专利名称：半导体存储装置及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及具备铁电体电容器的半导体存储装置及其驱动方法。
以下，参照图8说明现有的具备铁电体电容器的半导体存储装置。
如图8所示，在硅衬底1的表面部分形成源区2及漏区3，而且，在硅衬底1上源区2和漏区3之间的区域上顺序形成硅氧化膜4、由锆钛酸铅(PZT)或钽酸铋锶(SBT)等金属氧化物组成的铁电体膜5及栅电极6，由此，构成铁电体FET。
在这种结构中，电铁体5的极化方向可以设定为上向或下向、与极化的两个状态(上向或下向的状态)相对应、在硅衬底1上栅电极6下侧区域的界面电位深度也可以设定两种不同的状态。由于该界面电位的深度与铁电体FET的源·漏间电阻相对应，因铁电体膜5的极化方向使源·漏间的电阻成为高值及低值中的一个。只要保持铁电体膜5的极化特性，就能保持(存储)极化上向或下向的状态，因此铁电体FET就能够用作非易失性的存储装置。
在这种结构的铁电体FET中，如果使铁电体5的极化方向下向状态对应数据“1”、同时极化方向上向状态对应数据“0”，假如在硅衬底1的下面施加接地电位的同时在栅电极6上施加强的正电压、将铁电体膜5的极化方向设定为下向，还有，在硅衬底1的下面施加接地电位的同时在栅电极6上施加强的负电压、铁电体膜5的极化就能设定为上向。此外，在将铁电体膜5的极化设定为下向或上向后、将栅电极6的电位接地。
图9(a)、(b)及(c)示出硅衬底1的导电类型为P型、源区2及漏区3的导电类型为n型时的能带图，图9(a)示出极化下向的情况(数据“1”的情况)，图9(b)示出极化上向的情况(数据“0”的情况)，图9(c)示出热平衡的能量状态。在图9(a)～(c)中，11表示栅电极6的导带、12表示铁电体膜5的能带、13表示硅氧化膜4的能带、14表示硅衬底1的能带、15表示在硅衬底1的表面附近形成的耗尽层的能带。还有，中间空白的箭头表示铁电体膜5的极化方向。
如图9(a)所示，极化方向下向的情况(数据“1”的情况)下，由于负的离子化耗尽层15扩展到硅衬底1的很深区域，硅衬底1的界面电位比接地电位还低。
另一方面，如图9(b)所示，极化方向上向的情况(数据“0”的情况)下，由于P型载流子空穴蓄积在硅衬底1的表面，硅衬底1上没有形成耗尽层、硅衬底1的界面电位成为地电位。
这样，由于极化的方向、在硅衬底1栅电极6下侧的界面电位不同，这时如在漏·源间加上电位差，就会因极化方向不同造成流经源·漏间电流不同。也就是说，当硅衬底1的界面电位处于比接地电位还低的状态时(数据“1”状态)，漏·源间是低电阻(ON状态)，漏·源之间流过大电流，另一方面，硅衬底1的界面电位处于地电位情况(数据“0”情况)时，漏·源间是高电阻(OFF状态)，漏·源之间几乎没有电流流过。这样，只要检测出漏·源之间的电流值，就能够知道铁电体FET是处于数据“1”状态，还是处于数据“0”状态。
由于这样做就可以知道铁电体FET是处于数据“1”状态还是处于数据“0”状态，在从铁电体FET中读出数据时，铁电体5的极化不发生反转，就能够得到所谓的非破坏性数据读出。也就是说，在数据读出后不需要恢复极化方向或极化大小的动作，即不需要重写入工作。
这样，由于铁电体FET能够进行非破坏方式的读出工作，就不会发生伴随极化反转的破坏方式读出工作中产生的铁电体膜的极化疲劳与退化，因此，可以期待铁电体FET提供无数次读取的非易失性存储器。
但是，通常在电铁体FET中铁电体膜5是具有许多缺陷能级的半导体，电子和空穴很容易在铁电体膜5内移动。
因此，如9(a)所示，铁电体FET处于ON状态时，由于电子从栅极6的导带11注入到铁电体膜5中，使极化先头的电荷被中和，V字形电位的底端渐渐上升，过渡到图9(c)所示的热平衡状态。
另一方面，如图9(b)所示，铁电体FET处于OFF状态时，空穴从栅极6的导带11注入到铁电体膜5中，极化先头的电荷被中和、∧形电位的顶部渐渐下降，也还是过渡到图9(c)所示的热平衡能量状态。
其结果，尽管极化有上向或下向两种不同的方向，由于硅衬底1的界面电位变成同一水平，产生了很难用漏·源间电流区分两种状态的问题。
这个问题可以由
图10所示描述在极化—电压(Q-V)平面上的铁电体电容器滞后曲线20及铁电体FET栅极电容负载线21说明。如果在铁电体膜5和硅氧化膜4之间插入一个假想的电极，图8所示铁电体FET结构可以看作是铁电体电容器和金属—氧化膜—硅(MOS)电容的串联电路。
在这个串联电路中，在极化处于下向状态(数据“1”状态)(相当于图8(a)能带图的状态)时、数据刚写入后的极化是点22、在铁电体膜5上施加从原点0起到点22为止的负的偏置电压，由于该偏置电压成为向铁电体膜5注入电子的诱因，极化从点22移动到原点0。
另一方面，极化是上向状态(数据“0”状态)(相当于图8(b)的能带图状态)时，数据刚写入后的极化在点23，在铁电体膜5上施加有从原点0到点23的正向偏置电压，因为这个偏置电压成为向铁电体膜5注入空穴的诱因，极化从点23移动到原点0。
这样，在现有的铁电体FET中，因为由极化的方向在铁电体膜5和硅氧化膜4之间感应产生的电位差区别数据“1”和数据“0”的差异，在铁电体膜5和硅氧化膜4之间感应产生的电位成为注入电子和空穴使感应电位消失的驱动力。就是说，在铁电体FET中，由注入向铁电体膜5中电子和空穴引起的电压消失是无法避免的问题。
鉴于上述问题，本发明的目的是即使因为电子和空穴的注入使施加在铁电体电容器上的电位差消失，也可以读出保持在铁电体电容器上的数据。
为达到上述目的，与本发明相关的第1种半导体存储装置形成在半导体衬底上、并且具备铁电体电容器、在铁电体电容器上写入数据和读出存储在铁电体电容器上的数据的单元；铁电体电容器，具有铁电体膜、在铁电体膜上形成的第1电极和在铁电体膜下形成的第2电极；铁电体膜的极化方向从第1电极向着第2电极的方向或者从第2电极向着第1电极的方向、而且铁电体膜具有几乎饱和的极化值的状态为第1状态，或铁电体膜的极化方向与第1状态方向相同、而且铁电体膜具有几乎为0的极化值的状态为第2状态；数据写入单元是在铁电体电容器上写入与第1状态或第2状态相对应的数据；数据的读出单元是由检测铁电体电容器是第1状态或是第2状态、由此读出存储在铁电体电容器上的数据。
采用第1半导体存储装置，铁电体电容器保持不同数据(例如数据“1”和“0”)的两个状态由铁电体膜的极化方向相互相同、铁电体膜具有几乎饱和极化值的第1状态(例如数据“1”状态)和铁电体膜具有几乎为零极化值的第2状态(例如数据“0”状态)进行区别，即使施加在铁电体电容器上的电位差因电子或空孔的注入而消失，也能读出铁电体电容器上保存的数据。
在第1半导体存储装置中，数据写入单元最好是在连接第1电极的第1信号线和连接第2电极的第2信号线之间施加电压、使铁电体电容器产生第1状态或第2状态。
这样做，使铁电体电容器上产生第1状态或第2状态，可以简单而且直接地在铁电体电容器上写入数据“1”或数据“0”。
在第1半导体存储装置中，数据读出单元最好是具有在第1电极和第2电极之间产生电压、以在铁电体膜内感应产生与铁电体膜极化方向相同方向的电场的单元。
这样，即使在铁电体电容器上施加读出电压、铁电体膜的极化方向也不发生变化，铁电体电容器就能持续的保存数据，能够减少铁电体极化的疲劳退化。
在第1半导体存储装置中，数据读出单元最好具有与铁电体电容器串联连接的电容性负载和在电铁电体电容器及电容性负载组成的串联电路两端施加读出电压的单元，读出电压按铁电体电容器的电容值与电容性负载电容值之比分割，检测在电容性负载上感应产生的电压、由此检测铁电体电容器是第1状态还是第2状态。
这样，当在铁电体电容器和电容性负载组成的串联电路两端施加读出电压时，由检测在电容性负载上感应产生的电压读出保存在铁电体电容器上的数据，使读出工作变的简单容易。
在第1半导体存储装置中，数据读出单元，最好具有形成在半导体衬底上、栅电极与第2电极连接的场效应晶体管以及在第1电极和半导体衬底或者场效应晶体管源电极间施加读出电压的单元，读出电压按铁电体电容器的电容值与场效应晶体管栅电容值之比被分割、由检测因在栅电极上感应产生的在场效应晶体管的沟道电导上表现出的变化，由此检测铁电体电容器是第1状态还是第2状态。
这样，当在第1电极和半导体衬底或场效应晶体管源电极之间施加读出电压时，能够将在场效应晶体管栅电极上感应产生的电压变化作为场效应晶体管沟道电导的变化检测出来，读出动作简单而且可靠。
在第1半导体存储装置中，数据读出单元最好具有与所述第2电极连接的位线以及在所述第1电极与所述位线间施加读出电压的单元，读出电压按铁电体电容器的电容值与位线的电容值之比分割、通过检测在位线上感应产生的电压，由此检测铁电体电容器是第1状态或是第2状态。
与本发明相关的第2半导体存储装置具备存储单元块，数据写入单元和数据读出单元；存储单元块，由多个存储单元连续连接构成，存储单元具有铁电体电容器和与铁电体电容器串联连接的单元选择晶体管，铁电体电容器具有铁电体膜、在铁电体膜上形成的第1电极以及在铁电体膜下形成的第2电极；数据写入单元包含构成存储单元块的有两个共通的节点，控制线与两个共通节点中的第1共通节点连接，在控制线和两个共通节点中的第2共通节点间施加写入电压，由单元选择晶体管在多个铁电体电容器中选择被选铁电体电容器，使被选铁电体电容器的铁电体膜极化产生第1状态或者第2状态，由此，在被选铁电体电容器上写入与第1状态或者第2状态相对应的数据；第1状态时，铁电体膜的极化方向从第1电极向着第2电极的方向或者从第2电极向着第1电极的方向、而且铁电体膜保持几乎饱和的极化值，第2状态时，铁电体膜的极化方向与第1状态方向相同、而且铁电体膜保持几乎为零的极化值；数据读出单元包含具有与第1共通节点连接的电容性负载，和在第2共通节点与电容性负载间施加读出电压的单元，用单元选择晶体管从多个铁电体电容器中选择被选铁电体电容器，读出电压按被选铁电体电容器的电容值和电容性负载的电容值之比被分割，检测在电容性负载上感应产生的电压，由此检测被选铁电体电容器是的第1状态或是的第2状态，并由此读出存储在被选铁电体电容器上的数据。
采用第2半导体存储装置，由于区别电铁体电容器保持不同数据(例如数据“1”和数据“0”)的两个状态，是由铁电体膜极化的方向相互相同、铁电体膜具有几乎饱和极化值的第1状态(例如数据“1”状态)和铁电体膜具有几乎为零的极化值的第2状态(例如数据“0”状态)区分的，因此，即使因电子或空穴的注入使施加在电铁体电容器上的电位差消失，也能实现读出保持在电铁体电容器上数据的存储单元阵列。
与本发明相关的第1半导体存储装置的驱动方法包含以下工程在铁电体电容器上写入数据的工程和读出存储在铁电体电容器上的数据的工程，铁电体电容器形成在半导体衬底上，具有铁电体膜、在铁电体膜上形成的第1电极和在铁电体膜下形成的第2电极；数据写入工程包含使铁电体膜的极化产生第1状态或者第2状态，由此在铁电体电容器上写入与第1状态或者第2状态相对应的数据的工程；第1状态时，铁电体膜的极化方向是从第1电极向着第2电极的方向或者从第2电极向着第1电极的方向、而且铁电体膜具有几乎饱和的极化值，第2状态时，铁电体膜的极化方向与第1状态相同而且铁电体膜具有几乎为零的极化值；数据读出工程包含通过检测铁电体电容器是所述第1状态还是第2状态，由此读出存储在所述铁电体电容器上的数据的工程。
采用第1半导体存储装置驱动方法，由于是靠区分在铁电体膜上极化方向彼此相同、铁电体膜具有几乎饱和极化值的第1状态(例如数据“1”状态)和铁电体膜具有几乎为零的极化值的第2状态(例如数据“0”状态)来区别铁电体电容器上保持不同数据(例如数据“1”和数据“0”)的两种状态的，即使因电子或空穴的注入使施加在铁电体电容器上的电位差消失，铁电体电容器也能持续保持数据，减少铁电体极化的疲劳退化。
在第1半导体存储装置的驱动方法中，数据写入工程最好包含在与第1电极连接的第1信号线和与第2电极连接的第2信号线之间施加电压，使铁电体电容器上产生第1状态或第2状态的工程。
这样，就可以使铁电体电容器产生第1状态或者第2状态，由此能够简单而又直接的在铁电体电容器上进行写入数据“1”或数据“0”的动作。
在第1半导体存储装置的驱动方法中，数据读出工程最好包含将第2信号线的电位设定为地电位后，切断第2信号线与第2电极的连接、使第2电极处于浮置状态，然后，由检测铁电体电容器是第1状态或是第2状态读出存储在铁电体上的数据。
这样，如果将第2信号线的电位设为地电位、第2电极的电位就被确定、除去在读出动作前进行的写入动作或是读出动作而蓄积在第2电极上的不需要的电荷。还有，切断第2电极与第2信号线的连接，使第2电极成浮置状态后，施加读出电压时，能够确实检测铁电体电容器是第1状态或是第2状态。
在第1半导体存储装置的驱动方法中，数据读出工程最好包含在第1电极和第2电极之间产生电压的工程，使铁电体膜上感应产生与铁电体膜极化方向相同电场。
这样，即使在铁电体电容器上施加读出电压，因为铁电体膜极化方向不变，铁电体电容器能够继续保持数据。
在第1半导体存储装置的驱动方法中，数据读出工程最好包含数据读出工程包含在铁电体电容器和与铁电体电容器串联连接的电容性负载组成的串联电路的两端施加读出电压，读出电压按照铁电体电容器的电容值和电容性负载的电容值之比被分割、检测在电容性负载上感应产生的电压，由此检测铁电体电容器是第1状态还是第2状态的工程。
这样，通过检测在由铁电体电容器和电容性负荷组成的串联电路两端施加读出电压时，在电容性负载上感应产生的电压，能够读出保持在铁电体电容器上的数据，使读出动作变的简单易行。
在第1半导体存储装置驱动方法中，数据读出工程最好包含在第1电极和形成在半导体衬底上、栅电极与第2电极连接的场效应晶休管的源电极或者半导体衬底之间施加读出电压，读出电压按铁电体电容器的电容值与场效应晶体管的栅电容值之比被分割、检测因在所述栅电极上感应产生、在场效应晶体管沟道电导上表现出来的变化，由此检测铁电体电容器是第1状态还是第2状态的工程。
这样，在第1电极与半导体衬底或场效应晶体管源电极之间施加读出电压时，由检测场效应晶体管沟道电导的变化可以检测出在场效应晶体管栅电极上感应产生的电压，读出动作简单而且准确。
在第1半导体存储装置驱动方法中，数据读出工程也可以包含在第1电极和连接在第2电极上的位线之间施加读出电压，读出电压按铁电体电容器的电容值和位线电容值之比被分割，由检测在位线上感应产生的电压检测铁电体电容器是第1状态或是第2状态的工程。
第1半导体存储装置驱动方法最好还具备铁电体电容器至少是在第2状态情况下，在读出数据工程中，在除去施加在第1电极上的读出电压后，将第2电极的电位设定为地电位的工程。
这样，由于铁电体膜的极化返回到读出前的状态，即使铁电体电容器是第2状态，也能反复进行数据读出动作。
与本发明相关的第2半导体存储装置驱动方法具备由铁电体膜、在铁电体膜上形成的第一电极和在铁电体膜下形成的第2电极组成铁电体电容器，由铁电体电容器和与铁电体电容器串联连接的单元选择晶体管组成存储单元，由多个存储单元连续连接形成存储单元块，由单元选择晶体管在多个铁电体电容器中选择被选铁电体电容器，具备在被选铁电体电容器上写入数据的工程，并具备读出存储在由单元选择晶体管从构成存储单元块的多个铁电体电容器中选出的铁电体电容器上的数据的工程；数据写入工程包含构成存储单元块有两个共同的节点，在与两个共通节点中第1共通节点连接的控制线和两个共通节点中的第2共通节点之间施加写入电压，由单元选择晶体管选择铁电体电容器，使被选的铁电体电容器产生第1状态或者第2状态，由此，在被选的铁电体电容器上写入与第1状态或者第2状态相对应数据的工程；第1状态时，被选的铁电体电容器的铁电体膜的极化方向是从第1电极向着第2电极的方向或者从第2电极向着第1电极的方向、而且铁电体膜具有几乎饱和的极化值，第2状态时，被选的铁电体电容器的铁电体膜的极化方向与第1状态相同、而且铁电体膜具有几乎为零的极化值；数据读出工程包含在第2共通节点和连接在第1共通节点上的电容性负载间施加读出电压，读出电压根据用单元选择晶体管被选的铁电体电容器的电容值和电容性负载的电容值之比被分割、由检测在电容性负载上感应产生的电压检测被选的铁电体电容器是第1状态或者是第2状态，由此读出存储在铁电体电容器上的数据的工程。
采用第2半导体存储装置驱动方法，由于可以由铁电体膜极化方向相同、铁电体膜保持几乎饱和极化值的第1状态(例如数据“1”状态)和铁电体膜保持几乎为零极化值的第2状态(例如数据“0”状态)区别铁电体电容器保持不同数据(例如数据“1”和数据“0”)的两种状态，即使由于电子或空穴的注入造成施加在铁电体电容器上的电位差消失，也能读出构成存储单元阵列的铁电体电容器保持的数据。
图2是表示在与第1实施方式相关的半导体存储装置中，写入数据“1”或“0”时第1电极的电位与铁电体膜极化的关系的图。
图3是表示从与第1实施方式相关的半导体存储装置中读出数据“1”或数据“0”时，浮置栅电极的电位与铁电体膜极化的关系的图。
图4是与第1实施方式相关的半导体存储装置的等效电路图。
图5是表示在与第1实施方式相关的半导体存储装置上脉冲式施加读出电压时，读出次数与输出的关系的图。
图6是显示与第2实施方式相关的半导体存储装置构成的电路图。
图7是显示与第2实施方式变形例相关的半导体存储装置构成的电路图。
图8是表示现有的半导体存储装置的剖面图。
图9(a)～(c)是现有的半导体存储装置中栅电极与硅衬底间的能带图。
图10是表示在现有的半导体存储装置中写入数据“1”或数据“0”时，栅电极的电位与铁电体膜极化的关系的图。
符号说明100—硅衬底，101—源区，102—漏区，103—沟道区，104—栅绝缘膜，105—浮置栅电极，110—铁电体膜，111—第1电极，112—第2电极，113—铁电体电容器，121—第1信号，122—第2信号，131—第1负载线，132—第2负载线，201—第1共通节点，202—第2共通节点，203—控制线，204—读出晶体管，205—存储块选择晶体管，206—复位晶体管，207—位线电容，208—读出放大器。
图1是表示与第1实施方式相关的半导体存储装置的剖面结构。例如，在P型硅衬底100表面部上，形成由n型掺杂层组成的源区101及漏区102、在源区101和漏区102之间的硅衬底100表面部上形成沟道区域103。在硅衬底100上的源区101和漏区102之间的区域上，通过由硅氧化膜组成的栅绝缘膜104设有浮置栅电极105。由源区101、漏区102、沟道区103、栅绝缘膜104及浮置栅电极105构成场效应晶体管(以下称的FET)。
在浮置栅电极105的上侧，通过图中未显示的绝缘膜设有铁电体电容器113，该铁电体电容器113由铁电体膜110、在铁电体膜110上形成的第1电极111和在铁电体膜110下形成的第2电极112构成。在第1电极111上连接第1信号线121的同时，在第2电极112及浮置栅电极105上连接第2信号线122。就是说，第2电极112和浮置栅电极105通过第2信号线122相连接。举例来说，铁电体膜110由SBT组成，膜厚约200nm，这时铁电体膜110的矫顽电压是1V左右。
与第1实施方式相关的半导体存储装置的特征是在数据写入动作时，能够直接在第1信号线121和第2信号线122之间施加使铁电体膜110的极化发生变化的电压，在读出数据动作前，由第2信号线122确定浮置栅电极105的电位。
(数据写入动作)在与第1实施方式相关的半导体存储装置中，数据写入动作由使铁电体膜110的极化发生第1状态(例如数据“1”)或是发生第2状态(例如数据“0”)进行，第1状态时，铁电体膜110的极化方向是从第1电极111向着第2电极112(下向方向)或是从第2电极112向着第1电极111的方向(上向方向)、而且铁电体膜110具有几乎饱和的极化值，第2状态时，铁电体膜110的极化方向与第1状态相同而且具有的极化值几乎为零。也就是说，数据“1”的状态和数据“0”的状态极化方向相同、由极化值不同的两个状态区别。
以下，参照图2所示，在Q-V平面上描绘出的滞后曲线、就数据写入动作的具体例子进行说明。在图2中实线示出与第1实施方式相关的半导体存储装置铁电体膜110的滞后曲线，虚线示出现有的铁电体FET铁电体膜5的滞后曲线。
此外，在以下的说明中、假定硅衬底100的电位经常是地电位，还定义极化方向下向时的极化值为正。
在与第1实施方式相关的半导体存储装置中、由于写入数据前，铁电体膜110的极化值几乎是零，极化的位置在原点0附近。
在铁电体膜110上写入数据“1”的情况下，在设定第2信号线122的电位为地电位的同时，设定第1信号线121的电位为3V。这样，铁电体膜110的极化沿着实线从原点0移向点a1，然后将第1信号线121的电位变为地电位，极化就沿着实线从点a1移向点a0，铁电体膜110保持约10μC/cm2的电荷作为数据“1”。
其次，在将数据“1”改写为数据“0”的情况下，仍设定第2信号线122的电位为地电位，而将第1信号线121的电位设定为约-1V。这样做时，铁电体膜110的极化就沿实线从点a0移到点b1。然后，将第1信号线121的电位变为地电位，极化就沿实线从点b1移动到点b0。此外，点b0是正、而且是在原点0附近的点。这样，铁电体膜110是正、而且保持有0μC/cm2的电荷作为数据“0”。
此外，为了写入数据“0”、替代设定第2信号线122的电位为地电位而且第1信号线121的电位约为-1V，也可以将第1信号线121的电位设定为地电位而且第2信号线122的电位为1V。
在第1实施方式中，为了写入数据“0”、没有必要将第2信号线122的电位设定为地电位而且将第1信号线121的电位设定为-3V。其理由是在本发明中，由于将因极化引起的电荷是正，而且是0μC/cm2的状态定义为数据“0”，写入数据“0”时的极化值几乎是0μC/cm2就可以。
(数据读出动作)在与第1实施方式相关的半导体存储装置中，数据读出动作是由检测铁电体膜110是具有几乎饱和极化值的第1状态(例如保持数据“1”的状态)还是具有几乎为零极化值的第2状态(例如保持数据“0”的状态)进行的。
以下，就数据读出动作的具体例进行说明。
首先，设定第2信号线122的电位是地电位，确定浮置栅极105的电位。这是为除去因在这次读出动作之前进行的写入动作及读出动作而蓄积在浮置栅电极105上的不需要的电荷。
其次，将第2信号线122从外部电路切断后、在第1信号线121上施加规定的读出电压VR。读出电压VR按照铁电体电容器113的电容值与FET的栅电容之比，分割施加于铁电体膜110上的电压和施加于栅绝缘膜105上的电压。
参照图3对该动作说明如下。此外，在图3中、131是当第1电极111的电位是0V时、表示FET的栅电容的第1负载线，132是当第1电极111的电位是VR(约2V)时表示FET栅电容的第2负载线。
铁电体膜110的极化值大的情况下(保持数据“1”的情况)，在浮置栅电极105上产生从硅衬底100看用图3的VG1表示的电位。这种情况下，施加在铁电体膜110上的电场方向和保持数据“1”的极化方向是一致的，极化从点a0移动到a2，因为极化值几乎饱和，即使除去读出电压VR，极化的方向和大小与读出动作前的状态没有变化。
另一方面，铁电体膜110的极化值小的情况下(保持数据“0”的情况)，在浮置栅电极105上产生从硅100衬底看用图3的VG0表示的电位，这种情况下，施加在铁电体膜110上的电场和保持数据“0”的极化方向一致，极化从点b0移动到b2。
但是，在铁电体膜110的极化值小的情况下(保持数据“0”的情况)，反复进行数据读出时，极化值逐渐变大、数据“1”和数据“0”的极化值的差变小，不能区别数据。
因此，在第2信号线122开放的状态下、将第1信号线121接地，除去读出电压VR。这样，因为在铁电体膜110上产生与VR相反的电位差，极化就沿着小的滞后曲线从b2点开始，经过b3点移到b4点。然后，将第2信号线122接地，因为极化从b4点返回到b0点，铁电体膜110的极化值恢复到小的状态(保持数据“0”的状态。)这样，在铁电体膜110极化值小的情况下(保持数据“0”的情况)，即使反复进行数据读出动作，也能够读出数据。
但是，由于施加读出电压VR在FET浮置栅电极105上施加的电压有VG0＞VG1的关系，这从图3中可以明白看出。
根据本申请案发明人的实验，在设定铁电体电容器的电容值为FET栅电容值4倍情况下，读出电压VR为2V时，在浮置栅电极105上感应产生的电压约为0.5V，VG0与VG1的差约为60mV。
这样，采用第1实施方式，在读出数据“1”及数据“0”的任何一个的情况下，因为在读出动作后极化都自动的恢复到原来的位置，在读出动作后没有必要再写入，能够实现所谓的非破坏读出动作。
还有，采用第1实施方式，即使在读出数据“1”及数据“0”中的任何一个时，因为极化都不反转(极化不成为负值)，大大减少了极化的疲劳退化。
下面，参照图4及图5说明为评价与第1实施方式相关的半导体存储装置进行测试的结果。
在图4所示的等效电路中，当写入数据“1”时，一方面在铁电体电容器CF的第1电极和第2电极之间施加写入电压VW＝5V，在写入数据“0”时，在铁电体电容器CF的第1电极和第2电极之间施加写入电压VW＝-1V，还有读出数据时，在置位线SET上连续的施加脉冲状的读出电压VR＝2.2V，测量读出用场效应晶体管Qa的输出Vout。
图5示出用图4的等效电路读出数据时读出次数与输出Vout的关系。从图5可以明白，即使施加读出电压VR1012次，数据“1”和数据“0”的任何一个也没有出现输出电平差的变化，输出电平的差几乎是一定的，就是说实际证明了没有出现极化的疲劳退化。
第2实施方式下面，参照图6，说明与本发明第2实施方式相关的半导体存储装置及其驱动方法。
如图6所示，与第2实施方式相关的半导体存储装置具备由多个存储单元连续连接构成的存储单元块，存储单元具有与第1实施方式相关的铁电体电容器113同样结构的铁电体电容器CF0、CF1、……CFn和源区与各铁电体电容器CF0、CF1、……、CFn的第2电极相连接的单元选择晶体管Q0、Q1、……、Qn，铁电体电容器具有铁电体膜、在铁电体膜上形成的第1电极及在铁电体膜下形成的第2电极。
存储单元块具备一端与各单元选择晶体管Q0、Q1、……、Qn的各漏区共通连接的第1共通节点201，一端与各铁电体电容器CF0、CF1、……、CFn的第1电极共通连接的第2共通节点202，一端与第1共通节点201的他端连接的控制线203，栅电极与第1共通节点201的他端相连接的读出晶体管(电容性负载)204，漏区与置位线SET连接而且源区与第2共通节点202的他端连接的块选择晶体管205，漏区与控制线203的他端连接而且源区与复位线RST连接的复位晶体管206等各部分。
还有，在单元选择晶体管Q0、Q1、……、Qn的各栅电极上连接有字线WL0、WL1、……、WLn，读出晶体管204的漏区与复位线RST连接，读出晶体管204的源区与位线BL连接。
此外，复位线RST与读出晶体管204的源区连接，替代它、也可以连接到形成读出晶体管204的半导体衬底上(图6中以上向箭头表示的部分)。
(数据写入动作)以下，就数据写入动作进行说明。
首先，将存储块选择晶体管205置导通状态使置位线SET和第2共通节点202导通的同时、将复位晶体管206置导通状态使复位线RST与控制线203导通。还有，将数据写入存储单元的字线置接通状态，使构成数据写入存储单元的单元选择晶体管导通。
其次，在置位线SET与复位线RST之间给予电位差，当在第2共通节点202和控制线203之间施加写入电压VWR时，由于在各个铁电体电容器CF0、CF1、……、CFn中被选择的铁电体电容器第1电极和第2电极之间直接施加了写入电压VWR，就在被选择的铁电体电容器上写入了数据。
写入电压VWR的大小与第1实施方式相同，由使铁电体膜的极化产生第1状态或是产生第2状态进行，第1状态时，铁电体膜的极化方向是从第1电极向第2电极的方向或者从第2电极向第1电极的方向、而且铁电体膜保持几乎饱和的极化值(数据“1”状态)，第2状态时，铁电体膜的极化与第1状态的方向相同、而且保持几乎为零的极化值(数据“0”状态)。
(数据读出动作)以下，说明数据的读出动作。
首先，将存储块选择晶体管205置于导通状态、使置位线SET与第2共通节点202连接。还有使复位晶体管206置于截止状态使控制线203一度接地后，复位晶体管206置于截止状态切断控制线203和复位线RST的连接、将控制线203置于浮置电位。还有，将读出数据存储单元的字线置于接通状态、使构成数据写入存储单元的单元选择晶体管导通。
其次，在置位线SET和复位线RST之间给予电位差，在第2共通节点202和复位线RST之间施加读出电压VR，该读出电压VR按被选择的铁电体电容器的电容值与读出晶体管204的栅电容值之比分割、被分割的电压施加在读出晶体管204的栅电极上。也就是说，因为在读出晶体管204的栅电极上施加了由被选铁电体电容器上存储数据(“1”或者“0”)决定的电压，检测在读出晶体管204的漏·源间流动的电流，进而检测读出晶体管204的沟道电导，就能读出存储在被选铁电体电容器上的数据。
采用第2实施方式，与第1实施方式同样，在读出数据“1”及数据“0”中任何一个的情况下，没有必要在读出动作后进行再写入动作，能够实现所谓的非破坏方式读出动作。
还有，采用第2实施方式，因为在数据读出后极化不反转(极化不成为负值)，大大减少了极化的疲劳退化。
进一步，因为读出晶体管204为多个铁电体电容器所共有，可以实现面积效率优秀的高集成度存储器阵列。
第2实施方式的变形例以下，参照图7，说明与本发明第2实施方式变形例相关的半导体存储装置及其驱动方法。
第2实施方式的变形例与第2实施方式相比，与第1共通节点201成为位线的同时，仅仅与该第1共通节点201他端连接的电容性负载不同，因为其他的构成与第2实施方式同样，下面仅说明电容性负载。
将位线电容207连接到第1共通节点201的同时，第1共通节点201的他端连接读出放大器。
数据读出动作时，在第2共通节点202和复位线RST之间施加读出电压VR，该读出电压按被选铁电体电容器的电容值与位线电容207电容值之比被分割，被分割的电压施加在读出放大器208上。也就是说，由读出放大器检测出由存储在被选铁电体电容器上的数据(“1”或是“0”)决定的电压，就能够读出存储在被选铁电体电容器上的数据。
发明的效果采用与本发明相关的第1或第2半导体存储装置以及第1或第2半导体存储装置的驱动方法，因为铁电体电容器保持不同数据的两种状态能够由铁电体膜极化方向互相相同、铁电体膜保持几乎饱和极化值的第1状态，和铁电体膜保持几乎为零极化值的第2状态区别，即使施加在铁电体电容器上的电位差由于电子或空穴的注入而消失，铁电体电容器也能够继续保持数据、减少铁电体极化的疲劳退化。
权利要求
1.一种半导体存储装置，其特征在于形成在半导体衬底上，具备铁电体电容器、数据写入单元和数据读出单元；铁电体电容器，具有铁电体膜、在所述铁电体膜上形成的第1电极和在铁电体膜下形成的第2电极；数据写入单元，由使所述铁电体膜发生第1状态或是第2状态、在所述铁电体电容器上写入与所述第1状态或第2状态相对应的数据，第1状态时，所述铁电体膜的极化方向从所述第1电极向着所述第2电极的方向或者从所述第2电极向着第1电极的方向、而且所述铁电体膜保持几乎饱和的极化值，第2状态时，所述铁电体膜的极化方向与所述第1状态方向相同、而且所述铁电体膜保持几乎为零的极化值；数据读出单元，由检测所述铁电体电容器是所述第1状态或是所述第2状态、读出存储在所述铁电体电容器上的数据。
2.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其特征在于所述数据写入单元，在与所述第1电极连接的第1信号线和与所述第2电极连接的第2信号线之间施加电压、使所述铁电体电容器产生所述第1状态或者所述第2状态。
3.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其特征在于所述数据读出单元，具有能够在所述第1电极与所述第2电极之间产生电压的单元、这一电压能够在所述铁电体膜上感应产生与所述铁电体膜极化方向相同的电场。
4.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其特征在于所述数据读出单元，具有在与所述铁电体电容器串联连接的电容性负载和由所述铁电体电容器及所述电容性负载组成的串联电路两端施加读出电压的单元，所述读出电压按所述铁电体电容器的电容值与所述电容性负载的电容值之比分割、由检测在所述电容性负载上感应产生的电压、由此检测所述铁电体电容器是所述第1状态或是所述第2状态。
5.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其特征在于所述数据读出单元，具有形成在所述半导体衬底上、栅电极与所述第2电极连接的场效应晶体管以及在所述第1电极和所述半导体衬底或者所述场效应晶体管源电极间施加读出电压的单元，所述读出电压按所述铁电体电容器的电容值与所述场效应晶体管栅电容值之比被分割、由检测因在所述栅电极上感应产生的在所述场效应晶体管的沟道电导上表现出的变化，由此检测所述铁电体电容器是所述第1状态还是所述第2状态。
6.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其特征在于所述数据读出单元，具有与所述第2电极连接的位线以及在所述第1电极与所述位线间施加读出电压的单元，所述读出电压按所述铁电体电容器的电容值与所述位线的电容值之比分割、通过检测在所述位线上感应产生的电压，由此检测所述铁电体电容器是所述第1状态或是所述第2状态。
7.一种半导体存储装置，其特征在于具备存储单元块，数据写入单元和数据读出单元；存储单元块，由多个存储单元连续连接构成，存储单元具有铁电体电容器和与所述铁电体电容器串联连接的单元选择晶体管，铁电体电容器具有铁电体膜、在所述铁电体膜上形成的第1电极以及在所述铁电体膜下形成的第2电极；数据写入单元包含构成所述存储单元块的有两个共通的节点，控制线与两个共通节点中的第1共通节点连接，在控制线和所述两个共通节点中的第2共通节点间施加写入电压，由所述单元选择晶体管在所述多个铁电体电容器中选择被选铁电体电容器，使所述被选铁电体电容器的铁电体膜极化产生第1状态或者第2状态，由此，在所述被选铁电体电容器上写入与所述第1状态或者所述第2状态相对应的数据；第1状态时，所述铁电体膜的极化方向从所述第1电极向着所述第2电极的方向或者从所述第2电极向着第1电极的方向、而且所述铁电体膜保持几乎饱和的极化值，第2状态时，所述铁电体膜的极化方向与所述第1状态方向相同、而且所述铁电体膜保持几乎为零的极化值；数据读出单元包含具有与所述第1共通节点连接的电容性负载，和在所述第2共通节点与所述电容性负载间施加读出电压的单元，用所述单元选择晶体管从所述多个铁电体电容器中选择被选铁电体电容器，所述读出电压按所述被选铁电体电容器的电容值和所述电容性负载的电容值之比被分割，检测在所述电容性负载上感应产生的电压，由此检测所述被选铁电体电容器是所述的第1状态或是所述的第2状态，并由此读出存储在所述被选铁电体电容器上的数据。
8.一种半导体存储装置的驱动方法，其特征在于包括在铁电体电容器上写入数据的工程和读出存储在所述铁电体电容器上的数据的工程，铁电体电容器形成在半导体衬底上，具有铁电体膜、在所述铁电体膜上形成的第1电极和在铁电体膜下形成的第2电极；所述数据写入工程包含使所述铁电体膜的极化产生第1状态或者第2状态，由此在所述铁电体电容器上写入与所述第1状态或者第2状态相对应的数据的工程；第1状态时，所述铁电体膜的极化方向是从所述第1电极向着所述第2电极的方向或者从所述第2电极向着所述第1电极的方向、而且所述铁电体膜具有几乎饱和的极化值，第2状态时，所述铁电体膜的极化方向与所述第1状态相同而且所述铁电体膜具有几乎为零的极化值；所述数据读出工程包含通过检测所述铁电体电容器是所述第1状态还是所述第2状态，由此读出存储在所述铁电体电容器上的数据的工程。
9.根据权利要求8所述的半导体存储装置的驱动方法，其特征在于所述数据写入工程包含在与所述第1电极连接的第1信号线和与所述第2电极连接的第2信号线之间施加电压，使所述铁电体电容器上产生所述第1状态或者所述第2状态的工程。
10.根据权利要求9所述的半导体存储装置的驱动方法，其特征在于所述数据读出工程包含将所述第2信号线的电位设定为接地电位后，切断所述第2电极与所述第2信号线的连接，使第2电极成浮置状态，然后由检测所述铁电体电容器是所述第1状态或是所述第2状态，读出存储在所述铁电体电容器上的数据。
11.根据权利要求8所述的半导体存储装置的驱动方法，其特征在于所述数据读出工程包含在所述第1电极与所述第2电极之间产生电压的工程，该电压在所述铁电体膜上感应产生与所述铁电体膜极化方向相同的电场。
12.根据权利要求8所述的半导体存储装置的驱动方法，其特征在于所述数据读出工程包含在所述铁电体电容器和与所述铁电体电容器串联连接的电容性负载组成的串联电路的两端施加读出电压，所述读出电压按照所述铁电体电容器的电容值和所述电容性负载的电容值之比被分割、检测在所述电容性负载上感应产生的电压，由此检测所述铁电体电容器是所述第1状态还是所述第2状态的工程。
13.根据权利要求8所述的半导体存储装置的驱动方法，其特征在于所述数据读出工程包含在所述第1电极和形成在半导体衬底上、栅电极与所述第2电极连接的场效应晶休管的源电极或者所述半导体衬底之间施加读出电压，所述读出电压按所述铁电体电容器的电容值与所述场效应晶体管的栅电容值之比被分割、检测因在所述栅电极上感应产生、在所述场效应晶体管沟道电导上表现出来的变化，由此检测所述铁电体电容器是所述第1状态还是所述第2状态的工程。
14.根据权利8所述的半导体存储装置的驱动方法，其特征在于所述数据读出工程包含在所述第1电极和连接在所述第2电极上的位线之间施加读出电压，所述读出电压按所述铁电体电容器的电容值和所述位线电容值之比被分割，由检测在所述位线上感应产生的电压检测所述铁电体电容器是所述第1状态或是所述第2状态的工程。
15.根据权利要求12、13或14所述的半导体存储装置的驱动方法，其特征在于还具备，所述铁电体电容器至少是在所述第2状态情况下，在所述数据读出工程中，在除去施加在所述第1电极的所述读出电压后，将所述第2电极的电位设定为地电位的工程。
16.一种半导体存储装置的驱动方法，其特征在于由铁电体膜、在所述铁电体膜上形成的第一电极和在所述的铁电体膜下形成的第2电极组成铁电体电容器，由铁电体电容器和与所述铁电体电容器串联连接的单元选择晶体管组成存储单元，由多个存储单元连续连接形成存储单元块，由所述单元选择晶体管在多个所述铁电体电容器中选择被选铁电体电容器，具备在被选铁电体电容器上写入数据的工程，并具备读出存储在由所述单元选择晶体管从构成所述存储单元块的多个所述铁电体电容器中选出的铁电体电容器上的数据的工程；所述数据写入工程包含构成所述存储单元块有两个共同的节点，在与两个共通节点中第1共通节点连接的控制线和所述两个共通节点中的第2共通节点之间施加写入电压，由所述单元选择晶体管选择所述铁电体电容器，使被选的铁电体电容器产生第1状态或者第2状态，由此，在被选的所述铁电体电容器上写入与所述第1状态或者第2状态相对应数据的工程；第1状态时，被选的铁电体电容器的铁电体膜的极化方向是从所述第1电极向着所述第2电极的方向或者从所述第2电极向着所述第1电极的方向、而且所述铁电体膜具有几乎饱和的极化值，第2状态时，被选的所述铁电体电容器的铁电体膜的极化方向与第1状态相同、而且所述铁电体膜具有几乎为零的极化值；所述数据读出工程包含在所述第2共通节点和连接在所述第1共通节点上的电容性负载间施加读出电压，所述读出电压根据用所述单元选择晶体管被选的所述铁电体电容器的电容值和所述电容性负载的电容值之比被分割、由检测在所述电容性负载上感应产生的电压检测被选的所述铁电体电容器是所述第1状态或者是所述第2状态，由此读出存储在所述铁电体电容器上的数据的工程。
全文摘要
一种半导体存储装置及其驱动方法,半导体存储装置具有铁电体电容器,即使由于电子或空穴的注入使施加在铁电体电容器上的电位差消失,也能够读出铁电体电容器所保持的数据。半导体存储装置的结构是:由源区(101)、漏区(102)、沟道区(103)、栅绝缘膜(104)及浮置栅电极(105)构成场效应晶体管,通过绝缘膜在该场效应晶体管上设置铁电体电容器(113),铁电体电容器由铁电体膜(110)和上侧的第1电极(111)及下侧的第2电极(112)组成。将铁电体膜(110)的极化方向下向、且铁电体膜(110)具有几乎饱和极化值的第1状态作为数据“1”写入的同时,将铁电体膜的极化方向下向、且铁电体膜(110)具有几乎为零的极化值的第2状态作为数据“0”写入。
文档编号G11C11/22GK1379475SQ0210802
公开日2002年11月13日 申请日期2002年3月25日 优先权日2001年3月30日
发明者嶋田恭博, 加藤刚久, 山田隆善 申请人:松下电器产业株式会社