lowering DBS0 and raising DWL2, the active operation ends.
[0070]
If the area of the ferroelectric capacitor of the dummy cell is designed to be larger than the area of the ferroelectric capacitor of the memory cell, the “0” data of the dummy cell may be between “0” data and “1” data of the memory cell. Yes, it can be a standard.
[0071]
FIG. 6B shows the case of (1/2) Vdd fixed plate system operation, and the operation is the same as FIG. 6A except that the plate is fixed.
[0072]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to the fourth embodiment of the present invention, and shows a ferroelectric memory cell block and a dummy cell configuration. The difference from FIG. 5 is that a reset transistor (Q3, Q4) and a reset signal (RST) are added in the dummy cell block. As an effect of this embodiment, there is a merit that the cycle time is shortened as compared with FIG. An example of the operation is shown in FIG.
[0073]
FIG. 8B shows a 1T / 1C configuration and a plate driving method. WL2 and DWL2 are set to the low level, BS0 and DBS0 are set to the high level, the memory cell and the dummy cell are connected to the bit line, one of the memory cell block plate lines (PLBBL, PLBL), and the plate line for the dummy cell block By driving (DPL), cell data and dummy cell data are read out to the bit line.
[0074]
Thereafter, before or after the operation of the sense amplifier, DBS0 is lowered, the dummy cell block and the bit line are separated, and the plate line at one end of the plurality of dummy cell blocks connected in series is kept high, and the RST line is raised. The other end is dropped to Vss1, a potential difference of Vdd is applied to both ends of the ferroelectric capacitor of the selected dummy cell, and "0" data is rewritten to the dummy cell. The reference potential can be set not only by the area of the ferroelectric capacitor of the dummy cell but also by freely designing the dummy plate potential and the reset potential (Vss1).
[0075]
Thereafter, the active operation is completed by lowering the RST line, lowering the plate line (DPL), and raising DWL2. The (re) write operation of the memory cell and the reset operation of WL2 and BS0 can be performed in parallel with the dummy cell operation, and it is not necessary to perform the rewrite operation of the dummy cell after resetting WL2 and BS0 as shown in FIG. Time can be shortened.
[0076]
FIG. 8A shows the case of (1/2) Vdd fixed plate system operation, and the operation is the same as FIG. 8B except that the plate is fixed.
[0077]
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to the fifth embodiment of the present invention, and shows a ferroelectric memory cell block and a dummy cell configuration. In this embodiment, a paraelectric capacitor is used for the dummy cell.
[0078]
When a paraelectric capacitor is used as in this embodiment, there is a demerit that the dummy cell capacitor area is large, but fatigue, relaxation (depolarization), imprint and other film degradation are small (no), and the reference potential is stable. There is merit to become. The dummy cell in FIG. 9 includes a paraelectric capacitor, transistors (Q5, Q6) that short-circuit the capacitor, a signal line (RST) that controls the paraelectric capacitor, and a selection transistor (Q7, Q8) connected to one of the bit line pairs. ), Its control lines (DWL0, DWL1), and a plate line (DPL).
[0079]
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to the sixth embodiment of the present invention, and shows a ferroelectric memory cell block and a dummy cell configuration. In this embodiment, a dummy cell using a paraelectric capacitor is used as in FIG.
[0080]
This embodiment is different from the dummy cell of FIG. 9 in that the RST signal is not used to short-circuit the paraelectric capacitor, but one end of the paraelectric capacitor is connected to the plate and the other end is connected to the RST signal. The level is to connect to an arbitrary potential Vss1 to reset the paraelectric capacitor to the potential difference of DPL-Vss1. First, FIG. 9 and FIG. 10 can perform the same operation as shown in FIG.
[0081]
FIG. 11A shows the case of the plate driving method with the 1T / 1C configuration. WL2 is set to Low level, BS0 is set to High level, the memory cell is connected to the bit line, and DWL0 is set to High level to connect the dummy cell to the reference bit line. Thereafter, one of the cell block plate lines (PLBBL, PLBL) is driven to read the cell data to the bit line. The dummy cell is driven by the dummy cell plate line (DOPL), and the capacitor coupling causes reference The bit line is set to a desired potential. Thereafter, DWL0 is lowered, the DPL line is set to Vss, and the RST line is set to a high level, whereby the potential difference of the paraelectric capacitor of the dummy cell can be reset to 0V, and the active operation ends.
[0082]
FIG. 11B shows the case of (1/2) Vdd fixed plate system operation, and the operation is the same as FIG. 11A except that the plate is fixed. However, the plate of the dummy cell is driven because it uses capacitor coupling. It is also possible to fix the dummy cell plate line to (1/2) Vdd (or an arbitrary potential). For example, in FIG. 9, during standby, DPL is set to (1/2) Vdd, and RST When DWL0 is lowered, both ends of the paraelectric capacitor are (1/2) Vdd. Therefore, when DWL0 is raised, the reference bit line potential is automatically raised by capacitor coupling, and the operation becomes possible.
[0083]
In the example of FIG. 10, in order to keep both ends of the paraelectric capacitor at (1/2) Vdd during standby, not only DPL but also Vss1 is set to (1/2) Vdd. There is a need.
[0084]
(Seventh embodiment)
FIG. 12 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to the seventh embodiment of the present invention, and shows a ferroelectric memory cell block and a dummy cell configuration. In this embodiment, as in FIGS. 9 and 10, a dummy cell using a paraelectric capacitor is used, but a dummy cell is formed by a plate line (DPL), a paraelectric capacitor and a selection transistor, and a reset transistor. Is omitted. The merit of FIG. 12 is that a reset transistor and a reset signal are not required and the number of elements can be minimized. An example of this operation is shown in FIG.
[0085]
FIG. 13A shows a 1T / 1C configuration and a plate driving method. WL2 is set to the L0w level and BS0 is set to the high level, and the memory cell is connected to the bit line. At the same time, among the dummy cell selection lines DWL0 and DWL1, which are both at the high level during standby, only the bit-side selection line from which cell data is read is lowered from the high level to the low level, and the paraelectric capacitor is set to the reference bit line. Connect to only.
[0086]
Thereafter, one of the cell block plate lines (PLBBL, PLBL) is driven to read the cell data to the bit line, and the dummy cell is driven by the dummy cell plate line (DPL) by capacitor coupling. The bit line is set to a desired potential. After the sensing operation, DPL is lowered, and then both dummy cell selection lines DWL0 and DWL1 are returned to High. When the bit line is precharged to Vss after writing the cell data, both ends of the paraelectric capacitor are automatically reset to 0V because DWL1 and DWL0 are High.
[0087]
FIG. 13B shows the case of (1/2) Vdd fixed plate system operation, and the operation is the same as FIG. 13A except that the plate is fixed. However, it is necessary to drive the plate line of the dummy cell.
[0088]
(Eighth embodiment)
FIG. 14 is a signal waveform diagram showing an operation method of the FRAM according to the eighth embodiment of the present invention.
[0089]
In the present embodiment, as in the previous application, one memory cell is configured by parallel connection of a cell transistor and a ferroelectric capacitor, and one memory cell block includes a plurality of memory cells connected in parallel. One end is connected to the bit line via the block selection transistor, and the other end can be applied to the memory cell connected to the plate, and controls variations in the paraelectric component of the ferroelectric capacitor compared to the previous application method. However, high speed operation is possible.
[0090]
As shown in FIG. 77, in the single plate method (FIG. 77 (b)), it is sufficient to operate the plate electrode once in the operation of Vss → Vdd → Vss, but as shown in FIG. 77 (d). As described above, when the saturation polarization amount is Ps and the residual polarization amount is Pr, the “1” data is Ps + Pr, the “0” data is Ps−Pr, and the difference is the signal amount (half of that in 1T / 1C). . However, the ferroelectric capacitor has a large variation in the paraelectric component due to manufacturing variations and the like, and this has a problem of greatly degrading the read margin.
Furthermore, in the conventional double plate method (FIG. 77 (c)) that solves this problem, the plate voltage is operated twice as Vss → Vdd → Vss → Vdd → Vss during operation, as shown in FIG. As described above, the paraelectric component can be canceled on the way back and forth, and there is a merit that the problem of variation can be canceled. However, since it is necessary to raise and lower the PL twice, there is a problem that the access time and cycle time become very long. there were.
[0091]
On the other hand, in FIG. 14, the paraelectric component can be canceled by one plate drive, as in the case of two plate drives. Two types of operations are possible. In FIG. 14A, during precharging, the plate (PL) is precharged to 0V and the bit lines (BLs) are precharged to Vdd. As a result, the potential of Vdd is applied to both ends of the selected ferroelectric capacitor without driving the plate only by lowering WL2 and lowering BS0.
[0092]
In a conventional memory cell, a cell transistor and a ferroelectric capacitor are connected in series, and since the cell node is floating during standby, cell polarization data is destroyed by junction leakage unless the plate is set to 0V. However, if the bit line potential is not set to 0 V, there is a problem that the cell polarization data is destroyed due to transistor leakage. However, in the memory cell configuration of the prior application, the cell transistor is turned on during standby. In addition, since the ferroelectric capacitor is always short-circuited, there is an advantage that the plate potential and the bit line potential are not limited. The reverse precharge of the plate potential and the bit line potential during standby according to the present embodiment takes advantage of this merit.
[0093]
With such a reading method, “1” data changes from the point (2) in FIG. 77E to the point (1), and “0” data changes from the point (3) to the transition (1). Thus, the polarization data is read out to the bit line (in FIG. 77 (e), the x-axis polarity is opposite to that of the conventional method). Thereafter, when PL is raised to Vdd for the first time, “1” data is changed from point (1) to (3) in FIG. 77 (e), and “0” data is changed from point (1) to (3). Transition to transition. As a result, the paraelectric component of data “1” is cut back and forth, and the remanent polarization component: 2Pr is read as a signal to the bit line. Since the “0” data simply goes from the point (3) to the point (1) and returns to the point (3), no signal is read out. Eventually, the signal is only the polarization component 2Pr having no paraelectric component with many variations, and noise is eliminated.
[0094]
Thereafter, the potential difference between the bit line pair is amplified by a sense amplifier circuit. If the plate is left at Vdd, "0" data is rewritten to 0V. After that, when the plate is lowered to Vss, "1" data is rewritten to Vdd. The rewriting is finished. Thereafter, BS0 is lowered, WL2 is raised, the bit line is precharged to Vdd, and the active operation ends. That is, according to the present embodiment, the plate only needs to be raised and lowered once, and both high speed and variation cancellation can be realized.
[0095]
FIG. 14B shows a case where the potentials of the plate and the bit line are completely reversed with respect to FIG. Also in this method, the paraelectric component can be canceled by one plate drive as in the case of two plate drives. When precharging, the plate (PL) is precharged to Vdd and the bit line (BLs) is precharged to Vss. As a result, the potential of Vdd is applied to both ends of the selected ferroelectric capacitor without driving the plate only by lowering WL2 and lowering BS0.
[0096]
With such a reading method, “1” data changes from the point (2) in FIG. 77E to the point (1), and “0” data changes from the point (3) to the transition (1). Thus, the polarization data is read out to the bit line. Thereafter, when PL is lowered to Vss for the first time, “1” data is changed from point (1) to (3) in FIG. 77 (e), and “0” data is changed from point (1) to (3). Transition to transition.
[0097]
As a result, the paraelectric component of data “1” is cut back and forth, and the remanent polarization component: 2Pr is read as a signal to the bit line. Since the “0” data only goes from the point (3) to the point (1) and returns to the point (3), no signal is read out. Eventually, the signal is only the polarization component 2Pr having no paraelectric component with many variations, and noise is eliminated.
[0098]
Thereafter, the potential difference between the bit line pair is amplified by a sense amplifier circuit. If the plate is left at Vss, the “1” data raised to Vdd will be rewritten, and then if the plate is raised to Vdd, the “0” data lowered to Vss will be rewritten. The rewriting is finished. Thereafter, BS0 is lowered, WL2 is raised, the bit line is precharged to Vss, and the active operation ends. In the end, according to the present invention, the plate needs only to be lowered once, and both high speed and variation cancellation can be realized.
[0099]
14 (a) and 14 (b) can be applied to the 2T / 2C method (FIG. 15 (a)) of the prior application, and the method of the present invention (FIG. 15 (b)) in which the plate electrode is separated. Is also applicable. In this case, both 1T / 1C and 2T / 2C can be realized.
[0100]
(Eighth embodiment)
FIG. 16 is a signal waveform diagram showing the operation of the FRAM according to the ninth exemplary embodiment of the present invention. FIG. 14 shows an operation scene sequence when the power supply is turned on and off when the plate and bit line reverse precharge method of FIG. 14 and FIG. 15 is applied. FIG. 16 (a) shows the case of FIG. 14 (a), and FIG. 16 (b) shows the case of FIG. 14 (b).
[0101]
In FIG. 16A, when the power supply is turned on, the power supply is completely raised and the plate potential is kept at Vss, and the internal node is stabilized, and then the bit line potential (bit line precharge power supply: VBL) is set to Vdd. Then, the cell data is not destroyed, and when the power is turned off, the cell data is not destroyed if the bit line potential (bit line precharge power supply: VBL) is lowered to Vss before Vdd is lowered to Vccmin.
[0102]
In FIG. 16B, when the power supply is turned on, the power supply is completely started up and the bit line potential (bit line precharge power supply: VBL) is kept at Vss while the internal node is stabilized, and then the plate potential is changed to Vdd. Then, the cell data is not destroyed. When the power is turned off, the cell data is not destroyed if the plate potential is lowered to Vss before Vdd is lowered to Vccmin.
[0103]
(Tenth embodiment)
FIG. 17 is a diagram showing the configuration of the sense amplifier section of the FRAM according to the tenth embodiment of the present invention. FIG. 14A shows a sense amplifier circuit applicable to the method of setting the plate to Vss and the bit line to Vdd at the time of precharge in FIG.
[0104]
A transistor for precharging the bit line is provided separately from the sense amplifier circuit, and the bit line pair can be precharged to Vdd by setting the EQL signal to a low level during precharging.
[0105]
(Eleventh embodiment)
FIG. 18 is a diagram showing the configuration of the sense amplifier section of the FRAM according to the eleventh embodiment of the present invention. FIG. 14B shows a sense amplifier circuit applicable to the method of setting the plate to Vdd and the bit line to Vss at the time of precharging in FIG. In this example, the bit line pair can be precharged to Vss by setting the EQL signal to High level during precharging.
[0106]
(Twelfth embodiment)
By the way, in the plate potential and bit line potential precharge system, as shown in the prior application, one memory cell is constituted by parallel connection of a cell transistor and a plurality of ferroelectric capacitors having different coercive voltages. In the memory cell block, a plurality of the memory cells are directly connected, one end is connected to the bit line via the block selection transistor, and the other end is configured as a memory cell connected to the plate. When applied to a method of storing multi-bit information of bits or more, it is possible to significantly improve read reliability and high-speed operation. This is because in the multi-bit cell system of the prior application, the variation in the paraelectric component of the ferroelectric capacitor appears to be larger than in the 1-bit system of the prior application, and it is important to suppress this. .
[0107]
FIG. 19 shows a multi-bit / cell cell block equivalent circuit in the prior application. In the ferroelectric capacitors Ca and Cb, a relationship of Vca <Vcb is established when the coercive voltage of Ca is Vca and the coercive voltage of Cb is Vcb. FIG. 20 shows an example of a cross-sectional view of the cell structure of FIG. 19 in the prior application. Ca and Cb can be realized by making the Ca ferroelectric capacitor thinner than Cb. FIG. 21 shows a theoretical hysteresis curve showing the operation of the multi-bit / cell system of FIG. 19, and FIG. 22 shows an actual hysteresis curve.
[0108]
The operation will be briefly described with reference to FIG. FIG. 21A shows a hysteresis curve of the ferroelectric capacitor Ca, and FIG. 21B shows a hysteresis curve of the ferroelectric capacitor Cb. FIG. 21 (c) shows a hysteresis curve when Ca and Cb are connected in parallel. One-bit information is stored in each of Ca and Cb.
[0109]
In FIG. 21 (c), the point E ″ indicates a point storing one data and one data (= 11) for each of Ca and Cb. Similarly, the point F ″ is 10, the point C ″ is 01, The A ″ point has four states as a result of 00, and stores 2-bit data.
[0110]
As a read / write operation, a voltage equal to or lower than the coercive voltage of Cb is applied to the parallel ferroelectric capacitor, data of Ca is read, and then a voltage equal to or higher than the coercive voltage of Cb is applied to the parallel ferroelectric capacitor. This data is read and rewritten, and then a voltage equal to or lower than the coercive voltage of Cb is applied to the parallel ferroelectric capacitor to rewrite Ca.
[0111]
However, in the multi-bit / cell system of the prior application, when Vca <Vcb is realized, the actual Ca and Cb hysteresis curves are as shown in FIGS. 22 (a) and 22 (b). When the thickness of the same ferroelectric capacitor material is changed, the dielectric constants are different by the thicknesses, and the Ca paraelectric capacitor component is increased. As a result, in the hysteresis curve (FIG. 22C) in which Ca and Cb are connected in parallel, two types of paraelectric capacitor components are mixed and the read margin is deteriorated. In particular, when Cb is read, a paraelectric capacitor component having a large Ca is mixed and a paraelectric capacitor component varies, which causes a serious problem.
[0112]
Even when the plate driving method is adopted in the multi-bit / cell configuration as described above, when the dummy BL is used in the folded BL configuration, the plate line is divided into two types as shown in FIG. As a result, it is possible to eliminate noise caused by the floating cell node. FIG. 23 is a cross-sectional view of an FRAM ferroelectric memory cell block according to the twelfth embodiment of the present invention, showing a case where the plate is separated into two types (PLBBL, PLBL) at 2 bits / cell. .
[0113]
In this embodiment, a case where ferroelectric capacitors having different film thicknesses and different coercive voltages are formed in the vertical direction is shown. Of course, as shown in the prior application, even when ferroelectric capacitors having different film thicknesses and different coercive voltages are stacked in the lateral direction, the plates can be easily separated.
[0114]
(13th Embodiment)
FIG. 24 shows an example of specific operation timing of multi-bit / cell operation when the plate driving method described in the previous application is applied. When WL02 at the first time becomes Low level, the plate (PL) and the bit lines (/ BL, BL) are operated with small amplitude, and only the Ca data is read and temporarily stored outside the array. Thereafter, in order to eliminate the difference between the “1” data and the “0” data of Ca, a constant voltage is applied to the ferroelectric capacitor and “0” data is written into Ca.
[0115]
When the second WL02 is set to the Low level, the plate (PL) and the bit lines (/ BL, BL) are operated with a large amplitude to read / write the Cb data. Finally, the third WL02 is set to the Low level. At that time, the Ca data temporarily stored is written in Ca again. In this case, naturally, the noise of the paraelectric capacitor component described with reference to FIG. 22 remains large. In the figure, it is possible to operate even if WL02 remains Low and BS0 remains High without resetting WL02 and BS0 one to three times shown in (1).
[0116]
FIG. 25 is an operation timing chart showing a driving method in the thirteenth embodiment of the present invention. In the present embodiment, with WL02 being low at the first to third times, BS0 is kept high, and after the first Ca data read, EQL is set high and the bit line pair (/ BL, BL) is set to Vss. Even after resetting the Ca data, the plate (PL) is kept high with a small amplitude, EQL is set low, the bit line is not equalized, and then PL is set to a high amplitude high potential. Data is being read out. This eliminates an extra plate operation compared to FIG. 24 and realizes a high-speed operation.
[0117]
(Fourteenth embodiment)
FIG. 26 is for explaining the fourteenth embodiment of the present invention, and shows a core circuit configuration for realizing the operation of FIG. 25 and other multi-bit / cell operation examples.
[0118]
As shown in FIG. 26A, by switching between φa and φb using two power sources Va and Vb, a plate operation with a small amplitude and a large amplitude as shown in FIG. 25 can be realized. Similarly, as shown in FIG. 26B, the power source line (VSAH) of the pMOS sense amplifier circuit can be connected to two power sources Va and Vb by switching between φsa and φsb. Amplitude and large amplitude bit line operation can be realized. Using a transistor connected to the signal RON and a ferroelectric capacitor, a temporary register for storing the first Ca data can be easily realized.
[0119]
As shown in FIG. 25, after the bit line is amplified in the first Ca data read operation, RON is set to High, Ca data is written to the capacitor in the register, and RON is set to Low. For example, if the RPL line is set to Va, the ferroelectric capacitor connected to the bit line on the “0” data side becomes the polarization inversion, and the “1” side becomes the non-polarization inversion, so that the data can be held. In the third Ca data write operation, after the second read / write of Cb data is completed, EQL is set to High, the bit line pair is dropped to Vss, EQL is set to Low, and the bit line pair is pre-set to Vss. After charging, RON is set to High to read the register data to the bit line. At this time, if, for example, the RPL line is set to Va potential, one of the two ferroelectric capacitors performs polarization inversion readout, and the other performs non-polarization inversion readout.
[0120]
Thereafter, the bit line is amplified and Ca data is rewritten to the memory cell. As a PL operation in data rewriting, as shown in (2) of FIG. 25, after the bit line is amplified, PL may be raised or lowered, or as shown in (1) of FIG. In a state where EQL after reading and writing is set to High, PL may be raised in advance, and PL after bit line amplification may be lowered. In addition, when reading Ca for the first time, as shown in (3) of FIG. 25, amplification may be performed while increasing φti in FIG. 26B, or as shown in (4) of FIG. May be temporarily lowered to amplify the bit line only within the sense amplifier. This eliminates the need to amplify the bit lines in the cell array and enables high speed operation.
[0121]
FIG. 25 shows an operation example of the column selection line (CSL). According to this multi-bit / cell method, the bit line of the sense amplifier section has a small amplitude and a large amplitude. However, as shown in FIG. 25, when the / DQ and DQ lines remain large amplitude, when CSL is set to High, When data is written from the external data for the first time, a potential larger than a small amplitude is written to the bit line of the sense amplifier. This can be avoided by using the circuit of FIG. 26A and preparing two types of CSL potentials of small amplitude and large amplitude as shown in (5) of FIG. Further, even if the CSL as shown in (6) of FIG. 25 is left with a large amplitude and the two types of amplitudes for writing the BDQ and DQ lines are prepared with the circuit as shown in FIG. .
[0122]
As the dummy cell, a ferroelectric capacitor may be used, or a paraelectric capacitor as shown in FIGS. In the example of FIG. 27 (c), the dummy cell potential in accordance with each cell of Ca and Cb is obtained by changing the amplitude potential of the dummy plate line (DPL) to Va ′ and Vb ′ in the first and second readings. Can be tuned. In the example of FIG. 27D, an example in which the DPL potential is changed without changing the DPL potential between the first time and the second time is shown.
[0123]
For example, when paraelectric capacitors DC0 and DC1 having different capacities are prepared and RST1 is set to High and RST0 is set to Low and DPL is set to High during the first read, the paraelectric capacitor CD0 is read to the bit line. When RST0 is set to High and RST1 is set to Low and DPL is set to High at the time of the third reading, the paraelectric capacitor DC1 is read to the bit line, and the bit line potential on the REFRENCE side can be changed. As a modification, RST1 and RST0 can be set to High and a parallel capacitor can be used.
[0124]
(Fifteenth embodiment)
FIG. 28 is an operation timing chart for explaining the operation of the FRAM according to the fifteenth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 24 is that the plate electrode is raised and lowered twice in the first and second time. If the read data is amplified with a sense amplifier once the plate is raised and lowered, the paraelectric capacitor component can be canceled, especially the noise due to the two types of paraelectric capacitor components in the multi-bit / cell method can be canceled, Reliability can be greatly improved. As in FIG. 24, in FIG. 28, the operation can be performed even if WL02 remains Low and BS0 remains High without resetting WL02 and BS0 one to three times shown in (1). When WL02 is lowered for the third time, only rewriting of Ca is performed, so the plate only needs to be raised and lowered once.
[0125]
Thus, when the prior application and the double plate method are combined, 2F per bit of the prior application2While realizing a memory cell of a size or less, it is possible to cancel noise caused by two types of paraelectric capacitor components and variation noise of paraelectric capacitor components, which is a problem of this, and obtain high reliability. It becomes.
[0126]
(Sixteenth embodiment)
FIG. 29 and FIG. 30 are operation timing charts for explaining the operation of the FRAM according to the sixteenth embodiment of the present invention. In the prior application multi-bit / cell method, the number of times of driving the plate is reduced and the high-speed operation is performed. While realizing this, an operation that can cancel noise caused by two types of paraelectric capacitor components and noise of variation components of paraelectric capacitor components and achieve high reliability will be described. In principle, this is realized by a method in which the plate and the bit line in FIG. 14 are precharged in reverse.
[0127]
In the example of FIG. 29, during standby, the bit line is precharged to a high level with a small amplitude, and the plate is precharged to Vss. After WL02 and BS0 are selected, a voltage is applied to the ferroelectric capacitor Ca without driving the plate, and the data of Ca is read out. Thereafter, when the plate is set to a high level with a small amplitude, the paraelectric capacitor component can be canceled.
[0128]
Thereafter, PL is set to Low, BL is set to High, a constant voltage is applied to Ca to eliminate the difference between “0” and “1” data, BS0 is set to Low level, and the cell block and the bit line are separated. During this time, just by precharging the bit line to the high amplitude high level and setting BS0 to the high level for the second time, the polarization data of the Cb ferroelectric capacitor is read to the bit line, and the PL is set to the high level. Then, the paraelectric capacitor component is eliminated, and then the sensing operation is performed, and PL is set to the low level in order to rewrite data. In the third time, since only Ca rewriting is performed, it is only necessary to raise and lower PL once. In addition, as shown by the line (1) in the figure, it is possible to omit raising WL02 from the first time to the third time.
[0129]
FIG. 30 realizes this in the same manner as FIG. 29 by precharging the plate and bit line of FIG. 14 in reverse. The example of FIG. 30 is the same as FIG. 29 except that the potentials of the plate and the bit line are reversed. During standby, the bit line is precharged to a low level, and the plate is precharged to a high level with a small amplitude. After WL02 and BS0 are selected, a voltage is applied to the ferroelectric capacitor Ca without driving the plate, and the data of Ca is read out. Thereafter, when the plate is set to the Vss level, the paraelectric capacitor component can be canceled.
[0130]
Thereafter, PL is set to High, BL is set to Low, a constant voltage is applied to Ca to eliminate the difference between “0” and “1” data, BS0 is set to Low level, and the cell block and the bit line are separated. During this time, just by precharging the plate line to the high amplitude high level and setting BS0 to the high level for the second time, the polarization data of the Cb ferroelectric capacitor is read to the bit line, and the PL is set to the low level. Then, the paraelectric capacitor component is eliminated, and then the sensing operation is performed, and in order to rewrite data, PL is set to the high level. In the third time, since only Ca rewriting is performed, it is naturally only necessary to lower PL once. In addition, as shown by the line (1) in the figure, it is possible to omit raising WL02 from the first time to the third time.
[0131]
(Seventeenth embodiment)
FIGS. 31 and 32 are operation timing charts for explaining the operation of the FRAM according to the seventeenth embodiment of the present invention. While realizing the effects of FIGS. 29 and 30, the number of times of PL driving is further reduced. High speed is realized.
[0132]
In the example of FIG. 31, at the time of standby, the bit line is precharged to a high level of small amplitude, and the plate is precharged to Vss. After WL02 and BS0 are selected, a voltage is applied to the ferroelectric capacitor Ca without driving the plate, and the data of Ca is read out. Thereafter, when the plate is set to a high level with a small amplitude, the paraelectric capacitor component can be canceled.
[0133]
After that, with the PL high, the BL pair is set low, a constant voltage is applied to the Ca to eliminate the difference between “0” and “1” data, the BS0 is set to the low level, and the cell block and the bit line are separated. To do. During this time, just by setting the plate line to the high amplitude high level and the second time BS0 to the high level, the polarization data of the Cb ferroelectric capacitor is read to the bit line, and the PL is set to the low level. In order to eliminate the dielectric capacitor component and then perform a sensing operation to rewrite data, PL is set to a high level. Then, BS0 is set low, the bit line is precharged to Vss, and the plate is set to the high level with a small amplitude. Set BS0 to High for the third time. Ca can be rewritten only by changing PL from High of small amplitude to Vss. In addition, as shown by the line (1) in the figure, it is possible to omit raising WL02 from the first time to the third time.
[0134]
In the example of FIG. 32, during standby, the plate line is set to a high level with a small amplitude, and the bit line is precharged to Vss. After WL02 and BS0 are selected, a voltage is applied to the ferroelectric capacitor Ca without driving the plate, and the data of Ca is read out. Thereafter, when the plate is set to the Vss level, the paraelectric capacitor component can be canceled.
[0135]
After that, while keeping PL low, the BL pair is set to high level with small amplitude, a constant voltage is applied to Ca to eliminate the difference between “0” and “1” data, BS0 is set to low level, Separate the bit lines. During this time, just by setting the bit line pair to the high amplitude high level and the second time BS0 to the high level, the polarization data of the ferroelectric capacitor of Cb is read to the bit line, and PL is set to the high amplitude high level. Then, the paraelectric capacitor component is eliminated, and then the sensing operation is performed, and PL is set to the Vss level in order to rewrite data. Then, BS0 is set to Low, and the bit line is precharged to a high level with a small amplitude. Set BS0 to High for the third time. Ca can be rewritten only by changing PL from the Vss level to a high level with a small amplitude. In addition, as shown by the line (1) in the figure, it is possible to omit raising WL02 from the first time to the third time.
[0136]
(Eighteenth embodiment)
FIG. 33 is an operation timing chart for explaining the operation of the FRAM according to the eighteenth embodiment of the present invention. This shows a combination of a bit line and plate line reverse precharge method and a double plate method.
[0137]
In FIG. 33, for reading Ca, a method is applied in which the bit line is precharged to a high level with a small amplitude, and the plate line is precharged in reverse to Vss. This is done after precharging and the double plate method is applied. In rewriting Ca, rewriting is performed by raising and lowering the plate. The feature of this embodiment is that the raising and lowering of BS0 and WL02 can be omitted between the first time and the third time.
[0138]
(Nineteenth embodiment)
FIG. 34 is an operation timing chart for explaining the operation of the FRAM according to the nineteenth embodiment of the present invention. This shows a combination of a bit line and plate line reverse precharge method and a double plate method.
[0139]
In FIG. 34, for reading Ca, a method is used in which the plate line is precharged to a high level with a small amplitude and the bit line is precharged in reverse to Vss. This is done after precharging and the double plate method is applied. In rewriting Ca, rewriting is performed only by raising the plate. The feature of this embodiment is that the raising and lowering of BS0 and WL02 can be omitted between the first time and the third time.
[0140]
(20th embodiment)
FIG. 35 is a diagram showing other problems in the prior application. One memory cell of the prior application is configured by parallel connection of a cell transistor and a ferroelectric capacitor, and one memory cell block is reverse to the read data in a configuration in which a plurality of parallel-connected memory cells are connected in series. When writing data, in a non-selected memory cell in a selected cell block, in principle, a non-selected ferroelectric capacitor is short-circuited by a non-selected ON cell transistor to maintain a stable state. It should be. However, in practice, due to the presence of the ON resistance of the non-selected cell transistor, a voltage is applied across the non-selected ferroelectric capacitor for a short time.
[0141]
The prior application states that this noise is reduced when the number of memory cells in the cell block is increased, but this is not sufficient. FIG. 35 shows the noise relationship and the rise / fall transition time of the bit line at the time of reverse data writing of the prior application. As described above, in order to safely hold the non-selected memory cell data, it is necessary to always increase the write time to some extent.
[0142]
FIG. 36 is for explaining the twentieth embodiment of the present invention which solves the above problem, and shows a write time relaxation method. Here, two methods are included.
[0143]
In the first method, transistors (Q9, Q10) are inserted between bit lines (BBL, BL) in the memory cell array and bit lines (BBLSA, BLSA) in the sense amplifier section. When writing reverse data from the write buffer of the main amplifier (Main Amp), the flip-flop of the sense amplifier section is inverted through the BDQ and DQ lines, and the inverted data is written to BBL and BL. . In this case, the transition time for writing BBL and BL is reduced by the RC time constant between the ON resistance of the transistors (Q9 and Q10) and the capacity of the bit lines (BBL and BL) on the cell array side having a large capacity. Thereby, noise can be reduced.
[0144]
In the second method, when writing reverse data from the write buffer of the main amplifier (Main Amp), the write buffer has two or more types of drivers having different driving capabilities, and each of the two or more types of drivers. This is a method of shifting the time for driving. In the example of this embodiment, the BDQ and DQ lines are first driven with a weak driving force by a driver having a small driving capability, and the high level of the bit lines (BBLSA, BLSA, BBL, BL) is lowered to a certain level and the Low level is raised. Next, the time is shifted, a large driver is driven, the bit line is inverted, and the bit line is gently inverted to perform data writing, thereby reducing the above-described writing noise.
[0145]
In addition, it is effective to use three or more types of buffers or to use buffers of the same size while shifting the time. Furthermore, using one type of buffer, the gate voltage of the buffer drive transistor may be increased gradually or in stages, and before the reverse data is written, the BDQ, DQ or bit line is once shorted. Then, reverse data may be written, or the above methods may be combined.
[0146]
(21st Embodiment)
FIG. 37 is a diagram for explaining a twenty-first embodiment of the present invention. This shows a more specific configuration example of the write buffer of FIG. FIG. 37 (a) shows two types of clocked inverters having different transistor sizes, and FIG. 37 (b) shows an example of a delay circuit of a signal line that is driven by delaying the time. FIG. 37 (c) shows these timing charts.
[0147]
(Twenty-second embodiment)
FIG. 38 is a diagram for explaining an FRAM according to the twenty-second embodiment of the present invention, and shows a specific layout diagram of a memory cell block that realizes an equivalent circuit of the embodiment of FIG. In FIG. 38, the bit line (M2 layer), word line (GC layer), diffusion layer (AA layer), cell wiring layer (MI layer), ferroelectric capacitor lower electrode (BE layer), upper electrode (TE layer) , D-type transistor ion implantation layer layer (Dimp layer), M1-M2 contact, TE-M1 contact, and BE-M1 contact.
[0148]
39 and 40 are divided and displayed so that the layout in FIG. 38 can be easily understood. 41 shows a cross-sectional example between AA ', BB', CC ', and DD' in the layout of FIG. TE and BE are connected from the M1 layer formed thereon via a TE-M1 contact and a BE-M1 contact. The M1 layer is connected to the AA layer via the AA-M1 contact.
[0149]
As shown in FIG. 38, M2-M1 is connected to the AA-M1 contact and the M1-M2 contact via the M1 layer. 38 to 41, since the cell internal node connection wiring M1 is formed after the ferroelectric capacitor forming step, a resistance metal wiring can be applied, and this M1 wiring can also be applied to the plate wiring. Yes. In the plate drive system, metalization of the plate wiring is indispensable in order to drive a plate line with a large load capacity, but this cell structure can easily reduce the resistance of the plate wiring and shorten the plate drive time. Can be planned.
[0150]
In particular, in the configurations of FIGS. 38 to 41, M1 Al wiring or Cu wiring is possible, and the access time and cycle time can be greatly shortened. The main reason is that in conventional memory cells in which a cell transistor and a ferroelectric capacitor are connected in series, a plate wiring is required for each cell, and the wiring layer for connecting nodes inside the cell and the plate wiring layer are shared within the cell. This is a loss in terms of area, and if the plate line is constituted by a BE layer or the like without sharing it, the plate drive time is very long due to high resistance. Providing a metal wiring exclusively for the plate has a problem that the process cost increases.
[0151]
In the memory cell of the prior application, the number of plate wirings is 0.5 (shared with the neighbor) for each cell block, and only one or two. As shown in FIGS. 38 to 41, the M1 layer of the two plate lines PLBBL and PLBL can easily be connected to the lower electrode (BE) and the BE-M1 contact for each bit line as shown in FIG. An equivalent circuit can be realized. As shown in the cross-sectional view of FIG. 41, if the BE layer is connected to cell blocks adjacent in the bit line direction, sharing of the plate line between adjacent cell blocks can be easily realized.
[0152]
(23rd embodiment)
FIG. 42 is a diagram for explaining an FRAM according to the twenty-third embodiment of the present invention. In the layer configuration and device structure of FIG. 38, when plate separation is not performed, that is, the equivalent circuit of FIG. The specific layout figure of the memory cell block implement | achieved is shown. Except for the plate line and the periphery of the connecting portion, the effect is the same as in FIG.
[0153]
42 shows a bit line (M2 layer), a word line (GC layer), a diffusion layer (AA layer), a cell wiring layer (M1 layer), a ferroelectric capacitor lower electrode (BE layer), and an upper electrode (TE layer). ), A D-type transistor ion implantation layer layer (Dimp layer), an M1-M2 contact, a TE-M1 contact, and a BE-M1 contact.
[0154]
43 and 44 are displayed separately for easy understanding of the layout in FIG. 45 shows a cross-sectional example between AA ′ and BB ′ in the layout of FIG. TE and BE are connected from the M1 layer formed thereon via a TE-M1 contact and a BE-M1 contact. The M1 layer is connected to the AA layer via the AA-M1 contact.
[0155]
As shown in FIG. 38, M2-M1 is connected to the AA-M1 contact and the M1-M2 contact via the M1 layer. 42 to 45, since the cell internal node connection wiring M1 is formed after the ferroelectric capacitor forming step, low resistance metal wiring can be applied, and this M1 wiring can also be applied to plate wiring. Yes. In the plate drive system, metalization of the plate wiring is indispensable in order to drive a plate line having a large load capacity. However, in this cell structure, the resistance of the plate wiring can be easily reduced and the plate driving time can be shortened. .
[0156]
In particular, in the configurations of FIGS. 43 to 45, M1 Al wiring or Cu wiring is possible, and the access time and cycle time can be greatly shortened. The main reason is that in a conventional memory cell in which a cell transistor and a ferroelectric capacitor are connected in series, a plate line is required for each cell, and the cell internal node connection wiring layer and the plate wiring layer are shared in the cell. This is a loss in terms of area, and if the plate line is constituted by a BE layer or the like without sharing it, the plate drive time is very long due to high resistance. Providing a metal wiring exclusively for the plate has a problem that the process cost increases.
[0157]
In the memory cell of the prior application, the number of plate wirings is 0.5 (shared with the adjacent) or one for each cell block. If the M1 layer of one plate line PL has a BE-M1 contact with the lower electrode (BE) as in the plate wiring portion of FIGS. 43 to 45, the equivalent circuit of FIG. 79 can be easily realized. As shown in the cross-sectional view of FIG. 45, if the BE layer is connected to cell blocks adjacent in the bit line direction, sharing of plate lines between adjacent cell blocks can be easily realized.
[0158]
(24th Embodiment)
46 is a view for explaining an FRAM according to the twenty-fourth embodiment of the present invention. In the layer configuration and device structure of FIG. 38, plate separation is not performed as in FIG. The specific layout figure of the memory cell block which implement | achieves 79 equivalent circuits is shown. The effect is also the same as in FIG. 46 shows a bit line (M2 layer), a word line (GC layer), a diffusion layer (AA layer), a cell wiring layer (M1 layer), a ferroelectric capacitor lower electrode (BE layer), and an upper electrode (TE layer). , D-type transistor ion implantation layer layer (Dimp layer), M1-M2 contact, TE-M1 contact, and BE-M1 contact.
[0159]
47 and 48 are displayed separately for easy understanding of the layout in FIG. The difference from FIG. 42 is that, as shown in FIG. 46, the cell block connected to the bit line BBL is the same as that of FIG. 42. In the cell block connected to the bit line BL, The point of (BE) is shifted in the bit line direction by one cell. Compared with FIG. 42, since the distance between the lower electrode, the upper electrode, and the contacts between adjacent cell blocks is longer in FIG. 46, when the cell size is regulated by these rules, FIG. In this case, the cell size can be reduced.
[0160]
(25th Embodiment)
FIG. 49 is a diagram for explaining the FRAM according to the twenty-fifth embodiment of the present invention, and shows a specific layout diagram for realizing the equivalent circuit of the dummy cell block of the embodiment of FIG. The layer configuration and cell structure are the same as those in FIG. 49 shows a bit line (M2 layer), a word line (GC layer), a diffusion layer (AA layer), a cell wiring layer (M1 layer), a ferroelectric capacitor lower electrode (BE layer), and an upper electrode (TE layer). ), A D-type transistor ion implantation layer layer (Dimp layer), an M1-M2 contact, a TE-M1 contact, and a BE-M1 contact.
[0161]
50 and 51 are divided and displayed so that the layout in FIG. 49 can be easily understood. 49 to 51, since the cell internal node connection wiring M1 is formed after the ferroelectric capacitor forming process, a low resistance metal wiring can be applied. This M1 wiring is used as a plate wiring for a dummy cell block. Can also be applied to drive the dummy cell plate at high speed.
[0162]
(26th Embodiment)
FIG. 52 is a diagram for explaining an FRAM according to the twenty-sixth embodiment of the present invention, and shows a specific layout diagram of a memory cell block that realizes an equivalent circuit of the embodiment of FIG. 52 shows a bit line (M2 layer), a word line (GC layer), a diffusion layer (AA layer), a cell wiring layer (M1 layer), a ferroelectric capacitor lower electrode (BE layer), and an upper electrode (TE layer). , D-type transistor ion implantation layer layer (Dimp layer), M1-M2 contact, TE-M1 contact, and BE-M1 contact.
[0163]
53 and 54 are divided and displayed so that the layout in FIG. 52 can be easily understood.
[0164]
FIG. 55 shows a cross-sectional example between AA ', BB', CC ', and DD' in the layout of FIG. TE and BE are connected from the M1 layer formed thereon via a TE-M1 contact and a BE-M1 contact. The M1 layer is connected to the AA layer via the AA-M1 contact. As shown in FIG. 52, M2-M1 is connected to the AA-M1 contact and the M1-M2 contact via the M1 layer.
[0165]
52 to 55, since the cell internal node connection wiring M1 is formed after the ferroelectric capacitor forming step, a low-resistance metal wiring can be applied, and the plate drive speed can be increased. 52 to 55, the D-type ion implantation mask is not necessary. This is because, as shown in FIG. 55, the source and drain of the passing block selection transistor are connected using the M1 wiring. Since there is no inversion layer capacitance of the D-type transistor, there is an effect that the bit line capacitance of the non-selected cell block portion is reduced. Further, as shown in FIG. 55, if the passing block selection transistor is changed to a field transistor, the capacitance can be further reduced.
[0166]
(Twenty-seventh embodiment)
FIG. 56 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell block of the FRAM according to the twenty-seventh embodiment of the present invention. The equivalent circuit is the same as FIG. On the word line, metal wiring such as Al and Cu (Metal 1 in the figure) is arranged at the same pitch, and shunts (also referred to as snaps) are taken at regular intervals from the word line. Delay can be reduced. The metal wiring for the word line shunt can be used as it is as plate wiring. Furthermore, by connecting the upper electrode with the adjacent cell block, PLBBL and PLBL are shared by the adjacent cell block.
[0167]
FIG. 56 shows an example of the method of FIG. 3 in which the plate is divided into two types, PLBBL and PLBL. The upper diagram (a) and the lower diagram (b) in the figure alternate for each bit line, or alternate for every two bit lines. This can reduce the plate drive delay without increasing the process cost. Even if it is applied to the method of fixing the plate to (1/2) Vdd, it can contribute to the stabilization of the potential of the plate electrode.
[0168]
(Twenty-eighth embodiment)
FIG. 57 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell block of the FRAM according to the twenty-eighth embodiment of the present invention. The equivalent circuit is the same as FIG. The difference from FIG. 56 is that the formation process of the metal wiring for metal (Bit2) and the metal wiring (Metal1) is reversed.
[0169]
(Twenty-ninth embodiment)
FIG. 58 is a sectional view showing the structure of the memory cell block of the FRAM according to the twenty-ninth embodiment of the present invention. The equivalent circuit is the same as FIG. The difference from FIG. 56 is that a ferroelectric capacitor is formed after forming the bit line layer, and a metal wiring layer for both word line shunt and plate wiring is formed after that.
[0170]
(Thirty embodiment)
FIG. 59 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell block of the FRAM according to the thirtieth embodiment of the present invention. The equivalent circuit is the same as FIG. The difference from FIG. 58 is the case where the hierarchical word line method is adopted using the main row decoder and the sub row decoder instead of using the word line shunt method. Thereby, the metal wiring (Metal1) is used as the main word line, and the pitch of Metal1 can be relaxed to 2 to 8 times the word line pitch. (4 times in the example in the figure). Of course, also in this example, the main word line and the plate wiring can share the same Metal1.
[0171]
(Thirty-first embodiment)
FIG. 60 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell block of the FRAM according to the thirty-first embodiment of the present invention. This is an example in which a metal wiring for word line shunt (Metal1) is employed in the equivalent circuit of FIG. Even in this case, Metal1 can be used for the plate wiring.
[0172]
The two lower figures in FIG. 60 show cross-sectional views (AA ′ and BB ′) in the word line direction when cut at two locations (word line portion and plate portion) in the upper drawing. The word line is in contact with the word line layer and the Metal1 layer at the shunt portion, and the plate portion is in contact with Metal1 and the plate electrode for each bit line.
[0173]
(Thirty-second embodiment)
FIG. 61 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell block of the FRAM according to the thirty-second embodiment of the present invention. This is an example in which a metal wiring for word line shunt (Metal1) is employed in the equivalent circuit of FIG. The difference from FIG. 60 is that a bit line layer is formed between Metal 1 and the ferroelectric capacitor. Even in this case, Metal1 can be used for the plate wiring.
[0174]
The lower two diagrams of FIG. 61 show cross-sectional views (AA ′ and BB ′) in the word line direction when cut at two locations (word line portion and plate portion) in the upper diagram. The word line is in contact with the word line layer and Metal1 at the shunt portion, and the plate portion is also in contact with Metal1 and the plate electrode at the shunt portion.
[0175]
(Thirty-third embodiment)
62 and 63 are cross-sectional views showing the structure of the memory cell block of the FRAM according to the thirty-third embodiment of the present invention.
[0176]
FIG. 62 shows a case where a hierarchical word line and a metal wiring layer (CSL) for a column selection line are added in the equivalent circuit of FIG. Of course, the plate separation method of FIG. 3 can also be realized. FIG. 63 shows the equivalent circuit of FIG. 79 in which a word line shunt method and a metal wiring layer (CSL) for column selection lines are further added. Of course, the plate separation method of FIG. 3 can also be realized.
[0177]
(Thirty-fourth embodiment)
FIG. 64 is a cross-sectional view showing the cell structure of the FRAM according to the thirty-fourth embodiment of the present invention. The examples of FIGS. 56 to 63 show only the conceptual illustration of the structure and wiring connection of the ferroelectric capacitor unit, but FIGS. 64A to 64F of the present embodiment show examples of FIGS. The detailed wiring structure of the ferroelectric capacitor part applicable to the prior application example is shown.
[0178]
(A) shows an example in which the upper electrode 62 is formed on the ferroelectric film 61 and then the wiring 63 for connecting the cell transistor and the upper electrode is formed. (B) shows an example in which, in addition to (a), after formation of a transistor, a plug 64 such as a Si plug or a W plug is formed, and a lower electrode 65 is formed thereon. (C) shows an example in which, in addition to (b), a barrier layer 66 is formed between the plug and the lower electrode 65 to prevent the ferroelectric material from diffusing.
[0179]
In the examples of (a) to (c), after the upper electrode 62 is formed, an insulating film is applied, and the connection between the upper electrode 62 and the wiring 63 is performed after the contact opening with the cell transistor or before the opening, etch back or CMP. In this way, the insulating film is removed to expose the upper electrode to form the wiring 63, and the wiring 63 and the upper electrode 62 are connected to each other. On the other hand, in the example of (d), after the insulating film is formed, contact holes are opened on the upper electrode and the diffusion layer of the cell transistor, and are connected by the wiring 63.
[0180]
In the example of (e), after the formation of the plug of (c), the plug 67 is also formed at the connection portion between the wiring 63 and the diffusion layer of the cell transistor to reduce the contact hole aspect ratio. In the example of (f), in addition to the example of (e), an example in which ferroelectric capacitor films are connected by adjacent cells is shown. This can be applied when the ratio of the ferroelectric film thickness / the distance between the upper electrodes is small or when the anisotropy of the polarization amount is large. In the examples of (a) to (f), the case where various modifications are sequentially added is shown, but the present invention is not limited to this, and various modifications can be freely combined.
[0181]
(Thirty-fifth embodiment)
65 to 68 are cross-sectional views showing the configuration of the memory cell block of the FRAM according to the thirty-fifth embodiment of the present invention.
[0182]
FIG. 65 shows a case where adjacent cell nodes are formed simultaneously and a ferroelectric capacitor is formed between them in the equivalent circuit of FIG. FIG. 66 shows a case where adjacent cell nodes are formed at the same time and a ferroelectric capacitor is formed between them in the equivalent circuit of FIG. 79, and further, metal wiring for both word line shunt and plate wiring is formed.
[0183]
FIG. 67 is the equivalent circuit of FIG. 4 in which adjacent cell nodes are formed at the same time and a ferroelectric capacitor is formed between them, and further, a main word line of a hierarchical word line and a metal wiring combined with plate wiring are formed. Indicates. FIG. 68 is an equivalent circuit of FIG. 79 in which adjacent cell nodes are formed at the same time and a ferroelectric capacitor is formed between them, and further, a main word line of a hierarchical word line and a metal wiring combined with plate wiring are formed. Indicates.
[0184]
(Thirty-sixth embodiment)
FIG. 69 is a diagram for explaining an FRAM according to a thirty-sixth embodiment of the present invention, and shows a memory cell array and a plate driving circuit block. This can be applied to the method of FIG. Since two plate driving circuits are required for one cell block and the plate lines are shared by adjacent cell blocks, only one plate driving circuit is required for one cell block after all. As in the conventional divided plate system, the number of plate driving circuits can be greatly reduced for one word line as compared with the case where one plate driving line is required, and the chip size can be reduced.
[0185]
Furthermore, the plate driving delay can be further reduced in the present embodiment in addition to the plate delay reducing effect due to the significant reduction of the plate wiring resistance shown in FIGS. The plate delay is determined by the RC delay of the load capacitance and the resistance, and the load capacitance is determined by the capacitance of the ferroelectric capacitor having a larger capacity than the parasitic capacitance in the cell. In other words, the load capacity is not changed between the conventional cell, the prior application in which a plurality of cells are connected in series, and the cell of the present invention. This is because in the prior application and the cell of the present invention, the non-selected cell is short-circuited and the capacity cannot be seen. In comparison, the resistance component is determined by the wiring resistance of the plate line and the ON resistance of the driver transistor at the final stage of plate line driving of the plate driving circuit.
[0186]
In the present embodiment, it is possible to increase the size of the driver transistor of the plate driving circuit by reducing the resistance of the plate line wiring and greatly reducing the plate driving circuit, and to significantly reduce the ON resistance. . Eventually, the RC delay C is almost unchanged, and R can be greatly reduced.
[0187]
(Thirty-seventh embodiment)
FIG. 70 is for explaining an FRAM according to the thirty-seventh embodiment of the present invention, and shows a memory array, a row decoder, and a plate driving circuit. This embodiment can be applied to the case where the plate is driven by the 2T / 2C method in which the plates are not separated. In this case, compared to FIG. 69, the number of plate driving circuits can be halved, and the number of plate driving circuits can be arranged at a ratio of one in two cell blocks, the driver transistor size of the plate driving circuit can be increased, and further speedup can be realized.
[0188]
(Thirty-eighth embodiment)
FIG. 71 is a diagram showing a circuit configuration of an FRAM according to the thirty-eighth embodiment of the present invention. This shows a case where the nMOS and the pMOS are configured in parallel instead of the conventional nMOS as the memory cell transistor and the block selection transistor.
[0189]
With such a configuration, the word line and the block selection line can be operated without increasing the voltage to Vdd or more, and this is effective when used as a low voltage operation or as a mixed memory with logic or others. In this example, a method of storing 1-bit data with two ferroelectric capacitors is shown, and there is one type of block selection line. Note that / WLi and WLi, and / BS and BS are complementary signals of reverse voltages.
[0190]
(39th Embodiment)
FIG. 72 is a diagram showing a circuit configuration of the FRAM according to the thirty-ninth embodiment of the present invention. This shows a case where the nMOS and the pMOS are configured in parallel instead of the conventional nMOS as the memory cell transistor and the block selection transistor.
[0191]
With such a configuration, it is possible to operate without boosting the word line and the block selection line to Vdd or higher, which is effective when used as a low voltage operation or as a mixed memory with logic and others. In this example, a single ferroelectric capacitor stores 1 bit of data, and there are two types of block selection lines. Note that / WLi and WLi, and / BS and BS are complementary signals of reverse voltages. One type of plate line as shown in FIG. 79 ((1/2) Vdd fixed plate type) and two types of plate lines as shown in FIG. 4 (plate driving type) can be applied.
[0192]
(40th embodiment)
FIG. 73 is a diagram showing a circuit configuration of the FRAM according to the fortieth embodiment of the present invention. This shows the case of a small memory in which the cell block has only one array in the word line direction. In this case, the block selection transistor can be omitted.
[0193]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
[0194]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is non-volatile, can be easily manufactured with a planar transistor, and while maintaining a random accelerator function, 4F2While realizing high integration of size, (1) 1T / 1C type, plate driving method can be applied, and high voltage and low voltage operation is possible. Further, (2) high-speed operation is possible while suppressing variations in the paraelectric component of the ferroelectric capacitor. Furthermore, (3) noise during writing can be reduced. Furthermore, (4) the plate driving method also enables high-speed operation while keeping the process cost and chip size small. (5) Furthermore, boosting of the word lines and block selection lines can be made unnecessary by making the cells CMOS.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a first embodiment.
FIG. 2 is a timing chart showing a specific operation example of the first embodiment.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a second embodiment.
4 is a circuit configuration diagram showing a modified example of FIG. 3;
FIG. 5 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a third embodiment.
6 is a timing chart showing an operation example of the configuration of FIG.
FIG. 7 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a fourth embodiment.
FIG. 8 is a timing chart showing an operation example of the configuration of FIG.
FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a fifth embodiment.
FIG. 10 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a sixth embodiment.
FIG. 11 is a timing chart showing an operation example of the configuration of FIGS. 9 and 10;
FIG. 12 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a seventh embodiment.
13 is a timing chart showing an operation example of the configuration of FIG.
FIG. 14 is a timing chart showing the operation method of the FRAM according to the eighth embodiment.
FIG. 15 is a circuit configuration diagram showing the configuration of the 2T / 2C system of the prior application.
FIG. 16 is a timing chart showing the operation of the ninth embodiment.
FIG. 17 is a diagram showing a configuration of a sense amplifier section of an FRAM according to a tenth embodiment.
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a sense amplifier section of an FRAM according to an eleventh embodiment.
FIG. 19 is a cell block equivalent circuit diagram of a multi-bit / cell system in the prior application.
20 is a diagram showing an example of a cross section of the cell structure of FIG. 19;
FIG. 21 is a diagram showing a hysteresis curve in the multi-bit / cell operation of FIG. 19;
FIG. 22 is a diagram showing an actual hysteresis curve.
FIG. 23 is a sectional view showing a memory cell block configuration of an FRAM according to a twelfth embodiment;
FIG. 24 is a timing chart showing a specific operation example of multi-bit / cell operation when the plate driving method described in the previous application is applied.
FIG. 25 is a timing chart showing the operation of the thirteenth embodiment.
FIG. 26 is a diagram showing a core part circuit configuration for explaining a fourteenth embodiment;
FIG. 27 is a diagram showing a core part circuit configuration for explaining a fourteenth embodiment;
FIG. 28 is a timing chart showing the operation of the fifteenth embodiment.
FIG. 29 is a timing chart showing the operation of the sixteenth embodiment.
FIG. 30 is a timing chart showing the operation of the sixteenth embodiment.
FIG. 31 is a timing chart showing the operation of the seventeenth embodiment.
FIG. 32 is a timing chart showing the operation of the seventeenth embodiment.
FIG. 33 is a timing chart showing the operation of the eighteenth embodiment.
FIG. 34 is a timing chart showing the operation of the nineteenth embodiment.
FIG. 35 is a diagram showing other problems in the prior application.
FIG. 36 is a diagram showing a write time relaxation method in the twentieth embodiment;
FIG. 37 is a diagram showing a more specific configuration example of a write buffer according to the twenty-first embodiment.
FIG. 38 is a specific layout diagram of a memory cell block for realizing the twenty-second embodiment and realizing the equivalent circuit of the embodiment of FIG. 3;
FIG. 39 is a diagram showing the layout in FIG. 38 separately for easy understanding.
FIG. 40 is a diagram showing the layout in FIG. 38 separately for easy understanding.
41 is a diagram showing a cross-sectional example between AA ′, BB ′, CC ′, and DD ′ in the layout of FIG. 38;
FIG. 42 is a specific layout diagram of the memory cell block of the FRAM according to the twenty-third embodiment.
43 is a diagram showing the layout in FIG. 42 separately for easy understanding.
44 is a diagram showing the layout in FIG. 42 separately for easy understanding.
45 is a diagram showing a cross-sectional example between AA ′ and BB ′ in the layout of FIG. 42;
FIG. 46 is a specific layout diagram of the memory cell block of the FRAM according to the twenty-fourth embodiment.
47 is a diagram showing the layout in FIG. 46 separately for easy understanding.
FIG. 48 is a diagram showing the layout in FIG. 46 separately for easy understanding.
49 is a specific layout diagram for realizing the equivalent circuit of the dummy cell block of FIG. 5 for describing the FRAM according to the twenty-fifth embodiment.
FIG. 50 is a diagram showing the layout in FIG. 49 separately for easy understanding.
FIG. 51 is a diagram showing the layout in FIG. 49 separately for easy understanding.
52 is a specific layout diagram of a memory cell block for realizing the equivalent circuit of FIG. 4 for describing an FRAM according to a twenty-sixth embodiment;
FIG. 53 is a diagram showing the layout in FIG. 52 separately for easy understanding.
54 is a diagram showing the layout in FIG. 52 separately for easy understanding.
FIG. 55 is a diagram showing a cross-sectional example between AA ′, BB ′, CC ′, and DD ′ in the layout of FIG. 52;
FIG. 56 is a cross-sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to a twenty-seventh embodiment. .
57 is a sectional view showing a configuration example of a memory cell block of the FRAM according to the twenty-eighth embodiment; FIG.
58 is a sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to a twenty-ninth embodiment; FIG.
FIG. 59 is a cross-sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to the thirtieth embodiment.
60 is a cross-sectional view showing a configuration example of a memory cell block of the FRAM according to the thirty-first embodiment; FIG.
61 is a sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to a thirty-second embodiment; FIG.
FIG. 62 is a sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to the thirty-third embodiment;
FIG. 63 is a sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to a thirty-third embodiment;
FIG. 64 is a sectional view showing the cell structure of the FRAM according to the thirty-fourth embodiment;
FIG. 65 is a cross-sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to the thirty-fifth embodiment.
66 is a sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to the thirty-fifth embodiment. FIG.
67 is a cross-sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to a thirty-fifth embodiment. FIG.
68 is a sectional view showing a configuration example of a memory cell block of an FRAM according to a thirty-fifth embodiment; FIG.
FIG. 69 is a diagram showing a configuration of an FRAM memory cell array and plate driving circuit according to a thirty-sixth embodiment;
FIG. 70 is a diagram showing a configuration of an FRAM memory array, row decoder, and plate driving circuit according to a thirty-seventh embodiment;
71 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a thirty-eighth embodiment; FIG.
72 is a circuit configuration diagram showing an FRAM according to a thirty-ninth embodiment; FIG.
FIG. 73 is a circuit configuration diagram showing the FRAM according to the forty embodiment;
FIG. 74 is a diagram showing a conventional DRAM memory cell, a conventional FRAM memory cell, and a folded BL configuration;
75 is a graph showing the relationship between voltage and accumulated charge and the relationship between voltage and polarization amount; FIG.
FIG. 76 is a timing chart showing an operation example in a conventional FRAM.
FIG. 77 is a diagram for explaining the operation of a conventional FRAM;
78 is a diagram showing a configuration circuit and an operation example of a memory cell according to the invention of the prior application; FIG.
FIG. 79 is a diagram showing a configuration circuit and an operation example of a memory cell according to the invention of the prior application;
FIG. 80 is a diagram showing a configuration circuit and an operation example of a memory cell according to the invention of the prior application;
[Explanation of symbols]
BSi, BSij, / BSi ... block selection line
Pwell ... p-type well
n+... n-type diffusion layer
SA ... sense amplifier
Φti: Cell array-sense amplifier separation signal
EQL ... Bit line equal signal
CSL ... Column selection line
DWLi: Dummy word line
SEN: nMOS sense amplifier control line
/SEP...pMOS sense amplifier control line
Ci: Coupling capacity
VBL: Bit line precharge signal
DBSi ... Dummy cell block selection line
F ... Minimum processing dimension
Ps: Saturation Polarization
Pr: Remnat Polarization
Vc: Coercive Voltage
RST ... Reset line
WQni, WQmi ... Transistor channel width
BDQ, DQ ... Data line
WENB, / WENB, / WENBD, WENBD ... Data write control signal

Claims (29)

ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース・ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、このメモリセルブロックを複数配置してセルアレイを構成する半導体記憶装置であって、
前記ビット線は2本で対を成して同一のセンスアンプ回路に接続され、前記対を成す2本のビット線の各々に接続され同一のワード線群に接続される2個のメモリセルブロックは、各々異なる信号の第1のプレート線,第2のプレート線に接続されることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, despite plurality connected in series constitute a memory cell block by connecting the memory cell block selection transistors in at least one end, one end of said memory cell block is connected to the bit line, the other end is connected to a plate line, the memory cell A semiconductor memory device in which a plurality of blocks are arranged to constitute a cell array ,
Two bit lines are paired and connected to the same sense amplifier circuit, and are connected to each of the two bit lines forming the pair and connected to the same word line group. Are connected to a first plate line and a second plate line of different signals, respectively.
ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース・ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、このメモリセルブロックを複数配置してセルアレイを構成する半導体記憶装置であって、
第1のプレート線と第2のプレート線が1個毎に交互に、ワード線方向に複数配置された前記メモリセルブロックの各々に接続されることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, A memory cell block selection transistor is connected to at least one end of a plurality of serially connected memory cells to form a memory cell block. One end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. A semiconductor memory device in which a plurality of blocks are arranged to constitute a cell array,
A semiconductor memory device, wherein a first plate line and a second plate line are alternately connected to each of the plurality of memory cell blocks arranged in the word line direction.
ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース,ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、このメモリセルブロックを複数配置してセルアレイを構成する半導体記憶装置であって、
第1のプレート線と第2のプレート線が2個毎に交互に、ワード線方向に複数配置された前記メモリセルブロックの各々に接続されることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. A memory cell block selection transistor is connected to at least one end of a plurality of serially connected memory cells to form a memory cell block. One end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. A semiconductor memory device in which a plurality of blocks are arranged to constitute a cell array,
A semiconductor memory device, wherein a first plate line and a second plate line are alternately connected to every two of the memory cell blocks arranged in the word line direction every two.
請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、前記第1,第2のプレート線は各々、ビット線方向に隣接する2個の前記メモリセルブロックで共有していることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein each of the first and second plate lines is shared by two memory cell blocks adjacent in the bit line direction. A semiconductor memory device. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、電源投入後の待機時では、前記第1,第2のプレート線は0V電位になっていることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first and second plate lines are at a potential of 0 V during standby after power is turned on. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、電源投入後の待機時では、前記第1,第2のプレート線は0Vより高い第1の電位になっていることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first and second plate lines are at a first potential higher than 0 V during standby after power is turned on. Semiconductor memory device. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、電源投入後の待機時では、前記ビット線は0V電位になっていることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the bit line is at a potential of 0 V during standby after power-on. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、電源投入後の待機時では、前記ビット線は0Vより高い第1の電位になっていることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the bit line is at a first potential higher than 0V during standby after power-on. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、1サイクル動作中では、選択した前記メモリセルブロックに接続される前記第1のプレート線と第2のプレート線のいずれか一方は、0V電位から0V電位より高い第1の電位の範囲で振幅動作し、他方は0V電位のままであることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein during one cycle operation, one of the first plate line and the second plate line connected to the selected memory cell block is: A semiconductor memory device, wherein an amplitude operation is performed in a range of 0 V potential to a first potential higher than 0 V potential, and the other remains at 0 V potential. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、1サイクル動作中では、選択した前記メモリセルブロックに接続される前記第1のプレート線と第2のプレート線のいずれか一方は、待機時と異なる電位が印加され、他方は待機時と同じ電位が印加されていることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein during one cycle operation, one of the first plate line and the second plate line connected to the selected memory cell block is: A semiconductor memory device, wherein a potential different from that during standby is applied and the same potential as that during standby is applied to the other. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、1サイクル動作中では、選択した前記メモリセルブロックに接続される前記第1のプレート線と第2のプレート線のいずれか一方は、0V電位から0Vより高い第1の電位に駆動された後、前記第1の電位から0Vに駆動され、他方は0V電位のままであることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein during one cycle operation, one of the first plate line and the second plate line connected to the selected memory cell block is: A semiconductor memory device, wherein the semiconductor memory device is driven from a 0 V potential to a first potential higher than 0 V, then driven from the first potential to 0 V, and the other remains at a 0 V potential. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、1サイクル動作中では、選択した前記メモリセルブロックに接続される前記第1のプレート線と第2のプレート線のいずれか一方は、0V電位より高い第1の電位から0V電位に駆動された後、0V電位から前記第1の電位に駆動され、他方は前記第1の電位のままであることを特徴とする半導体記憶装置。  4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein during one cycle operation, one of the first plate line and the second plate line connected to the selected memory cell block is: A semiconductor memory device, wherein the semiconductor memory device is driven from a first potential higher than 0 V potential to 0 V potential, then driven from 0 V potential to the first potential, and the other is kept at the first potential. セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース,ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックを複数配置したセルアレイと、前記メモリセルに外部からデータの書き込みを行う書き込みバッファを備えた半導体記憶装置であって、
前記書き込みバッファは、第1の書き込みトランジスタと、第1の書き込みトランジスタより駆動力の大きい第2の書き込みトランジスタを備え、書き込み時は、第1の書き込みトランジスタを駆動し始める時間に比べ第2の書き込みトランジスタの駆動し始める時間が遅れることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is formed from a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series to form a memory cell block. A semiconductor storage device comprising a cell array in which a plurality of cell blocks are arranged, and a write buffer for writing data to the memory cell from the outside,
The write buffer includes a first write transistor and a second write transistor having a driving force larger than that of the first write transistor, and at the time of writing, the second write transistor is compared with the time for starting driving the first write transistor. A semiconductor memory device characterized in that a time for starting driving a transistor is delayed.
ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース,ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続されている半導体記憶装置であって、
前記セルトランジスタと前記強誘電体キャパシタを接続する金属配線層と同一の金属配線層で、前記プレート線を形成することを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, A memory cell block is formed by connecting a memory cell block selection transistor to at least one end of a plurality of serially connected ones, and one end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. A device,
The semiconductor memory device, wherein the plate line is formed of the same metal wiring layer as a metal wiring layer connecting the cell transistor and the ferroelectric capacitor.
請求項14記載の半導体記憶装置において、前記金属配線層は、前記強誘電体キャパシタ形成後に上層に形成され、前記強誘電体キャパシタの上部電極或いは下部電極とはコンタクトを介して接続されることを特徴とする半導体記憶装置。  15. The semiconductor memory device according to claim 14, wherein the metal wiring layer is formed in an upper layer after the ferroelectric capacitor is formed, and is connected to an upper electrode or a lower electrode of the ferroelectric capacitor via a contact. A semiconductor memory device. ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続されている半導体記憶装置であって、
前記ワード線のゲート配線層よりも上層に形成され、第1の間隔おきに前記ゲート配線層とコンタクトを取るワード線スナップ用の第1の金属配線層と同一の金属配線層で、前記プレート線の配線層と第2の間隔おきにコンタクトを取ることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. A memory cell block is formed by connecting a memory cell block selection transistor to at least one end of a plurality of serially connected ones, and one end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. A device,
The plate line is formed of the same metal wiring layer as the first metal wiring layer for word line snap that is formed above the gate wiring layer of the word line and contacts the gate wiring layer at first intervals. A semiconductor memory device characterized in that contacts are made with the wiring layer at every second interval.
請求項16記載の半導体記憶装置において、前記第1の金属配線層と前記プレート線の配線層とのコンタクト間隔は、1ビット線毎,2ビット線毎,4ビット線毎,或いはワード線スナップ間隔毎であることを特徴とする半導体記憶装置。  17. The semiconductor memory device according to claim 16, wherein a contact interval between the first metal wiring layer and the plate line wiring layer is 1 bit line, 2 bit lines, 4 bit lines, or a word line snap interval. A semiconductor memory device, characterized in that ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、このメモリセルブロック複数配置しセルアレイを構成する半導体記憶装置であって、
前記ビット線方向に、前記プレート線を駆動する駆動回路が、前記メモリセルブロックの1個毎或いは2個毎に配置されていることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. A memory cell block selection transistor is connected to at least one end of a plurality of serially connected memory cells to form a memory cell block. One end of the memory cell block is connected to a bit line and the other end is connected to a plate line. A semiconductor memory device in which a plurality of blocks are arranged to constitute a cell array,
2. A semiconductor memory device according to claim 1, wherein a drive circuit for driving the plate line is arranged for each one or every two of the memory cell blocks in the bit line direction.
nMOSトランジスタとpMOSトランジスタと強誘電体キャパシタとからメモリセルを構成し、前記nMOSトランジスタのソースと前記pMOSトランジスタのソースと前記強誘電体キャパシタの一端は接続され、前記nMOSトランジスタのドレインと前記pMOSトランジスタのドレインと前記強誘電体キャパシタの他端は接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。  An nMOS transistor, a pMOS transistor, and a ferroelectric capacitor constitute a memory cell, the source of the nMOS transistor, the source of the pMOS transistor, and one end of the ferroelectric capacitor are connected, and the drain of the nMOS transistor and the pMOS transistor A drain of the semiconductor memory device and the other end of the ferroelectric capacitor are connected. 請求項19記載の半導体記憶装置において、前記メモリセルを複数個直列接続してメモリセルブロックを構成することを特徴とする半導体記憶装置。  20. The semiconductor memory device according to claim 19, wherein a plurality of the memory cells are connected in series to constitute a memory cell block. 請求項20記載の半導体記憶装置において、前記メモリセルブロックの一端は、少なくとも1個のメモリセルブロック選択トランジスタを介してビット線に接続され、他端はプレート線に接続されることを特徴とする半導体記憶装置。  21. The semiconductor memory device according to claim 20, wherein one end of the memory cell block is connected to a bit line via at least one memory cell block selection transistor, and the other end is connected to a plate line. Semiconductor memory device. 請求項21記載の半導体記憶装置において、前記メモリセルの前記nMOSトランジスタとpMOSトランジスタは、異なる信号のワード線に接続されることを特徴とする半導体記憶装置。  22. The semiconductor memory device according to claim 21, wherein the nMOS transistor and the pMOS transistor of the memory cell are connected to word lines of different signals. ワード線をゲート電極とするセルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成し、前記メモリセルブロックを複数配置してセルアレイを構成し、前記メモリセルブロックの一端はビット線に接続され、他端がプレート線に接続され、更に前記ワード線に接続されるサブローデコーダと、前記サブローデコーダに接続されるメインワード線を備える半導体記憶装置であって、
前記プレート線の金属配線層と同一の配線層で、前記メインワード線を形成することを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor having a word line as a gate electrode and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series. A memory cell block selection transistor is connected to at least one end of a plurality of serially connected ones to form a memory cell block, and a plurality of the memory cell blocks are arranged to form a cell array. One end of the memory cell block is connected to a bit line. is, the other end is connected to a plate line, a further and Sabouraud decoder connected to the word line, semi conductor memory device Ru comprising a main word line connected to the sub-row decoder,
The semiconductor memory device, wherein the main word line is formed of the same wiring layer as the metal wiring layer of the plate line.
請求項23記載の半導体記憶装置において、前記メインワード線は、前記メモリセルブロック毎に1本配設されることを特徴とする半導体記憶装置。  24. The semiconductor memory device according to claim 23, wherein one main word line is provided for each memory cell block. 請求項1〜3の何れかに記載の半導体記憶装置において、強誘電体キャパシタ膜は、前記セルトランジスタが形成されるウエハの表面と垂直方向に形成されていることを特徴とする半導体記憶装置。 4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ferroelectric capacitor film is formed in a direction perpendicular to a surface of a wafer on which the cell transistor is formed . セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成する半導体記憶装置であって、
前記強誘電体キャパシタの下部電極と前記ソース端子を接続する第1のコンタクトと、前記強誘電体キャパシタの上部電極から第2コンタクトを介して接続される第1の金属配線層と前記ドレイン端子を接続する第3のコンタクトとを備え、少なくとも前記第1のコンタクトと前記第3のコンタクトの一部は同一のプロセスで形成されることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, and at least of the plurality of the series connected A semiconductor memory device in which a memory cell block selection transistor is connected to one end to form a memory cell block,
A first contact connecting the lower electrode of the ferroelectric capacitor and the source terminal; a first metal wiring layer connected from the upper electrode of the ferroelectric capacitor via a second contact; and the drain terminal. 3. A semiconductor memory device, comprising: a third contact to be connected, wherein at least a part of the first contact and the third contact are formed by the same process.
セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成する半導体記憶装置であって、
前記強誘電体キャパシタの下部電極と前記ソース端子を接続する第1のコンタクトと、前記強誘電体キャパシタの上部電極から第2コンタクトを介して接続される第1の金属配線層と前記ドレイン端子を接続する第3のコンタクトとを備え、前記第1のコンタクトと前記第3のコンタクトは異なる材料で構成されることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, and at least of the plurality of the series connected A semiconductor memory device in which a memory cell block selection transistor is connected to one end to form a memory cell block,
A first contact connecting the lower electrode of the ferroelectric capacitor and the source terminal; a first metal wiring layer connected from the upper electrode of the ferroelectric capacitor via a second contact; and the drain terminal. A semiconductor memory device comprising: a third contact to be connected, wherein the first contact and the third contact are made of different materials.
セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成する半導体記憶装置であって、
前記強誘電体キャパシタの下部電極と前記ソース端子を接続する第1のコンタクトと、前記強誘電体キャパシタの上部電極から第2コンタクトを介して接続される第1の金属配線層と前記ドレイン端子を接続する第3のコンタクトとを備え、前記第1のコンタクトと前記第3のコンタクトは少なくとも2種類以上の材料の異なる物質が積層されて形成されることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, and at least of the plurality of the series connected A semiconductor memory device in which a memory cell block selection transistor is connected to one end to form a memory cell block,
A first contact connecting the lower electrode of the ferroelectric capacitor and the source terminal; a first metal wiring layer connected from the upper electrode of the ferroelectric capacitor via a second contact; and the drain terminal. 3. A semiconductor memory device comprising: a third contact to be connected, wherein the first contact and the third contact are formed by stacking at least two kinds of different materials .
セルトランジスタと、前記セルトランジスタのソース、ドレイン端子間に並列接続された強誘電体キャパシタと、からメモリセルを構成し、前記メモリセルを複数個直列接続するとともに、前記複数個直列接続したものの少なくとも一端にメモリセルブロック選択トランジスタを接続してメモリセルブロックを構成する半導体記憶装置であって、
前記強誘電体キャパシタの下部電極と前記ソース或いはドレイン端子とを接続するコンタクト層は、少なくとも2種類以上の異なる材料層が積層されて形成されることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell is composed of a cell transistor and a ferroelectric capacitor connected in parallel between the source and drain terminals of the cell transistor, and a plurality of the memory cells are connected in series, and at least of the plurality of the series connected A semiconductor memory device in which a memory cell block selection transistor is connected to one end to form a memory cell block,
The semiconductor memory device, wherein the contact layer connecting the lower electrode of the ferroelectric capacitor and the source or drain terminal is formed by laminating at least two different material layers.
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