JP2003163332A - Semiconductor device - Google Patents
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- JP2003163332A JP2003163332A JP2002174228A JP2002174228A JP2003163332A JP 2003163332 A JP2003163332 A JP 2003163332A JP 2002174228 A JP2002174228 A JP 2002174228A JP 2002174228 A JP2002174228 A JP 2002174228A JP 2003163332 A JP2003163332 A JP 2003163332A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 多値メモリやニューロンコンピュータのニュ
ーロン素子として利用可能な、多値情報を保持できる半
導体装置及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】 半導体装置は、制御電圧供給部110
と、ゲート電極109とドレイン領域103aとソース
領域103bとを有するMOSトランジスタと、ゲート
電極109と制御電圧供給部110との間に互いに並列
に介設された誘電体キャパシタ104及び抵抗素子10
6とを有する。この構成により、電圧を印加して誘電体
キャパシタ104の中間電極とゲート電極109とに電
荷を蓄積し、MOSトランジスタの閾値を変化させるこ
とができる。よって、入力された信号の履歴をMOSト
ランジスタのドレイン電流の変化として記憶することが
可能になり、多値の情報を保持することができる。
(57) Abstract: Provided is a semiconductor device which can be used as a multi-valued memory or a neuron element of a neuron computer and can hold multi-valued information, and a driving method thereof. A semiconductor device includes a control voltage supply unit.
A MOS transistor having a gate electrode 109, a drain region 103a and a source region 103b, and a dielectric capacitor 104 and a resistance element 10 interposed in parallel between the gate electrode 109 and the control voltage supply unit 110.
6. With this configuration, a voltage is applied to accumulate electric charges in the intermediate electrode and the gate electrode 109 of the dielectric capacitor 104, so that the threshold value of the MOS transistor can be changed. Therefore, the history of the input signal can be stored as a change in the drain current of the MOS transistor, and multi-value information can be held.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の駆動方法に係り、特に神経回路網コンピュータ(ニュ
ーロンコンピュータ)などに利用可能で多値情報を保持
可能な半導体装置及びその駆動方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a driving method thereof, and more particularly to a semiconductor device which can be used in a neural network computer (neuron computer) or the like and can hold multivalued information, and a driving method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】マルチメディアの進展に伴い、半導体装
置の性能向上に対する要求は高まる一方である。大容量
のデジタル情報を処理するため、例えばパーソナルコン
ピュータのCPUでは、1GHz以上の高速の動作をす
るものまで市販され始めている。2. Description of the Related Art With the progress of multimedia, demands for improving the performance of semiconductor devices are increasing. In order to process a large amount of digital information, for example, a CPU of a personal computer, which has a high-speed operation of 1 GHz or more, has been commercially available.
【0003】こういった半導体装置の性能向上への要求
に対し、半導体メーカーはこれまで主として半導体装置
の微細化プロセス技術による性能向上によって応えてき
た。Semiconductor manufacturers have hitherto mainly responded to such demands for improving the performance of semiconductor devices by improving the performance of semiconductor devices by miniaturization process technology.
【0004】しかしながら、半導体装置の微細化に対
し、物理的な限界すら指摘されるようになった現在で
は、これ以上の微細化による半導体装置の性能向上は、
製造コストの点からも望めなくなってきている。However, now that even physical limits have been pointed out for the miniaturization of semiconductor devices, the performance improvement of semiconductor devices by further miniaturization is
From the point of view of manufacturing costs, we are no longer expecting.
【0005】上述の要求を解決する手段として、「1」
と「0」の2値の信号を用いて演算を行なうこれまでの
デジタル情報処理技術に対し、3値、4値へと情報を多
値化する技術や、さらにその多値化技術を応用して生物
の脳の機能を模倣した演算処理の行なえるコンピュータ
(ニューロンコンピュータ)技術などが研究されてい
る。As a means for solving the above requirement, "1"
In addition to the conventional digital information processing technology that uses two-valued signals of 0 and “0” to perform arithmetic operations, the technology that multivalues information into three-valued and four-valued data and the multi-valued technology is applied. Computer technology (neuron computer) that can perform arithmetic processing that mimics the function of the brain of living things is being researched.
【0006】生物の脳は、演算機能を持ったニューロン
と呼ばれる神経細胞と、その演算結果を他のニューロン
に伝える、いわば配線の役割を担う神経繊維とを基本と
して構成されている。The brain of an organism is basically composed of nerve cells called neurons having an arithmetic function, and nerve fibers which play a role of wiring so as to transmit the arithmetic result to other neurons.
【0007】ニューロンコンピュータにおいては、ニュ
ーロンに相当する半導体素子からなる多数のニューロン
部と、ニューロン部に信号を伝達し、重みをかける多数
のシナプス部とから構成されている。このニューロン部
とシナプス部の組み合わせを以下ニューロン素子と呼
ぶ。The neuron computer is composed of a large number of neuron parts made up of semiconductor elements corresponding to neurons, and a large number of synapse parts which transmit signals to the neuron parts and weight them. The combination of the neuron part and the synapse part is hereinafter called a neuron element.
【0008】前段の複数のニューロン素子からの異なっ
た「重み」を持つ情報信号が、あるニューロン素子に入
力されると、このニューロン素子において情報信号が加
算され、この情報信号の和が閾値を超えるとニューロン
素子が「発火」し、信号が次段のニューロン素子に出力
される。この繰り返しにより、情報が処理されていく。When information signals having different "weights" from a plurality of preceding neuron elements are input to a certain neuron element, the information signals are added in this neuron element, and the sum of the information signals exceeds a threshold value. The neuron element "fires" and the signal is output to the next neuron element. By repeating this, information is processed.
【0009】また、生物の脳が学習する過程は、シナプ
ス結合における重みが変化していく過程としてとらえら
れている。すなわち、様々な入力信号の組み合わせに対
し、正しい出力が得られるように重みが徐々に修正さ
れ、最終的に最適の値に落ち着くのである。Further, the process of learning by the brain of an organism is regarded as a process in which the weight in synaptic connection changes. That is, for various combinations of input signals, the weights are gradually modified so that a correct output can be obtained, and finally settled at an optimum value.
【0010】このような学習機能を有する神経回路網を
構成するためには、各シナプス結合の強さを適宜変更で
き、且つその変更した値を記憶しておく必要がある。そ
のため、多値技術はニューロンコンピュータの実現に必
須の技術となっている。In order to construct a neural network having such a learning function, it is necessary to appropriately change the strength of each synaptic connection and store the changed value. Therefore, multi-valued technology is an essential technology for realizing a neuron computer.
【0011】上述のニューロンコンピュータは多値技術
の応用の一例であるが、もちろん多値の情報を安定に記
憶する多値メモリの研究も盛んに行われている。これら
のことからも分かるように、情報の多値化技術は、将来
の半導体装置において極めて重要な技術となっている。The above-mentioned neuron computer is an example of application of multi-valued technology, but of course, research on multi-valued memory for stably storing multi-valued information has been actively conducted. As can be seen from these facts, the information multi-valued technique will be an extremely important technique in future semiconductor devices.
【0012】このような多値化技術の例として、強誘電
体の分極ヒステリシスを利用して1つのメモリセルに3
値以上の情報を記憶させるようにした従来技術が、特開
平8−124378「強誘電体メモリ」に記載されてい
る。As an example of such multi-valued technique, polarization hysteresis of a ferroelectric substance is utilized to make three memory cells in one memory cell.
A conventional technique for storing information of a value or more is described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-124378 "Ferroelectric Memory".
【0013】図49は、多値メモリとして機能する従来
の半導体装置の断面図である。同図より、従来の半導体
装置のメモリセルは、シリコン基板1107と、シリコ
ン基板1107内に埋め込んで設けられたウェル線BU
L1及びウェル線BUL2と、ウェル線BUL1及びウ
ェル線BUL2の上にそれぞれ設けられた強誘電体から
なるPZT膜1109と、PZT膜1109の上に設け
られたワード線WL1と、ワード線WL1とウェル線B
UL1との上方に設けられたビット線BL1と、ワード
線WL1とウェル線BUL2との上方に設けられたビッ
ト線BL2とを備えている。また、ウェル線BUL1と
ウェル線BUL2内には、図示しないドレイン及びソー
スがそれぞれ設けられ、ビット線BL1はビットコンタ
クト(図示せず)を介してウェル線BUL1内のドレイ
ンと接続され、ビット線BL2はビットコンタクトを介
してウェル線BUL2内のドレインと接続されている。FIG. 49 is a sectional view of a conventional semiconductor device which functions as a multi-valued memory. As shown in the figure, the memory cell of the conventional semiconductor device has a silicon substrate 1107 and a well line BU embedded in the silicon substrate 1107.
L1 and the well line BUL2, the PZT film 1109 made of a ferroelectric material provided on the well line BUL1 and the well line BUL2, the word line WL1 provided on the PZT film 1109, the word line WL1 and the well Line B
The bit line BL1 is provided above the UL1 and the bit line BL2 is provided above the word line WL1 and the well line BUL2. Further, drains and sources (not shown) are provided in the well lines BUL1 and BUL2, respectively. The bit line BL1 is connected to the drain in the well line BUL1 via a bit contact (not shown), and the bit line BL2. Is connected to the drain in the well line BUL2 via the bit contact.
【0014】情報の書込みは、ワード線WL1とウェル
線BUL1及びウェル線BUL2に電圧を印加してPZ
T膜1109の分極を変化させることにより行なわれ
る。To write information, a voltage is applied to the word line WL1, the well line BUL1 and the well line BUL2 to PZ.
This is performed by changing the polarization of the T film 1109.
【0015】図50は、上述の従来例の各メモリセルに
おいて、ゲート電極に印加される電圧VGB(=ゲート
電極の電位−ウェルの電位)と強誘電体の分極の大きさ
との関係(ヒステリシス特性)を示すグラフである。強
誘電体はヒステリシス特性を有することから、印加電圧
の履歴により分極状態が変化し、電圧を除荷しても、図
50の点A,点B,点Cで示すような分極状態が残留す
る。強誘電体が飽和分極するV=V1 の電圧印加後に電
圧を除荷すると、分極は点Aの状態に、V=V 2 の電圧
印加後に電圧を除荷するかV=V1の電圧印加後にV=
−V2の電圧を印加してから電圧を除荷すると、分極は
点Cの状態に、V=−V1の電圧印加後に電圧を除荷す
ると、分極は点Bの状態になる。FIG. 50 shows each memory cell of the above-mentioned conventional example.
Voltage VGB applied to the gate electrode (= gate
Electrode potential-well potential) and magnitude of ferroelectric polarization
It is a graph which shows the relationship (hysteresis characteristic) with. strength
Since the dielectric has a hysteresis characteristic, the applied voltage
The polarization state changes depending on the history of the
The polarization state as indicated by 50 points A, B, and C remains.
It Saturation polarization of ferroelectric substance V = V1After applying the voltage
When the pressure is unloaded, the polarization is in the state of point A, V = V 2 Voltage
Unload the voltage after applying V = V1After applying the voltage
-V2When the voltage is applied and then the voltage is unloaded, the polarization
In the state of point C, V = -V1Unload the voltage after applying the voltage
Then, the polarization becomes the state of point B.
【0016】図51は、図50に対応して強誘電体が点
A,点C及び点Bの状態のときの、メモリセルのドレイ
ン電流Iとゲート電圧VGBとの関係を示すグラフであ
る。同図において、左側の曲線が点A、中央の曲線が点
C、右側の曲線が点Bの状態に各々対応する。点Aの状
態においては、強誘電体が正に大きく分極しているため
に、メモリセルの閾値電圧VtAは、分極していない点
Cの態での閾値電圧VtCよりも小さくなっている。ま
た、点Bの状態においては、強誘電体が負に大きく分極
しているために、メモリセルの閾値電圧VtBは、分極
していない点Cの状態での閾値電圧VtCよりも大きく
なっている。このように、強誘電体を点A,点C及び点
Bに示す3つの分極状態に変化させることによって、メ
モリセルの閾値電圧を異なる3種類に制御することがで
きるので、この閾値電圧の値に応じてメモリセルに3値
の情報を記憶させることができる。上記従来技術ではさ
らに点Aと点Cの間の分極状態を利用することでさらな
る多値化が可能であるとしている。FIG. 51 is a graph showing the relationship between the drain current I of the memory cell and the gate voltage VGB when the ferroelectric substance is in the state of points A, C and B, corresponding to FIG. In the same figure, the left curve corresponds to the point A, the center curve corresponds to the point C, and the right curve corresponds to the point B. In the state of point A, the ferroelectric substance is highly polarized, so that the threshold voltage VtA of the memory cell is smaller than the threshold voltage VtC in the state of unpolarized point C. Further, in the state of the point B, the ferroelectric substance is highly negatively polarized, so that the threshold voltage VtB of the memory cell is higher than the threshold voltage VtC in the state of the non-polarized point C. . As described above, by changing the ferroelectric substance into the three polarization states shown at the points A, C, and B, the threshold voltage of the memory cell can be controlled to three different types. Accordingly, ternary information can be stored in the memory cell. According to the above-mentioned conventional technology, it is possible to further multivalue by utilizing the polarization state between points A and C.
【0017】[0017]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例は、分極状態"C"を正確に得ることが難しいとい
う根本的な課題を有している。従来技術では、適当な電
圧を印加して誘電体を弱く分極させた後に電圧を除荷す
ると分極はゼロ近くになるとしているが、図50からも
明らかなように、強誘電体のヒステリシスは抗電圧Vc
付近で大きく変化する特性を有するのに対し、−V2 の
絶対値はVcに近い値にならざるを得ないためその制御
が極めて困難であり、V2 の値がノイズなどで若干揺ら
いだだけで除荷後の分極値は大きく変化してしまう。ま
た、このような書込み電圧のバラツキ以外にも強誘電体
の結晶状態や膜厚などの変化によっても抗電圧Vcが変
化してしまうため、結果として信頼性が高く再現性の良
好な多値記憶特性を安定して得ることは極めて困難であ
った。なお、本明細書中で抗電圧とは、強誘電体のヒス
テリシスを大きく変化させ、強誘電体キャパシタの電荷
分布を変更するのに必要な電圧のことを指すものとす
る。However, the above-mentioned conventional example has a fundamental problem that it is difficult to accurately obtain the polarization state "C". In the prior art, it is stated that when an appropriate voltage is applied to weakly polarize the dielectric and then the voltage is unloaded, the polarization becomes close to zero. However, as is clear from FIG. Voltage Vc
Although it has a characteristic that it greatly changes in the vicinity, the absolute value of -V 2 is inevitably close to Vc, and therefore its control is extremely difficult, and the value of V 2 fluctuates slightly due to noise or the like. Therefore, the polarization value after unloading changes greatly. Further, the coercive voltage Vc also changes due to changes in the crystal state and film thickness of the ferroelectric substance in addition to such variations in the write voltage, and as a result, multi-value storage with high reliability and good reproducibility is obtained. It was extremely difficult to obtain stable characteristics. In the present specification, the coercive voltage refers to a voltage required to change the hysteresis of the ferroelectric substance significantly and change the charge distribution of the ferroelectric capacitor.
【0018】本発明の目的は、信頼性が高く情報を安定
に記憶することが可能で、ニューロンコンピュータのニ
ューロン素子としても利用可能な半導体装置及びその駆
動方法を提供することにある。It is an object of the present invention to provide a semiconductor device which is highly reliable and capable of stably storing information and which can be used as a neuron element of a neuron computer, and a driving method thereof.
【0019】[0019]
【課題を解決するための手段】本発明の第1の半導体装
置は、半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第
1の上部電極,第1の誘電体層,及び第1の下部電極か
らなる第1のキャパシタと、上記半導体基板上に形成さ
れた第2の上部電極,第2の誘電体層,及び第2の下部
電極からなる第2のキャパシタとを配置して構成される
記憶部を備え、3値以上の情報を保持可能な半導体装置
であって、上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層の
ヒステリシス特性における抗電圧値が互いに異なってい
る。A first semiconductor device of the present invention comprises a semiconductor substrate, a first upper electrode formed on the semiconductor substrate, a first dielectric layer, and a first lower electrode. And a second capacitor composed of a second upper electrode formed on the semiconductor substrate, a second dielectric layer, and a second lower electrode. In the semiconductor device having a portion and capable of holding information of three or more values, the first dielectric layer and the second dielectric layer have different coercive voltage values in hysteresis characteristics.
【0020】これにより、キャパシタ全体のヒステリシ
ス曲線において、準安定点が形成され、書込み電圧の揺
らいだ場合にも3値以上の情報を安定に記憶することが
できる。As a result, a metastable point is formed in the hysteresis curve of the entire capacitor, and three or more values of information can be stably stored even when the write voltage fluctuates.
【0021】動作時には、上記第1のキャパシタの分極
方向と上記第2のキャパシタの分極方向とが互いに同じ
となることにより、第1のキャパシタと第2のキャパシ
タの抗電圧の違いによるヒステリシス曲線上に1つ以上
の準安定点を生じさせることができるようになる。この
結果、3値以上の情報を安定に記憶することができるよ
うになる。During operation, the polarization direction of the first capacitor and the polarization direction of the second capacitor are the same, so that a hysteresis curve due to a difference in coercive voltage between the first capacitor and the second capacitor is displayed. It becomes possible to generate one or more metastable points at. As a result, it becomes possible to stably store information having three or more values.
【0022】また、上記半導体基板上に形成されたゲー
ト絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に形成された導体膜
からなるゲート電極とを有するトランジスタをさらに備
え、上記第1の下部電極と上記第2の下部電極とが共に
上記ゲート電極と一体化されていることにより、安定に
多値情報の記憶動作を行なうことができる半導体装置の
製造工程数を少なくすることができるので、半導体装置
の製造コストを抑えることができる。Further, a transistor having a gate insulating film formed on the semiconductor substrate and a gate electrode made of a conductor film formed on the gate insulating film is further provided, and the first lower electrode and the transistor are provided. Since the second lower electrode is integrated with the gate electrode together, it is possible to reduce the number of manufacturing steps of the semiconductor device capable of stably storing the multivalued information. Manufacturing cost can be suppressed.
【0023】また、上記半導体基板上に形成されたゲー
ト絶縁膜と上記ゲート絶縁膜の上に形成された導体膜か
らなるゲート電極とをさらに備え、上記第1の下部電極
と上記第2の下部電極とがそれぞれ上記ゲート電極と互
いに接続されていることにより、キャパシタに印加され
た電圧がゲート電極に伝達され、記憶部の状態によって
ゲート電圧印加時に流れるドレイン電流が変化するの
で、多値情報を安定して記憶することができる。Further, the semiconductor device further includes a gate insulating film formed on the semiconductor substrate and a gate electrode formed of a conductive film formed on the gate insulating film, the first lower electrode and the second lower electrode. Since the electrode and the gate electrode are connected to each other, the voltage applied to the capacitor is transmitted to the gate electrode, and the drain current that flows when the gate voltage is applied changes depending on the state of the memory section. It can be stored stably.
【0024】上記第1のキャパシタ及び上記第2のキャ
パシタのそれぞれの分極が0から飽和するまでの前半過
程で、電圧の変化に対する分極の変化率が相異なること
により、キャパシタ全体のヒステリシス曲線上に準安定
点を確実に形成することができる。すなわち、書込み電
圧がノイズなどにより揺らいだ場合にも安定に記憶動作
を行なわせることができる。In the first half of the process in which the polarization of each of the first capacitor and the second capacitor is from 0 to saturation, the rate of change of the polarization with respect to the change of the voltage is different, so that the hysteresis curve of the entire capacitor is A metastable point can be reliably formed. That is, the storage operation can be stably performed even when the write voltage fluctuates due to noise or the like.
【0025】また、上記第1の誘電体層及び上記第2の
誘電体層は、共に強誘電体層を有していることにより、
電圧をキャパシタに印加した後の残留分極によって多値
に対応した分極状態を持たせることができるため、多値
の記憶動作をさせることが可能になる。Since both the first dielectric layer and the second dielectric layer have ferroelectric layers,
A remanent polarization after a voltage is applied to a capacitor can have a polarization state corresponding to multivalues, and thus a multivalued storage operation can be performed.
【0026】上記第1の上部電極と上記第2の上部電極
とは互いに接続されていることにより、書込み電圧を同
一の配線で印加することができる。Since the first upper electrode and the second upper electrode are connected to each other, the write voltage can be applied through the same wiring.
【0027】上記第1の誘電体層が上記第2の誘電体層
と共用されていることにより、第1の誘電体層と第2の
誘電体層を別個に形成する場合に比べて記憶部の面積を
小さくでき、且つ製造工程も少なくすることができる。Since the first dielectric layer is shared with the second dielectric layer, the storage section is different from the case where the first dielectric layer and the second dielectric layer are formed separately. Area can be reduced and the number of manufacturing steps can be reduced.
【0028】上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層
とを構成する部材の材料が互いに同一で、且つ上記第1
のキャパシタ及び上記第2のキャパシタと並列に接続さ
れた常誘電体キャパシタをさらに有していてもよい。The materials of the members constituting the first dielectric layer and the second dielectric layer are the same, and the first dielectric layer is the same.
It may further have a paraelectric capacitor connected in parallel with the above capacitor and the second capacitor.
【0029】上記第2のキャパシタと上記ゲート電極と
の間に介設されたキャパシタをさらに備えていることに
より、第2のキャパシタの見かけの抗電圧を変化させる
ことができ、設計の自由度をさらに上げることができ
る。By further including the capacitor interposed between the second capacitor and the gate electrode, the apparent coercive voltage of the second capacitor can be changed and the degree of freedom in design can be increased. You can raise it further.
【0030】上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層
の面積が互いに異なっていることによってもキャパシタ
の抗電圧を変化させることができる。The coercive voltage of the capacitor can be changed also by making the areas of the first dielectric layer and the second dielectric layer different from each other.
【0031】上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層
とは互いに異なる材料から構成されていることにより、
第1のキャパシタと第2のキャパシタの抗電圧が互いに
異なるように形成することが容易となる。Since the first dielectric layer and the second dielectric layer are made of different materials,
It is easy to form the first capacitor and the second capacitor so that the coercive voltages are different from each other.
【0032】上記第1の誘電体層の膜厚と上記第2の誘
電体層の膜厚とが互いに異なることにより、第1のキャ
パシタと第2のキャパシタの抗電圧が互いに異なるよう
に形成することができる。By forming the first dielectric layer and the second dielectric layer to have different film thicknesses, the first capacitor and the second capacitor are formed to have different coercive voltages. be able to.
【0033】上記第1のキャパシタと上記第2のキャパ
シタとは、相互の電極面積の比である(上記第1のキャ
パシタの面積)/(上記第2のキャパシタの面積)の値
が、0.2以上2以下であることにより、第1の誘電体
層と第2の誘電体層とを構成する材料が同一の場合、記
憶情報の分離性が高く、安定に3値の情報を保持するこ
とができる。The value of (area of the first capacitor) / (area of the second capacitor), which is the ratio of the electrode areas of the first capacitor and the second capacitor, is 0. By being 2 or more and 2 or less, when the materials forming the first dielectric layer and the second dielectric layer are the same, the separability of the stored information is high and the ternary information is stably retained. You can
【0034】特に、上記第1のキャパシタと上記第2の
キャパシタとは、相互の電極面積の比が、0.5以上2
以下であることにより、記憶情報の分離性が高く、4値
以上の情報であっても安定に保持する半導体装置を実現
することができる。Particularly, the first capacitor and the second capacitor have a mutual electrode area ratio of 0.5 or more and 2 or more.
Due to the following, it is possible to realize a semiconductor device which has high separability of stored information and stably holds information of four or more values.
【0035】本発明の第2の半導体装置は、制御電圧供
給部と、電荷を蓄積する機能を持つゲート電極を有する
電界効果トランジスタと、上記制御電圧供給部と上記ゲ
ート電極との間に互いに並列に介設された容量素子及び
抵抗素子とを有し、多値の情報を保持可能である。According to a second semiconductor device of the present invention, a control voltage supply section, a field effect transistor having a gate electrode having a function of accumulating charges, and the control voltage supply section and the gate electrode are parallel to each other. The multi-valued information can be held by having a capacitor element and a resistor element which are interposed between the two.
【0036】これにより、抵抗素子に書込み電圧を印加
したときにこの抵抗素子中に電流が流れるので、電荷が
ゲート電極に蓄積され、電界効果トランジスタの閾値を
変化させることができる。また、電界効果トランジスタ
は複数の状態をとり、その状態が一定時間保持されるの
で、多値の情報を保持することができる。さらに、電界
効果トランジスタのドレイン電流の変化に応じて情報を
読み出すことができるので、多値メモリとしてだけでな
く、ニューロンコンピュータにおいて信号の重み付けを
行なう素子としても利用することができる。As a result, when a write voltage is applied to the resistance element, a current flows through the resistance element, so that charges are accumulated in the gate electrode and the threshold value of the field effect transistor can be changed. Further, since the field effect transistor has a plurality of states and the states are held for a certain period of time, multivalued information can be held. Further, since the information can be read according to the change of the drain current of the field effect transistor, it can be used not only as a multi-valued memory but also as an element for weighting signals in a neuron computer.
【0037】上記ゲート電極への電荷の注入は、上記制
御電圧供給部から行われることにより、フラッシュメモ
リとは異なった方法で電荷の注入を行なうことができ
る。By injecting charges into the gate electrode from the control voltage supply section, it is possible to inject charges by a method different from that of the flash memory.
【0038】上記ゲート電極に蓄積された電荷量に応じ
て連続的に多値の情報を保持可能なアナログメモリとし
て機能することにより、フラッシュメモリなどに比べて
ニューロンコンピュータの重み付けなど、多様な用途に
用いることができる。By functioning as an analog memory capable of continuously holding multi-valued information according to the amount of charge accumulated in the gate electrode, it can be used for various purposes such as weighting of a neuron computer as compared with a flash memory. Can be used.
【0039】また、上記抵抗素子は誘電体材料からなっ
ていることにより、ゲート電極に蓄積された電荷がリー
クしにくくなっているので、例えばノンドープのシリコ
ンから抵抗素子を形成した場合と比べると入力された情
報をより長い時間保持することができる。また、抵抗素
子をトランジスタ上に形成することができるため、セル
面積を小さくすることもできる。Further, since the resistance element is made of a dielectric material, it is difficult for the charge accumulated in the gate electrode to leak. Therefore, as compared with the case where the resistance element is formed of non-doped silicon, the input The information provided can be retained for a longer period of time. Further, since the resistance element can be formed on the transistor, the cell area can be reduced.
【0040】上記制御電圧供給部が上部電極となってお
り、上記電界効果トランジスタのゲート電極が中間電極
に接続されており、上記容量素子は上記上部電極,上記
中間電極及び上記上部電極と上記中間電極とに挟まれた
誘電体層とからなる誘電体キャパシタであり、上記誘電
体層の抵抗成分は上記抵抗素子の1つとして機能するこ
とにより、例えば、誘電体キャパシタの誘電体層が抵抗
素子と同一物であってもよいので、この場合には抵抗素
子と誘電体層とを別個に設ける場合に比べて装置の面積
を小さくすることができる。上記抵抗素子の抵抗値は、
上記抵抗素子に印加する電界強度に応じて変化すること
により、ゲート電極に蓄積する電荷量を調節することが
できる。The control voltage supply section serves as an upper electrode, the gate electrode of the field effect transistor is connected to an intermediate electrode, and the capacitive element includes the upper electrode, the intermediate electrode, the upper electrode and the intermediate electrode. A dielectric capacitor comprising a dielectric layer sandwiched between electrodes, wherein the resistance component of the dielectric layer functions as one of the resistance elements, so that, for example, the dielectric layer of the dielectric capacitor is a resistance element. In this case, the area of the device can be reduced as compared with the case where the resistance element and the dielectric layer are provided separately. The resistance value of the resistance element is
By changing according to the strength of the electric field applied to the resistance element, the amount of charge accumulated in the gate electrode can be adjusted.
【0041】また、上記抵抗素子の抵抗値は、上記抵抗
素子に印加する電界強度が所定値以下のときにはほぼ一
定の値をとり、電界強度が上記所定値を越えると低くな
ることにより、例えば、所定値を越える電界をかけて短
時間でゲート電極に電荷を蓄積する場合と所定値以下の
電界をかけて比較的長い時間をかけて電荷を蓄積する場
合など、複数の方法により装置を駆動することが可能に
なる。Further, the resistance value of the resistance element takes a substantially constant value when the electric field strength applied to the resistance element is equal to or lower than a predetermined value, and decreases when the electric field strength exceeds the predetermined value. The device is driven by a plurality of methods, for example, when an electric field exceeding a predetermined value is applied to accumulate charges in the gate electrode in a short time, and when an electric field below a predetermined value is applied to accumulate charges over a relatively long time. It will be possible.
【0042】上記抵抗素子に流れる通過電流は、上記抵
抗素子の両端に印加する電圧の絶対値が一定値以下のと
きには印加電圧にほぼ正比例して増加し、印加する電圧
の絶対値が上記一定値を越えると指数関数的に増加する
特性を示すことにより、上述のように、複数の方法によ
り装置を駆動することが可能になる。The passing current flowing through the resistance element increases substantially in direct proportion to the applied voltage when the absolute value of the voltage applied to both ends of the resistance element is equal to or less than a fixed value, and the absolute value of the applied voltage is the fixed value. By exhibiting the property of exponentially increasing when exceeding, it becomes possible to drive the device by a plurality of methods as described above.
【0043】また、上記抵抗素子に流れる通過電流が電
圧に対してほぼ正比例して増加する電圧範囲では、上記
抵抗素子の単位面積あたりに流れる通過電流が100
[mA/cm2]以下であることにより、書込まれた情報あ
るいはその履歴情報を一定時間の間保持することができ
る。なお、情報の保持時間(復帰時間)は、通過電流が
小さい程長くなる。Further, in the voltage range in which the passing current flowing through the resistance element increases substantially in direct proportion to the voltage, the passing current flowing per unit area of the resistance element is 100.
When it is [mA / cm 2 ] or less, the written information or its history information can be retained for a certain period of time. The information holding time (return time) becomes longer as the passing current becomes smaller.
【0044】上記容量素子は強誘電体層を有し、上記抵
抗素子のうち少なくとも1つは強誘電体材料からなるこ
とにより、強誘電体層の分極方向によっても中間電極及
びゲート電極の電荷蓄積量を変化させることができるの
で、本発明の半導体装置は、常誘電体層を有する容量素
子を用いる場合に比べてより多くの値を取り得る多値メ
モリとして使用することができる。また、極めて重み付
けの自由度が高いニューロン素子としても利用可能であ
る。Since the capacitive element has a ferroelectric layer and at least one of the resistive elements is made of a ferroelectric material, the charge accumulation of the intermediate electrode and the gate electrode is possible depending on the polarization direction of the ferroelectric layer. Since the amount can be changed, the semiconductor device of the present invention can be used as a multi-valued memory capable of taking more values than in the case of using a capacitor having a paraelectric layer. It can also be used as a neuron element with extremely high degree of freedom in weighting.
【0045】上記容量素子と別個に設けられた少なくと
も1つの抵抗素子をさらに備えていることにより、種々
の特性を有する材料を抵抗素子に使用することが可能に
なるので、より効率的に多値を保持する半導体装置を実
現しやすくなる。By further including at least one resistance element provided separately from the above-mentioned capacitance element, it becomes possible to use materials having various characteristics for the resistance element, so that it is possible to more efficiently multivalue. It becomes easier to realize a semiconductor device that holds
【0046】上記容量素子と別個に設けられた抵抗素子
は、Ba、Sr、Ti、Zn、Fe、Cuのうちから選
ばれた元素の酸化物またはSiC、Si、Seのうちか
ら選ばれた1つを含んでいるバリスタであることによ
り、抵抗素子の抵抗値が小さい電圧領域においてゲート
電極に電荷を注入し、抵抗値が大きい電圧領域において
は微調整を行なう、といった制御が可能になる。The resistive element provided separately from the capacitive element is an oxide of an element selected from Ba, Sr, Ti, Zn, Fe and Cu, or 1 selected from SiC, Si and Se. With such a varistor, the electric charge is injected into the gate electrode in the voltage region where the resistance value of the resistance element is small, and the fine adjustment is performed in the voltage region where the resistance value is large.
【0047】上記容量素子と別個に設けられた抵抗素子
は、互いに並列に接続され、且つ互いに逆方向に配置さ
れたダイオードであってもよい。The resistance element provided separately from the capacitance element may be a diode connected in parallel with each other and arranged in opposite directions.
【0048】MISトランジスタをさらに備え、上記M
ISトランジスタのオン抵抗が上記容量素子と別個に設
けられた抵抗素子として機能する構成であってもよい。A MIS transistor is further provided, and the above M
The on-resistance of the IS transistor may function as a resistance element provided separately from the capacitance element.
【0049】上記容量素子と別個に設けられた抵抗素子
は、結晶性により抵抗値が変化する抵抗変化材料からな
る抵抗変化素子であってもよい。The resistance element provided separately from the capacitance element may be a resistance change element made of a resistance change material whose resistance value changes due to crystallinity.
【0050】また、ニューロンコンピュータのシナプス
部として用いられることで、高性能のニューロンコンピ
ュータを実現することができるようになる。Further, by being used as a synapse part of a neuron computer, it becomes possible to realize a high performance neuron computer.
【0051】次に、本発明の半導体装置の駆動方法は、
制御電圧供給部と、電荷を蓄積する機能を持つゲート電
極を有する電界効果トランジスタと、上記制御電圧供給
部と上記ゲート電極との間に互いに並列に介設された容
量素子及び抵抗素子とを有する半導体装置の駆動方法で
あって、上記抵抗素子の両端に書込み電圧を印加するこ
とで上記抵抗素子を経て上記ゲート電極に蓄積する電荷
量を変化させ、上記電界効果トランジスタの閾値電圧を
変化させるステップ(a)と、上記電界効果トランジス
タのドレイン電流の変化に応じて情報を読み出すステッ
プ(b)とを含んでいる。Next, the driving method of the semiconductor device of the present invention is as follows.
A control voltage supply unit, a field effect transistor having a gate electrode having a function of accumulating charges, and a capacitive element and a resistance element interposed in parallel between the control voltage supply unit and the gate electrode. A method of driving a semiconductor device, wherein a write voltage is applied to both ends of the resistance element to change an amount of charge accumulated in the gate electrode through the resistance element, and a threshold voltage of the field effect transistor is changed. It includes (a) and a step (b) of reading information according to the change of the drain current of the field effect transistor.
【0052】この方法により、ステップ(a)で容量素
子及び抵抗素子に電圧を印加することで書込まれた情報
は一定時間保持され、しかも、ステップ(b)において
電界効果トランジスタのドレイン電流の変化に応じた多
値の情報を読み出すことができるので、本発明の半導体
装置を多値メモリとして駆動させることができる。ま
た、ニューロンコンピュータに用いられる場合において
は、入力された情報に重みをかける機能を有する素子と
しても利用できる。By this method, the information written by applying the voltage to the capacitive element and the resistive element in step (a) is held for a certain period of time, and further, the drain current of the field effect transistor changes in step (b). Since multivalued information corresponding to the above can be read, the semiconductor device of the present invention can be driven as a multivalued memory. When used in a neuron computer, it can also be used as an element having a function of weighting input information.
【0053】また、上記容量素子は誘電体層を有するこ
とにより、ゲート電極に蓄積された電荷がリークしにく
くなっているので、例えば、抵抗値がより低いノンドー
プのシリコンから抵抗素子を形成した場合と比べると入
力された情報をより長い時間保持することができる。Further, since the capacitance element has the dielectric layer, it is difficult for the charge accumulated in the gate electrode to leak. Therefore, for example, when the resistance element is made of non-doped silicon having a lower resistance value, The entered information can be retained for a longer period of time compared to.
【0054】上記ステップ(a)では、上記抵抗素子の
両端に印加する書込み電圧の絶対値が一定値以下であれ
ば、上記抵抗素子に流れる通過電流が書込み電圧にほぼ
正比例して増加し、書込み電圧の絶対値が上記一定値を
越える場合には、通過電流が書込み電圧の増加に対して
指数関数的に増加することにより、情報の書込みを一定
値を越えるパルス電圧を用いて短時間で行なう場合と、
一定値以下の電圧を印加して行なう場合とを使い分ける
ことができる。特にニューロン素子として用いられる場
合には、一定値を越える電圧をかけて電界効果トランジ
スタの閾値を変化させることで学習動作を実行し、比較
的低い電圧動作で記憶動作の再生を行なうことができ
る。In the step (a), if the absolute value of the write voltage applied to both ends of the resistance element is equal to or less than a fixed value, the passing current flowing through the resistance element increases in direct proportion to the write voltage, and the write voltage is increased. When the absolute value of the voltage exceeds the above-mentioned fixed value, the passing current increases exponentially with the increase of the write voltage, so that the writing of information is performed in a short time using the pulse voltage exceeding the fixed value. With the case
It is possible to selectively use the case where the voltage is applied below a certain value. Particularly when used as a neuron element, the learning operation can be executed by changing the threshold value of the field effect transistor by applying a voltage exceeding a certain value, and the memory operation can be reproduced with a relatively low voltage operation.
【0055】また、上記ステップ(a)で、書込み電圧
の絶対値が上記一定値以下のときには、書込み電圧を印
加する時間の長さにより上記ゲート電極に蓄積される電
荷量の制御を行なうことができる。つまり、比較的単純
な方法で多値の情報を書き込むことができる。In step (a), when the absolute value of the write voltage is equal to or less than the constant value, the amount of charge accumulated in the gate electrode can be controlled by the length of time for applying the write voltage. it can. That is, multi-valued information can be written by a relatively simple method.
【0056】上記ステップ(a)で、書込み電圧の絶対
値が上記一定値以下のときには、上記抵抗素子に流れる
単位面積あたりの通過電流が100[mA/cm2]以下で
あることにより、半導体装置の復帰時間、つまり情報の
保持時間を一定以上確保することができる。In step (a), when the absolute value of the write voltage is equal to or less than the constant value, the passing current per unit area flowing through the resistance element is 100 [mA / cm 2 ] or less. It is possible to secure the recovery time of, that is, the information retention time above a certain level.
【0057】上記ステップ(a)で、上記抵抗素子の両
端に印加する書込み電圧の絶対値が上記一定値を越える
場合に、書込み電圧のパルス幅を互いに等しくし、書込
み電圧の絶対値の大きさにより上記ゲート電極に蓄積さ
れる電荷量を制御することもできる。つまり、書込み電
圧の絶対値の大きさによっても多値の情報を書込むこと
ができることとなり、この場合、書込み時間が短くでき
るので、短時間で情報の記憶させることが可能になる。In the step (a), when the absolute value of the write voltage applied to both ends of the resistance element exceeds the fixed value, the pulse widths of the write voltage are made equal to each other, and the magnitude of the absolute value of the write voltage is set. Thus, the amount of charge accumulated in the gate electrode can be controlled. That is, multi-valued information can be written depending on the magnitude of the absolute value of the write voltage. In this case, the write time can be shortened, and the information can be stored in a short time.
【0058】上記ステップ(a)で、上記抵抗素子の両
端に印加する書込み電圧の絶対値が上記一定値を越える
場合には上記ゲート電極に蓄積される電荷量の粗調整を
行い、上記書込み電圧の絶対値が上記一定値を下回る場
合には上記ゲート電極に蓄積される電荷量の微調整を行
なうことで、効率的に多値の情報を書き込むことが可能
になる。In the step (a), when the absolute value of the write voltage applied to both ends of the resistance element exceeds the constant value, the charge amount accumulated in the gate electrode is roughly adjusted to obtain the write voltage. When the absolute value of is less than the above-mentioned fixed value, it is possible to efficiently write multi-valued information by finely adjusting the amount of charge accumulated in the gate electrode.
【0059】上記ステップ(a)では、上記抵抗素子の
両端に印加する書込み電圧の範囲が絶対値の互いに等し
い正負の範囲であることにより、正電圧を印加する場合
とと負電圧を印加する場合とでは、電界効果トランジス
タのドレイン電流特性が互いに異なるので、正電圧のみ
を印加する場合に比べて半導体装置により多くの情報を
保持させることが可能となる。In the step (a), since the range of the write voltage applied to both ends of the resistance element is a positive range and a negative range in which absolute values are equal to each other, the case of applying the positive voltage and the case of applying the negative voltage. In and, since the drain current characteristics of the field effect transistors are different from each other, it becomes possible to hold more information in the semiconductor device than in the case where only a positive voltage is applied.
【0060】[0060]
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)以下、本発明
の第1の実施形態について図面を参照しながら説明す
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION (First Embodiment) A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0061】図1は、本発明の実施形態に係る多値メモ
リの上面図である。また、図2は図1のII−II線におけ
る断面図、図3は図1のIII−III線における断面図であ
る。図1,図2,図3については、同一部材には同一の
符号を附記している。なお、図1では最上面の構成物の
み実線で示している。さらに、図2、図3と共通する部
分についても、図を見やすくするため、符号を一部省略
して示している。FIG. 1 is a top view of a multi-valued memory according to the embodiment of the present invention. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 3, the same reference numerals are given to the same members. In FIG. 1, only the uppermost component is shown by a solid line. Further, in order to make the drawings easy to see, the reference numerals of the portions common to those of FIGS. 2 and 3 are also omitted.
【0062】図2に示すように、本実施形態の多値メモ
リは、p型のSi基板1と、Si基板1上にLOCOS
法により形成されたシリコン酸化物からなる素子分離膜
5と、素子分離膜5により区画されたSi基板1の活性
領域上に形成されたシリコン酸化物からなる厚さ3nm
のゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜上に形成されたn型
不純物を含むポリシリコンからなるゲート電極9と、S
i基板1内のゲート電極9の側方に素子分離膜5と接し
て形成され、n型不純物を含むドレイン領域3a及びソ
ース領域3bと、ドレイン領域3aとパッド部15aと
を接続するプラグ配線13cと、ソース領域3bとパッ
ト部15bとを接続するプラグ配線13dと、プラグ配
線13cとプラグ配線13dとを埋める第1の層間絶縁
膜11と、第1の層間絶縁膜11の上に形成された厚さ
100nmのチタン酸ビスマス(BIT)からなる第1
の強誘電体層16と、第1の強誘電体層16の上に形成
された厚さ400nmのBITからなる第2の強誘電体
層18と、第2の強誘電体層18の上に形成された酸化
シリコンからなる第2の層間絶縁膜21と、第2の層間
絶縁膜21の上に形成された配線25cと、第1の強誘
電体層16,第2の強誘電体層18及び第2の層間絶縁
膜21を貫通してパッド部15aと配線25cとを接続
する配線25aと、第1の強誘電体層16,第2の強誘
電体層18及び第2の層間絶縁膜21を貫通してパッド
部15bに接続する配線25bとを備えている。なお、
本実施形態では、ゲート電極9のゲート長は0.5μ
m、ゲート幅が5μmである。As shown in FIG. 2, the multi-valued memory of the present embodiment has a p-type Si substrate 1 and a LOCOS on the Si substrate 1.
Element isolation film 5 made of silicon oxide formed by the method and a thickness of 3 nm made of silicon oxide formed on the active region of the Si substrate 1 partitioned by the element isolation film 5.
Gate insulating film 7, a gate electrode 9 made of polysilicon containing n-type impurities formed on the gate insulating film, and S
A plug wiring 13c formed on the side of the gate electrode 9 in the i-substrate 1 so as to be in contact with the element isolation film 5 and connecting the drain region 3a and the source region 3b containing n-type impurities, and the drain region 3a and the pad portion 15a. A plug wiring 13d connecting the source region 3b and the pad portion 15b, a first interlayer insulating film 11 filling the plug wiring 13c and the plug wiring 13d, and formed on the first interlayer insulating film 11. First made of 100 nm thick bismuth titanate (BIT)
On the first ferroelectric layer 16, the second ferroelectric layer 18 formed of BIT having a thickness of 400 nm on the first ferroelectric layer 16, and the second ferroelectric layer 18. The formed second interlayer insulating film 21 made of silicon oxide, the wiring 25c formed on the second interlayer insulating film 21, the first ferroelectric layer 16, and the second ferroelectric layer 18 And a wiring 25a that penetrates the second interlayer insulating film 21 and connects the pad portion 15a and the wiring 25c, the first ferroelectric layer 16, the second ferroelectric layer 18, and the second interlayer insulating film. And a wiring 25b penetrating through 21 and connected to the pad portion 15b. In addition,
In this embodiment, the gate length of the gate electrode 9 is 0.5 μm.
m, and the gate width is 5 μm.
【0063】また、図3に示すように、本実施形態の多
値メモリは、p型のSi基板1と、Si基板1上にLO
COS法により形成されたシリコン酸化膜からなる素子
分離膜5と、素子分離膜5により区画されたSi基板1
の活性領域上に形成されたシリコン酸化物からなる厚さ
3nmのゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7上に形成さ
れたn型不純物を含むポリシリコンからなるゲート電極
9と、ゲート電極9及び素子分離膜5の上に形成された
酸化シリコンからなる第1の層間絶縁膜11と、第1の
層間絶縁膜11の上に形成されたPt/TiNからなり
サイズが0.5μm×0.5μmの第1の中間電極14
aと、同じく第1の層間絶縁膜11の上に形成されたP
t/TiNからなりサイズが0.5μm×0.5μmの
第2の中間電極14bと、第1の層間絶縁膜11を貫通
してゲート電極9と第1の中間電極14aとを接続する
プラグ配線13aと、第1の層間絶縁膜11を貫通して
ゲート電極9と第2の中間電極14bとを接続するプラ
グ配線13bと、第1の層間絶縁膜11,第1の中間電
極14a及び第2の中間電極14bの上に形成されたB
ITからなる厚さ100nmの第1の強誘電体層16
と、第1の強誘電体層16の上に第1の中間電極14a
と互いに平行に延びて相対向するPt/TiNからなる
サイズが0.5μm×0.5μmの第1の上部電極17
と、第1の強誘電体層16の上に形成されたBITから
なる厚さ400nmの第2の強誘電体層18と、第2の
強誘電体層18の上に第2の中間電極14bと平行に延
びて相対向するPt/TiNからなるサイズが0.5μ
m×0.5μmの第2の上部電極19と、第2の強誘電
体層18の上に形成された酸化シリコンからなる第2の
層間絶縁膜21と、第2の強誘電体層18と第2の層間
絶縁膜21とを貫通して第1の上部電極17に接続さ
れ、第2の層間絶縁膜21の上面上を経由してから第2
の層間絶縁膜21を貫通して第2の上部電極19に接続
される配線25cとを備えている。As shown in FIG. 3, the multi-valued memory of this embodiment has a p-type Si substrate 1 and LO on the Si substrate 1.
An element isolation film 5 made of a silicon oxide film formed by the COS method, and a Si substrate 1 partitioned by the element isolation film 5.
A gate insulating film 7 made of silicon oxide and having a thickness of 3 nm formed on the active region, a gate electrode 9 made of polysilicon containing n-type impurities formed on the gate insulating film 7, a gate electrode 9 and A first interlayer insulating film 11 made of silicon oxide formed on the element isolation film 5 and Pt / TiN formed on the first interlayer insulating film 11 and having a size of 0.5 μm × 0.5 μm First intermediate electrode 14 of
a and P formed on the first interlayer insulating film 11 as well.
A second intermediate electrode 14b made of t / TiN and having a size of 0.5 μm × 0.5 μm, and a plug wiring penetrating the first interlayer insulating film 11 and connecting the gate electrode 9 and the first intermediate electrode 14a. 13a, a plug wiring 13b penetrating the first interlayer insulating film 11 and connecting the gate electrode 9 and the second intermediate electrode 14b, the first interlayer insulating film 11, the first intermediate electrode 14a, and the second intermediate electrode 14a. B formed on the intermediate electrode 14b of
First ferroelectric layer 16 made of IT and having a thickness of 100 nm
And the first intermediate electrode 14a on the first ferroelectric layer 16
And a first upper electrode 17 made of Pt / TiN and extending in parallel with each other and having a size of 0.5 μm × 0.5 μm.
And a second ferroelectric layer 18 made of BIT and having a thickness of 400 nm formed on the first ferroelectric layer 16, and a second intermediate electrode 14b on the second ferroelectric layer 18. The size of Pt / TiN that extends in parallel with and faces each other is 0.5μ
a second upper electrode 19 of m × 0.5 μm, a second interlayer insulating film 21 made of silicon oxide formed on the second ferroelectric layer 18, and a second ferroelectric layer 18. It penetrates through the second interlayer insulating film 21 and is connected to the first upper electrode 17, passes through the upper surface of the second interlayer insulating film 21, and then the second interlayer insulating film 21.
Wiring 25c penetrating the interlayer insulating film 21 and connected to the second upper electrode 19.
【0064】なお、第1の強誘電体層16とこれを挟み
込む第1の中間電極14aと第1の上部電極17とから
なる強誘電体キャパシタをキャパシタMFM1とし、第
1の強誘電体層16と第2の強誘電体層18の2層を挟
み込む第2の中間電極14bと第2の上部電極19とか
らなる強誘電体キャパシタをキャパシタMFM2とす
る。また、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2と
を合わせてキャパシタMFMsとする。The ferroelectric capacitor composed of the first ferroelectric layer 16 and the first intermediate electrode 14a and the first upper electrode 17 that sandwich the first ferroelectric layer 16 is referred to as a capacitor MFM1, and the first ferroelectric layer 16 is used. A ferroelectric capacitor composed of the second intermediate electrode 14b and the second upper electrode 19 sandwiching the two layers of the second ferroelectric layer 18 and is called a capacitor MFM2. Further, the capacitors MFM1 and MFM2 are collectively referred to as capacitors MFMs.
【0065】図5は、本実施形態の多値メモリを示す等
価回路図である。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing the multilevel memory of this embodiment.
【0066】同図に示すように、本実施形態の多値メモ
リはMOSトランジスタのゲート電極上に2つの強誘電
体キャパシタを互いに並列に接続させた構造を有する。
なお、図5において、キャパシタMFM1の強誘電体層
の膜厚は100nm、電極の大きさは0.5μm×0.
5μmである。また、キャパシタMFM2の強誘電体層
の膜厚は500nm、電極の大きさは0.5μm×0.
5μmである。As shown in the figure, the multilevel memory of this embodiment has a structure in which two ferroelectric capacitors are connected in parallel on the gate electrode of a MOS transistor.
In FIG. 5, the thickness of the ferroelectric layer of the capacitor MFM1 is 100 nm, and the size of the electrode is 0.5 μm × 0.
It is 5 μm. The thickness of the ferroelectric layer of the capacitor MFM2 is 500 nm, and the size of the electrode is 0.5 μm × 0.
It is 5 μm.
【0067】次に、図4(a)〜(e)は本実施形態の
多値メモリの製造工程を示す断面図である。同図は、図
1のIII−III線における断面を示している。以下、同図
を用いて本実施形態の多値メモリの製造方法を説明す
る。Next, FIGS. 4A to 4E are sectional views showing the manufacturing process of the multi-valued memory of this embodiment. This figure shows a cross section taken along line III-III in FIG. The method of manufacturing the multi-valued memory according to this embodiment will be described below with reference to FIG.
【0068】まず、図4(a)に示す工程で、p型のS
i基板1に、LOCOS法により、図示しない窒化シリ
コンをマスクとして酸化処理を施し、素子分離膜5を形
成する。その後、図示しない窒化シリコンを昇温した燐
酸などで溶解する。次いで、例えば900℃でSi基板
1を熱酸化し、厚さ3nmの酸化シリコン膜をSi基板
1上に形成し、これをゲート絶縁膜7とする。その後、
LPCVD法によりリンをドープした多結晶シリコンを
堆積してゲート電極9を形成する。続いて、ゲート電極
9とゲート絶縁膜7とをドライエッチングによりパター
ニングし、その後、ゲート電極9をマスクとしてゲート
電極9の両側方にボロンイオンをイオン注入し、その
後、900℃、30分の熱処理を行なうことによって、
図2に示すドレイン領域3a、ソース領域3bをそれぞ
れ形成する。なお、本工程で作製されるMOSトランジ
スタは、ゲート長が0.5μm、ゲート幅が5μmであ
る。First, in the step shown in FIG. 4A, p-type S
Oxidation is performed on the i substrate 1 by the LOCOS method using silicon nitride (not shown) as a mask to form the element isolation film 5. Then, silicon nitride (not shown) is dissolved with heated phosphoric acid or the like. Then, the Si substrate 1 is thermally oxidized at 900 ° C., for example, to form a silicon oxide film having a thickness of 3 nm on the Si substrate 1, and this is used as the gate insulating film 7. afterwards,
A gate electrode 9 is formed by depositing phosphorus-doped polycrystalline silicon by the LPCVD method. Subsequently, the gate electrode 9 and the gate insulating film 7 are patterned by dry etching, and then boron ions are ion-implanted on both sides of the gate electrode 9 using the gate electrode 9 as a mask, and then heat treatment is performed at 900 ° C. for 30 minutes. By doing
The drain region 3a and the source region 3b shown in FIG. 2 are formed respectively. The MOS transistor manufactured in this step has a gate length of 0.5 μm and a gate width of 5 μm.
【0069】次に、図4(b)に示す工程で、LPCV
D法により基板上にシリコン酸化物(SiO2)を堆積
して第1の層間絶縁膜11を形成する。次に、第1の層
間絶縁膜11上に形成したレジストマスクを用いてドラ
イエッチングすることでコンタクト窓を形成した後、L
PCVD法でポリシリコンをコンタクト窓内に堆積す
る。次いで、CMP法によりポリシリコンを平坦化する
ことによりプラグ配線13a,13b,13c及び13
dを形成する。次に、スパッタ法により厚さ20nmの
窒化チタンを第1の層間絶縁膜11の上に堆積した後、
スパッタ法により厚さ50nmのPt層を堆積する。続
いて、スパッタ法によりPt層の上に堆積した酸化シリ
コンをパターニングしてハードマスクを形成し(図示せ
ず)、これをマスクとしてPt/TiN層をArミリン
グによりパターニングして第1の中間電極14a,第2
の中間電極14bと図2に示すパッド部15a,15b
を形成する。その後、希釈したフッ酸などで酸化シリコ
ンからなるハードマスクを除去する。Next, in the step shown in FIG.
Silicon oxide (SiO 2 ) is deposited on the substrate by the D method to form a first interlayer insulating film 11. Next, a contact window is formed by dry etching using a resist mask formed on the first interlayer insulating film 11, and then L
Polysilicon is deposited in the contact window by PCVD. Then, the plug wirings 13a, 13b, 13c and 13 are formed by planarizing the polysilicon by the CMP method.
to form d. Next, after depositing titanium nitride having a thickness of 20 nm on the first interlayer insulating film 11 by a sputtering method,
A 50 nm thick Pt layer is deposited by sputtering. Subsequently, a silicon oxide deposited on the Pt layer is patterned by a sputtering method to form a hard mask (not shown). Using this as a mask, the Pt / TiN layer is patterned by Ar milling to form a first intermediate electrode. 14a, second
Intermediate electrode 14b and pad portions 15a and 15b shown in FIG.
To form. After that, the hard mask made of silicon oxide is removed with diluted hydrofluoric acid or the like.
【0070】次に、図4(c)に示す工程で、スパッタ法
により基板温度550℃、酸素分圧20%、RFパワー
100Wの条件で基板上に厚さ100nmのBITを堆
積し、第1の強誘電体層16を形成する。その後、スパ
ッタ法によりPt層を堆積して、図示しない酸化シリコ
ンからなるハードマスクを用いArミリングによりPt
層をパターニングし、第1の上部電極17を形成する。
その後、希釈したフッ酸などで図示しない酸化シリコン
からなるハードマスクを除去する。なお、本実施形態で
は、第1の中間電極14a及び第1の上部電極17の寸
法は0.5μm×0.5μmとする。Next, in the step shown in FIG. 4C, a BIT having a thickness of 100 nm is deposited on the substrate by the sputtering method under the conditions of a substrate temperature of 550 ° C., an oxygen partial pressure of 20%, and an RF power of 100 W. To form the ferroelectric layer 16. After that, a Pt layer is deposited by the sputtering method, and Pt is deposited by Ar milling using a hard mask made of silicon oxide (not shown).
The layer is patterned to form the first upper electrode 17.
After that, the hard mask made of silicon oxide (not shown) is removed with diluted hydrofluoric acid or the like. In this embodiment, the dimensions of the first intermediate electrode 14a and the first upper electrode 17 are 0.5 μm × 0.5 μm.
【0071】次に、図4(d)に示す工程で、スパッタ法
により基板温度550℃、酸素分圧20%、RFパワー
100Wの条件で基板上に厚さ400nmのBITを堆
積し、第2の強誘電体層18を形成する。次に、スパッ
タ法により第2の強誘電体層18の上にPt層を堆積し
た後、酸化シリコンからなるハードマスク(図示せず)
を用いたArミリングによりPt層をパターニングし、
第2の上部電極19を形成する。その後、希釈したフッ
酸などでハードマスク(図示せず)を除去する。なお、
本実施の形態では、第2の中間電極14b及び第2の上
部電極19の寸法は0.5μm×0.5μmとしてい
る。Next, in the step shown in FIG. 4D, a BIT having a thickness of 400 nm is deposited on the substrate by the sputtering method under the conditions of a substrate temperature of 550 ° C., an oxygen partial pressure of 20%, and an RF power of 100 W. The ferroelectric layer 18 of is formed. Next, after depositing a Pt layer on the second ferroelectric layer 18 by a sputtering method, a hard mask made of silicon oxide (not shown)
Patterning the Pt layer by Ar milling using
The second upper electrode 19 is formed. Then, the hard mask (not shown) is removed with diluted hydrofluoric acid or the like. In addition,
In the present embodiment, the dimensions of the second intermediate electrode 14b and the second upper electrode 19 are 0.5 μm × 0.5 μm.
【0072】次に、図4(e)に示す工程で、TEOSを
用いたプラズマCVDにより酸化シリコン膜を基板上に
堆積した後、CMP法により平坦化することで第2の層
間絶縁膜21を形成する。次いで、第2の層間絶縁膜上
に形成したレジストマスクを用いて第2の層間絶縁膜2
1をドライエッチングし、第2の上部電極19に到達す
るコンタクト窓を形成する。一方、第2の層間絶縁膜上
に形成したレジストマスクを用いて第2の層間絶縁膜2
1及び第2の強誘電体層18をドライエッチングし、第
1の上部電極17に到達するコンタクト窓を形成する。
なお、上部電極19と第2の強誘電体層18とのエッチ
ング選択比が十分大きい場合には、第2の上部電極19
に到達するコンタクト窓と第1の上部電極17に到達す
るコンタクト窓とを同時に形成することもできる。次
に、スパッタ法によりAlSiCu合金をコンタクト窓
内に堆積した後、このAlSiCu合金をドライエッチ
ングすることで配線25a,25b,25cをそれぞれ
形成する。Next, in the step shown in FIG. 4E, a silicon oxide film is deposited on the substrate by plasma CVD using TEOS, and then planarized by the CMP method to form the second interlayer insulating film 21. Form. Then, the second interlayer insulating film 2 is formed using the resist mask formed on the second interlayer insulating film.
1 is dry-etched to form a contact window reaching the second upper electrode 19. On the other hand, the second interlayer insulating film 2 is formed using the resist mask formed on the second interlayer insulating film.
The first and second ferroelectric layers 18 are dry-etched to form a contact window reaching the first upper electrode 17.
When the etching selection ratio between the upper electrode 19 and the second ferroelectric layer 18 is sufficiently large, the second upper electrode 19
It is also possible to simultaneously form a contact window reaching the first contact electrode and a contact window reaching the first upper electrode 17. Next, after depositing an AlSiCu alloy in the contact window by a sputtering method, the AlSiCu alloy is dry-etched to form wirings 25a, 25b, 25c, respectively.
【0073】以上の方法により、本実施形態の多値メモ
リが製造される。The multivalued memory of this embodiment is manufactured by the above method.
【0074】図6は、キャパシタMFM1の電圧−分極
ヒステリシス特性(P-V特性)を示す図である。な
お、これはキャパシタMFM1のみを電源に接続した場
合のヒステリシス特性を示している。FIG. 6 is a diagram showing the voltage-polarization hysteresis characteristic (PV characteristic) of the capacitor MFM1. Note that this shows the hysteresis characteristic when only the capacitor MFM1 is connected to the power supply.
【0075】同図を参照すると、キャパシタMFM1で
は膜厚が100nm程度と薄いため抗電圧は小さいが、
約5V以上の電圧を印加した後の電圧0Vでの分極値
(残留分極)はBITという材料の特性を反映して4μ
C/cm2程度が得られることが分かる。Referring to the figure, since the capacitor MFM1 has a thin film thickness of about 100 nm, the coercive voltage is small.
The polarization value (residual polarization) at a voltage of 0 V after applying a voltage of about 5 V or more reflects the characteristics of the material called BIT to be 4 μm.
It can be seen that about C / cm 2 can be obtained.
【0076】一方、図7はキャパシタMFM2のP-V
特性を示す図である。同図に示すように、キャパシタM
FM2を構成する強誘電体材料はキャパシタMFM1と
同じBITであるが、膜厚が合計500nmと厚いた
め、抗電圧値がキャパシタMFM1の5倍程度と高い値
を示している。しかし、残留分極の値は材料特有である
ため、キャパシタMFM1と同等の4μC/cm2程度で
ある。On the other hand, FIG. 7 shows the PV of the capacitor MFM2.
It is a figure which shows a characteristic. As shown in FIG.
The ferroelectric material forming the FM2 has the same BIT as that of the capacitor MFM1, but the coercive voltage value is as high as about five times that of the capacitor MFM1 because the film thickness is 500 nm in total. However, since the value of the remanent polarization is peculiar to the material, it is about 4 μC / cm 2 which is equivalent to that of the capacitor MFM1.
【0077】以上のような、ヒステリシス特性の互いに
異なる2つの強誘電体キャパシタを並列接続した構造を
有する本実施形態の多値メモリの駆動方法とその動作に
ついて、図8〜10を用いて説明する。The driving method and the operation of the multilevel memory of this embodiment having the structure in which the two ferroelectric capacitors having different hysteresis characteristics are connected in parallel as described above will be described with reference to FIGS. .
【0078】図10は、本実施形態の多値メモリにおい
て、上部ゲート電極と下部電極の間に印加した電圧と、
2つの強誘電体キャパシタの実効的分極とを示した図で
ある。同図に示すように、本実施形態の多値メモリに用
いられるキャパシタは互いに並列に接続されているた
め、キャパシタ全体の分極は、ちょうどキャパシタMF
M1の分極とキャパシタMFM2の分極の面積比に応じ
た平均値を示す。FIG. 10 shows the voltage applied between the upper gate electrode and the lower electrode in the multilevel memory of this embodiment.
It is a figure showing effective polarization of two ferroelectric capacitors. As shown in the figure, since the capacitors used in the multi-valued memory of this embodiment are connected in parallel with each other, the polarization of the entire capacitor is just the capacitor MF.
The average value according to the area ratio of the polarization of M1 and the polarization of the capacitor MFM2 is shown.
【0079】図8は、キャパシタMFM1とキャパシタ
MFM2を並列に接続して構成されるキャパシタ全体
(キャパシタMFMs)の分極ヒステリシス特性を説明
するための図である。同図において、破線で示した2つ
のキャパシタの分極の平均値がキャパシタMFMsの分
極となる。つまり、キャパシタMFMsの分極は、図1
0に示すヒステリシス特性となる。FIG. 8 is a diagram for explaining the polarization hysteresis characteristic of the entire capacitor (capacitor MFMs) formed by connecting the capacitors MFM1 and MFM2 in parallel. In the figure, the average value of the polarization of the two capacitors shown by the broken line is the polarization of the capacitor MFMs. That is, the polarization of the capacitor MFMs is as shown in FIG.
The hysteresis characteristic is 0.
【0080】図8に示す領域xでは、キャパシタMFM
2の分極は電圧Vの変化に対してほとんど変化しない。
一方、キャパシタMFM1の分極は電圧Vの変化に対し
て前半では急激に増大し、後半では変化が小さくなる。
その結果、両者の合成値は領域xの前半では急激に変化
し、領域xの後半では変化が緩やかになる。また、領域
yでは、キャパシタMFM2の分極は電圧Vの変化に対
して大きく変化するが、キャパシタMFM1の分極は電
圧Vの変化に対してほとんど変化しない。その結果、両
者の合成値は領域yの前半では急峻に変化するが、キャ
パシタMFM2単独のときよりも緩やかに変化する。In the region x shown in FIG. 8, the capacitor MFM is
The polarization of 2 hardly changes with the change of the voltage V.
On the other hand, the polarization of the capacitor MFM1 sharply increases with respect to the change of the voltage V in the first half and becomes small in the latter half.
As a result, the combined value of the two changes sharply in the first half of the region x and becomes gentle in the second half of the region x. Further, in the region y, the polarization of the capacitor MFM2 largely changes with the change of the voltage V, but the polarization of the capacitor MFM1 hardly changes with the change of the voltage V. As a result, the combined value of both changes sharply in the first half of the region y, but changes more gently than when the capacitor MFM2 alone is used.
【0081】このように、本実施形態の多値メモリは、
抗電圧が互いに異なる2つの強誘電体キャパシタを有す
るため、図6に示すような一般的なヒステリシス形状と
は異なり、図10にC点で示すような準安定点を持つ。
このため、書込み電圧が4V付近では、電圧変化に対す
る分極の変化が緩やかになっており、書込み電圧がノイ
ズなどにより揺らいだ場合でも、分極の変化を小さく抑
えることができる。As described above, the multi-valued memory of this embodiment is
Since it has two ferroelectric capacitors having mutually different coercive voltages, it has a metastable point as shown by point C in FIG. 10, unlike the general hysteresis shape as shown in FIG.
Therefore, when the write voltage is around 4 V, the change in polarization with respect to the voltage change is gradual, and even if the write voltage fluctuates due to noise or the like, the change in polarization can be suppressed to a small level.
【0082】なお、この効果を得るためには、ヒステリ
シス曲線において電圧変化に対する分極の変化が急峻に
なる領域がずれていることが必要であることから、キャ
パシタの抗電圧が互いに異なっている必要がある。特
に、分極が0から飽和するまでの前半過程において、電
圧の変化に対する分極の変化率が相異なる2つの誘電体
材料を用いることにより、準安定点を確実に得ることが
できる。同様に、キャパシタを3個以上並列に並べたと
きも、キャパシタの抗電圧の差が十分に異なっているこ
とが必要となる。In order to obtain this effect, it is necessary that the region where the change in polarization becomes steep with respect to the change in voltage on the hysteresis curve is deviated, so the coercive voltages of the capacitors must be different from each other. is there. In particular, in the first half process of polarization from 0 to saturation, the metastable point can be reliably obtained by using two dielectric materials having different polarization change rates with respect to voltage changes. Similarly, when three or more capacitors are arranged in parallel, it is necessary that the difference in the coercive voltage of the capacitors be sufficiently different.
【0083】図9は、キャパシタMFM1及びキャパシ
タMFM2に加えて面積がこれらのキャパシタと等しい
キャパシタMFM3をさらに加えたときのキャパシタの
P−V特性を示す図である。同図に破線で示したがキャ
パシタ全体のP−V特性である。キャパシタが2つのと
きと同様にキャパシタの抗電圧が互いに異なっているた
め、ヒステリシス曲線において準安定点Fをさらに形成
することができる。また、このときC点はC’点に移動
する。これにより、少なくとも4値以上を安定に記録す
ることができる。FIG. 9 is a diagram showing the P-V characteristic of the capacitor when the capacitor MFM1 and the capacitor MFM2 as well as the capacitor MFM3 having the same area as these capacitors are further added. The dashed line in the figure shows the PV characteristic of the entire capacitor. Since the coercive voltages of the capacitors are different from each other as in the case of two capacitors, a metastable point F can be further formed in the hysteresis curve. At this time, point C moves to point C '. As a result, at least four or more values can be recorded stably.
【0084】次に、本実施形態における並列強誘電体キ
ャパシタの多値動作の駆動法について説明する。Next, a driving method for multivalued operation of the parallel ferroelectric capacitors in this embodiment will be described.
【0085】まず、図10のA,S,C,D,Pの各点
を結んだ線は、各電圧を印加したときのキャパシタの分
極を表している。−8Vから印加電圧を上げるとキャパ
シタの分極はA点の状態からS点、C点へと矢印の方向
に変化していく。8Vの電圧を印加すると、キャパシタ
の分極は飽和し、これ以上の電圧を印加してもD点の状
態で分極は増加しない。そして、一度キャパシタに印加
する電圧を8Vまで上げた後、電圧を下げると、キャパ
シタの分極状態はP点を経てA点に向かい、−8Vのと
きにA点の状態に戻る。First, the line connecting the points A, S, C, D, and P in FIG. 10 represents the polarization of the capacitor when each voltage is applied. When the applied voltage is increased from -8 V, the polarization of the capacitor changes from the state at point A to the points S and C in the direction of the arrow. When a voltage of 8 V is applied, the polarization of the capacitor is saturated, and even if a voltage higher than this is applied, the polarization does not increase at the point D. Then, once the voltage applied to the capacitor is raised to 8V and then lowered, the polarization state of the capacitor goes to the point A through the point P, and returns to the state of the point A at -8V.
【0086】ここで、キャパシタMFM1及びキャパシ
タMFM2の状態について説明すると、−8Vの電圧が
キャパシタに印加されたA点の状態では、図6,図7か
らも分かるようにキャパシタMFM1及びキャパシタM
FM2の分極が負電荷で飽和している。この状態でキャ
パシタに印加した電圧を除荷すると印加電圧が0Vとな
り、S点の状態になる。なお、キャパシタMFM1とキ
ャパシタMFM2の面積は同じであるので、キャパシタ
MFMsの分極値は、図6,図7に示すキャパシタMF
M1とキャパシタMFM2の平均値となっている(図8
参照)。Now, the states of the capacitors MFM1 and MFM2 will be described. In the state of point A in which a voltage of -8V is applied to the capacitors, as can be seen from FIGS. 6 and 7, the capacitors MFM1 and MFM.
The polarization of FM2 is saturated with a negative charge. When the voltage applied to the capacitor is unloaded in this state, the applied voltage becomes 0 V, and the state at point S is reached. Since the areas of the capacitors MFM1 and MFM2 are the same, the polarization value of the capacitors MFMs is the same as the capacitors MF shown in FIGS.
It is the average value of M1 and capacitor MFM2 (Fig. 8
reference).
【0087】次に、S点の状態から印加電圧を約4Vに
上げると、キャパシタMFM1の分極は正電荷で飽和さ
れ、キャパシタMFM2は正電荷を持つが飽和していな
い状態となる。2つのキャパシタの分極が平均されて、
準安定点であるC点の状態になる。なお、図10には、
ノイズマージンを考慮して3.5Vの電圧をキャパシタ
に印加し、状態Bとなる場合が示されている。続いて、
印加した電圧を除荷すると、分極がほぼ0μC/cm2の
状態Qとなる。Next, when the applied voltage is raised to about 4 V from the state of point S, the polarization of the capacitor MFM1 is saturated with positive charge, and the capacitor MFM2 has positive charge but is not saturated. The polarization of the two capacitors is averaged,
The state becomes point C, which is a metastable point. In addition, in FIG.
A case where a voltage of 3.5 V is applied to the capacitor in consideration of the noise margin and the state becomes the state B is shown. continue,
When the applied voltage is unloaded, the polarization becomes the state Q of approximately 0 μC / cm 2 .
【0088】次に、キャパシタに印加する電圧を8Vま
で上げるとキャパシタはD点の状態となり、このときキ
ャパシタMFM1とキャパシタMFM2の分極はともに
正電荷で飽和している。この後、電圧を除荷すると、キ
ャパシタは点Pの状態となる。Next, when the voltage applied to the capacitor is raised to 8 V, the capacitor is in the state of point D, and at this time, the polarizations of the capacitors MFM1 and MFM2 are both saturated with positive charges. After this, when the voltage is unloaded, the capacitor is at point P.
【0089】次に、キャパシタに印加する電圧を−8V
まで下げるとキャパシタはA点の状態に戻る。Next, the voltage applied to the capacitor is -8V.
Then, the capacitor returns to the state of point A.
【0090】このように、本実施形態の多値メモリは、
例えば−8V,3.5V及び8Vの3通りの書込み電圧
を印加することによりノイズ等に対して安定に記憶動作
をすることができる。As described above, the multi-valued memory of this embodiment is
For example, by applying three kinds of write voltages of -8V, 3.5V and 8V, it is possible to perform a stable storage operation against noise and the like.
【0091】図11は、本実施形態の多値メモリについ
て、それぞれ+8V,+3.5V及び−8Vで書込み後
に、読出し電圧であるゲート電圧を変化させた場合のド
レイン電流を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the drain current when the gate voltage which is the read voltage is changed after writing at +8 V, +3.5 V and −8 V in the multilevel memory of this embodiment.
【0092】同図に示すように、例えば読出し電圧が2
〜3Vの範囲では、各状態でドレインへ流れる電流値は
お互いに1桁以上の差異が認められており、安定して記
憶情報の読出しが可能であることが分かる。As shown in the figure, for example, when the read voltage is 2
In the range of up to 3 V, the current values flowing to the drain in each state are different from each other by one digit or more, which shows that the stored information can be stably read.
【0093】次に、特に書込みが不安定になりやすいヒ
ステリシス曲線の途中の点での書込みについて、飽和電
圧の半分の電圧での書込み電圧が、10%揺らいだ場合
を例に取って説明する。Next, writing at an intermediate point of the hysteresis curve where writing is apt to be unstable will be described by taking a case where the writing voltage at a voltage half the saturation voltage fluctuates by 10% as an example.
【0094】図12は、単一の強誘電体キャパシタを備
えた従来の多値メモリについて、書込み電圧が10%揺
らいだ際に、分極値にどの程度揺らぎが生じるかを説明
するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining how the polarization value fluctuates when the write voltage fluctuates by 10% in the conventional multi-valued memory having a single ferroelectric capacitor. is there.
【0095】また、図13は、図12のA部で示した部
分を拡大して示した図である。FIG. 13 is an enlarged view of the portion indicated by A in FIG.
【0096】図12及び図13から、従来技術の方式で
は、途中の分極状態を得るにはヒステリシス曲線におい
て分極が急峻に変化する部分を使わざるを得ないため、
10%程度の揺らぎに対して(図13参照)、本来1.
7μC/cm2の分極値を期待すべきところ、分極値は
1.4〜2.0μC/cm2の間で大きく変動することが
理解される。From FIG. 12 and FIG. 13, in the method of the prior art, in order to obtain the polarization state on the way, there is no choice but to use the portion where the polarization changes sharply in the hysteresis curve.
For fluctuations of about 10% (see FIG. 13), 1.
Where to expect the polarization value of 7 .mu.C / cm 2, the polarization value is understood to vary significantly between 1.4~2.0μC / cm 2.
【0097】一方、図14は、本実施形態の多値メモリ
において、図12,図13と同様に書込み電圧が揺らい
だ際の分極値の揺らぎを説明するための図であり、図1
5は、図14に示すB部を拡大したものである。On the other hand, FIG. 14 is a diagram for explaining the fluctuation of the polarization value when the write voltage fluctuates in the multi-valued memory of this embodiment, as in FIGS. 12 and 13, and FIG.
5 is an enlarged view of the portion B shown in FIG.
【0098】図14及び図15から、本実施形態の多値
メモリにおいては、書込み電圧の揺らぎに対する分極変
化の急峻性が、従来技術に対して大幅に改善されること
が理解される。例えば、本来−0.15μC/cm2の分
極値を期待するところ、±10%の電圧揺らぎに対する
分極値の変動は−0.1〜−0.2μC/cm2程度と、
揺らぎの幅が従来技術の0.6μC/cm2に対して0.
1μC/cm2以下と大幅に改善されている。これは、強
誘電体キャパシタを並列接続し、且つお互いの抗電圧を
変化させることにより、ヒステリシスの途中に準安定点
が生じるためである。It is understood from FIGS. 14 and 15 that the steepness of the polarization change with respect to the fluctuation of the write voltage is significantly improved in the multi-valued memory of this embodiment as compared with the prior art. For example, the original place expect polarization value of -0.15μC / cm 2, the -0.1~-0.2μC / cm 2 degree variation in the polarization value for ± 10% of the voltage fluctuation,
The fluctuation width is less than 0.6 μC / cm 2 of the prior art.
It is significantly improved to 1 μC / cm 2 or less. This is because the ferroelectric capacitors are connected in parallel and the mutual coercive voltages are changed, so that a metastable point occurs in the middle of the hysteresis.
【0099】これら、書込み電圧(書込み電界強度)の
揺らぎについては、ノイズのほか強誘電体層の膜厚変動
や、強誘電体層の結晶性の差による誘電率の変動などに
よっても、生じうるものであり、±10%程度の書込み
電圧の揺らぎが起こることは実用条件で十分考えられ
る。These fluctuations in the write voltage (write field strength) can be caused by noise, fluctuations in the film thickness of the ferroelectric layer, fluctuations in the dielectric constant due to differences in crystallinity of the ferroelectric layers, and the like. However, the fluctuation of the write voltage of about ± 10% can be sufficiently considered under the practical condition.
【0100】よって、本実施形態の多値メモリの構造
は、分極値の揺らぎを抑制することによりプロセス上の
マージンを広げることを可能にするので、実際的なデバ
イス製造において有用である。Therefore, the structure of the multi-valued memory according to the present embodiment makes it possible to widen the process margin by suppressing the fluctuation of the polarization value, which is useful in practical device manufacturing.
【0101】図16、図17はともに、キャパシタMF
M1の強誘電体膜厚が100nmでキャパシタMFM2
の強誘電体膜厚が1000nmのときに、それぞれのキ
ャパシタ面積比を変化させたときの、実効分極値を示す
図である。なお、図16(a)〜(d)、図17(a)
〜(d)のD,A,B,Eの各点は、それぞれプラス側
最大分極,マイナス側最大分極,プラス側中間分極,マ
イナス側中間分極を書き込む電圧を示しており、その後
電圧を除荷したときの分極値は、それぞれ、P,S,
Q、Rとなる。16 and 17 both show the capacitor MF.
The ferroelectric film thickness of M1 is 100 nm and the capacitor MFM2 is
FIG. 3 is a diagram showing effective polarization values when the respective capacitor area ratios are changed when the ferroelectric film thickness is 1000 nm. 16 (a) to 16 (d) and FIG. 17 (a)
Points (D), (A), (B), and (E) in (d) indicate voltages for writing the positive maximum polarization, the negative maximum polarization, the positive intermediate polarization, and the negative intermediate polarization, respectively, and then unloading the voltage. The polarization values at that time are P, S, and
Q and R.
【0102】図16(a)〜(d)は、キャパシタMF
M2の面積をキャパシタMFM1に対して、徐々に増加
させた場合の実効分極を示す図である。同図に示すよう
に、キャパシタMFM2の面積比率が増加するにつれ、
ヒステリシス曲線におけるB点を通過する領域及びE点
を通過する領域での電圧変化に対する分極の変化が急峻
になる。FIGS. 16A to 16D show the capacitor MF.
It is a figure which shows the effective polarization when the area of M2 is gradually increased with respect to the capacitor MFM1. As shown in the figure, as the area ratio of the capacitor MFM2 increases,
In the region passing the point B and the region passing the point E in the hysteresis curve, the polarization changes sharply with respect to the voltage change.
【0103】一方、図17(a)〜(d)は逆にキャパ
シタMFM1の面積比率を増加させた場合を示してい
る。同図に示すように、このときヒステリシス曲線にお
けるB点を通過する領域及びE点を通過する領域での電
圧変化に対する分極の変化が緩やかになっている。以上
のことから、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2
の面積比率については、キャパシタMFM1の方を大き
くする方が、より書込み電圧の揺らぎに強い多値メモリ
を実現できることが分かる。しかし、図17(d)から
も理解されるように、極端にキャパシタMFM1の面積
が大きくなると、図のP点とQ点、及びS点とR点が接
近し、データの判別が困難になる。よって、本実施形態
では、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2の面積
比(MFM1の面積/MFM2の面積)が0.5から2
の間とすることで、記憶情報の分離性が高く、且つ安定
な多値動作を実現している。On the other hand, FIGS. 17A to 17D show the case where the area ratio of the capacitor MFM1 is increased. As shown in the figure, at this time, the change in polarization with respect to the voltage change in the region passing through the point B and the region passing through the point E in the hysteresis curve is gradual. From the above, the capacitors MFM1 and MFM2
As for the area ratio of, the larger the capacitor MFM1, the more the multi-valued memory which is more resistant to the fluctuation of the write voltage can be realized. However, as can be understood from FIG. 17D, when the area of the capacitor MFM1 becomes extremely large, the points P and Q, and the points S and R in the figure come close to each other, making it difficult to determine the data. . Therefore, in this embodiment, the area ratio of the capacitors MFM1 and MFM2 (area of MFM1 / area of MFM2) is 0.5 to 2
By setting the interval between the two, it is possible to realize a stable multi-valued operation with high separability of stored information.
【0104】ただし、Q点、R点の代わりに実効分極値
が0μC/cm2の点を取る場合、つまり3種類の分極を
用いる場合にはキャパシタMFM1とキャパシタMFM
2の面積比(MFM1の面積/MFM2の面積)は、ほ
ぼ0.2から2の間でも記憶情報の分離性は良好に保た
れる。However, when the effective polarization value is 0 μC / cm 2 instead of the Q point and the R point, that is, when three types of polarization are used, the capacitor MFM1 and the capacitor MFM are used.
Even if the area ratio of 2 (area of MFM1 / area of MFM2) is approximately 0.2 to 2, good separability of stored information is maintained.
【0105】以上、本実施形態によれば、電界効果トラ
ンジスタのゲート電極に分極方向が互いに同じで抗電圧
の異なる2つ以上の強誘電体キャパシタを接続すること
で書込み電圧の多少の揺らぎに対してドレイン電流の揺
らぎが少ない多値メモリが実現できる。As described above, according to this embodiment, by connecting two or more ferroelectric capacitors having the same polarization direction but different coercive voltages to the gate electrode of the field effect transistor, it is possible to prevent a slight fluctuation in the write voltage. It is possible to realize a multi-valued memory with less fluctuation in drain current.
【0106】これにより、高集積且つ安定な半導体メモ
リを提供できるのみならず、複数の抵抗値を提供する不
揮発トランジスタとして、脳のニューロンを模倣したニ
ューロン素子への応用なども考えられる。As a result, not only a highly integrated and stable semiconductor memory can be provided, but also a non-volatile transistor providing a plurality of resistance values can be applied to a neuron element which imitates a brain neuron.
【0107】次に、図18は、本発明の実施形態の多値
メモリの変型例を示す断面図である。この多値メモリ
は、図3に示す本実施形態の多値メモリと第2の強誘電
体層18以外の部分は同一の構造であるので、構造の説
明は省略する。Next, FIG. 18 is a sectional view showing a modified example of the multi-valued memory according to the embodiment of the present invention. Since this multi-valued memory has the same structure as the multi-valued memory of the present embodiment shown in FIG. 3 except for the second ferroelectric layer 18, the description of the structure will be omitted.
【0108】ここで示す多値メモリは、図3に示す本実
施形態の多値メモリの第2の強誘電体層18に代えて常
誘電体を用いたものである。The multi-valued memory shown here uses a paraelectric material instead of the second ferroelectric layer 18 of the multi-valued memory of this embodiment shown in FIG.
【0109】例えば、本実施形態の変形例においては常
誘電体層20としてスパッタ法により形成した膜厚10
0nmの酸化タンタルを用いている。酸化タンタル層の
比誘電率は、本実施形態ではおよそ25である。この場
合、常誘電体層の静電容量は強誘電体層の静電容量の1
/4程度であるため、MFM2に印加した電圧の1/5
が強誘電体層に印加されることとなる。このため、見か
けの抗電圧は5倍となるので、キャパシタ全体の分極が
飽和するまでの間に準安定点を持たせることができる。For example, in the modification of this embodiment, the paraelectric layer 20 has a film thickness of 10 formed by the sputtering method.
0 nm tantalum oxide is used. The relative permittivity of the tantalum oxide layer is about 25 in this embodiment. In this case, the capacitance of the paraelectric layer is 1 of the capacitance of the ferroelectric layer.
Since it is about / 4, it is ⅕ of the voltage applied to MFM2.
Will be applied to the ferroelectric layer. For this reason, the apparent coercive voltage becomes five times, so that a metastable point can be provided until the polarization of the entire capacitor is saturated.
【0110】なお、本実施形態においては、異なる抗電
圧の強誘電体キャパシタを得るのに、強誘電体層の膜厚
を100nmと500nm、または100nmと100
0nmとしたが、これ以外に任意の膜厚にすることで、
キャパシタの抗電圧を変化させることができる。In this embodiment, in order to obtain ferroelectric capacitors having different coercive voltages, the thickness of the ferroelectric layer is 100 nm and 500 nm, or 100 nm and 100 nm.
Although it is set to 0 nm, by setting an arbitrary film thickness in addition to this,
The coercive voltage of the capacitor can be changed.
【0111】また、異なる材料の強誘電体をそれぞれの
強誘電体キャパシタに適用しても強誘電体層の膜厚を変
化させることと同様の効果が得られる。例えば、本実施
の形態のBITでは抗電界はおよそ20kV/cm程度
であったが、PZTでは40kV/cm程度と、抗電界
が異なるため、同じ膜厚であればキャパシタの抗電圧は
2倍となる。Further, even if ferroelectric materials of different materials are applied to the respective ferroelectric capacitors, the same effect as changing the film thickness of the ferroelectric layer can be obtained. For example, in the BIT of the present embodiment, the coercive electric field is about 20 kV / cm, but in PZT, the coercive electric field is about 40 kV / cm. Become.
【0112】また、本実施形態の多値メモリとして、特
に強誘電体キャパシタを2つ備えた場合について説明を
行なったが、抗電圧の異なる強誘電体キャパシタを図9
に示すように3つ以上接続しても、同様にヒステリシス
に準安定点が増加するため、さらに多値の強誘電体ゲー
トメモリを実現できる。In addition, the multi-valued memory of this embodiment is described especially for the case where two ferroelectric capacitors are provided. The ferroelectric capacitors having different coercive voltages are shown in FIG.
Even if three or more transistors are connected as shown in FIG. 5, the metastable points increase in the hysteresis as well, so that a more multi-valued ferroelectric gate memory can be realized.
【0113】また、本実施形態の多値メモリにおいて、
キャパシタMFM1の分極とキャパシタMFM2の分極
の正負は一致していたが、これらを互いに逆向きに分極
させることもできる。In the multivalued memory of this embodiment,
The positive and negative polarities of the capacitor MFM1 and the capacitor MFM2 are the same, but they can be polarized in opposite directions.
【0114】(第2の実施形態)図19は、本発明の第
2の実施形態に係る多値メモリの構造を示す断面図であ
る。同図に示すように、本実施形態の多値メモリは、p
型のSi基板1と、Si基板1上に形成されたシリコン
酸化物からなる素子分離膜(図示せず)と、Si基板1
上に形成されたシリコン酸化物からなるゲート絶縁膜
と、ゲート絶縁膜の上に形成されたPt/TiNからな
るゲート電極/下部電極26と、ゲート電極/下部電極
26の上に形成されたBITからなる厚さ100nmの
第1の強誘電体層27と、第1の強誘電体層27の上に
形成され、幅がゲート電極の幅の半分以下である第1の
上部電極29と、第1の強誘電体層27の上に形成され
た幅がゲート電極の幅の半分以下である厚さ400nm
のBITからなる第2の強誘電体層28と、第2の強誘
電体層28の上に形成された第2の上部電極30と、ゲ
ート絶縁膜7の上に形成され、ゲート電極/下部電極2
6,第1の強誘電体層27,第1の上部電極29,第2
の強誘電体層28,第1の上部電極29及び第2の上部
電極30の側方を埋める層間絶縁膜31と、層間絶縁膜
を貫通して第1の上部電極29及び第2の上部電極30
に接続するプラグ配線32とを備えている。ここで、ゲ
ート電極/下部電極26は、ゲート電極がキャパシタの
下部電極と一体化している。(Second Embodiment) FIG. 19 is a sectional view showing the structure of a multilevel memory according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the multi-valued memory of this embodiment has p
Type Si substrate 1, an element isolation film (not shown) made of silicon oxide formed on the Si substrate 1, and the Si substrate 1
A gate insulating film made of silicon oxide formed above, a gate electrode / lower electrode 26 made of Pt / TiN formed on the gate insulating film, and a BIT formed on gate electrode / lower electrode 26 A first ferroelectric layer 27 having a thickness of 100 nm, a first upper electrode 29 formed on the first ferroelectric layer 27 and having a width not more than half the width of the gate electrode, The thickness formed on the ferroelectric layer 27 of No. 1 is less than half the width of the gate electrode, and the thickness is 400 nm.
Second ferroelectric layer 28 made of BIT, a second upper electrode 30 formed on the second ferroelectric layer 28, and a gate electrode / lower portion formed on the gate insulating film 7. Electrode 2
6, first ferroelectric layer 27, first upper electrode 29, second
Of the ferroelectric layer 28, the first upper electrode 29, and the second upper electrode 30, and an interlayer insulating film 31 filling the sides of the ferroelectric layer 28, and the first upper electrode 29 and the second upper electrode penetrating the interlayer insulating film. Thirty
And a plug wiring 32 connected to. Here, in the gate electrode / lower electrode 26, the gate electrode is integrated with the lower electrode of the capacitor.
【0115】本実施形態において、第1の上部電極2
9,第1の強誘電体27及び下部電極26からなるキャ
パシタMFM1と第2の上部電極30,第2の強誘電体
層28,第1の強誘電体層26及び下部電極26からな
るキャパシタMFM2の抗電圧は互いに異なっている。
よって、キャパシタ全体のヒステリシス曲線において準
安定点が形成されるので、本実施形態の多値メモリによ
れば、第1の実施形態の多値メモリと同様に記憶情報の
分離性が高く、且つ安定な多値動作を実現することがで
きる。In the present embodiment, the first upper electrode 2
9, a capacitor MFM1 including the first ferroelectric 27 and the lower electrode 26 and a second upper electrode 30, a second ferroelectric layer 28, a capacitor MFM2 including the first ferroelectric layer 26 and the lower electrode 26. The coercive voltages of are different from each other.
Therefore, a metastable point is formed in the hysteresis curve of the entire capacitor. Therefore, according to the multi-valued memory of the present embodiment, as in the multi-valued memory of the first embodiment, the stored information is highly separable and stable. It is possible to realize various multi-valued operations.
【0116】本実施形態の多値メモリにおいては、中間
電極を形成する必要がないため、第1の実施形態の多値
メモリと比べ、製造工程数を少なくすることができ、製
造コストを抑えることができる。In the multivalued memory of this embodiment, since it is not necessary to form the intermediate electrode, the number of manufacturing steps can be reduced and the manufacturing cost can be suppressed as compared with the multivalued memory of the first embodiment. You can
【0117】また、本実施形態で用いた第2の強誘電体
層28の代わりに常誘電体層を用いても、キャパシタM
FM1及びキャパシタMFM2の抗電圧を互いに異なる
ように形成することができる。Even if a paraelectric layer is used instead of the second ferroelectric layer 28 used in this embodiment, the capacitor M
The coercive voltages of the FM1 and the capacitor MFM2 may be formed to be different from each other.
【0118】(第3の実施形態)図20は、本発明の第
3の実施形態に係る多値メモリを示す回路図である。同
図に示すように、本実施形態の多値メモリは、ゲートが
ワード線WLに接続されドレインがビット線BLに接続
された1つの選択トランジスタTr1と、選択トランジ
スタTr1のソースに並列に接続された強誘電体を有す
るキャパシタMFM1及び強誘電体を有するキャパシタ
MFM2とからなる。本実施形態の多値メモリにおい
て、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2の抗電圧
は互いに異なっている。(Third Embodiment) FIG. 20 is a circuit diagram showing a multilevel memory according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, the multi-valued memory of this embodiment is connected in parallel to one selection transistor Tr1 whose gate is connected to the word line WL and whose drain is connected to the bit line BL, and the source of the selection transistor Tr1. And a capacitor MFM1 having a ferroelectric substance and a capacitor MFM2 having a ferroelectric substance. In the multi-valued memory of this embodiment, the coercive voltages of the capacitors MFM1 and MFM2 are different from each other.
【0119】本実施形態の多値メモリは、FeRAMと
呼ばれる、キャパシタの分極反転時に流れる電流量によ
り、情報を読み出すメモリである。このとき、本実施形
態の多値メモリでは、第1及び第2の実施形態で説明し
たように、異なる抗電圧のキャパシタを並列接続するこ
とにより、安定して複数の残留分極値を得ることが可能
である。本実施形態の多値メモリの情報読み出し動作
は、例えばワード線WLに所定の電圧、例えば8Vを保
持しておき、選択トランジスタTr1をOn(導通)状
態にした際にワード線WLの電圧の降下度合いによりT
r1を経由して流れた電流量を判断し、情報の読み出し
を行っている。ここで、強誘電体キャパシタの残留分極
状態により、分極反転の量が異なるため、Tr1を経由
して流れる電流量に差異が生じることとなる。例えば、
図8のP点、Q点、S点の順で電流量(絶対値)が大き
く検出されることとなる。すなわち、多値のFeRAM
を実現することができる。The multi-valued memory of the present embodiment is a memory called FeRAM for reading information according to the amount of current flowing at the time of polarization reversal of the capacitor. At this time, in the multi-valued memory of this embodiment, as described in the first and second embodiments, a plurality of remanent polarization values can be stably obtained by connecting capacitors having different coercive voltages in parallel. It is possible. In the information read operation of the multi-valued memory according to the present embodiment, for example, a predetermined voltage, for example, 8V is held on the word line WL, and the voltage of the word line WL drops when the selection transistor Tr1 is turned on (conductive). T depending on the degree
Information is read by determining the amount of current flowing through r1. Here, since the amount of polarization reversal differs depending on the remanent polarization state of the ferroelectric capacitor, the amount of current flowing through Tr1 also differs. For example,
A large amount of current (absolute value) is detected in the order of points P, Q, and S in FIG. That is, multi-valued FeRAM
Can be realized.
【0120】この構造によっても、第1の実施形態の多
値メモリと同様に、記憶情報の分離性が高く、且つ安定
な多値動作を実現することができる。Also with this structure, similar to the multi-valued memory of the first embodiment, it is possible to realize a stable multi-valued operation with high separability of stored information.
【0121】(第4の実施形態)図21は、本発明の第
4の実施形態に係る多値メモリを示す等価回路図であ
る。本実施形態の多値メモリは、第1の実施形態に係る
多値メモリのゲート電極9とキャパシタMFM2の間に
キャパシタ40を挿入した構成をとっている。すなわ
ち、本実施形態の多値メモリは、MISトランジスタ
と、MISトランジスタのゲート電極9に対して並列に
接続され、共に強誘電体を有するキャパシタMFM1及
びキャパシタMFM2と、ゲート電極9とキャパシタM
FM2の間に設けられたキャパシタ40とを備えてい
る。なお、図21では、図5と同じ部材には同じ符号を
付けている。また、キャパシタMFM1及びキャパシタ
MIF2の面積や、強誘電体層の厚みは第1の実施形態
と同一とする。キャパシタ40は、常誘電体を有するキ
ャパシタであるが、強誘電体キャパシタであってもよ
い。(Fourth Embodiment) FIG. 21 is an equivalent circuit diagram showing a multilevel memory according to the fourth embodiment of the present invention. The multi-valued memory according to the present embodiment has a configuration in which a capacitor 40 is inserted between the gate electrode 9 and the capacitor MFM2 of the multi-valued memory according to the first embodiment. That is, the multi-valued memory according to the present embodiment includes a MIS transistor, a capacitor MFM1 and a capacitor MFM2 that are connected in parallel to the gate electrode 9 of the MIS transistor and both have a ferroelectric substance, and the gate electrode 9 and the capacitor M.
And a capacitor 40 provided between FM2. 21, the same members as those in FIG. 5 are designated by the same reference numerals. The areas of the capacitors MFM1 and MIF2 and the thickness of the ferroelectric layer are the same as those in the first embodiment. The capacitor 40 is a capacitor having a paraelectric material, but may be a ferroelectric capacitor.
【0122】第1の実施形態の多値メモリに電圧が印加
された場合、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2
に加わる電圧は互いに等しかったが、本実施形態の多値
メモリでは、キャパシタMFM2とキャパシタ40とに
分配される電圧の和とキャパシタMFM1に分配される
電圧とが等しくなっている。When a voltage is applied to the multi-valued memory of the first embodiment, the capacitors MFM1 and MFM2.
However, in the multi-valued memory of this embodiment, the sum of the voltages distributed to the capacitors MFM2 and 40 is equal to the voltage distributed to the capacitor MFM1.
【0123】そのため、多値メモリに同一電圧を印加し
た時のキャパシタMFM2に分配される電圧は、第1の
実施形態でのキャパシタMFM2よりも小さくなってお
り、見かけの抗電圧が大きくなっている。本実施形態の
多値メモリも、キャパシタMFM1とキャパシタMFM
2の抗電圧が異なっており、そのヒステリシスループに
おいて準安定点を持っている。従って、本実施形態の多
値メモリは、安定に多値を保持することが可能である。Therefore, the voltage distributed to the capacitor MFM2 when the same voltage is applied to the multilevel memory is smaller than that of the capacitor MFM2 in the first embodiment, and the apparent coercive voltage is large. . The multi-valued memory according to this embodiment also includes the capacitors MFM1 and MFM.
The two coercive voltages are different and have a metastable point in their hysteresis loop. Therefore, the multi-valued memory of this embodiment can stably hold multi-valued data.
【0124】また、強誘電体キャパシタとMISトラン
ジスタのゲート電極との間に少なくとも1つのキャパシ
タを挿入することで、見かけの抗電圧を任意に調節する
ことができるので、設計の自由度を大きくすることがで
きる。なお、本実施形態においては、キャパシタMFM
1とキャパシタMFM2の抗電圧が異なる例を示した
が、キャパシタ40を挿入することでキャパシタMFM
2の見かけの抗電圧が変化するため2つのキャパシタの
抗電圧が互いに同じであっても安定に多値を保持する多
値メモリを実現することができる。また、本実施形態の
多値メモリは、キャパシタMFM1とキャパシタMFM
2の強誘電体層を同時に形成できる点で有利である。By inserting at least one capacitor between the ferroelectric capacitor and the gate electrode of the MIS transistor, the apparent coercive voltage can be arbitrarily adjusted, so that the degree of freedom in design is increased. be able to. In this embodiment, the capacitor MFM
1 shows an example in which the coercive voltage of the capacitor MFM2 is different from that of the capacitor MFM2.
Since the apparent coercive voltage of 2 changes, it is possible to realize a multi-valued memory that stably holds multi-valued even if the coercive voltages of two capacitors are the same. In addition, the multi-valued memory according to the present embodiment includes the capacitors MFM1 and MFM.
This is advantageous in that two ferroelectric layers can be formed at the same time.
【0125】なお、本実施形態ではキャパシタMFM2
とMISトランジスタのゲート電極9の間に1つのキャ
パシタを挿入した例を示したが、2つ以上のキャパシタ
を挿入してもよい。In the present embodiment, the capacitor MFM2
Although an example in which one capacitor is inserted between the gate electrode 9 and the gate electrode 9 of the MIS transistor is shown, two or more capacitors may be inserted.
【0126】(第5の実施形態)以下、本発明の第5の
実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しなが
ら説明する。(Fifth Embodiment) A semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0127】図22は、本実施形態の半導体装置を示す
等価回路図である。同図から分かるように、本実施形態
の半導体装置は、制御電圧供給部110と、電界効果ト
ランジスタ(以下MOSトランジスタと表記)と、この
MOSトランジスタのゲート電極109と制御電圧供給
部110との間に互いに並列に介設された誘電体キャパ
シタ104及び抵抗素子106とを有することを特徴と
している。FIG. 22 is an equivalent circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment. As can be seen from the figure, the semiconductor device of this embodiment includes a control voltage supply unit 110, a field effect transistor (hereinafter referred to as a MOS transistor), a gate electrode 109 of the MOS transistor, and a control voltage supply unit 110. It is characterized in that it has a dielectric capacitor 104 and a resistance element 106 which are interposed in parallel with each other.
【0128】次に、図23には、本実施形態の半導体装
置の上面図を、図24には図23のXXIV-XXIV線におけ
る断面図を、図25には図23のXXV-XXV線における断
面図を示す。なお、図23においては、見やすくするた
めにハッチングを省略して示し、また最上面の構成物の
み実線で示している。さらに、図24、図25と同一で
ある部分についても、図を見やすくするため一部省略し
て示している。また、図24、図25においても、切断
面より奥にある構成物について、図を見やすくするため
にその一部を省略して示している。Next, FIG. 23 is a top view of the semiconductor device of this embodiment, FIG. 24 is a sectional view taken along line XXIV-XXIV of FIG. 23, and FIG. 25 is taken along line XXV-XXV of FIG. A sectional view is shown. In FIG. 23, hatching is omitted for clarity, and only the uppermost component is shown by a solid line. Further, the same portions as those in FIGS. 24 and 25 are also partially omitted for easy understanding of the drawings. Further, also in FIGS. 24 and 25, a part of the components located behind the cut surface is omitted for the sake of easy viewing.
【0129】図23、図24、図25に示すように、本
実施形態の半導体装置は、例えば活性領域を有するP型
のSi基板101と、Si基板101の活性領域と対向
する面上に設けられた基板電極108(図22にのみ図
示)と、Si基板101上に設けられた活性領域を囲む
素子分離用酸化膜105と、Si基板101上に設けら
れたSiO2 からなる厚さ5nmのゲート絶縁膜107
と、ゲート絶縁膜107の上に設けられたリンを含むポ
リシリコンからなるゲート電極109と、Si基板10
1のうちゲート電極109の両側方に設けられたN型不
純物を含むドレイン領域103a及びソース領域103
bと、Si基板101上に設けられたSiO2 などの絶
縁体からなる第1の層間絶縁膜111と、第1の層間絶
縁膜111の上に設けられた厚さ20nmの窒化チタン
(TiN)膜と厚さ50nmのPt膜とからなるパッド
部115a,115b及び中間電極114と、第1の層
間絶縁膜111を貫通してゲート電極109と中間電極
114とを接続するポリシリコンからなるプラグ配線1
13aと、第1の層間絶縁膜111を貫通してドレイン
領域103aとパッド部115a,ソース領域103b
とパッド部115bとをそれぞれ接続するポリシリコン
からなるプラグ配線113b及び113cと、第1の層
間絶縁膜111の上に設けられた厚さ100nmのチタ
ン酸バリウム・ストロンチウム(以下BSTと表記す
る)からなる誘電体層116と、誘電体層116の上に
設けられた厚さ50nmのPtからなる上部電極119
と、誘電体層116の上に設けられた第2の層間絶縁膜
121と、第2の層間絶縁膜121を貫通して上部電極
119に至るAlSiCu合金等の導電体からなる配線
125aと、誘電体層116及び第2の層間絶縁膜12
1を貫通してパッド部115a,115bにそれぞれ至
るAlSiCu合金等の導電体からなる配線125b及
び125cとを有している。As shown in FIGS. 23, 24, and 25, the semiconductor device of this embodiment is provided, for example, on a P-type Si substrate 101 having an active region and on a surface of the Si substrate 101 facing the active region. The formed substrate electrode 108 (illustrated only in FIG. 22), the element isolation oxide film 105 surrounding the active region provided on the Si substrate 101, and the SiO 2 provided on the Si substrate 101 with a thickness of 5 nm. Gate insulating film 107
And a gate electrode 109 made of polysilicon containing phosphorus provided on the gate insulating film 107, and the Si substrate 10.
1, the drain region 103a and the source region 103 including N-type impurities provided on both sides of the gate electrode 109.
b, a first interlayer insulating film 111 made of an insulator such as SiO 2 provided on the Si substrate 101, and titanium nitride (TiN) having a thickness of 20 nm provided on the first interlayer insulating film 111. Film and a pad portion 115a, 115b made of a Pt film having a thickness of 50 nm and the intermediate electrode 114, and a plug wiring made of polysilicon that penetrates the first interlayer insulating film 111 and connects the gate electrode 109 and the intermediate electrode 114. 1
13a and the first interlayer insulating film 111, the drain region 103a, the pad portion 115a, and the source region 103b.
From plug wirings 113b and 113c made of polysilicon for connecting the pad and the pad portion 115b, respectively, and barium strontium titanate (hereinafter referred to as BST) having a thickness of 100 nm provided on the first interlayer insulating film 111. And the upper electrode 119 made of Pt and having a thickness of 50 nm provided on the dielectric layer 116.
A second interlayer insulating film 121 provided on the dielectric layer 116, a wire 125a made of a conductor such as an AlSiCu alloy, which penetrates the second interlayer insulating film 121 and reaches the upper electrode 119, Body layer 116 and second interlayer insulating film 12
Wirings 125b and 125c made of a conductor such as an AlSiCu alloy or the like and penetrating 1 to reach the pad portions 115a and 115b, respectively.
【0130】また、中間電極114及び上部電極119
の寸法は共に2.5μm×4μmであり、ゲート電極1
09を有するMOSトランジスタと同じサイズである。Further, the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119.
The dimensions of both are 2.5 μm × 4 μm.
It is the same size as the MOS transistor having the 09.
【0131】なお、本実施形態の半導体装置において
は、誘電体層116と、これを挟む中間電極114及び
上部電極119とはキャパシタを構成しているが、誘電
体層116は同時に抵抗素子106(図22参照)にも
なっている。このことを含めた半導体装置の動作につい
ては後で詳述する。In the semiconductor device of this embodiment, the dielectric layer 116 and the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119 sandwiching the dielectric layer 116 form a capacitor, but the dielectric layer 116 simultaneously forms the resistance element 106 ( (See FIG. 22). The operation of the semiconductor device including this will be described in detail later.
【0132】次に、本実施形態の半導体装置の製造方法
について、以下、図26を用いて説明する。Next, a method of manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described below with reference to FIG.
【0133】図26は、本実施形態の半導体装置の製造
工程を示す図23のXXV-XXV線における断面図である。
なお、図26のXXV-XXV断面において図示されない、あ
るいは図示しない構造物については、図23〜25の説
明において用いた符号を使用して説明する。FIG. 26 is a sectional view taken along line XXV-XXV in FIG. 23, showing the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.
Structures not shown or not shown in the XXV-XXV cross section of FIG. 26 will be described using the reference numerals used in the description of FIGS.
【0134】図26(a)に示す工程で、P型のSi基
板101上に形成した図示しない窒化シリコン膜をマス
クとして基板の酸化処理を行ない、素子分離用酸化膜1
05を形成する(LOCOS法)。次に、窒化シリコン
膜を例えば昇温した燐酸などを用いて除去した後、基板
を900℃でパイロ酸化することにより厚さ5nmのS
iO2 からなるSiO2 膜をSi基板101上に形成す
る。その後、LPCVD法などにより、リンなどのn型
不純物を導入したポリシリコンをSiO2 膜上に堆積し
てからドライエッチングによりパターニングしてゲート
絶縁膜107及びゲート電極109を形成する。次い
で、ゲート電極109をマスクとしてボロン等のp型不
純物を注入してから900℃、30分の熱処理を行なう
ことにより、Si基板101のうちゲート電極109の
両側方にドレイン領域103a及びソース領域103b
を形成する。なお、本工程により作製されるMOSトラ
ンジスタは、ゲート長が1μm、ゲート幅が10μmで
ある。In the step shown in FIG. 26A, the substrate is oxidized by using a silicon nitride film (not shown) formed on the P type Si substrate 101 as a mask, and the element isolation oxide film 1 is formed.
05 is formed (LOCOS method). Next, the silicon nitride film is removed by using, for example, heated phosphoric acid, and the substrate is pyrooxidized at 900 ° C.
A SiO 2 film made of iO 2 is formed on the Si substrate 101. After that, polysilicon into which an n-type impurity such as phosphorus is introduced is deposited on the SiO 2 film by the LPCVD method or the like, and then patterned by dry etching to form the gate insulating film 107 and the gate electrode 109. Then, by implanting a p-type impurity such as boron with the gate electrode 109 as a mask and performing a heat treatment at 900 ° C. for 30 minutes, the drain region 103a and the source region 103b are formed on both sides of the gate electrode 109 in the Si substrate 101.
To form. The MOS transistor manufactured by this process has a gate length of 1 μm and a gate width of 10 μm.
【0135】次に、図26(b)に示す工程において、例
えばLPCVD法により基板上にSiO2 を堆積して第
1の層間絶縁膜111を形成する。その後、第1の層間
絶縁膜111上にレジストマスクパターン(図示せず)
を形成してから第1の層間絶縁膜111をドライエッチ
ングすることによりゲート電極109、ドレイン領域1
03a及びソース領域103bに至るコンタクト窓をそ
れぞれ形成する。次いで、LPCVD法などにより基板
上にポリシリコンを堆積した後でCMP法により基板表
面を平坦化し、各コンタクト窓を埋めるプラグ配線11
3a、113b、113cをそれぞれ形成する。次に、
スパッタ法により第1の層間絶縁膜111の上にTiN
を20nm堆積した後、同じくスパッタ法によりPtを
50nm堆積する。続いて、スパッタ法で堆積させたS
iO2 膜をパターニングして形成した図示しないハード
マスクを用いて、Pt/TiNをArミリングによりパ
ターニングしてプラグ配線113aの上に中間電極11
4を、プラグ配線113bの上にパッド部115aを、
プラグ配線113cの上にパッド部115bをそれぞれ
形成する。その後、希釈したフッ酸などでハードマスク
を除去する。Next, in the step shown in FIG. 26B, SiO 2 is deposited on the substrate by, for example, the LPCVD method to form the first interlayer insulating film 111. Then, a resist mask pattern (not shown) is formed on the first interlayer insulating film 111.
Then, the first interlayer insulating film 111 is dry-etched to form the gate electrode 109 and the drain region 1.
Contact windows reaching 03a and the source region 103b are formed respectively. Next, after depositing polysilicon on the substrate by the LPCVD method or the like, the substrate surface is flattened by the CMP method and the plug wiring 11 for filling each contact window is formed.
3a, 113b, 113c are formed respectively. next,
TiN is deposited on the first interlayer insulating film 111 by the sputtering method.
Is deposited to a thickness of 20 nm, and then Pt is deposited to a thickness of 50 nm by the same sputtering method. Then, S deposited by the sputtering method
Using a hard mask (not shown) formed by patterning the iO 2 film, Pt / TiN is patterned by Ar milling to form the intermediate electrode 11 on the plug wiring 113a.
4, the pad portion 115a on the plug wiring 113b,
Pad portions 115b are formed on the plug wirings 113c, respectively. After that, the hard mask is removed with diluted hydrofluoric acid or the like.
【0136】なお、ここでTiN層は、Ptと多結晶シ
リコンがシリサイドを形成して抵抗が増加するのを防ぐ
ために形成している。Here, the TiN layer is formed in order to prevent Pt and polycrystalline silicon from forming silicide to increase resistance.
【0137】次に、図26(c)に示す工程で、スパッタ
法などにより基板温度550℃、酸素分圧20%、RF
パワー100Wの条件で第1の層間絶縁膜111の上に
BSTを堆積し、厚さ100nmの誘電体層116を形
成する。そして、スパッタ法により誘電体層116の上
にPtを堆積した後、図示しないSiO2 からなるハー
ドマスクを用いたArミリングにより堆積したPt層を
パターニングし、誘電体層116を挟んで中間電極11
4と対向する位置に上部電極119を形成する。その
後、希釈したフッ酸などでハードマスクを除去する。Next, in the step shown in FIG. 26C, the substrate temperature is 550 ° C., the oxygen partial pressure is 20%, and the RF
BST is deposited on the first interlayer insulating film 111 under the condition of power of 100 W to form a dielectric layer 116 having a thickness of 100 nm. Then, after Pt is deposited on the dielectric layer 116 by the sputtering method, the Pt layer deposited by Ar milling using a hard mask made of SiO 2 ( not shown) is patterned, and the intermediate electrode 11 is sandwiched with the dielectric layer 116 in between.
The upper electrode 119 is formed at a position opposed to No. 4. After that, the hard mask is removed with diluted hydrofluoric acid or the like.
【0138】なお、本実施形態では、中間電極114及
び上部電極119の寸法は2.5μm×4μmとし、M
OSトランジスタのサイズと同じにしている。In this embodiment, the dimensions of the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119 are 2.5 μm × 4 μm, and M
The size is the same as that of the OS transistor.
【0139】次に、図26(d)に示す工程で、TEOS
(テトラエトキシシラン)を用いたプラズマCVDによ
りSiO2 を堆積した後、CMP法により平坦化するこ
とにより第2の層間絶縁膜121を形成する。その後、
レジストマスクを用いて第2の層間絶縁膜121及び誘
電体層116をドライエッチングすることによりコンタ
クト窓を形成する。続いて、スパッタ法によりAlSi
Cu合金を基板上に堆積した後、レジストマスクを用い
てドライエッチングすることで第2の層間絶縁膜121
上から上部電極119に至る配線125a、パッド部1
15aに至る配線125b及びパッド部115bに至る
配線125cをそれぞれ形成する。なお、配線125a
は図示しない制御電圧供給部110に接続されている。Next, in the step shown in FIG. 26D, TEOS is performed.
After depositing SiO 2 by plasma CVD using (tetraethoxysilane), the second interlayer insulating film 121 is formed by planarizing by CMP. afterwards,
A contact window is formed by dry etching the second interlayer insulating film 121 and the dielectric layer 116 using a resist mask. Then, AlSi is formed by the sputtering method.
After depositing the Cu alloy on the substrate, dry etching is performed using a resist mask to remove the second interlayer insulating film 121.
Wiring 125a from the top to the upper electrode 119, pad portion 1
A wiring 125b reaching 15a and a wiring 125c reaching the pad portion 115b are formed. Note that the wiring 125a
Is connected to a control voltage supply unit 110 (not shown).
【0140】以上の方法により図22に記載の半導体装
置が製造される。The semiconductor device shown in FIG. 22 is manufactured by the above method.
【0141】本実施形態の半導体装置は、図22に示す
等価回路で示される構成を有しているが、実際には図2
3〜6に示すように、中間電極114と上部電極119
により誘電体層116を挟みこんだ構造の誘電体キャパ
シタ104が、さらに図22に示す電気抵抗としても動
作している。すなわち、図22の誘電体キャパシタ10
4と抵抗素子106とが同一物であって、電気抵抗は誘
電体キャパシタの抵抗成分となっている。このため、本
実施形態の半導体装置では、誘電体キャパシタ104と
抵抗素子106とが別個に設けられる場合に比べ、図2
2に示す等価回路で表される構造をより簡便な構成で実
現している。The semiconductor device of this embodiment has the structure shown by the equivalent circuit shown in FIG.
As shown in FIGS. 3 to 6, the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119.
Thus, the dielectric capacitor 104 having the structure in which the dielectric layer 116 is sandwiched also operates as the electric resistance shown in FIG. That is, the dielectric capacitor 10 of FIG.
4 and the resistance element 106 are the same, and the electric resistance is the resistance component of the dielectric capacitor. Therefore, in the semiconductor device of the present embodiment, as compared with the case where the dielectric capacitor 104 and the resistance element 106 are provided separately, FIG.
The structure represented by the equivalent circuit shown in 2 is realized with a simpler configuration.
【0142】次に、本実施形態の半導体装置の駆動方法
及び動作について以下に説明する。Next, the driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment will be described below.
【0143】図27は、BSTからなる誘電体層116
を有する誘電体キャパシタ104の両電極に電圧を印加
した際に、誘電体層116を通過して中間電極114と
上部電極119の間に流れる通過電流の特性を示した図
である。同図に示すように、BSTという材料は、電界
強度が小さい間は、ほぼ抵抗値が一定である特性を有す
るため、電圧に比例する通過電流値が得られる。ただ
し、図27では縦軸をログスケールとしているため、特
性を表すグラフは、0Vを挟んで正と負の電圧範囲で線
対称な曲線として示されている。FIG. 27 shows a dielectric layer 116 made of BST.
FIG. 6 is a diagram showing characteristics of a passing current that passes through the dielectric layer 116 and flows between the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119 when a voltage is applied to both electrodes of the dielectric capacitor 104 having a. As shown in the figure, the material BST has a characteristic that the resistance value is substantially constant while the electric field strength is small, so that a passing current value proportional to the voltage can be obtained. However, in FIG. 27, since the vertical axis is the log scale, the graph showing the characteristics is shown as a line-symmetrical curve in the positive and negative voltage ranges across 0V.
【0144】このような特性の誘電体層116を有する
本実施形態の半導体装置の駆動方法及び動作について以
下説明する。The driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment having the dielectric layer 116 having such characteristics will be described below.
【0145】図28は、本実施形態の半導体装置の駆動
方法及び動作を説明するためのドレイン電流−印加電圧
の特性図である。図28に示すグラフの横軸はSi基板
101と配線125aとの間に印加する電圧(以下、単
に印加電圧と表記)を、縦軸はドレイン領域103aと
ソース領域103bとの間を流れるドレイン電流をそれ
ぞれ示している。 なお、本実施形態を含む以降の実施
形態の半導体装置においてドレイン電流−印加電圧の特
性を測定する際には、全てドレイン領域103aとソー
ス領域103bとの間には1Vを印加して評価を行って
いる。FIG. 28 is a drain current-applied voltage characteristic diagram for explaining the driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 28 represents the voltage applied between the Si substrate 101 and the wiring 125a (hereinafter simply referred to as applied voltage), and the vertical axis represents the drain current flowing between the drain region 103a and the source region 103b. Are shown respectively. Note that when measuring the characteristics of the drain current-applied voltage in the semiconductor devices of the following embodiments including this embodiment, the evaluation is performed by applying 1 V between the drain region 103a and the source region 103b. ing.
【0146】本実施形態の半導体装置においては、Si
基板101とゲート電極109とによりゲート絶縁膜1
07を挟みこむ構造のMOSキャパシタと、中間電極1
14と上部電極119とにより誘電体層116を挟みこ
む構造の誘電体キャパシタ104とが直列接続された構
造となるため、印加電圧は、それぞれのキャパシタに分
配されて印加されることとなる。In the semiconductor device of this embodiment, Si
The gate insulating film 1 is formed by the substrate 101 and the gate electrode 109.
MOS capacitor having a structure sandwiching 07 and the intermediate electrode 1
Since the dielectric capacitor 104 having the structure in which the dielectric layer 116 is sandwiched by the upper electrode 14 and the upper electrode 119 is connected in series, the applied voltage is distributed and applied to each capacitor.
【0147】例えば、図28に示す本実施形態の半導体
装置の測定では、印加電圧を−3Vから+3Vの範囲と
しているが、最大電圧である+3Vを印加した際に、そ
れぞれMOSと誘電体キャパシタには、2.2Vと0.
8Vがそれぞれ分配されている。図27に示すとおり、
誘電体キャパシタは、ここで測定した−0.8V以上
0.8V以下の電圧範囲では、リーク電流が非常に小さ
くなっている。For example, in the measurement of the semiconductor device of the present embodiment shown in FIG. 28, the applied voltage is in the range of -3V to + 3V, but when the maximum voltage of + 3V is applied, it is applied to the MOS and the dielectric capacitor, respectively. Is 2.2V and 0.
8V is distributed respectively. As shown in FIG. 27,
The dielectric capacitor has a very small leak current in the voltage range of −0.8 V or higher and 0.8 V or lower measured here.
【0148】図28に示すように、初期状態の本実施形
態の半導体装置は、例えば1MHz程度の高周波数のパ
ルス電圧で半導体装置を高速動作させると、点Aと点O
とを含む特性曲線(以下A−O曲線と称する)上を移動
する特性を示す。As shown in FIG. 28, in the semiconductor device of this embodiment in the initial state, when the semiconductor device is operated at high speed with a pulse voltage having a high frequency of, for example, about 1 MHz, points A and O are obtained.
A characteristic of moving on a characteristic curve including (hereinafter, referred to as an A-O curve) is shown.
【0149】なお、A−O曲線には、およそ0V以下が
図示されていないが、この領域でのドレイン電流はノイ
ズレベルであり、10-8 (A)より十分小さい電流レ
ベルであった。そのため、例えば印加電圧が3Vのとき
には約1×10-3(A)のドレイン電流が流れ(図28
の点A)、その後、印加電圧を0Vとするとドレイン電
流はノイズレベルとなる(図28の点O)。つまり、本
実施形態の半導体装置は、1MHz程度の高速で動作さ
せた場合、印加電圧に応じてドレイン電流が増加し、M
OSトランジスタと同様の動作を示す。Although not shown in the A-O curve at about 0 V or less, the drain current in this region is a noise level, which is a current level sufficiently smaller than 10 -8 (A). Therefore, for example, when the applied voltage is 3 V, a drain current of about 1 × 10 −3 (A) flows (see FIG. 28).
Point A), and then, when the applied voltage is set to 0 V, the drain current becomes a noise level (point O in FIG. 28). That is, when the semiconductor device of the present embodiment is operated at a high speed of about 1 MHz, the drain current increases in accordance with the applied voltage, and M
The same operation as the OS transistor is shown.
【0150】次に、図28の点Aの状態、すなわち上部
電極119に+3Vの電圧を印加した状態を保持する
と、誘電体層116の通過電流により電荷が徐々に中間
電極114に蓄積される。この状態では、中間電極に接
続されたMOSトランジスタのゲート電極109にも電
荷が蓄積されてMOSトランジスタの閾値が変化し、半
導体装置の印加電圧−ドレイン電流の特性も変化する。Next, when the state at point A in FIG. 28, that is, the state in which a voltage of +3 V is applied to the upper electrode 119 is maintained, electric charges are gradually accumulated in the intermediate electrode 114 due to the passing current of the dielectric layer 116. In this state, charges are also accumulated in the gate electrode 109 of the MOS transistor connected to the intermediate electrode, the threshold value of the MOS transistor changes, and the applied voltage-drain current characteristic of the semiconductor device also changes.
【0151】例えば、+3Vの印加電圧を100秒間保
持した後、1MHz程度で上部電極119に電圧を印加
すると、図28の点Bと点Cとを含む曲線を描くように
特性が変化する。すなわち、印加電圧の大きさと保持時
間の積により、MOSトランジスタの印加電圧−ドレイ
ン電流特性(以下、VG−ID特性と表記)を変化させ
ることが可能である。For example, when the applied voltage of +3 V is held for 100 seconds and then the voltage is applied to the upper electrode 119 at about 1 MHz, the characteristics change so as to draw a curve including points B and C in FIG. That is, it is possible to change the applied voltage-drain current characteristic (hereinafter referred to as VG-ID characteristic) of the MOS transistor by the product of the magnitude of the applied voltage and the holding time.
【0152】初期状態と+3V、100秒間保持した後
の状態とでは、+2Vの印加電圧に対するドレイン電流
で1桁以上、0Vの印加電圧に対するドレイン電流では
5桁以上の差があるので、例えば本実施形態の半導体装
置をメモリとして用いた場合に、ドレイン電流を検出す
ることで多値情報を読みとることができる。Since there is a difference of one digit or more in the drain current with respect to the applied voltage of +2 V and a five or more digits in the drain current with respect to the applied voltage of 0 V between the initial state and the state after holding for 100 seconds at +3 V, for example, this embodiment When the semiconductor device having the above-described structure is used as a memory, multivalued information can be read by detecting a drain current.
【0153】このように、本実施形態の半導体装置で
は、誘電体キャパシタ104の抵抗値がほぼ一定と見な
せる範囲の電圧を上部電極119に長時間印加し続ける
ことにより、これを書込み情報として、初期状態に比べ
て印加電圧に対するドレイン電流が大きくなるようにM
OSトランジスタ部分の特性を変調させられる。これに
対し、図示はしないが、−3Vなどの負電圧で保持する
ことにより、初期状態に比べて印加電圧に対するドレイ
ン電流が流れにくくなるようにMOSトランジスタ部分
の特性を変調することも可能である。As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the voltage within the range in which the resistance value of the dielectric capacitor 104 can be considered to be substantially constant is continuously applied to the upper electrode 119 for a long time, and this is used as write information in the initial stage. The drain current with respect to the applied voltage becomes larger than that in the state M
The characteristics of the OS transistor portion can be modulated. On the other hand, although not shown, by holding a negative voltage such as -3V, it is possible to modulate the characteristics of the MOS transistor portion so that the drain current with respect to the applied voltage becomes less likely to flow than in the initial state. .
【0154】以上のように、本実施形態の半導体装置に
よれば、多値メモリとして機能する従来の半導体装置と
は全く異なる駆動方法により記憶動作を行なうことがで
きる。As described above, according to the semiconductor device of the present embodiment, the storage operation can be performed by a driving method completely different from that of the conventional semiconductor device functioning as a multi-valued memory.
【0155】また、本実施形態の半導体装置は、それま
での書込み情報の履歴を反映して特性が変化するので、
単なる多値メモリとしての応用だけでなく、ニューロン
素子への適用も可能である。Since the semiconductor device of this embodiment changes its characteristics by reflecting the history of write information up to that point,
It can be applied not only as a multi-valued memory but also as a neuron element.
【0156】ニューロン素子への応用する場合、多数の
本実施形態の半導体装置を互いに接続され、配線125
aには荷重信号が、ドレイン領域103aには前段ニュ
ーロン素子からの出力信号が加えられる。このとき、配
線125aへ印加される電圧が高く、そのパルス幅が長
い場合、半導体装置からの電流が流れやすくなる。この
ようなニューロン素子への応用については後の実施形態
で詳述する。In the case of application to a neuron element, many semiconductor devices of this embodiment are connected to each other and the wiring 125
A weight signal is applied to a and an output signal from the preceding neuron element is applied to the drain region 103a. At this time, when the voltage applied to the wiring 125a is high and the pulse width thereof is long, current from the semiconductor device easily flows. The application to such a neuron element will be described in detail in later embodiments.
【0157】なお、本実施形態の半導体装置において、
+3Vの印加電圧を100秒間保持して図28のB−C
曲線で示される状態にした後、例えば配線125aを接
地することで、この半導体装置の特性曲線は、B−C曲
線からA−O曲線へと徐々に戻っていき、およそ100
秒間でA−O曲線に示す特性へと復帰することとなる。
これは、書込み情報の記憶とは逆の動作を示すものであ
り、一度書き込まれた情報を、時間の経過とともに「忘
却」する機能も有することを示している。なお、実際の
素子の動作はたとえば100MHzなどの高速で行うた
め、このような忘却の機能は、長期間信号が入力されな
い場合に有効となる。つまり、忘却機能により、使用頻
度の低い部分には、次の学習動作が入力されたときに効
果的に変化が生じるので、素子の学習機能を向上させる
ことができる。In the semiconductor device of this embodiment,
Hold the applied voltage of + 3V for 100 seconds, and
The characteristic curve of this semiconductor device gradually returns from the BC curve to the AO curve by, for example, grounding the wiring 125a after the state shown by the curve is reached, and the characteristic curve is about 100.
It returns to the characteristic shown by the A-O curve in a second.
This shows an operation reverse to the storage of the written information, and indicates that the information once written has a function of "forgetting" with the passage of time. Since the actual operation of the device is performed at a high speed such as 100 MHz, such a forgetting function is effective when a signal is not input for a long period of time. That is, the forgetting function effectively changes the less frequently used portion when the next learning operation is input, so that the element learning function can be improved.
【0158】なお、本実施形態の半導体装置は、電圧印
加を保持する時間により中間電極114及びゲート電極
109に蓄積する電荷量を調節し、それによりドレイン
電流の流れやすさを制御するものであるが、情報の書込
み速度と同様に、忘却の速度についても、通過電流が電
圧に対して比例的に変化する電圧範囲において、通過電
流の大きさを制御することにより調節が可能である。In the semiconductor device of this embodiment, the amount of electric charge accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109 is adjusted depending on the time during which the voltage application is maintained, thereby controlling the ease of drain current flow. However, like the information writing speed, the forgetting speed can be adjusted by controlling the magnitude of the passing current in the voltage range in which the passing current changes in proportion to the voltage.
【0159】図29は、本実施形態の半導体装置におけ
る誘電体キャパシタ104中を流れる通過電流と復帰時
間の相関を示した。ここで、復帰時間とは、書込み電圧
を印加してから半導体装置が初期状態に戻るまでに要す
る時間(すなわち、情報を忘却するまでの時間)をい
う。FIG. 29 shows the correlation between the passing current flowing through the dielectric capacitor 104 and the recovery time in the semiconductor device of this embodiment. Here, the recovery time is the time required from the application of the write voltage until the semiconductor device returns to the initial state (that is, the time until the information is forgotten).
【0160】図29から、誘電体層116の抵抗値が一
定と見なせる電圧範囲内において、復帰時間は、通過電
流が大きいほど短くなる傾向が見られる。これは、書込
み電圧により中間電極114及びゲート電極109に蓄
積された電荷が通過電流としてリークしていくことを示
している。From FIG. 29, it can be seen that within a voltage range where the resistance value of the dielectric layer 116 can be regarded as constant, the recovery time tends to become shorter as the passing current increases. This indicates that the charge accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109 is leaked as a passing current due to the write voltage.
【0161】なお、ここでは、記憶情報の保持の観点か
ら、誘電体キャパシタ104の両端に1Vの電圧を印加
した際の通過電流が100(mA/cm2)以下であるよ
うにし、復帰時間が10μsec以上の保持時間とする
ことで、計算時間に対し、トランジスタの変調記憶が相
対的に十分長く保持されるようにしている。なお、デー
タを保持したい時間に対し、通過電流が十分に小さけれ
ばよい。Here, from the viewpoint of retaining stored information, the passing current when a voltage of 1 V is applied across the dielectric capacitor 104 is set to 100 (mA / cm 2 ) or less, and the recovery time is set. By setting the holding time to 10 μsec or more, the modulation memory of the transistor is held sufficiently long with respect to the calculation time. It is sufficient that the passing current is sufficiently small with respect to the time for which the data is desired to be retained.
【0162】例えば、本実施形態の半導体装置において
は、図27のグラフより1V印加時の通過電流はおよそ
10-8(A/cm2 )であるため、保持時間は図29よ
り100秒程度である。For example, in the semiconductor device of this embodiment, the graph of FIG. 27 shows that the passing current when 1 V is applied is about 10 −8 (A / cm 2 ), so the holding time is about 100 seconds as shown in FIG. is there.
【0163】以上、本実施形態の半導体装置は、MOS
トランジスタのゲート電極に、誘電体キャパシタと電気
抵抗素子とを並列接続した構成をとることにより、通常
のMOSトランジスタに、信号の履歴を印加電圧−ドレ
イン電流特性の変化として記憶させることを可能にする
ものである。As described above, the semiconductor device of this embodiment has the MOS
By adopting a configuration in which a dielectric capacitor and an electric resistance element are connected in parallel to the gate electrode of the transistor, it becomes possible to store the history of signals in a normal MOS transistor as a change in applied voltage-drain current characteristics. It is a thing.
【0164】なお、本実施形態の半導体装置において
は、誘電体キャパシタ104と抵抗素子106を同一物
とすることで、構成を簡略化している。これにより、例
えば、ドレイン領域103aをビット線に、配線125
aをワード線に接続して本実施形態の半導体装置をメモ
リセルとして利用すれば、面積の小さい多値メモリを作
製することができる。また、本実施形態の半導体装置を
ニューロン素子として使用する場合でも、高集積化が可
能となる利点がある。In the semiconductor device of this embodiment, the dielectric capacitor 104 and the resistance element 106 are the same, so that the structure is simplified. Thereby, for example, the drain region 103a is used as a bit line and the wiring 125 is used.
If a is connected to a word line and the semiconductor device of this embodiment is used as a memory cell, a multi-valued memory with a small area can be manufactured. Further, even when the semiconductor device of this embodiment is used as a neuron element, there is an advantage that high integration can be achieved.
【0165】ただし、一度記憶した情報は、復帰時間が
経過すると失われてしまうため、誘電体キャパシタ10
4と抵抗素子106とを別個に作製し、抵抗素子を通過
電流がより流れにくい材料で構成してもよい。これによ
り、より長時間情報を保持することが可能となる。However, since the information once stored is lost after the recovery time elapses, the dielectric capacitor 10
4 and the resistance element 106 may be separately manufactured, and the resistance element may be made of a material through which a passing current is less likely to flow. This makes it possible to hold information for a longer time.
【0166】なお、本実施形態の半導体装置において、
誘電体材料としてBSTの場合について説明したが、膜
を通過して電流が流れる材料であれば、代替可能であ
る。このような材料として、チタン酸ストロンチウム、
酸化チタン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ジ
ルコニウム、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化ラ
ンタンなどが特に有効である。In the semiconductor device of this embodiment,
Although the case of using BST as the dielectric material has been described, any material that allows current to flow through the film can be substituted. As such a material, strontium titanate,
Titanium oxide, tantalum oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, cerium oxide, gadolinium oxide, and lanthanum oxide are particularly effective.
【0167】なお、上部電極119に印加される電圧の
誘電体キャパシタとMOSトランジスタとの分配比はキ
ャパシタの容量に反比例するので、誘電体材料の変更、
電極面積の変更、誘電体層116またはゲート絶縁膜の
膜厚の変更などにより各素子に分配される電圧を適宜変
えることができる。Since the distribution ratio of the voltage applied to the upper electrode 119 between the dielectric capacitor and the MOS transistor is inversely proportional to the capacitance of the capacitor, it is necessary to change the dielectric material.
The voltage distributed to each element can be appropriately changed by changing the electrode area, changing the film thickness of the dielectric layer 116 or the gate insulating film, and the like.
【0168】また、MOSトランジスタのゲート絶縁膜
の材料は、本実施形態においてはSiO2 を用いたが、
例えばシリコン窒化膜など、他の絶縁体や誘電体などを
用いてもよい。また、MOSトランジスタに限らず、電
界効果トランジスタであれば、本実施形態の半導体装置
に用いることができる。これは、以後の実施形態につい
ても同様である。Further, as the material of the gate insulating film of the MOS transistor, SiO 2 was used in the present embodiment,
For example, another insulator or dielectric such as a silicon nitride film may be used. Further, not only MOS transistors but also field effect transistors can be used in the semiconductor device of this embodiment. This also applies to the subsequent embodiments.
【0169】また、本実施形態の半導体装置において
は、書込み時間を印加電圧+3Vの条件で100秒とし
たが、これは書込み時間の一例であって、中間電極に蓄
積される電荷が飽和しているわけではない。電荷が飽和
するまでの時間はもう少し長く、また上述のような装置
の設計変更によってもこの時間は変わる。また、書込み
電圧は誘電体層116の抵抗値が一定の範囲内であれば
+3Vに限らないが、低電圧であれば書込みに要する時
間がさらに長くなる。In the semiconductor device of this embodiment, the writing time was set to 100 seconds under the condition of the applied voltage of +3 V, but this is an example of the writing time, and the charge accumulated in the intermediate electrode is saturated. Not necessarily. The time until the charge is saturated is a little longer, and this time also changes due to the design change of the device as described above. The writing voltage is not limited to + 3V as long as the resistance value of the dielectric layer 116 is within a certain range, but if the voltage is low, the time required for writing becomes longer.
【0170】なお、本実施形態の半導体装置では、誘電
体キャパシタ104中の誘電体層116の抵抗成分が抵
抗素子106ともなっていたが、誘電体キャパシタ10
4と抵抗素子106とを互いに分離して設けてもよい。
その場合、面積は大きくなるが、誘電体層116と抵抗
素子106との構成材料を異なるものとして、抵抗素子
106からのリーク電流を減らす、あるいは書込みに要
する時間を短縮するなど、適宜設計条件を調節すること
ができる。In the semiconductor device of this embodiment, the resistance component of the dielectric layer 116 in the dielectric capacitor 104 also serves as the resistance element 106.
4 and the resistance element 106 may be provided separately from each other.
In that case, the area becomes large, but appropriate design conditions such as reducing the leak current from the resistance element 106 or shortening the time required for writing by making the constituent materials of the dielectric layer 116 and the resistance element 106 different from each other. It can be adjusted.
【0171】なお、本実施形態の半導体装置において、
中間電極114への電荷蓄積は印加電圧と印加時間の積
に比例している。そのため、ニューロン素子に応用する
場合、最大電圧の印加時間を変化させることで重み付け
を可能としている。さらに、一度入力した信号はその後
の入力がなければ復帰時間の経過後に「忘却」するの
で、演算に使用されるニューロン素子とされないニュー
ロン素子が選別されるなど、従来のニューロン素子に比
べてより長期的に効率的な演算が実現できるものであ
る。In the semiconductor device of this embodiment,
The charge accumulation on the intermediate electrode 114 is proportional to the product of the applied voltage and the applied time. Therefore, when applied to a neuron element, weighting is possible by changing the application time of the maximum voltage. Furthermore, once a signal is input, it is “forgotten” after the recovery time elapses if there is no subsequent input, so that neuron elements that are not used for computation and those that are not used are selected. The efficient calculation can be realized.
【0172】(第6の実施形態)次に、本発明の第6の
実施形態について図面を用いて説明する。(Sixth Embodiment) Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0173】ここでは、第5の実施形態の同一の半導体
装置について、第5の実施形態とは異なる駆動方法を第
6の実施形態として説明する。そのため、以下では半導
体装置の駆動方法及び動作についてのみ説明する。Here, with respect to the same semiconductor device of the fifth embodiment, a driving method different from that of the fifth embodiment will be described as a sixth embodiment. Therefore, only the driving method and operation of the semiconductor device will be described below.
【0174】図30は、図23〜25に示す第5の実施
形態と同一の半導体装置において、BSTからなる誘電
体層116を有する誘電体キャパシタ104の両電極間
に電圧を印加した際に、誘電体層116を通過して中間
電極114と上部電極119の間に流れる通過電流の特
性を示した図である。FIG. 30 shows the same semiconductor device as that of the fifth embodiment shown in FIGS. 23 to 25, when a voltage is applied between both electrodes of the dielectric capacitor 104 having the dielectric layer 116 made of BST. FIG. 6 is a diagram showing characteristics of a passing current that passes through a dielectric layer 116 and flows between an intermediate electrode 114 and an upper electrode 119.
【0175】一般に、BSTなどのペロブスカイト型酸
化物は、電界強度が小さい範囲ではほぼ抵抗値が一定で
あるが、さらに電圧を上昇させると、図30の特性曲線
に示すように、1.3V付近を越えるあたりから通過電
流が指数関数的に増加する特性を有している。また、印
加電圧が負の範囲でも0Vを挟んでほぼ対称の印加電圧
−通過電流特性を示す。Generally, a perovskite type oxide such as BST has a substantially constant resistance value in the range where the electric field strength is small, but when the voltage is further increased, as shown in the characteristic curve of FIG. It has the characteristic that the passing current increases exponentially from around the point where it exceeds. Further, even when the applied voltage is in the negative range, it exhibits substantially symmetrical applied voltage-passing current characteristics across 0V.
【0176】この通過電流の急激な増加は、ショットキ
ー電流として説明できる。すなわち、中間電極114や
上部電極119と誘電体層116の界面において、障壁
高さが存在し、ある電界強度までは、ほとんど電流が流
れない。しかしながら、ある電界強度を越えると、この
障壁を越えて電流が流れるようになる。このような電流
をショットキー電流と呼んでいる。The sudden increase in the passing current can be explained as a Schottky current. That is, there is a barrier height at the interface between the intermediate electrode 114 or the upper electrode 119 and the dielectric layer 116, and almost no current flows up to a certain electric field strength. However, when a certain electric field strength is exceeded, a current flows through this barrier. Such a current is called a Schottky current.
【0177】次に、このような誘電体キャパシタの特性
を利用した本実施形態の半導体装置の駆動方法について
説明する。Next, a method of driving the semiconductor device of this embodiment using the characteristics of such a dielectric capacitor will be described.
【0178】図31は、本実施形態の半導体装置の駆動
方法と動作を説明するためのドレイン電流−印加電圧特
性図である。ここで、印加電圧とは配線125a(また
は上部電極119)と基板電極108との間に印加され
る電圧をいう。FIG. 31 is a drain current-applied voltage characteristic diagram for explaining the driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment. Here, the applied voltage refers to a voltage applied between the wiring 125a (or the upper electrode 119) and the substrate electrode 108.
【0179】本実施形態の半導体装置においては、Si
基板101とゲート電極109によりゲート絶縁膜10
7を挟みこむ構造を有するMOSキャパシタと、中間電
極114と上部電極119により誘電体層116を挟み
こむ構造を有する誘電体キャパシタとが直列接続された
構造となるため、印加電圧は、それぞれのキャパシタに
分配されて印加されることとなる。例えば、印加電圧が
+2Vのときには、MOSキャパシタと誘電体キャパシ
タには、それぞれ1.5Vと0.5Vが印加され、印加
電圧が+8Vのときには、MOSキャパシタと誘電体キ
ャパシタ104には、それぞれ6.0Vと2.0Vが、
分配されて印加される。なお、図30から、本実施形態
の誘電体キャパシタ104は、0.5Vの電圧下では、
ほぼ一定抵抗値を持つ抵抗素子として動作し、2.0V
の電圧下では電圧の上昇に対して指数関数的に電流が増
加する、比較的抵抗の小さい抵抗素子として動作するこ
とが分かる。In the semiconductor device of this embodiment, Si
The gate insulating film 10 is formed by the substrate 101 and the gate electrode 109.
Since a MOS capacitor having a structure sandwiching 7 and a dielectric capacitor having a structure sandwiching the dielectric layer 116 by the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119 are connected in series, the applied voltage is applied to each capacitor. Will be distributed and applied. For example, when the applied voltage is + 2V, 1.5V and 0.5V are applied to the MOS capacitor and the dielectric capacitor, respectively, and when the applied voltage is + 8V, the MOS capacitor and the dielectric capacitor 104 are respectively 6. 0V and 2.0V are
It is distributed and applied. Note that, from FIG. 30, the dielectric capacitor 104 of the present embodiment, under the voltage of 0.5 V,
Operates as a resistance element with an almost constant resistance value, 2.0V
It can be seen that under the voltage of 1, the current increases exponentially with the increase of the voltage, and operates as a resistance element having a relatively small resistance.
【0180】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
では、例えば50kHz程度で電圧を印加して半導体装
置を動作させる。In the method for driving the semiconductor device of this embodiment, the semiconductor device is operated by applying a voltage at, for example, about 50 kHz.
【0181】まず、初期状態において、印加電圧を±2
Vの範囲内とすると、本実施形態の半導体装置は、図3
1の点Dと点O’とを含む特性曲線(以下D−O’曲線
と称する)上を移動する特性を示す。なお、D−O’曲
線には、およそ0V以下が示されていないが、この領域
でのドレイン電流はノイズレベルであり、10-8(A)
より十分小さい電流レベルであった。First, in the initial state, the applied voltage is ± 2
Within the range of V, the semiconductor device according to the present embodiment has the structure shown in FIG.
1 shows a characteristic of moving on a characteristic curve including a point D and a point O ′ of 1 (hereinafter referred to as a D-O ′ curve). It should be noted that although the D-O 'curve does not show approximately 0 V or less, the drain current in this region is a noise level and is 10 -8 (A).
It was a sufficiently smaller current level.
【0182】ここで、例えば2Vを印加すると約6×1
0-4のドレイン電流が流れ(点D)、その後で0Vを印
加すると、ほぼノイズレベルの電流しか流れない点Oの
状態に戻る。2Vの以下の電圧を印加してから0Vを印
加した場合でもドレイン電流はほぼノイズレベルとな
る。すなわち、本実施形態の半導体装置は、−2Vから
+2Vまでの印加電圧に対しては、MOSトランジスタ
と同様の動作を示す。Here, for example, when 2V is applied, about 6 × 1
A drain current of 0 -4 flows (point D), and when 0 V is applied thereafter, the state returns to the state of point O where only a noise level current flows. Even if a voltage of 2 V or less is applied and then 0 V is applied, the drain current is almost at the noise level. That is, the semiconductor device of the present embodiment exhibits the same operation as that of the MOS transistor for the applied voltage of −2V to + 2V.
【0183】次に、例えば+8Vの高電圧を印加する
と、誘電体層116中を流れる通過電流が指数関数的に
増加することで、非常に短時間に中間電極114及びゲ
ート電極109に電荷が蓄積される。本実施形態では、
印加するパルス電圧の周波数を50kHzとして動作を
行っているが、例えば+8V、20μsecのパルス電
圧を印加することで、図31の点E、点Fを含む曲線上
へと特性を変化させることが可能である。つまり、印加
電圧を大きくすることにより、短時間でMOSトランジ
スタのVG−ID特性を変化させることが可能である。
電荷の蓄積に要した時間は第5の実施形態の駆動方法で
は100秒であったのが、本実施形態の駆動方法では2
0μsecへと大幅に短縮されている。Next, when a high voltage of, for example, +8 V is applied, the passing current flowing through the dielectric layer 116 exponentially increases, so that charges are accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109 in a very short time. To be done. In this embodiment,
The operation is performed by setting the frequency of the applied pulse voltage to 50 kHz, but by applying a pulse voltage of, for example, +8 V and 20 μsec, the characteristics can be changed to a curve including points E and F in FIG. Is. That is, it is possible to change the VG-ID characteristics of the MOS transistor in a short time by increasing the applied voltage.
The time required for charge accumulation was 100 seconds in the driving method of the fifth embodiment, but it was 2 seconds in the driving method of the present embodiment.
It is greatly shortened to 0 μsec.
【0184】ここで、本実施形態の半導体装置の動作を
さらに詳細に説明する。+8Vの電圧パルスを印加する
と、誘電体層116を流れる通過電流が指数関数的に増
加するため、中間電極114及びゲート電極109に急
速に電荷が蓄積される。Here, the operation of the semiconductor device of this embodiment will be described in more detail. When a voltage pulse of + 8V is applied, the passing current flowing through the dielectric layer 116 exponentially increases, so that charges are rapidly accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109.
【0185】その後、印加電圧を0Vに戻すと、図31
の点Fの位置へと特性が変化し、ドレイン電流が変化す
る。次に、点Fの状態から、さらに+2Vの電圧を上部
電極119に印加すると、点Eの状態になり約3×10
-3(A)のドレイン電流が流れるが、印加電圧を再度0
Vに戻すと、点Fの状態に復帰する。すなわち、大きい
電圧パルスを入力した後、0〜2V程度の低電圧パルス
を加えても半導体装置のドレイン電流−印加電圧特性は
変化しない。一方、点Fの状態で−2Vの負電圧パルス
を上部電極119に印加すると、半導体装置の状態は点
Gへと移動し、ドレイン電流はおよそ1桁低下する。そ
の後、再び印加電圧を0Vにすると、上述の点Fに近い
点Hの状態となり、点Fの状態よりもややドレイン電流
が小さくなるものの、大きなドレイン電流の変化は見ら
れない。After that, when the applied voltage is returned to 0 V, FIG.
The characteristic changes to the position of point F, and the drain current changes. Next, when a voltage of +2 V is further applied to the upper electrode 119 from the state of the point F, the state of the point E is reached and the voltage becomes about 3 × 10 5.
-3 (A) drain current flows, but apply voltage again to 0
When returning to V, the state of point F is restored. That is, the drain current-applied voltage characteristic of the semiconductor device does not change even if a low voltage pulse of about 0 to 2 V is applied after inputting a large voltage pulse. On the other hand, when a −2V negative voltage pulse is applied to the upper electrode 119 in the state of the point F, the state of the semiconductor device moves to the point G, and the drain current decreases by about one digit. After that, when the applied voltage is set to 0 V again, the state at the point H close to the point F is obtained, and the drain current is slightly smaller than that at the point F, but no large change in the drain current is observed.
【0186】同様の原理により、例えば印加電圧に−8
Vを印加すると、±2Vのスキャンでドレイン電流が極
めて小さい変化となる特性へと変化することはいうまで
もない。According to the same principle, for example, the applied voltage is -8
It goes without saying that when V is applied, the drain current changes to an extremely small change in the scan of ± 2V.
【0187】以上のように、本実施形態の半導体装置の
駆動方法では、誘電体キャパシタ104を流れる通過電
流が印加電圧の上昇に対して指数関数的に増加する電圧
範囲で情報の書込みを行ない、情報の読み出しなどの際
には通過電流が印加電圧にほぼ比例する電圧範囲内でM
OSトランジスタを駆動する。この方法により、第5の
実施形態で示した半導体装置の駆動方法に比べて情報の
書込み時間を大幅に短縮することができる。As described above, in the method of driving the semiconductor device of this embodiment, information is written in the voltage range in which the passing current flowing through the dielectric capacitor 104 exponentially increases with respect to the increase of the applied voltage. When reading information, etc., within the voltage range in which the passing current is almost proportional to the applied voltage, M
It drives the OS transistor. By this method, the information writing time can be significantly shortened as compared with the semiconductor device driving method shown in the fifth embodiment.
【0188】本実施形態の半導体装置の駆動方法によっ
ても、それまでの書きこみ情報の履歴を素子特性の変化
という形で記憶できるので、本実施形態の半導体装置を
単なる多値メモリとして応用するだけでなく、ニューロ
ン素子として適用することが可能となる。ニューロン素
子として利用する場合、情報の書込み時間を第5の実施
形態の方法よりも大幅に短縮できるので、演算速度を大
きく向上させることができる。According to the method of driving the semiconductor device of this embodiment, the history of writing information up to that time can be stored in the form of a change in element characteristics. Therefore, the semiconductor device of this embodiment is simply applied as a multi-valued memory. Instead, it can be applied as a neuron element. When it is used as a neuron element, the writing time of information can be significantly shortened as compared with the method of the fifth embodiment, so that the calculation speed can be greatly improved.
【0189】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
は、第5の実施形態と異なり、印加電圧パルスの長さで
はなく印加電圧の絶対値の大きさでMOSトランジスタ
のVG−ID特性を変化させることが可能な点が特徴で
ある。すなわち、入力する印加電圧パルスを一定周期と
し、パルスの電圧値の設定のみで、VG-ID特性を変
調することが可能である。The semiconductor device driving method of this embodiment differs from that of the fifth embodiment in that the VG-ID characteristic of the MOS transistor is changed not by the length of the applied voltage pulse but by the magnitude of the absolute value of the applied voltage. The feature is that it can be done. That is, it is possible to modulate the VG-ID characteristic only by setting the input voltage pulse to be a constant cycle and setting the voltage value of the pulse.
【0190】本実施形態の半導体装置の駆動方法におい
ては、書込み電圧を8Vとしたが、さらに高電圧で書込
みを行っても構わない。また、配線125aまたは上部
電極119に印加する電圧が例えば8V以下であって
も、誘電体キャパシタの面積を小さくする、誘電体層の
厚さを厚くするなどの方法により容量を低減し、誘電体
キャパシタに分配される電圧を大きくすることで、書込
み時間を短縮することができる。In the method of driving the semiconductor device of this embodiment, the writing voltage is set to 8V, but writing may be performed at a higher voltage. Further, even if the voltage applied to the wiring 125a or the upper electrode 119 is, for example, 8 V or less, the capacitance is reduced by a method such as reducing the area of the dielectric capacitor or increasing the thickness of the dielectric layer. The write time can be shortened by increasing the voltage distributed to the capacitor.
【0191】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
においても、例えば配線125aを接地することで半導
体装置の状態は時間の経過とともに図31のD−O’曲
線で示される初期状態に戻る。すなわち、本実施形態の
半導体装置は第5の実施形態でも述べたとおり、「忘
却」する機能も有する。Also in the semiconductor device driving method of this embodiment, the state of the semiconductor device returns to the initial state shown by the D-O 'curve in FIG. 31 with the passage of time, for example, by grounding the wiring 125a. That is, the semiconductor device of this embodiment also has a function of "forgetting" as described in the fifth embodiment.
【0192】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
においては、記憶情報の保持の観点から、誘電体キャパ
シタ104の両端に1Vの電圧を印加した際の通過電流
が100(mA/cm2)以下であるようにし、復帰時間
が10μsec以上の保持時間とすることで、絶対値の
大きい電圧パルスとの差異が明確になるようにしてい
る。これは第5の実施形態の駆動方法と同様の条件であ
るため、本実施形態においては、では、復帰に要した時
間はおよそ100秒となる。In the method of driving the semiconductor device of this embodiment, from the viewpoint of retaining stored information, the passing current when a voltage of 1 V is applied across the dielectric capacitor 104 is 100 (mA / cm 2 ). By setting as below and setting the recovery time to 10 μsec or more, the difference from the voltage pulse having a large absolute value is made clear. Since this is the same condition as the driving method of the fifth embodiment, in the present embodiment, the time required for the recovery is about 100 seconds.
【0193】(第7の実施形態)本発明の第7の実施形
態に係る半導体装置は、第6の実施形態に係る半導体装
置と比べ、構造の一部と、その駆動方法及び動作のみが
異なる。(Seventh Embodiment) The semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention is different from the semiconductor device according to the sixth embodiment only in part of the structure and its driving method and operation. .
【0194】図32は、本実施形態の半導体装置を示す
等価回路図である。同図に示されるように、本実施形態
の半導体装置は、電界効果トランジスタ(以下MOSト
ランジスタと表記)のゲート電極109に、強誘電体キ
ャパシタ104aと抵抗素子106とを並列接続した構
成を有することを特徴としている。FIG. 32 is an equivalent circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment. As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment has a structure in which a ferroelectric capacitor 104a and a resistance element 106 are connected in parallel to a gate electrode 109 of a field effect transistor (hereinafter referred to as a MOS transistor). Is characterized by.
【0195】本実施形態の半導体装置は、第5及び第6
の実施形態の半導体装置とほぼ同様の構造となっている
が、本実施形態の半導体装置では誘電体層116に代え
て強誘電体材料からなる強誘電体層131が用いられて
いる点が上記の実施形態のものと異なる。The semiconductor device of this embodiment has the fifth and sixth structures.
Although the structure is almost the same as that of the semiconductor device of the above embodiment, the semiconductor device of this embodiment uses the ferroelectric layer 131 made of a ferroelectric material instead of the dielectric layer 116. Of the embodiment of FIG.
【0196】すなわち、本実施形態の半導体装置は、制
御電圧供給部110と、ゲート電極109とドレイン領
域103aとソース領域103bと基板電極108とを
有するMOSトランジスタと、MOSトランジスタのゲ
ート電極109と制御電圧供給部110との間に互いに
並列に介設された強誘電体キャパシタ104a及び抵抗
素子106とを有している。また、強誘電体キャパシタ
104aは、上部電極119と、中間電極114と、上
部電極119及び中間電極114に挟まれた厚さ300
nmのチタン酸ビスマス(BIT)からなる強誘電体層
131とからなっている。さらに、本実施形態の半導体
装置においては、強誘電体層131が抵抗素子106と
しても機能している。また、ソース領域103bと基板
電極108とは互いに接続されている。That is, in the semiconductor device of this embodiment, the control voltage supply unit 110, the MOS transistor having the gate electrode 109, the drain region 103a, the source region 103b and the substrate electrode 108, the gate electrode 109 of the MOS transistor and the control unit. It has a ferroelectric capacitor 104a and a resistance element 106 that are provided in parallel with each other with the voltage supply unit 110. Further, the ferroelectric capacitor 104 a has an upper electrode 119, an intermediate electrode 114, and a thickness of 300 between the upper electrode 119 and the intermediate electrode 114.
nm ferroelectric layer 131 made of bismuth titanate (BIT). Further, in the semiconductor device of this embodiment, the ferroelectric layer 131 also functions as the resistance element 106. The source region 103b and the substrate electrode 108 are connected to each other.
【0197】次に、図33(a)〜(d)は、本実施形
態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。同図に
おいて、図26と同一のものには同一符号を附記する。Next, FIGS. 33A to 33D are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor device of this embodiment. In the figure, the same parts as those in FIG. 26 are designated by the same reference numerals.
【0198】まず、図33(a)に示す工程で、第5の実
施形態と同様の手順で、LOCOS法により素子分離用
酸化膜105をSi基板101上に形成する。次いで、
基板のパイロ酸化により基板上に厚さ5nmのSiO2
膜を形成した後、n型不純物を含むポリシリコンをSi
O2 膜上に堆積し、このSiO2 膜及びポリシリコン層
をパターニングすることにより、ゲート絶縁膜107及
びゲート電極109をSi基板101上にそれぞれ形成
する。次に、ボロンなどのp型不純物を注入し、Si基
板101のうちゲート電極109の両側方にドレイン領
域103a及びソース領域103bを形成する。なお、
本工程により作製されるMOSトランジスタは、ゲート
長が1μm、ゲート幅が10μmである。First, in the step shown in FIG. 33A, the element isolation oxide film 105 is formed on the Si substrate 101 by the LOCOS method in the same procedure as in the fifth embodiment. Then
5 nm thick SiO 2 on the substrate by pyrooxidation of the substrate
After forming the film, the polysilicon containing the n-type impurities is changed to Si.
The gate insulating film 107 and the gate electrode 109 are formed on the Si substrate 101 by depositing on the O 2 film and patterning the SiO 2 film and the polysilicon layer. Then, a p-type impurity such as boron is implanted to form the drain region 103a and the source region 103b on both sides of the gate electrode 109 in the Si substrate 101. In addition,
The MOS transistor manufactured by this step has a gate length of 1 μm and a gate width of 10 μm.
【0199】次に、図33(b)に示す工程で、第5の実
施形態と同様の手順で、基板上にSiO2 からなる第1
の層間絶縁膜111を形成した後、レジストマスクを用
いたドライエッチングによりコンタクト窓を形成し、こ
れをポリシリコンにより埋めることにより、ポリシリコ
ンからなるプラグ配線113a、113b、113c、
をそれぞれ形成する。次いで、プラグ配線113aを介
してゲート電極109に接続する中間電極114、プラ
グ配線113bを介してドレイン領域103aに接続す
るパッド部115a及びプラグ配線113cを介してソ
ース領域103bに接続するプラグ配線15bをそれぞ
れ形成する。各部材の材質は第5の実施形態と同じであ
るが、中間電極の寸法は1μm×2μmとし、その面積
はMOSトランジスタの面積の1/5とする。Next, in the step shown in FIG. 33B, the first step of forming SiO 2 on the substrate is performed in the same procedure as in the fifth embodiment.
After forming the inter-layer insulation film 111, a contact window is formed by dry etching using a resist mask, and the contact window is filled with polysilicon to form plug wirings 113a, 113b, 113c made of polysilicon.
Are formed respectively. Next, the intermediate electrode 114 connected to the gate electrode 109 via the plug wiring 113a, the pad portion 115a connected to the drain region 103a via the plug wiring 113b, and the plug wiring 15b connected to the source region 103b via the plug wiring 113c are formed. Form each. The material of each member is the same as that of the fifth embodiment, but the size of the intermediate electrode is 1 μm × 2 μm, and its area is 1/5 of the area of the MOS transistor.
【0200】次に、図33(c)に示す工程で、スパッタ
法により基板温度600℃、酸素分圧20%、RFパワ
ー100Wの条件でBITを堆積し、厚さ300nmの
強誘電体層131を基板上に形成する。その後、第5の
実施形態と同様の手順で、強誘電体層131の上の、中
間電極と対向する位置に上部電極119を形成する。な
お、上部電極119の寸法は中間電極114と同じ1μ
m×2μmとし、MOSトランジスタの面積の5分の1
とする。Next, in the step shown in FIG. 33C, BIT is deposited by a sputtering method under the conditions of a substrate temperature of 600 ° C., an oxygen partial pressure of 20%, and an RF power of 100 W, and a ferroelectric layer 131 having a thickness of 300 nm. Are formed on the substrate. After that, the upper electrode 119 is formed on the ferroelectric layer 131 at a position facing the intermediate electrode by the same procedure as in the fifth embodiment. The size of the upper electrode 119 is 1 μm which is the same as that of the intermediate electrode 114.
m × 2 μm, 1/5 of the area of MOS transistor
And
【0201】次に、図33(d)に示す工程で、実施の形
態1の半導体装置と同様の手順で、強誘電体層131の
上に第2の層間絶縁膜121を形成する。次に、第2の
層間絶縁膜121上から上部電極119に至る配線12
5aと、第2の層間絶縁膜121上からパッド部115
a及びパッド部115bに至る配線125b、125c
をそれぞれ形成する。Next, in the step shown in FIG. 33D, the second interlayer insulating film 121 is formed on the ferroelectric layer 131 by the same procedure as in the semiconductor device of the first embodiment. Next, the wiring 12 from the second interlayer insulating film 121 to the upper electrode 119
5a and the pad portion 115 from above the second interlayer insulating film 121.
a and wirings 125b and 125c reaching the pad portion 115b
Are formed respectively.
【0202】以上の製造方法により製造される本実施形
態の半導体装置は、図32に示す強誘電体キャパシタ1
04aと抵抗素子106とが同一物であって、抵抗素子
106は、強誘電体キャパシタ104aの抵抗成分とな
っている。The semiconductor device of the present embodiment manufactured by the above manufacturing method is the ferroelectric capacitor 1 shown in FIG.
04a and the resistance element 106 are the same thing, and the resistance element 106 is a resistance component of the ferroelectric capacitor 104a.
【0203】これにより、図32に示す構造を比較的小
さい面積で実現できるとともに、強誘電体キャパシタ1
04aと抵抗素子106を別々に製造する場合に比べ製
造工程数も少なくなっている。As a result, the structure shown in FIG. 32 can be realized in a relatively small area, and the ferroelectric capacitor 1
The number of manufacturing steps is smaller than that in the case of separately manufacturing 04a and the resistance element 106.
【0204】次に、本実施形態の半導体装置の駆動方法
及び動作について以下に説明する。Next, the driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment will be described below.
【0205】図34(a)は、本実施形態の半導体装置
において、記憶情報を大幅に変更する粗調時の等価回路
を、(b)は、記憶情報を微小変更する微調時の等価回
路を示している。また、図35は、強誘電体キャパシタ
104aの両端に電圧を印加したときの通過電流の特性
を示した図である。ここで、通過電流とは、強誘電体層
131を通過して中間電極114と上部電極119の間
に流れる電流を指す。FIG. 34 (a) shows an equivalent circuit at the time of coarse adjustment for drastically changing the stored information in the semiconductor device of the present embodiment, and FIG. 34 (b) shows an equivalent circuit at the time of fine adjustment for minutely changing the stored information. Shows. Further, FIG. 35 is a diagram showing characteristics of a passing current when a voltage is applied to both ends of the ferroelectric capacitor 104a. Here, the passing current refers to a current that passes through the ferroelectric layer 131 and flows between the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119.
【0206】本実施形態において、強誘電体材料として
用いられたBITを始めとする、元素の組成がABO3
で表されて結晶構造がペロブスカイト構造を有する酸化
物は、第1、第6の実施形態で用いられたBSTと同様
に、印加される電界強度が小さい間は抵抗値が無視でき
る程に小さく、さらに電圧を上昇すると、通過電流が指
数関数的に増加するという特徴を示す。図35より、本
実施形態の強誘電体キャパシタ104aにおいても、
1.8V付近より大きい電圧を印加した場合、通過電流
が指数関数的に増加する。また、負電圧を印加した場合
には印加電圧が0Vの軸を挟んで対称の特性を示す。In the present embodiment, the composition of the elements including BIT used as the ferroelectric material is ABO 3
The oxide having a perovskite structure represented by the following is similar to BST used in the first and sixth embodiments, and has a resistance value that is negligible while the applied electric field strength is small, When the voltage is further increased, the passing current increases exponentially. From FIG. 35, also in the ferroelectric capacitor 104a of the present embodiment,
When a voltage higher than around 1.8 V is applied, the passing current increases exponentially. Further, when a negative voltage is applied, a symmetrical characteristic is shown across the axis of the applied voltage of 0V.
【0207】そのため、図35に示すように、強誘電体
に分配される電圧が−2.3V以下及び+2.3V以上
の粗調時電圧範囲にあるときは、強誘電体は抵抗素子1
06としても機能し、リーク電流Iが流れる。この時の
等価回路は、図34(a)に示すように、MOSトラン
ジスタのゲート電極109に強誘電体キャパシタ104
aと抵抗素子106とが並列に接続された形になってい
る。Therefore, as shown in FIG. 35, when the voltage distributed to the ferroelectric substance is within the voltage range of -2.3 V or less and +2.3 V or more during the coarse adjustment, the ferroelectric substance becomes the resistance element 1.
It also functions as 06, and the leak current I flows. The equivalent circuit at this time is, as shown in FIG. 34A, the ferroelectric capacitor 104 on the gate electrode 109 of the MOS transistor.
In this configuration, a and the resistance element 106 are connected in parallel.
【0208】一方、強誘電体に分配される電圧が−1.
4〜+1.4V程度の微調時電圧範囲にあるときは、強
誘電体にはほとんど電流が流れず、ほぼ絶縁体となって
いる。この時の等価回路は、図34(b)に示すよう
に、MOSトランジスタのゲート電極109に強誘電体
キャパシタ104aのみが接続された形となっている。On the other hand, the voltage distributed to the ferroelectric is -1.
In the fine adjustment voltage range of about 4 to +1.4 V, almost no current flows through the ferroelectric substance, and the ferroelectric substance is almost an insulator. The equivalent circuit at this time has a form in which only the ferroelectric capacitor 104a is connected to the gate electrode 109 of the MOS transistor, as shown in FIG.
【0209】なお、本実施形態の半導体装置において
は、Si基板101とゲート電極109によりゲート絶
縁膜107を挟みこむ構造のMOSキャパシタと、中間
電極114と上部電極119により強誘電体層131を
挟みこむ構造の強誘電体キャパシタ104aとが直列接
続された構造となるため、印加電圧は、それぞれのキャ
パシタに分配されて印加されることとなる。例えば、本
実施形態の半導体装置においては、印加電圧として+2
Vを装置全体に加えたときには、MOSトランジスタと
強誘電体キャパシタ104aには、それぞれ1.2Vと
0.8Vが、印加電圧を+6Vとしたときには、MOS
トランジスタと強誘電体キャパシタ104aには、それ
ぞれ3.6Vと2.4Vが、分配される。In the semiconductor device of this embodiment, the MOS capacitor having a structure in which the gate insulating film 107 is sandwiched between the Si substrate 101 and the gate electrode 109, and the ferroelectric layer 131 is sandwiched between the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119. Since the ferroelectric capacitor 104a having the recessed structure is connected in series, the applied voltage is distributed and applied to each capacitor. For example, in the semiconductor device of this embodiment, the applied voltage is +2
When V is applied to the entire device, 1.2V and 0.8V are applied to the MOS transistor and the ferroelectric capacitor 104a, respectively.
3.6V and 2.4V are distributed to the transistor and the ferroelectric capacitor 104a, respectively.
【0210】本実施形態の半導体装置では、強誘電体キ
ャパシタ104aに分配される電圧を粗調時電圧範囲に
設定することで、リーク電流を大きくし、フローティン
グゲートの電位を大きく変化させることができる。ま
た、強誘電体キャパシタ104aに分配される電圧を微
調時電圧範囲に設定することでリーク電流を小さくし、
データを保持したり、強誘電体の分極変化によるフロー
ティングゲート電位の微調整が可能となる。In the semiconductor device of this embodiment, the leak current can be increased and the potential of the floating gate can be greatly changed by setting the voltage distributed to the ferroelectric capacitor 104a within the voltage range during coarse adjustment. . Further, by setting the voltage distributed to the ferroelectric capacitor 104a in the fine adjustment voltage range, the leak current is reduced,
Data can be retained and the floating gate potential can be finely adjusted by changing the polarization of the ferroelectric substance.
【0211】図36は、上述の知見を踏まえた実際の電
圧印加方法の一例を示す図である。この例では、最初に
1μsecの期間に強誘電体に2.5Vの電圧パルスを
加えている。これにより、強誘電体を通して高速にフロ
ーティングゲートに蓄積される。このとき、強誘電体の
分極は、一方向に揃う。FIG. 36 is a diagram showing an example of an actual voltage applying method based on the above findings. In this example, first, a voltage pulse of 2.5 V is applied to the ferroelectric in the period of 1 μsec. As a result, it is rapidly accumulated in the floating gate through the ferroelectric substance. At this time, the polarization of the ferroelectric substance is aligned in one direction.
【0212】次に、5μsec以降では期間が1μse
cで負の微小電圧を強誘電体に印加している。このと
き、強誘電体からのリーク電流は無視できるほど小さ
く、強誘電体の分極が少しずつ反転していく。これによ
り、フローティングゲートの電荷量を微少量変更するこ
とができる。Next, after 5 μsec, the period is 1 μse.
At c, a negative minute voltage is applied to the ferroelectric. At this time, the leak current from the ferroelectric substance is so small that it can be ignored, and the polarization of the ferroelectric substance is gradually inverted. As a result, the charge amount of the floating gate can be changed by a small amount.
【0213】一般的な強誘電体ゲートトランジスタで
は、強誘電体の分極値分しかフローティング電極(ゲー
ト電極109)の電荷量を変更できないが、本実施形態
の駆動方法を用いることにより、非常に広い範囲で電荷
量を変更できることとなる。すなわち、MOSトランジ
スタのオン抵抗値を非常に幅広く、しかも詳細に決定す
ることができることとなる。これは、フローティング電
極に蓄積された電荷量に応じて連続的に多値の情報を保
持可能なアナログメモリとして機能することを意味して
いる。In a general ferroelectric gate transistor, the charge amount of the floating electrode (gate electrode 109) can be changed only by the polarization value of the ferroelectric substance, but by using the driving method of this embodiment, it is very wide. The charge amount can be changed within the range. That is, the on-resistance value of the MOS transistor can be determined in a very wide range and in detail. This means that it functions as an analog memory capable of continuously holding multivalued information in accordance with the amount of charge accumulated in the floating electrode.
【0214】図37は、本実施形態の半導体装置の初期
状態における動作を説明するための特性図である。同図
の横軸は印加電圧を、縦軸はドレイン電流を示してい
る。なお、ここでの印加電圧とは、配線125a(また
は上部電極119)とSi基板101との間に印加され
る電圧を指す。FIG. 37 is a characteristic diagram for explaining the operation of the semiconductor device of this embodiment in the initial state. In the figure, the horizontal axis represents the applied voltage and the vertical axis represents the drain current. The applied voltage here means a voltage applied between the wiring 125a (or the upper electrode 119) and the Si substrate 101.
【0215】図37に示すように、初期状態の本実施形
態の半導体装置に±2Vの範囲で電圧を印加していく
と、装置中のMOSトランジスタのVG−ID特性が反
時計回りのヒステリシスを示し、いわゆる強誘電体ゲー
トトランジスタとして動作する。As shown in FIG. 37, when a voltage is applied to the semiconductor device of this embodiment in the initial state within a range of ± 2 V, the VG-ID characteristic of the MOS transistor in the device causes counterclockwise hysteresis. It operates as a so-called ferroelectric gate transistor.
【0216】このため、例えば半導体装置に+2Vの電
圧を印加した後に印加電圧を除荷しても、強誘電体層1
31の分極により中間電極114に電荷が誘起されて電
位が生じる。このため印加電圧を0Vにしても約2μA
のドレイン電流が流れる。一方、逆に−2Vを印加した
後に印加電圧を除荷すると、今度は逆にドレイン電流が
極めて小さい状態となる(10-8A以下、図示せず)。
なお、ここでも第5の実施形態と同様にソース・ドレイ
ン間の電圧は1Vである。Therefore, even if the applied voltage is unloaded after the voltage of +2 V is applied to the semiconductor device, for example, the ferroelectric layer 1
The polarization of 31 induces charges in the intermediate electrode 114 to generate a potential. Therefore, even if the applied voltage is 0 V, about 2 μA
Drain current flows. On the other hand, conversely, if the applied voltage is unloaded after applying -2 V, the drain current will be extremely small this time (10 -8 A or less, not shown).
Here, the voltage between the source and the drain is 1V as in the fifth embodiment.
【0217】次に、本実施形態の半導体装置に+6Vを
印加すると、さらに異なるドレイン電流の値を設定する
ことが可能となる。Next, when +6 V is applied to the semiconductor device of this embodiment, it becomes possible to set a different drain current value.
【0218】図38は、書込み電圧として+6Vを印加
した後の本実施形態の半導体装置に2Vの電圧パルスを
繰り返し印加して除荷したときのドレイン電流を示す図
である。このときの電圧パルスの間隔は20μsecで
ある。FIG. 38 is a diagram showing a drain current when a voltage pulse of 2V is repeatedly applied and unloaded to the semiconductor device of this embodiment after applying + 6V as a write voltage. The voltage pulse interval at this time is 20 μsec.
【0219】同図に示すように、初期状態にある本実施
形態の半導体装置に+6Vを書込み電圧として印加する
と、強誘電体キャパシタには2.4Vの電圧が分配され
るため、通過電流が指数関数的に増加し、電荷が中間電
極114及びゲート電極109に蓄積されることによ
り、ドレイン電流は初期状態より2桁強も増加する。さ
らにその後、同じ+2Vの電圧パルスを入力しても、ド
レイン電流は約1×10 -3(A)と、ほとんど変化しな
い特性を示す。As shown in the figure, the present embodiment in the initial state
+ 6V is applied as a write voltage to the semiconductor device of the embodiment
Then, the voltage of 2.4V is distributed to the ferroelectric capacitor.
Therefore, the passing current increases exponentially and the charge is
By being accumulated in the pole 114 and the gate electrode 109,
Therefore, the drain current increases by more than two digits from the initial state. It
After that, even if the same + 2V voltage pulse is input,
Rain current is about 1 x 10 -3Almost no change from (A)
Shows the characteristics.
【0220】このことから、本実施形態の半導体装置
は、高電圧の書込み電圧を印加することにより、安定し
てデータを保持できることが分かる。From this, it is understood that the semiconductor device of this embodiment can stably hold data by applying a high voltage write voltage.
【0221】次に、図39は、+6Vを印加した後、±
2Vの範囲で印加電圧をスキャンした場合の本実施形態
の半導体装置における印加電圧−ドレイン電流の特性図
である。Next, in FIG. 39, after applying +6 V,
FIG. 9 is a characteristic diagram of applied voltage-drain current in the semiconductor device of the present embodiment when the applied voltage is scanned in the range of 2V.
【0222】まず、この半導体装置に+6Vの電圧を印
加した後に除荷すると、ドレイン電流は図39の点Iに
示す値となる。First, when a voltage of +6 V is applied to this semiconductor device and then the load is removed, the drain current has a value shown by point I in FIG.
【0223】次いで、この点Iの状態で半導体装置に2
Vの電圧を印加し、さらに電圧を除荷すると、ドレイン
電流は図39の点Iから点Jまでに示す軌跡をたどり、
除荷後は再び点Iの状態へと復帰する。なお、点Iの状
態は、図38に示す電圧パルスを加えた状態に相当す
る。Then, in this point I, the semiconductor device is
When a voltage of V is applied and the voltage is unloaded, the drain current follows the locus shown from point I to point J in FIG.
After unloading, the state returns to point I again. The state at point I corresponds to the state in which the voltage pulse shown in FIG. 38 is applied.
【0224】また、点Iの状態の半導体装置に−2Vの
電圧を印加すると、点Kに示す状態となり、ドレイン電
流は1×10-5(A)以下と、2桁程度減少する。続い
て、電圧を除荷すると、点Lの状態へと移動して電圧印
加前の点Iの状態よりも1桁程度ドレイン電流が減少す
る。When a voltage of −2V is applied to the semiconductor device in the state of point I, the state shown in point K is reached, and the drain current is reduced to 1 × 10 −5 (A) or less by about two digits. Then, when the voltage is unloaded, the state moves to the state of point L, and the drain current decreases by about one digit as compared with the state of point I before voltage application.
【0225】第6の実施形態の半導体装置では、図31
の点F及び点Hにおけるドレイン電流に大きな差がな
く、この点が本実施形態の半導体装置が第5、第6の実
施形態の半導体装置と大きく異なる点である。In the semiconductor device of the sixth embodiment, the structure shown in FIG.
There is no significant difference in the drain currents at points F and H, and this is the point that the semiconductor device of this embodiment is significantly different from the semiconductor devices of the fifth and sixth embodiments.
【0226】これにより、本実施形態の半導体装置で
は、第5、第6の実施形態の半導体装置よりもさらに多
くのデータを保持することができる。As a result, the semiconductor device of this embodiment can hold more data than the semiconductor devices of the fifth and sixth embodiments.
【0227】次に、図39の点Lの状態の半導体装置に
+2Vを印加すると、点Mの状態へと移動し、その後、
電圧を除荷すると点Nに示す状態となる。このとき、ド
レイン電流は点L→点M→点Nで示される軌跡を描いて
変化し、点Nの状態では先の点Lの状態におけるよりも
大きいドレイン電流が得られる。このように、+6Vの
高い印加電圧の後に、±2Vの小さい印加電圧スキャン
によってもさらにドレイン電流を変調することが可能で
ある。Next, when + 2V is applied to the semiconductor device in the state of point L in FIG. 39, the semiconductor device moves to the state of point M, and thereafter,
When the voltage is unloaded, the state shown at point N is reached. At this time, the drain current changes along a locus indicated by point L → point M → point N, and in the state of point N, a larger drain current than in the state of point L is obtained. In this way, it is possible to further modulate the drain current by a scan of a small applied voltage of ± 2V after a high applied voltage of + 6V.
【0228】一方、大きい負電圧のパルスを書込み電圧
として入力することもできる。On the other hand, a large negative voltage pulse can be input as the write voltage.
【0229】図40は、−6Vの電圧を本実施形態の半
導体装置に印加した後に+2Vの電圧パルスを印加して
除荷した場合のドレイン電流を示す図である。なお、電
圧パルスのパルス間隔は20μsecである。FIG. 40 is a diagram showing the drain current when a voltage of -6V is applied to the semiconductor device of this embodiment and then a voltage pulse of + 2V is applied to unload it. The pulse interval of the voltage pulse is 20 μsec.
【0230】同図より、初期状態にある本実施形態の半
導体装置に−6Vの電圧を印加することにより、0Vの
時のドレイン電流は初期状態よりも4桁低くなることが
分かる。この場合も+2Vの電圧パルスの印加及び除荷
を繰り返したときのドレイン電流変化は小さい。From the figure, it can be seen that by applying a voltage of -6V to the semiconductor device of the present embodiment in the initial state, the drain current at 0V becomes four orders of magnitude lower than in the initial state. Also in this case, the change in drain current when the application of the voltage pulse of +2 V and the unloading are repeated is small.
【0231】次に、図41は、−6Vの電圧パルスの入
力後に、±2Vの範囲で印加電圧をスキャンした場合の
本実施形態の半導体装置の印加電圧−ドレイン電流特性
を示す図である。この状態でもヒステリシスが見られる
ものの、0V印加状態でのドレイン電流はいずれの極性
の電圧を印加しても極めて低い値のまま保持されてい
る。このように、負電圧を印加することによって、正の
電圧を印加した場合と区別できる小さいドレイン電流が
得られる。Next, FIG. 41 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics of the semiconductor device of the present embodiment when the applied voltage is scanned within a range of ± 2 V after the input of a voltage pulse of -6 V. Although hysteresis is observed even in this state, the drain current in the 0 V applied state is maintained at an extremely low value regardless of which polarity voltage is applied. Thus, by applying a negative voltage, a small drain current that can be distinguished from the case of applying a positive voltage can be obtained.
【0232】以上、本実施形態の半導体装置は、強誘電
体キャパシタ104aの抵抗成分の抵抗値がほぼ一定の
電圧範囲(低電圧範囲)でMOSトランジスタを駆動す
る場合と、強誘電体キャパシタ104aを通過する電流
が指数関数的に増加する範囲で書きこみを行なう場合と
を、印加する電圧を切り替えることで、使い分けること
ができる。As described above, in the semiconductor device of this embodiment, when the MOS transistor is driven in the voltage range (low voltage range) in which the resistance value of the resistance component of the ferroelectric capacitor 104a is substantially constant, It is possible to selectively use the case where writing is performed within a range in which the passing current exponentially increases by switching the applied voltage.
【0233】本実施形態の半導体装置において、印加電
圧−ドレイン電流の特性変化は、中間電極114に強誘
電体層131を通過した電荷が蓄積されることによりM
OSトランジスタのゲート電極109にも電荷が蓄積さ
れ、MOSトランジスタのVG−ID特性が変化するこ
とにより生じる。特に、本実施形態の半導体装置では、
強誘電体キャパシタ104aの分極方向により中間電極
及びゲート電極109の電荷蓄積量を変化させることが
可能であるため、第5、第6の実施形態の半導体装置に
比べても極めて多くの値を取り得る多値メモリとして使
用することができる。In the semiconductor device of this embodiment, the change in the applied voltage-drain current characteristic is caused by the accumulation of the charges passing through the ferroelectric layer 131 in the intermediate electrode 114.
Electric charges are also accumulated in the gate electrode 109 of the OS transistor, which is caused by a change in the VG-ID characteristic of the MOS transistor. Particularly, in the semiconductor device of this embodiment,
Since it is possible to change the charge storage amount of the intermediate electrode and the gate electrode 109 depending on the polarization direction of the ferroelectric capacitor 104a, it takes an extremely large value compared with the semiconductor devices of the fifth and sixth embodiments. Can be used as a multi-valued memory to obtain
【0234】また、大きい電圧パルスによるドレイン電
流の大きな変調と、小さい電圧パルスによるドレイン電
流の小さい変調がそれぞれドレイン電流の変調として反
映することが可能であるので、極めて重み付けの自由度
の高いニューロン素子としての応用も可能である。Further, since the large modulation of the drain current by the large voltage pulse and the small modulation of the drain current by the small voltage pulse can be reflected respectively as the modulation of the drain current, the neuron element with extremely high degree of freedom of weighting can be obtained. Can also be applied.
【0235】なお、本実施形態の半導体装置において
も、第5、第6の実施形態の半導体装置と同様に、配線
125aを接地することなどにより特性が初期状態へ復
帰し、「忘却」する機能を有する。In the semiconductor device of this embodiment as well, similar to the semiconductor devices of the fifth and sixth embodiments, the characteristic that the characteristics are returned to the initial state by grounding the wiring 125a and the like, and "forgetting" is performed. Have.
【0236】なお、本実施形態の半導体装置において
は、記憶情報の保持の観点から、誘電体キャパシタの両
端に1Vの電圧を印加した際の通過電流が100(mA
/cm 2 )以下であるようにし、復帰時間が10μse
c以上とすることで、強誘電体の分極によるドレイン電
圧の変調との差異が明確になるようにしている。これ
は、図29に示した第5の実施形態の半導体装置とほぼ
同様の傾向であり、復帰に要する時間はおよそ100秒
となっている。In the semiconductor device of this embodiment,
From the perspective of retaining stored information,
When a voltage of 1 V is applied to the end, the passing current is 100 (mA
/ Cm 2 ) The recovery time is 10 μse
By setting c or more, the drain charge due to polarization of the ferroelectric substance
The difference with the pressure modulation is made clear. this
Is almost the same as the semiconductor device of the fifth embodiment shown in FIG.
It is the same tendency, and the time required for recovery is about 100 seconds.
Has become.
【0237】また、第5の実施形態の半導体装置と同様
に、本実施形態の半導体装置においても、強誘電体層1
31と抵抗素子106とを分離して設けてもよい。その
場合、例えば情報を保持する時間を延長するために、抵
抗素子106を構成する強誘電体材料を強誘電体層13
1を構成する強誘電体材料よりも電流を通しにくいもの
にすることなど、要求される条件に合わせて適宜設計す
ることができる。Further, similarly to the semiconductor device of the fifth embodiment, the ferroelectric layer 1 is also applied to the semiconductor device of the present embodiment.
31 and the resistance element 106 may be provided separately. In that case, for example, in order to extend the time for holding information, the ferroelectric material forming the resistance element 106 is changed to the ferroelectric layer 13.
It can be appropriately designed in accordance with the required conditions, such as making it harder for current to pass than the ferroelectric material constituting No. 1.
【0238】また、強誘電体層131と抵抗素子106
とを分離して設ける場合、抵抗素子106を構成する材
料として誘電体を用いてもよい。In addition, the ferroelectric layer 131 and the resistance element 106
When they are provided separately, a dielectric may be used as the material forming the resistance element 106.
【0239】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
では、強誘電体層の抵抗値がほぼ一定である電圧領域
と、電圧に対して通過電流が指数関数的に増加する電圧
領域とを使い分ける方法について説明したが、第5の実
施形態と同様に、強誘電体層の抵抗値が無視できる程小
さい電圧領域のみで半導体装置を駆動し、且つ、印加電
圧のパルスの幅を復帰時間よりも十分短く設定すること
で、同様に中間電極114及びゲート電極109への電
荷蓄積量を変化させることが可能である。In the semiconductor device driving method of this embodiment, the voltage region in which the resistance value of the ferroelectric layer is substantially constant and the voltage region in which the passing current exponentially increases with respect to the voltage are used separately. Although the method has been described, as in the fifth embodiment, the semiconductor device is driven only in the voltage region in which the resistance value of the ferroelectric layer is so small that it can be ignored, and the pulse width of the applied voltage is set to be longer than the recovery time. By setting it sufficiently short, it is possible to similarly change the amount of charge accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109.
【0240】なお、本実施形態の半導体装置において
は、強誘電体層の材料としてBITを用いたが、これと
同様に強誘電性を示す材料である、チタン酸鉛、チタン
酸ジルコン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムなどの材料
であれば強誘電体層の材料として用いることができる。In the semiconductor device of this embodiment, BIT was used as the material of the ferroelectric layer, but likewise, materials exhibiting ferroelectricity, such as lead titanate, lead zirconate titanate, and Any material such as strontium tantalate can be used as the material of the ferroelectric layer.
【0241】(第8の実施形態)本発明の第8の実施形
態に係る半導体装置は、第7の実施形態における抵抗素
子106を、例えば酸化亜鉛(ZnO)からなるバリス
タである抵抗素子150に置き換えたものである。ただ
し、抵抗素子150は強誘電体とは別に設けられてい
る。(Eighth Embodiment) In a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention, the resistance element 106 in the seventh embodiment is replaced by a resistance element 150 which is a varistor made of zinc oxide (ZnO). It has been replaced. However, the resistance element 150 is provided separately from the ferroelectric substance.
【0242】図42(a)は、本実施形態の半導体装置
を示す回路図であり、(b)は、抵抗素子150のバリ
スタ特性を示す図である。なお、図32と同じ部材は同
じ符号で示す。FIG. 42A is a circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment, and FIG. 42B is a diagram showing varistor characteristics of the resistance element 150. The same members as those in FIG. 32 are designated by the same reference numerals.
【0243】図42(b)に示すように、ZnOなど、
一部の金属酸化物は、印加される電圧により抵抗値が大
きく変化する性質がある。電極面積が10μm2 の本実
施形態の抵抗素子150の場合、−1V以上+1Vの以
下の電圧範囲では約180GΩもの抵抗値を示すが、電
圧の絶対値が1.5Vを越えると抵抗値が激減する。As shown in FIG. 42 (b), ZnO, etc.
Some metal oxides have a property that the resistance value greatly changes depending on the applied voltage. In the case of the resistance element 150 of the present embodiment having an electrode area of 10 μm 2, a resistance value of about 180 GΩ is exhibited in the voltage range of −1 V or more and +1 V or less, but when the absolute value of the voltage exceeds 1.5 V, the resistance value drastically decreases. To do.
【0244】このことから、例えば−2V以下及び2V
以上の電圧範囲を粗調時電圧とし、−1V〜+1Vの範
囲を微調時電圧として動作させることにより、第7の実
施形態の半導体装置と同様の動作が可能になる。From this, for example, -2V or less and 2V
By operating the above voltage range as the coarse adjustment voltage and operating the range of -1V to + 1V as the fine adjustment voltage, the same operation as that of the semiconductor device of the seventh embodiment becomes possible.
【0245】加えて、本実施形態の半導体装置では、抵
抗素子150の素材を任意に選択できるので、動作電圧
の範囲を自由に設定することが可能になっている。例え
ば、強誘電体の分極が飽和する電圧より抵抗素子150
の低抵抗電圧を少しだけ高い電圧とすることで、より低
い駆動電圧で粗調整及び微調整の動作を実行することが
できる。In addition, in the semiconductor device of this embodiment, the material of the resistance element 150 can be arbitrarily selected, so that the range of operating voltage can be freely set. For example, the resistance element 150 is applied at a voltage at which the polarization of the ferroelectric substance is saturated.
By setting the low resistance voltage of 1 to a little higher voltage, it is possible to execute the rough adjustment and fine adjustment operations with a lower drive voltage.
【0246】次に、図43は、本実施形態の半導体装置
の構造を示す断面図である。Next, FIG. 43 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device of this embodiment.
【0247】同図に示すように、本実施形態の強誘電体
131と抵抗素子150とは上部電極及び下部電極を共
通として設けられていてもよい。このような構造は公知
の技術を用いて容易に実現可能である。例えば、下部電
極の全面の上に強誘電体を堆積後、その一部を選択的に
エッチングし、強誘電体が除かれた部分の下部電極上に
ZnOを堆積する。なお、ここでは、強誘電体と抵抗素
子とが接して設けられる例を示したが、互いに離して設
けられていてもよい。As shown in the figure, the ferroelectric substance 131 and the resistance element 150 of this embodiment may be provided with the upper electrode and the lower electrode in common. Such a structure can be easily realized by using a known technique. For example, after depositing a ferroelectric substance on the entire surface of the lower electrode, a part of the ferroelectric substance is selectively etched, and ZnO is deposited on the lower electrode portion where the ferroelectric substance is removed. Although the example in which the ferroelectric and the resistance element are provided in contact with each other has been shown here, they may be provided separately from each other.
【0248】なお、抵抗素子を構成する材料としては、
ZnOの他、BaXSr1-XTiO3などのペロブスカイ
ト型酸化物、TiO2系酸化物、Fe2O3系酸化物、C
u2O系酸化物などを用いることができる。また、これ
らの金属酸化物の抵抗を下げるために、上述の金属酸化
物にBi2O3や希土類元素の添加を行なうこともでき
る。これにより、金属酸化物材料の抵抗率及び抵抗変化
率を適宜調節することができる。また、SiのPN接合
や、SiC半導体にAlを添加した系や、Seなども抵
抗素子の材料として使用可能である。As the material for forming the resistance element,
In addition to ZnO, perovskite type oxides such as Ba x Sr 1 -x TiO 3 , TiO 2 -based oxides, Fe 2 O 3 -based oxides, C
A u 2 O-based oxide or the like can be used. Further, in order to reduce the resistance of these metal oxides, it is possible to add Bi 2 O 3 or a rare earth element to the above metal oxides. Thereby, the resistivity and the rate of resistance change of the metal oxide material can be adjusted appropriately. Further, a PN junction of Si, a system in which Al is added to a SiC semiconductor, Se, or the like can also be used as the material of the resistance element.
【0249】なお、本実施形態の半導体装置では、粗調
時と微調時とを使い分けることによって多値の情報を良
好に保持できるように制御したが、強誘電体と並列に設
ける素子は、抵抗素子に限らず、印加電圧によりフロー
ティングゲートに注入する電荷を変化させることができ
る素子または回路であればよい。In the semiconductor device of this embodiment, the multi-valued information is controlled so as to be favorably held by properly using the rough adjustment and the fine adjustment. However, the element provided in parallel with the ferroelectric is a resistor. Not limited to the element, any element or circuit capable of changing the charge injected into the floating gate by the applied voltage may be used.
【0250】(第9の実施形態)本発明の第9の実施形
態に係る半導体装置は、第7の実施形態における抵抗素
子106を、互いに並列に接続され、且つ互いに逆方向
に配置された2つのダイオードに置き換えたものであ
る。(Ninth Embodiment) In a semiconductor device according to a ninth embodiment of the present invention, the resistance elements 106 of the seventh embodiment are connected in parallel to each other and arranged in opposite directions to each other. It is replaced with two diodes.
【0251】図44は、本実施形態の半導体装置を示す
回路図である。なお、図32と同じ部材には同じ符号を
付している。FIG. 44 is a circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment. The same members as those in FIG. 32 are designated by the same reference numerals.
【0252】同図に示すように、本実施形態の半導体装
置は、制御電圧供給部110と、MOSトランジスタ
と、MOSトランジスタのゲート電極109に接続さ
れ、互いに並列に設けられた強誘電体キャパシタ104
aと、ダイオード152と、ダイオード154とを備え
ている。また、ダイオード152とダイオード154と
は互いに逆方向に配置されている。すなわち、ダイオー
ド152とダイオード154は、各々の入力部と出力部
とが接続されている。As shown in the figure, in the semiconductor device of this embodiment, the ferroelectric capacitors 104 connected to the control voltage supply section 110, the MOS transistor, and the gate electrode 109 of the MOS transistor and provided in parallel with each other.
a, a diode 152, and a diode 154. Further, the diode 152 and the diode 154 are arranged in directions opposite to each other. That is, the diode 152 and the diode 154 are connected to the input section and the output section, respectively.
【0253】本実施形態において、ダイオード152及
び154は例えばPNダイオード等である。これらのダ
イオードは、所定値以上の順方向電圧を加えた場合、電
流が流れ、所定値を下回る電流を加えた場合にはほとん
ど電流が流れない。また、耐圧範囲であれば、逆方向の
電流を加えても電流はほとんど流れない。In the present embodiment, the diodes 152 and 154 are, for example, PN diodes or the like. A current flows through these diodes when a forward voltage higher than a predetermined value is applied, and almost no current flows when a current below a predetermined value is applied. Further, within the withstand voltage range, almost no current flows even if a reverse current is applied.
【0254】図44に示すように、互いに逆方向の2つ
のダイオードを並列に接続することにより、ダイオード
のしきい値をtVとした場合、ダイオードに印加される
電圧が−tV〜+tVの間であれば電流がほとんど流れ
ず、電圧の絶対値がtVを以上になった場合には電流が
流れ、フローティングゲートには電荷が流入する。As shown in FIG. 44, by connecting two diodes opposite to each other in parallel, when the threshold value of the diode is tV, the voltage applied to the diode is between -tV and + tV. If so, almost no current flows, and when the absolute value of the voltage exceeds tV, current flows and charges flow into the floating gate.
【0255】このため、第3及び第8の実施形態と同様
に、分配される電圧の絶対値が大きい場合を粗調時、分
配される電圧の絶対値が小さい場合を微調時として多値
のデータを記憶させることができる。Therefore, as in the third and eighth embodiments, when the absolute value of the distributed voltage is large, the coarse adjustment is performed, and when the absolute value of the distributed voltage is small, the fine adjustment is performed. Data can be stored.
【0256】なお、本実施形態の半導体装置では、ダイ
オード152及び154としてPNダイオードを用いる
例を示したが、ショットキーダイオードなど他のダイオ
ードを用いてもよい。In the semiconductor device of this embodiment, PN diodes are used as the diodes 152 and 154, but other diodes such as Schottky diodes may be used.
【0257】(第10の実施形態)本発明の第10の実
施形態に係る半導体装置は、第7の実施形態における抵
抗素子106を、制御電圧Vrによってオンまたはオフ
を制御されるMISトランジスタに置き換えたものであ
る。(Tenth Embodiment) In a semiconductor device according to a tenth embodiment of the present invention, the resistance element 106 in the seventh embodiment is replaced with a MIS transistor whose on / off is controlled by a control voltage Vr. It is a thing.
【0258】図45は、本実施形態の半導体装置を示す
回路図である。FIG. 45 is a circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment.
【0259】同図に示すように、本実施形態の半導体装
置は、制御電圧供給部110と、MOSトランジスタ
と、MOSトランジスタのゲート電極109に接続され
た強誘電体キャパシタ104aと、制御電圧供給部11
0とゲート電極109との間に設けられたMISトラン
ジスタ156とを備えている。また、MISトランジス
タ156は、制御信号Vrによって制御されている。As shown in the figure, the semiconductor device of the present embodiment has a control voltage supply unit 110, a MOS transistor, a ferroelectric capacitor 104a connected to the gate electrode 109 of the MOS transistor, and a control voltage supply unit. 11
0 and the MIS transistor 156 provided between the gate electrode 109. The MIS transistor 156 is controlled by the control signal Vr.
【0260】本実施形態の半導体装置によれば、外部の
制御回路等などによりMISトランジスタのオン、オフ
を適切に制御することにより、第3〜5の実施形態で説
明したようなフローティングゲート電位の粗調節及び微
調節が可能になる。例えば、MISトランジスタに印加
される電圧の絶対値が所定値以上のときにはMISトラ
ンジスタをオン状態にし、MISトランジスタに印加さ
れる電圧の絶対値が設定値以下であればオフ状態に制御
する。According to the semiconductor device of the present embodiment, by appropriately controlling the on / off of the MIS transistor by an external control circuit or the like, the floating gate potential as described in the third to fifth embodiments can be obtained. Coarse and fine adjustments are possible. For example, when the absolute value of the voltage applied to the MIS transistor is equal to or larger than a predetermined value, the MIS transistor is turned on, and when the absolute value of the voltage applied to the MIS transistor is equal to or less than the set value, it is controlled to be off.
【0261】本実施形態の半導体装置によれば、MIS
トランジスタの構造によらず、制御電圧Vrを適宜変化
させることで粗調時及び微調時の切替えを行なうことが
できるので、任意の電圧範囲で動作させることができ
る。According to the semiconductor device of this embodiment, the MIS
Regardless of the structure of the transistor, it is possible to switch between the rough adjustment and the fine adjustment by appropriately changing the control voltage Vr, and thus it is possible to operate in an arbitrary voltage range.
【0262】なお、本実施形態の半導体装置において、
MISトランジスタ156に変えてバイポーラトランジ
スタを用いることもできる。In the semiconductor device of this embodiment,
A bipolar transistor can be used instead of the MIS transistor 156.
【0263】(第11の実施形態)本発明の第11の実
施形態に係る半導体装置は、第7の実施形態における抵
抗素子106を、抵抗制御信号Vwによって結晶性が制
御される抵抗変化素子158に置き換えたものである。(Eleventh Embodiment) A semiconductor device according to an eleventh embodiment of the present invention is the resistance variable element 158 whose crystallinity is controlled by the resistance control signal Vw in the resistance element 106 of the seventh embodiment. Is replaced with.
【0264】図46は、本実施形態の半導体装置を示す
回路図である。FIG. 46 is a circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment.
【0265】同図に示すように、本実施形態の半導体装
置は、制御電圧供給部110と、MOSトランジスタ
と、制御電圧供給部110とMOSトランジスタのゲー
ト電極109との間に設けられた強誘電体キャパシタ1
04aと、制御電圧供給部110とMOSトランジスタ
のゲート電極109との間に設けられ、強誘電体キャパ
シタ104aと並列に設けられた抵抗変化素子158と
を備えている。また、抵抗変化素子158は、例えばゲ
ルマニウム(Ge)、テルル(Te)、アンチモン(S
b)の3元素を主成分とする合金から構成されており、
その結晶性は抵抗制御信号Vwによって制御されてい
る。As shown in the figure, in the semiconductor device of this embodiment, the ferroelectric capacitor provided between the control voltage supply unit 110, the MOS transistor, and the control voltage supply unit 110 and the gate electrode 109 of the MOS transistor. Body capacitor 1
04a, a resistance change element 158 provided between the control voltage supply unit 110 and the gate electrode 109 of the MOS transistor in parallel with the ferroelectric capacitor 104a. The resistance change element 158 is made of, for example, germanium (Ge), tellurium (Te), antimony (S).
It is composed of an alloy whose main component is the three elements of b),
Its crystallinity is controlled by the resistance control signal Vw.
【0266】抵抗変化素子158は、Vwが設定値以上
の高電圧パルスのときにアモルファス状態となり、抵抗
値が大きくなる。その後、Vwパルスを小さくすること
により、抵抗値を徐々に小さくし、任意の値に調節する
ことができる。そのため、フローティングゲートに電荷
を蓄積させたい場合にはVwパルスを低電圧とし、その
状態で制御電圧供給部110から電圧を供給する。次い
で、フローティングゲートの電位を微調節したり、デー
タを保持する場合には、Vwパルスを高電圧とし、強誘
電体キャパシタ104aに図35に示す微調時電圧範囲
の電圧を印加する。これにより、強誘電体からのリーク
電流も抵抗変化素子からのリーク電流も小さくできる。
このように、抵抗変化素子を用いることによっても、多
値情報を良好に保持可能な半導体装置が実現できる。The resistance change element 158 is in an amorphous state when the Vw is a high voltage pulse equal to or more than the set value, and the resistance value becomes large. After that, by decreasing the Vw pulse, the resistance value can be gradually decreased and adjusted to an arbitrary value. Therefore, when it is desired to accumulate charges in the floating gate, the Vw pulse is set to a low voltage and the voltage is supplied from the control voltage supply unit 110 in that state. Next, when the potential of the floating gate is finely adjusted or the data is held, the Vw pulse is set to a high voltage and a voltage in the fine adjustment voltage range shown in FIG. 35 is applied to the ferroelectric capacitor 104a. As a result, both the leak current from the ferroelectric substance and the leak current from the resistance change element can be reduced.
As described above, even by using the resistance change element, it is possible to realize a semiconductor device that can favorably hold multi-valued information.
【0267】なお、本実施形態の抵抗変化素子158の
材料としては、Ge、Te、Sb以外のカルコゲナイド
材料も好ましく用いられる。A chalcogenide material other than Ge, Te, and Sb is preferably used as the material of the resistance change element 158 of this embodiment.
【0268】(第12の実施形態)本発明の第12の実
施形態として、第7の実施形態の半導体装置をニューロ
ン素子として用いたニューロンコンピュータについて説
明する。(Twelfth Embodiment) As a twelfth embodiment of the present invention, a neuron computer using the semiconductor device of the seventh embodiment as a neuron element will be described.
【0269】図48は、生物の脳について、基本単位の
構成を簡略化したモデルを示す図である。同図に示すよ
うに、生物の脳は、演算機能を持った神経細胞である前
段のニューロン141a及び後段のニューロン141
b,141cと、ニューロンからの演算結果を伝達する
神経繊維142a,142b,142cと、神経繊維に
より伝達される信号に重みをかけてニューロンに入力す
るシナプス結合143a,143b,143cとを有し
ている。FIG. 48 is a diagram showing a model of the basic structure of the brain of a living organism. As shown in the same figure, the brain of an organism is a neuron 141a in the front stage and a neuron 141 in the rear stage, which are nerve cells having an arithmetic function.
b, 141c, nerve fibers 142a, 142b, 142c for transmitting the calculation result from the neuron, and synaptic connections 143a, 143b, 143c for weighting the signal transmitted by the nerve fiber and inputting to the neuron. There is.
【0270】例えば、神経繊維142aを含む多数の神
経繊維により伝達された信号は、シナプス結合143a
を含む多数のシナプス結合によりWa,Wb,Wcとい
った重みをかけられ、ニューロン141aに入力され
る。ニューロン141aは入力された信号強度の線形和
をとり、それらの合計値がある閾値を越えると活性化さ
れて、神経繊維142bに信号を出力する。ニューロン
が活性化されて信号を出力することをニューロンが「発
火した」という。For example, signals transmitted by a large number of nerve fibers including the nerve fiber 142a are transmitted through synaptic connections 143a.
Weights such as Wa, Wb, and Wc are applied by a large number of synaptic connections including, and input to the neuron 141a. The neuron 141a takes a linear sum of the input signal intensities, is activated when the total value exceeds a certain threshold value, and outputs a signal to the nerve fiber 142b. When a neuron is activated and outputs a signal, the neuron is said to "fire."
【0271】この出力信号は、例えば2つに分岐し、そ
れぞれシナプス結合により重みをかけられた後に、後段
のニューロン141b,141cに入力される。後段の
ニューロン141b,141cでも入力された信号の線
形和をとり、それらの合計値がある閾値を越えるとニュ
ーロン141b,141cが活性化されて、信号を出力
する。この動作が複数段階繰り返されて演算結果が出力
される。This output signal is branched into, for example, two parts, weighted by synaptic connections, and then input to the neurons 141b and 141c in the subsequent stage. The neurons 141b and 141c in the subsequent stage also take the linear sum of the input signals, and when the total value of these signals exceeds a certain threshold value, the neurons 141b and 141c are activated and output signals. This operation is repeated in a plurality of steps to output the calculation result.
【0272】また、シナプス結合においてかけられる荷
重は、学習により徐々に修正され、最終的に最適の演算
結果が得られるようになる。The weight applied in the synapse connection is gradually corrected by learning so that the optimum calculation result is finally obtained.
【0273】ニューロンコンピュータは、このような脳
の機能を半導体装置で代用するべく設計されている。The neuron computer is designed to substitute such a brain function with a semiconductor device.
【0274】図47は、本実施形態のニューロンコンピ
ュータの基本構成の概略を示す図である。なお、同図に
おいて、第7の実施形態の半導体装置と同じ部材は、図
32に示す符号と同じ符号で示す。FIG. 47 is a diagram showing an outline of the basic configuration of the neuron computer of this embodiment. In the figure, the same members as those of the semiconductor device of the seventh embodiment are designated by the same reference numerals as those shown in FIG.
【0275】まず、本実施形態のニューロンコンピュー
タに用いられる第7の実施形態に係る半導体装置は、す
でに述べたように、制御電圧供給部110と、ゲート電
極109とドレイン領域103aとソース領域103b
と基板電極108とを有するMOSトランジスタTr1
1と、MOSトランジスタ Tr11のゲート電極10
9と制御電圧供給部110との間に互いに並列に介設さ
れた強誘電体キャパシタ104a及び抵抗素子106と
を有している。First, as described above, the semiconductor device according to the seventh embodiment used in the neuron computer of this embodiment has the control voltage supply unit 110, the gate electrode 109, the drain region 103a, and the source region 103b.
MOS transistor Tr1 having a substrate electrode 108
1 and the gate electrode 10 of the MOS transistor Tr11
9 and the control voltage supply unit 110, the ferroelectric capacitor 104a and the resistance element 106 are provided in parallel with each other.
【0276】次に、図47に示すように、本実施形態の
ニューロンコンピュータは、第7の実施形態に係る半導
体装置と、接地とMOSトランジスタTr11のソース
電極との間に介設された電気抵抗133と、MOSトラ
ンジスタTr11のソース電極と電気抵抗133との間
に設けられたノードN1と、フローティングゲートとフ
ローティングゲートの上に設けられた多数の入力ゲート
とソース及びドレイン電極とを有するトランジスタTr
12と、トランジスタTr12のソース電極と電圧供給
線Vddとの間に介設された電気抵抗132とを有して
いる。また、トランジスタTr12のソース電極は接地
に接続されている。さらに、ノードN1は入力ゲートの
うちの1つに接続されている。Next, as shown in FIG. 47, the neuron computer of the present embodiment has an electric resistance provided between the semiconductor device of the seventh embodiment and the ground and the source electrode of the MOS transistor Tr11. 133, a node N1 provided between the source electrode of the MOS transistor Tr11 and the electric resistance 133, a floating gate, a transistor Tr having a large number of input gates provided on the floating gate, and source and drain electrodes.
12 and an electric resistance 132 interposed between the source electrode of the transistor Tr12 and the voltage supply line Vdd. The source electrode of the transistor Tr12 is connected to ground. Further, the node N1 is connected to one of the input gates.
【0277】なお、第7の実施形態に係る半導体装置、
ノードN1及び電気抵抗133は生物の脳でいえば信号
の伝達と重み付けを行なうシナプス部(神経繊維とシナ
プス結合)に相当し、多数のシナプス部が、トランジス
タTr12と電気抵抗132とからなるニューロン部
(ニューロンMOS)に接続されている。本実施形態の
ニューロンコンピュータにおいては、脳の構造を模し
て、互いに接続されたシナプス部とニューロン部の組み
合わせを1層として、例えばこれが4層程度重ね合わさ
れた構造をとっている。The semiconductor device according to the seventh embodiment,
The node N1 and the electric resistance 133 correspond to a synapse portion (a nerve fiber and a synapse connection) for transmitting and weighting signals in the brain of an organism, and a large number of synapse portions are neuron portions each including a transistor Tr12 and an electric resistance 132. (Neuron MOS). In the neuron computer of the present embodiment, the structure of the brain is imitated, and the combination of the synapse part and the neuron part connected to each other is taken as one layer, and for example, about four layers are superposed.
【0278】次に、信号の伝達経路であるが、まず、前
段ニューロン部からの出力信号Ss1がMOSトランジ
スタTr11のドレイン電極に入力され、荷重信号S1
が制御電圧供給部110に入力される。すると、荷重信
号S1 によってMOSトランジスタTr11から流れる
ドレイン電流値が変化する。Next, regarding the signal transmission path, first, the output signal Ss1 from the preceding neuron section is input to the drain electrode of the MOS transistor Tr11, and the weight signal S 1
Is input to the control voltage supply unit 110. Then, the drain signal value flowing from the MOS transistor Tr11 is changed by the weight signal S 1 .
【0279】次に、MOSトランジスタTr11から出
力された電流信号は、電気抵抗133により電圧の信号
に変換され、トランジスタTr12の入力ゲートに入力
される。トランジスタTr12の入力ゲートには他の多
数のシナプス部からの信号も入力され、これらの入力信
号の電圧の和がトランジスタTr12の閾値以上になる
とニューロンが「発火」してニューロン部から信号が出
力される。続いて、出力された信号は次段のシナプス部
へと伝達される。Next, the current signal output from the MOS transistor Tr11 is converted into a voltage signal by the electric resistance 133 and input to the input gate of the transistor Tr12. Signals from many other synapse parts are also input to the input gate of the transistor Tr12, and when the sum of the voltages of these input signals exceeds the threshold value of the transistor Tr12, the neuron “fires” and a signal is output from the neuron part. It Then, the output signal is transmitted to the synapse part of the next stage.
【0280】一方、シナプス部からの入力信号の電圧の
和がトランジスタTr12の閾値より小さい場合には、
信号は出力されない。On the other hand, when the sum of the voltages of the input signals from the synapse part is smaller than the threshold value of the transistor Tr12,
No signal is output.
【0281】本実施形態のニューロンコンピュータにお
いては、単純な構造でシナプス部に多値の情報を保持で
きる第7の実施形態の半導体装置をシナプス部に用いて
いるので、小さい面積で信号に多様な重みをかけること
ができる。この結果、シナプス部及びニューロン部を集
積して作製される学習機能を持ったニューロンコンピュ
ータのサイズを小さくすることができる。In the neuron computer of this embodiment, since the semiconductor device of the seventh embodiment, which has a simple structure and can hold multivalued information in the synapse portion, is used in the synapse portion, various signals can be obtained in a small area. Weight can be applied. As a result, it is possible to reduce the size of the neuron computer having a learning function, which is created by integrating the synapse part and the neuron part.
【0282】また、第7の実施形態の半導体装置は、既
に説明したように6V程度で印加電圧−ドレイン電流の
特性を変化させた後、±2V程度の低電圧を印加するこ
とでMOSトランジスタTr11のドレイン電流を細か
く変化させることができる。そのため、本実施形態のニ
ューロンコンピュータでは、加重信号S1 が比較的低電
圧であってもこれに対応した多様なレベルの重みをかけ
ることが可能になる。In the semiconductor device of the seventh embodiment, the MOS transistor Tr11 is changed by applying a low voltage of about ± 2V after changing the characteristics of the applied voltage-drain current at about 6V as already described. The drain current of can be finely changed. Therefore, in the neuron computer of the present embodiment, even if the weighted signal S 1 has a relatively low voltage, it is possible to apply various levels of weighting corresponding thereto.
【0283】また、本実施形態のニューロンコンピュー
タのシナプス部は、荷重信号S1 の履歴を記憶するとと
もに、長期間使用されない場合には履歴を忘却する機能
も持っている。Further, the synapse portion of the neuron computer of this embodiment has a function of storing the history of the weight signal S 1 and forgetting the history when it is not used for a long time.
【0284】なお、本実施形態のニューロンコンピュー
タにおいては、シナプス部に強誘電体キャパシタを備え
た第7の実施形態の半導体装置を用いたが、これに代え
て誘電体キャパシタを備えた第5の実施形態の半導体装
置や、第8〜第11の実施形態の半導体装置を用いても
よい。In the neuron computer of this embodiment, the semiconductor device of the seventh embodiment having the ferroelectric capacitor in the synapse part is used, but instead of this, the fifth semiconductor device having the dielectric capacitor is used. You may use the semiconductor device of embodiment and the semiconductor device of 8th-11th embodiment.
【0285】[0285]
【発明の効果】本発明の半導体装置によれば、互いに抗
電圧の異なる強誘電体キャパシタを並列に接続すること
により、キャパシタのヒステリシスにおいてキャパシタ
の分極が飽和する点以外に、分極が準安定になる点が得
られる。これにより、記憶情報の分離性を高くすること
ができ、強誘電体膜厚バラツキや強誘電体の結晶性の違
いなどによって書込み電圧が揺らいだ場合でも安定に3
値以上の分極を得ることができる。According to the semiconductor device of the present invention, by connecting the ferroelectric capacitors having different coercive voltages in parallel, the polarization of the capacitor is metastable in addition to the point that the polarization of the capacitor is saturated in the hysteresis of the capacitor. The point is obtained. As a result, it is possible to improve the separability of stored information, and to stabilize the voltage even when the write voltage fluctuates due to variations in the ferroelectric film thickness and differences in the crystallinity of the ferroelectric.
A polarization above the value can be obtained.
【0286】また、本発明の半導体装置及びその駆動方
法によれば、MOSトランジスタのゲート電極と電圧供
給部との間に誘電体キャパシタと抵抗素子とを互いに並
列に介設しているので、電圧供給部に印加電圧をかける
ことにより、キャパシタの中間電極とゲート電極とに電
荷を蓄積させ、MOSトランジスタの電圧−ドレイン電
流特性を変えることができる。このことを利用して、多
値メモリのみならず、信号の重みつけを行なうニューロ
ン素子の構成要素としても応用可能な半導体装置を実現
することができる。Further, according to the semiconductor device and the method of driving the same of the present invention, since the dielectric capacitor and the resistance element are provided in parallel between the gate electrode of the MOS transistor and the voltage supply portion, the voltage By applying an applied voltage to the supply portion, charges can be accumulated in the intermediate electrode and the gate electrode of the capacitor, and the voltage-drain current characteristic of the MOS transistor can be changed. Utilizing this fact, it is possible to realize a semiconductor device applicable not only as a multi-valued memory but also as a constituent element of a neuron element for weighting signals.
【図1】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリを示
す上面図である。FIG. 1 is a top view showing a multi-valued memory according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリにお
いて、図1のII−II断面を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a II-II cross section of FIG. 1 in the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリにお
いて、図1のIII−III断面を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a III-III cross section of FIG. 1 in the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図4】(a)〜(e)は本発明の第1の実施形態に係
る多値メモリの製造工程を示す断面図である。4A to 4E are cross-sectional views showing a manufacturing process of the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリを示
す等価回路図である。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing a multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図6】キャパシタMFM1の電圧−分極ヒステリシス
特性(P-V特性)を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a voltage-polarization hysteresis characteristic (PV characteristic) of a capacitor MFM1.
【図7】キャパシタMFM2のP-V特性を示す図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing a P-V characteristic of a capacitor MFM2.
【図8】キャパシタMFM1及びおよびキャパシタMF
M2のP-V特性とキャパシタ全体のP−V特性とを示
す図である。FIG. 8 is a capacitor MFM1 and a capacitor MF.
It is a figure which shows the P-V characteristic of M2 and the P-V characteristic of the whole capacitor.
【図9】本発明の多値メモリにおいて、3個のキャパシ
タを用いたときのキャパシタ全体のP−V特性を示す図
である。FIG. 9 is a diagram showing a P-V characteristic of the entire capacitor when three capacitors are used in the multilevel memory of the present invention.
【図10】本発明の第1の実施形態の多値メモリにおい
て、上部ゲート電極と下部電極の間に印加した電圧と、
強誘電体キャパシタの実効的分極とを示した図である。FIG. 10 shows a voltage applied between an upper gate electrode and a lower electrode in the multilevel memory according to the first embodiment of the present invention,
It is a figure showing effective polarization of a ferroelectric capacitor.
【図11】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリの
各書込み電圧に対するゲート電圧−ドレイン電流特性を
説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining gate voltage-drain current characteristics with respect to each write voltage of the multilevel memory according to the first embodiment of the present invention.
【図12】従来の多値メモリの書込み電圧の揺らぎと分
極値の揺らぎの相関を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the correlation between the fluctuation of the write voltage and the fluctuation of the polarization value in the conventional multilevel memory.
【図13】従来の多値メモリについて、図12のA部で
示した部分の拡大図である。FIG. 13 is an enlarged view of a portion indicated by A in FIG. 12 in the conventional multi-valued memory.
【図14】本発明の第1の実施形態の多値メモリの、書
込み電圧の揺らぎと分極値の揺らぎの相関を説明するた
めの図である。FIG. 14 is a diagram for explaining the correlation between the fluctuation of the write voltage and the fluctuation of the polarization value in the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図15】本発明の第1の実施形態の多値メモリについ
て、図14のB部で示した部分の拡大図である。FIG. 15 is an enlarged view of a portion indicated by B in FIG. 14 in the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図16】(a)〜(d)は、本発明の多値メモリにつ
いて、キャパシタMFM2の面積をキャパシタMFM1
に対して変化させた場合の実効分極を示す図である。16 (a) to 16 (d) are diagrams showing the area of the capacitor MFM2 in the multi-valued memory of the present invention.
It is a figure which shows the effective polarization when changing with respect to.
【図17】(a)〜(d)は、本発明の多値メモリにつ
いて、キャパシタMFM1の面積をキャパシタMFM2
に対して変化させた場合の実効分極を示す図である。17 (a) to 17 (d) are diagrams showing the area of the capacitor MFM1 in the multi-valued memory of the present invention.
It is a figure which shows the effective polarization when changing with respect to.
【図18】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリの
変型例を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a modified example of the multilevel memory according to the first embodiment of the present invention.
【図19】本発明の第2の実施形態に係る多値メモリの
構造を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing the structure of the multi-valued memory according to the second embodiment of the present invention.
【図20】本発明の第3の実施形態に係る多値メモリの
概略を示す回路図である。FIG. 20 is a circuit diagram showing an outline of a multilevel memory according to a third embodiment of the present invention.
【図21】本発明の第4の実施形態に係る多値メモリを
示す等価回路図である。FIG. 21 is an equivalent circuit diagram showing a multilevel memory according to a fourth embodiment of the present invention.
【図22】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置を
示す等価回路図である。FIG. 22 is an equivalent circuit diagram showing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図23】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置を
示す上面図である。FIG. 23 is a top view showing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図24】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の
図22に示すXXIV−XXIV線における断面図である。24 is a cross-sectional view taken along line XXIV-XXIV shown in FIG. 22 of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図25】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の
図22に示すXXV−XXV線における断面図である。FIG. 25 is a sectional view taken along line XXV-XXV shown in FIG. 22 of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図26】(a)〜(d)は、本発明の第5の実施形態
に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。26A to 26D are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図27】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置に
用いられる誘電体キャパシタの印加電圧−通過電流特性
を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing applied voltage-pass current characteristics of a dielectric capacitor used in a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図28】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の
印加電圧−ドレイン電流特性を示す図である。FIG. 28 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図29】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置に
おいて、誘電体キャパシタを流れる通過電流と復帰時間
との相関図である。FIG. 29 is a correlation diagram between the passing current flowing through the dielectric capacitor and the recovery time in the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図30】本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の
駆動方法における誘電体キャパシタの印加電圧−通過電
流特性を示す図である。FIG. 30 is a diagram showing applied voltage-pass current characteristics of a dielectric capacitor in a method for driving a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention.
【図31】本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の
印加電圧−ドレイン電流特性を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.
【図32】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置を
示す等価回路図である。FIG. 32 is an equivalent circuit diagram showing a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention.
【図33】(a)〜(d)は、本発明の第7の実施形態
に係る半導体装置の製造工程を示す図である。33 (a) to 33 (d) are views showing manufacturing steps of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図34】(a)は、本実施形態の半導体装置におい
て、記憶情報を大幅に変更する粗調時の等価回路を示す
図であり、(b)は、記憶情報を微小変更する微調時の
等価回路を示す図である。FIG. 34A is a diagram showing an equivalent circuit at the time of coarse adjustment in which the stored information is significantly changed in the semiconductor device of the present embodiment, and FIG. 34B is a view at the time of fine adjustment in which the stored information is finely changed. It is a figure which shows an equivalent circuit.
【図35】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
用いられる強誘電体キャパシタの印加電圧−通過電流特
性を示す図である。FIG. 35 is a diagram showing applied voltage-pass current characteristics of a ferroelectric capacitor used in a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention.
【図36】第7の実施形態に係る半導体装置における、
電圧印加方法の一例を示す図である。FIG. 36 is a view of a semiconductor device according to a seventh embodiment,
It is a figure which shows an example of a voltage application method.
【図37】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置の
初期状態における印加電圧−ドレイン電流特性を示す図
である。FIG. 37 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics in the initial state of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図38】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
おいて、+6Vを印加した後で連続的にパルス電圧を加
えたときのドレイン電流を示す図である。FIG. 38 is a diagram showing a drain current when a pulse voltage is continuously applied after + 6V is applied in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図39】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
おいて、+6Vを印加した後で±2Vの範囲で印加電圧
をスキャンした場合の印加電圧−ドレイン電流特性を示
す図である。FIG. 39 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics when the applied voltage is scanned within a range of ± 2V after applying + 6V in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図40】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
おいて、−6Vを印加した後で連続的にパルス電圧を加
えたときのドレイン電流を示す図である。FIG. 40 is a diagram showing a drain current when a pulse voltage is continuously applied after applying −6 V in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図41】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
おいて、−6Vを印加した後で±2Vの範囲で印加電圧
をスキャンした場合の印加電圧−ドレイン電流特性を示
す図である。FIG. 41 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics when the applied voltage was scanned within a range of ± 2 V after applying −6 V in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図42】(a)は、本発明の第8の実施形態に係る半
導体装置を示す回路図であり、(b)は、抵抗素子のバ
リスタ特性を示す図である。42A is a circuit diagram showing a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention, and FIG. 42B is a diagram showing varistor characteristics of a resistance element.
【図43】第8の実施形態に係る半導体装置の構造を示
す断面図である。FIG. 43 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the eighth embodiment.
【図44】本発明の第9の実施形態に係る半導体装置を
示す回路図である。FIG. 44 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to a ninth embodiment of the present invention.
【図45】本発明の第10の実施形態に係る半導体装置
を示す回路図である。FIG. 45 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to a tenth embodiment of the present invention.
【図46】本発明の第11の実施形態に係る半導体装置
を示す回路図である。FIG. 46 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to an eleventh embodiment of the present invention.
【図47】本発明の第12の実施形態に係るニューロン
コンピュータの基本構成の概略を示す図である。FIG. 47 is a diagram showing an outline of a basic configuration of a neuron computer according to a twelfth embodiment of the present invention.
【図48】生物の脳について、基本単位の構成を簡略化
したモデルを示す図である。[Fig. 48] Fig. 48 is a diagram showing a model of the brain of an organism, in which the constitution of basic units is simplified.
【図49】多値メモリとして機能する従来の半導体装置
の断面図である。FIG. 49 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device that functions as a multi-valued memory.
【図50】多値メモリとして機能する従来の半導体装置
のヒステリシス特性を示す図である。FIG. 50 is a diagram showing hysteresis characteristics of a conventional semiconductor device that functions as a multi-valued memory.
【図51】従来の半導体装置のメモリセルのゲート電圧
とドレイン電流との関係を示すグラフである。FIG. 51 is a graph showing a relationship between a gate voltage and a drain current of a memory cell of a conventional semiconductor device.
1 基板 3a ドレイン領域 3b ソース領域 5 素子分離膜 7 ゲート絶縁膜 9 ゲート電極 11 第1の層間絶縁膜 13a、13b、13c、13d プラグ配線 14a 第1の中間電極 14b 第2の中間電極 15a、15b パッド部 16 第1の強誘電体層 17 第1の上部電極 18 第2の強誘電体層 19 第2の上部電極 20 絶縁層 21 第2の層間絶縁膜 25a、25b、25c 配線 26 ゲート電極/下部電極 27 第1の強誘電体層 28 第2の強誘電体層 29 第1の上部電極 30 第2の上部電極 31 層間絶縁膜 32 プラグ配線 WL ワード線 BL ビット線 101 Si基板 103a ドレイン領域 103b ソース領域 104 誘電体キャパシタ 104a 強誘電体キャパシタ 105 素子分離用酸化膜 106 抵抗素子 107 ゲート絶縁膜 108 基板電極 109 ゲート電極 110 制御電圧供給部 111 第1の層間絶縁膜 113a、113b、113c プラグ配線 114 中間電極 115a、115b パッド部 116 誘電体層 119 上部電極 121 第2の層間絶縁膜 125a、125b、125c 配線 131 強誘電体層 132、133 電気抵抗 Ss1 前段シナプスからの出力信号 S1 荷重信号 Tr11 MOSトランジスタ Tr12 トランジスタ N1 ノード1 substrate 3a drain region 3b source region 5 element isolation film 7 gate insulating film 9 gate electrode 11 first interlayer insulating films 13a, 13b, 13c, 13d plug wiring 14a first intermediate electrode 14b second intermediate electrode 15a, 15b Pad portion 16 First ferroelectric layer 17 First upper electrode 18 Second ferroelectric layer 19 Second upper electrode 20 Insulating layer 21 Second interlayer insulating films 25a, 25b, 25c Wiring 26 Gate electrode / Lower electrode 27 First ferroelectric layer 28 Second ferroelectric layer 29 First upper electrode 30 Second upper electrode 31 Interlayer insulating film 32 Plug wiring WL Word line BL bit line 101 Si substrate 103a Drain region 103b Source region 104 Dielectric capacitor 104a Ferroelectric capacitor 105 Element isolation oxide film 106 Resistive element 107 Gate insulating film 108 Electrode 109 Gate electrode 110 Control voltage supply section 111 First interlayer insulating films 113a, 113b, 113c Plug wiring 114 Intermediate electrodes 115a, 115b Pad section 116 Dielectric layer 119 Upper electrode 121 Second interlayer insulating films 125a, 125b, 125c Wiring 131 Ferroelectric layers 132, 133 Electric resistance Ss 1 Output signal S 1 from previous stage synapse Load signal Tr 11 MOS transistor Tr 12 Transistor N 1 node
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成14年12月25日(2002.12.
25)[Submission date] December 25, 2002 (2002.12.
25)
【手続補正1】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【書類名】 明細書[Document name] Statement
【発明の名称】 半導体装置Title: Semiconductor device
【特許請求の範囲】[Claims]
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の駆動方法に係り、特に神経回路網コンピュータ(ニュ
ーロンコンピュータ)などに利用可能で多値情報を保持
可能な半導体装置及びその駆動方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a driving method thereof, and more particularly to a semiconductor device which can be used in a neural network computer (neuron computer) or the like and can hold multivalued information, and a driving method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】マルチメディアの進展に伴い、半導体装
置の性能向上に対する要求は高まる一方である。大容量
のデジタル情報を処理するため、例えばパーソナルコン
ピュータのCPUでは、1GHz以上の高速の動作をす
るものまで市販され始めている。2. Description of the Related Art With the progress of multimedia, demands for improving the performance of semiconductor devices are increasing. In order to process a large amount of digital information, for example, a CPU of a personal computer, which has a high-speed operation of 1 GHz or more, has been commercially available.
【0003】こういった半導体装置の性能向上への要求
に対し、半導体メーカーはこれまで主として半導体装置
の微細化プロセス技術による性能向上によって応えてき
た。Semiconductor manufacturers have hitherto mainly responded to such demands for improving the performance of semiconductor devices by improving the performance of semiconductor devices by miniaturization process technology.
【0004】しかしながら、半導体装置の微細化に対
し、物理的な限界すら指摘されるようになった現在で
は、これ以上の微細化による半導体装置の性能向上は、
製造コストの点からも望めなくなってきている。However, now that even physical limits have been pointed out for the miniaturization of semiconductor devices, the performance improvement of semiconductor devices by further miniaturization is
From the point of view of manufacturing costs, we are no longer expecting.
【0005】上述の要求を解決する手段として、「1」
と「0」の2値の信号を用いて演算を行なうこれまでの
デジタル情報処理技術に対し、3値、4値へと情報を多
値化する技術や、さらにその多値化技術を応用して生物
の脳の機能を模倣した演算処理の行なえるコンピュータ
(ニューロンコンピュータ)技術などが研究されてい
る。As a means for solving the above requirement, "1"
In addition to the conventional digital information processing technology that uses two-valued signals of 0 and “0” to perform arithmetic operations, the technology that multivalues information into three-valued and four-valued data and the multi-valued technology is applied. Computer technology (neuron computer) that can perform arithmetic processing that mimics the function of the brain of living things is being researched.
【0006】生物の脳は、演算機能を持ったニューロン
と呼ばれる神経細胞と、その演算結果を他のニューロン
に伝える、いわば配線の役割を担う神経繊維とを基本と
して構成されている。The brain of an organism is basically composed of nerve cells called neurons having an arithmetic function, and nerve fibers which play a role of wiring so as to transmit the arithmetic result to other neurons.
【0007】ニューロンコンピュータにおいては、ニュ
ーロンに相当する半導体素子からなる多数のニューロン
部と、ニューロン部に信号を伝達し、重みをかける多数
のシナプス部とから構成されている。このニューロン部
とシナプス部の組み合わせを以下ニューロン素子と呼
ぶ。The neuron computer is composed of a large number of neuron parts made up of semiconductor elements corresponding to neurons, and a large number of synapse parts which transmit signals to the neuron parts and weight them. The combination of the neuron part and the synapse part is hereinafter called a neuron element.
【0008】前段の複数のニューロン素子からの異なっ
た「重み」を持つ情報信号が、あるニューロン素子に入
力されると、このニューロン素子において情報信号が加
算され、この情報信号の和が閾値を超えるとニューロン
素子が「発火」し、信号が次段のニューロン素子に出力
される。この繰り返しにより、情報が処理されていく。When information signals having different "weights" from a plurality of preceding neuron elements are input to a certain neuron element, the information signals are added in this neuron element, and the sum of the information signals exceeds a threshold value. The neuron element "fires" and the signal is output to the next neuron element. By repeating this, information is processed.
【0009】また、生物の脳が学習する過程は、シナプ
ス結合における重みが変化していく過程としてとらえら
れている。すなわち、様々な入力信号の組み合わせに対
し、正しい出力が得られるように重みが徐々に修正さ
れ、最終的に最適の値に落ち着くのである。Further, the process of learning by the brain of an organism is regarded as a process in which the weight in synaptic connection changes. That is, for various combinations of input signals, the weights are gradually modified so that a correct output can be obtained, and finally settled at an optimum value.
【0010】このような学習機能を有する神経回路網を
構成するためには、各シナプス結合の強さを適宜変更で
き、且つその変更した値を記憶しておく必要がある。そ
のため、多値技術はニューロンコンピュータの実現に必
須の技術となっている。In order to construct a neural network having such a learning function, it is necessary to appropriately change the strength of each synaptic connection and store the changed value. Therefore, multi-valued technology is an essential technology for realizing a neuron computer.
【0011】上述のニューロンコンピュータは多値技術
の応用の一例であるが、もちろん多値の情報を安定に記
憶する多値メモリの研究も盛んに行われている。これら
のことからも分かるように、情報の多値化技術は、将来
の半導体装置において極めて重要な技術となっている。The above-mentioned neuron computer is an example of application of multi-valued technology, but of course, research on multi-valued memory for stably storing multi-valued information has been actively conducted. As can be seen from these facts, the information multi-valued technique will be an extremely important technique in future semiconductor devices.
【0012】このような多値化技術の例として、強誘電
体の分極ヒステリシスを利用して1つのメモリセルに3
値以上の情報を記憶させるようにした従来技術が、特開
平8−124378「強誘電体メモリ」に記載されてい
る。As an example of such multi-valued technique, polarization hysteresis of a ferroelectric substance is utilized to make three memory cells in one memory cell.
A conventional technique for storing information of a value or more is described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-124378 "Ferroelectric Memory".
【0013】図49は、多値メモリとして機能する従来
の半導体装置の断面図である。同図より、従来の半導体
装置のメモリセルは、シリコン基板1107と、シリコ
ン基板1107内に埋め込んで設けられたウェル線BU
L1及びウェル線BUL2と、ウェル線BUL1及びウ
ェル線BUL2の上にそれぞれ設けられた強誘電体から
なるPZT膜1109と、PZT膜1109の上に設け
られたワード線WL1と、ワード線WL1とウェル線B
UL1との上方に設けられたビット線BL1と、ワード
線WL1とウェル線BUL2との上方に設けられたビッ
ト線BL2とを備えている。また、ウェル線BUL1と
ウェル線BUL2内には、図示しないドレイン及びソー
スがそれぞれ設けられ、ビット線BL1はビットコンタ
クト(図示せず)を介してウェル線BUL1内のドレイ
ンと接続され、ビット線BL2はビットコンタクトを介
してウェル線BUL2内のドレインと接続されている。FIG. 49 is a sectional view of a conventional semiconductor device which functions as a multi-valued memory. As shown in the figure, the memory cell of the conventional semiconductor device has a silicon substrate 1107 and a well line BU embedded in the silicon substrate 1107.
L1 and the well line BUL2, the PZT film 1109 made of a ferroelectric material provided on the well line BUL1 and the well line BUL2, the word line WL1 provided on the PZT film 1109, the word line WL1 and the well Line B
The bit line BL1 is provided above the UL1 and the bit line BL2 is provided above the word line WL1 and the well line BUL2. Further, drains and sources (not shown) are provided in the well lines BUL1 and BUL2, respectively. The bit line BL1 is connected to the drain in the well line BUL1 via a bit contact (not shown), and the bit line BL2. Is connected to the drain in the well line BUL2 via the bit contact.
【0014】情報の書込みは、ワード線WL1とウェル
線BUL1及びウェル線BUL2に電圧を印加してPZ
T膜1109の分極を変化させることにより行なわれ
る。To write information, a voltage is applied to the word line WL1, the well line BUL1 and the well line BUL2 to PZ.
This is performed by changing the polarization of the T film 1109.
【0015】図50は、上述の従来例の各メモリセルに
おいて、ゲート電極に印加される電圧VGB(=ゲート
電極の電位−ウェルの電位)と強誘電体の分極の大きさ
との関係(ヒステリシス特性)を示すグラフである。強
誘電体はヒステリシス特性を有することから、印加電圧
の履歴により分極状態が変化し、電圧を除荷しても、図
50の点A,点B,点Cで示すような分極状態が残留す
る。強誘電体が飽和分極するV=V1 の電圧印加後に電
圧を除荷すると、分極は点Aの状態に、V=V 2 の電圧
印加後に電圧を除荷するかV=V1の電圧印加後にV=
−V2の電圧を印加してから電圧を除荷すると、分極は
点Cの状態に、V=−V1の電圧印加後に電圧を除荷す
ると、分極は点Bの状態になる。FIG. 50 shows each memory cell of the above-mentioned conventional example.
Voltage VGB applied to the gate electrode (= gate
Electrode potential-well potential) and magnitude of ferroelectric polarization
It is a graph which shows the relationship (hysteresis characteristic) with. strength
Since the dielectric has a hysteresis characteristic, the applied voltage
The polarization state changes depending on the history of the
The polarization state as indicated by 50 points A, B, and C remains.
It Saturation polarization of ferroelectric substance V = V1After applying the voltage
When the pressure is unloaded, the polarization is in the state of point A, V = V 2 Voltage
Unload the voltage after applying V = V1After applying the voltage
-V2When the voltage is applied and then the voltage is unloaded, the polarization
In the state of point C, V = -V1Unload the voltage after applying the voltage
Then, the polarization becomes the state of point B.
【0016】図51は、図50に対応して強誘電体が点
A,点C及び点Bの状態のときの、メモリセルのドレイ
ン電流Iとゲート電圧VGBとの関係を示すグラフであ
る。同図において、左側の曲線が点A、中央の曲線が点
C、右側の曲線が点Bの状態に各々対応する。点Aの状
態においては、強誘電体が正に大きく分極しているため
に、メモリセルの閾値電圧VtAは、分極していない点
Cの態での閾値電圧VtCよりも小さくなっている。ま
た、点Bの状態においては、強誘電体が負に大きく分極
しているために、メモリセルの閾値電圧VtBは、分極
していない点Cの状態での閾値電圧VtCよりも大きく
なっている。このように、強誘電体を点A,点C及び点
Bに示す3つの分極状態に変化させることによって、メ
モリセルの閾値電圧を異なる3種類に制御することがで
きるので、この閾値電圧の値に応じてメモリセルに3値
の情報を記憶させることができる。上記従来技術ではさ
らに点Aと点Cの間の分極状態を利用することでさらな
る多値化が可能であるとしている。FIG. 51 is a graph showing the relationship between the drain current I of the memory cell and the gate voltage VGB when the ferroelectric substance is in the state of points A, C and B, corresponding to FIG. In the same figure, the left curve corresponds to the point A, the center curve corresponds to the point C, and the right curve corresponds to the point B. In the state of point A, the ferroelectric substance is highly polarized, so that the threshold voltage VtA of the memory cell is smaller than the threshold voltage VtC in the state of unpolarized point C. Further, in the state of the point B, the ferroelectric substance is highly negatively polarized, so that the threshold voltage VtB of the memory cell is higher than the threshold voltage VtC in the state of the non-polarized point C. . As described above, by changing the ferroelectric substance into the three polarization states shown at the points A, C, and B, the threshold voltage of the memory cell can be controlled to three different types. Accordingly, ternary information can be stored in the memory cell. According to the above-mentioned conventional technology, it is possible to further multivalue by utilizing the polarization state between points A and C.
【0017】[0017]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例は、分極状態"C"を正確に得ることが難しいとい
う根本的な課題を有している。従来技術では、適当な電
圧を印加して誘電体を弱く分極させた後に電圧を除荷す
ると分極はゼロ近くになるとしているが、図50からも
明らかなように、強誘電体のヒステリシスは抗電圧Vc
付近で大きく変化する特性を有するのに対し、−V2 の
絶対値はVcに近い値にならざるを得ないためその制御
が極めて困難であり、V2 の値がノイズなどで若干揺ら
いだだけで除荷後の分極値は大きく変化してしまう。ま
た、このような書込み電圧のバラツキ以外にも強誘電体
の結晶状態や膜厚などの変化によっても抗電圧Vcが変
化してしまうため、結果として信頼性が高く再現性の良
好な多値記憶特性を安定して得ることは極めて困難であ
った。なお、本明細書中で抗電圧とは、強誘電体のヒス
テリシスを大きく変化させ、強誘電体キャパシタの電荷
分布を変更するのに必要な電圧のことを指すものとす
る。However, the above-mentioned conventional example has a fundamental problem that it is difficult to accurately obtain the polarization state "C". In the prior art, it is stated that when an appropriate voltage is applied to weakly polarize the dielectric and then the voltage is unloaded, the polarization becomes close to zero. However, as is clear from FIG. Voltage Vc
Although it has a characteristic that it greatly changes in the vicinity, the absolute value of -V 2 is inevitably close to Vc, and therefore its control is extremely difficult, and the value of V 2 fluctuates slightly due to noise or the like. Therefore, the polarization value after unloading changes greatly. Further, the coercive voltage Vc also changes due to changes in the crystal state and film thickness of the ferroelectric substance in addition to such variations in the write voltage, and as a result, multi-value storage with high reliability and good reproducibility is obtained. It was extremely difficult to obtain stable characteristics. In the present specification, the coercive voltage refers to a voltage required to change the hysteresis of the ferroelectric substance significantly and change the charge distribution of the ferroelectric capacitor.
【0018】本発明の目的は、信頼性が高く情報を安定
に記憶することが可能で、ニューロンコンピュータのニ
ューロン素子としても利用可能な半導体装置及びその駆
動方法を提供することにある。It is an object of the present invention to provide a semiconductor device which is highly reliable and capable of stably storing information and which can be used as a neuron element of a neuron computer, and a driving method thereof.
【0019】[0019]
【課題を解決するための手段】本発明の第1の半導体装
置は、半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第
1の上部電極,第1の誘電体層,及び第1の下部電極か
らなる第1のキャパシタと、上記半導体基板上に形成さ
れた第2の上部電極,第2の誘電体層,及び第2の下部
電極からなる第2のキャパシタとを配置して構成される
記憶部を備え、3値以上の情報を保持可能な半導体装置
であって、上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層の
ヒステリシス特性における抗電圧値が互いに異なってい
る。A first semiconductor device of the present invention comprises a semiconductor substrate, a first upper electrode formed on the semiconductor substrate, a first dielectric layer, and a first lower electrode. And a second capacitor composed of a second upper electrode formed on the semiconductor substrate, a second dielectric layer, and a second lower electrode. In the semiconductor device having a portion and capable of holding information of three or more values, the first dielectric layer and the second dielectric layer have different coercive voltage values in hysteresis characteristics.
【0020】これにより、キャパシタ全体のヒステリシ
ス曲線において、準安定点が形成され、書込み電圧の揺
らいだ場合にも3値以上の情報を安定に記憶することが
できる。As a result, a metastable point is formed in the hysteresis curve of the entire capacitor, and three or more values of information can be stably stored even when the write voltage fluctuates.
【0021】動作時には、上記第1のキャパシタの分極
方向と上記第2のキャパシタの分極方向とが互いに同じ
となることにより、第1のキャパシタと第2のキャパシ
タの抗電圧の違いによるヒステリシス曲線上に1つ以上
の準安定点を生じさせることができるようになる。この
結果、3値以上の情報を安定に記憶することができるよ
うになる。During operation, the polarization direction of the first capacitor and the polarization direction of the second capacitor are the same, so that a hysteresis curve due to a difference in coercive voltage between the first capacitor and the second capacitor is displayed. It becomes possible to generate one or more metastable points at. As a result, it becomes possible to stably store information having three or more values.
【0022】また、上記半導体基板上に形成されたゲー
ト絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に形成された導体膜
からなるゲート電極とを有するトランジスタをさらに備
え、上記第1の下部電極と上記第2の下部電極とが共に
上記ゲート電極と一体化されていることにより、安定に
多値情報の記憶動作を行なうことができる半導体装置の
製造工程数を少なくすることができるので、半導体装置
の製造コストを抑えることができる。Further, a transistor having a gate insulating film formed on the semiconductor substrate and a gate electrode made of a conductor film formed on the gate insulating film is further provided, and the first lower electrode and the transistor are provided. Since the second lower electrode is integrated with the gate electrode together, it is possible to reduce the number of manufacturing steps of the semiconductor device capable of stably storing the multivalued information. Manufacturing cost can be suppressed.
【0023】また、上記半導体基板上に形成されたゲー
ト絶縁膜と上記ゲート絶縁膜の上に形成された導体膜か
らなるゲート電極とをさらに備え、上記第1の下部電極
と上記第2の下部電極とがそれぞれ上記ゲート電極と互
いに接続されていることにより、キャパシタに印加され
た電圧がゲート電極に伝達され、記憶部の状態によって
ゲート電圧印加時に流れるドレイン電流が変化するの
で、多値情報を安定して記憶することができる。Further, the semiconductor device further includes a gate insulating film formed on the semiconductor substrate and a gate electrode formed of a conductive film formed on the gate insulating film, the first lower electrode and the second lower electrode. Since the electrode and the gate electrode are connected to each other, the voltage applied to the capacitor is transmitted to the gate electrode, and the drain current that flows when the gate voltage is applied changes depending on the state of the memory section. It can be stored stably.
【0024】上記第1のキャパシタ及び上記第2のキャ
パシタのそれぞれの分極が0から飽和するまでの前半過
程で、電圧の変化に対する分極の変化率が相異なること
により、キャパシタ全体のヒステリシス曲線上に準安定
点を確実に形成することができる。すなわち、書込み電
圧がノイズなどにより揺らいだ場合にも安定に記憶動作
を行なわせることができる。In the first half of the process in which the polarization of each of the first capacitor and the second capacitor is from 0 to saturation, the rate of change of the polarization with respect to the change of the voltage is different, so that the hysteresis curve of the entire capacitor is A metastable point can be reliably formed. That is, the storage operation can be stably performed even when the write voltage fluctuates due to noise or the like.
【0025】また、上記第1の誘電体層及び上記第2の
誘電体層は、共に強誘電体層を有していることにより、
電圧をキャパシタに印加した後の残留分極によって多値
に対応した分極状態を持たせることができるため、多値
の記憶動作をさせることが可能になる。Since both the first dielectric layer and the second dielectric layer have ferroelectric layers,
A remanent polarization after a voltage is applied to a capacitor can have a polarization state corresponding to multivalues, and thus a multivalued storage operation can be performed.
【0026】上記第1の上部電極と上記第2の上部電極
とは互いに接続されていることにより、書込み電圧を同
一の配線で印加することができる。Since the first upper electrode and the second upper electrode are connected to each other, the write voltage can be applied through the same wiring.
【0027】上記第1の誘電体層が上記第2の誘電体層
と共用されていることにより、第1の誘電体層と第2の
誘電体層を別個に形成する場合に比べて記憶部の面積を
小さくでき、且つ製造工程も少なくすることができる。Since the first dielectric layer is shared with the second dielectric layer, the storage section is different from the case where the first dielectric layer and the second dielectric layer are formed separately. Area can be reduced and the number of manufacturing steps can be reduced.
【0028】上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層
とを構成する部材の材料が互いに同一で、且つ上記第1
のキャパシタ及び上記第2のキャパシタと並列に接続さ
れた常誘電体キャパシタをさらに有していてもよい。The materials of the members constituting the first dielectric layer and the second dielectric layer are the same, and the first dielectric layer is the same.
It may further have a paraelectric capacitor connected in parallel with the above capacitor and the second capacitor.
【0029】上記第2のキャパシタと上記ゲート電極と
の間に介設されたキャパシタをさらに備えていることに
より、第2のキャパシタの見かけの抗電圧を変化させる
ことができ、設計の自由度をさらに上げることができ
る。By further including the capacitor interposed between the second capacitor and the gate electrode, the apparent coercive voltage of the second capacitor can be changed and the degree of freedom in design can be increased. You can raise it further.
【0030】上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層
の面積が互いに異なっていることによってもキャパシタ
の抗電圧を変化させることができる。The coercive voltage of the capacitor can be changed also by making the areas of the first dielectric layer and the second dielectric layer different from each other.
【0031】上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層
とは互いに異なる材料から構成されていることにより、
第1のキャパシタと第2のキャパシタの抗電圧が互いに
異なるように形成することが容易となる。Since the first dielectric layer and the second dielectric layer are made of different materials,
It is easy to form the first capacitor and the second capacitor so that the coercive voltages are different from each other.
【0032】上記第1の誘電体層の膜厚と上記第2の誘
電体層の膜厚とが互いに異なることにより、第1のキャ
パシタと第2のキャパシタの抗電圧が互いに異なるよう
に形成することができる。By forming the first dielectric layer and the second dielectric layer to have different film thicknesses, the first capacitor and the second capacitor are formed to have different coercive voltages. be able to.
【0033】上記第1のキャパシタと上記第2のキャパ
シタとは、相互の電極面積の比である(上記第1のキャ
パシタの面積)/(上記第2のキャパシタの面積)の値
が、0.2以上2以下であることにより、第1の誘電体
層と第2の誘電体層とを構成する材料が同一の場合、記
憶情報の分離性が高く、安定に3値の情報を保持するこ
とができる。The value of (area of the first capacitor) / (area of the second capacitor), which is the ratio of the electrode areas of the first capacitor and the second capacitor, is 0. By being 2 or more and 2 or less, when the materials forming the first dielectric layer and the second dielectric layer are the same, the separability of the stored information is high and the ternary information is stably retained. You can
【0034】特に、上記第1のキャパシタと上記第2の
キャパシタとは、相互の電極面積の比が、0.5以上2
以下であることにより、記憶情報の分離性が高く、4値
以上の情報であっても安定に保持する半導体装置を実現
することができる。Particularly, the first capacitor and the second capacitor have a mutual electrode area ratio of 0.5 or more and 2 or more.
Due to the following, it is possible to realize a semiconductor device which has high separability of stored information and stably holds information of four or more values.
【0035】[0035]
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)以下、本発明
の第1の実施形態について図面を参照しながら説明す
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION (First Embodiment) A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0036】図1は、本発明の実施形態に係る多値メモ
リの上面図である。また、図2は図1のII−II線におけ
る断面図、図3は図1のIII−III線における断面図であ
る。図1,図2,図3については、同一部材には同一の
符号を附記している。なお、図1では最上面の構成物の
み実線で示している。さらに、図2、図3と共通する部
分についても、図を見やすくするため、符号を一部省略
して示している。FIG. 1 is a top view of a multi-valued memory according to the embodiment of the present invention. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 3, the same reference numerals are given to the same members. In FIG. 1, only the uppermost component is shown by a solid line. Further, in order to make the drawings easy to see, the reference numerals of the portions common to those of FIGS. 2 and 3 are also omitted.
【0037】図2に示すように、本実施形態の多値メモ
リは、p型のSi基板1と、Si基板1上にLOCOS
法により形成されたシリコン酸化物からなる素子分離膜
5と、素子分離膜5により区画されたSi基板1の活性
領域上に形成されたシリコン酸化物からなる厚さ3nm
のゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜上に形成されたn型
不純物を含むポリシリコンからなるゲート電極9と、S
i基板1内のゲート電極9の側方に素子分離膜5と接し
て形成され、n型不純物を含むドレイン領域3a及びソ
ース領域3bと、ドレイン領域3aとパッド部15aと
を接続するプラグ配線13cと、ソース領域3bとパッ
ト部15bとを接続するプラグ配線13dと、プラグ配
線13cとプラグ配線13dとを埋める第1の層間絶縁
膜11と、第1の層間絶縁膜11の上に形成された厚さ
100nmのチタン酸ビスマス(BIT)からなる第1
の強誘電体層16と、第1の強誘電体層16の上に形成
された厚さ400nmのBITからなる第2の強誘電体
層18と、第2の強誘電体層18の上に形成された酸化
シリコンからなる第2の層間絶縁膜21と、第2の層間
絶縁膜21の上に形成された配線25cと、第1の強誘
電体層16,第2の強誘電体層18及び第2の層間絶縁
膜21を貫通してパッド部15aと配線25cとを接続
する配線25aと、第1の強誘電体層16,第2の強誘
電体層18及び第2の層間絶縁膜21を貫通してパッド
部15bに接続する配線25bとを備えている。なお、
本実施形態では、ゲート電極9のゲート長は0.5μ
m、ゲート幅が5μmである。As shown in FIG. 2, the multi-valued memory of the present embodiment has a p-type Si substrate 1 and a LOCOS on the Si substrate 1.
Element isolation film 5 made of silicon oxide formed by the method and a thickness of 3 nm made of silicon oxide formed on the active region of the Si substrate 1 partitioned by the element isolation film 5.
Gate insulating film 7, a gate electrode 9 made of polysilicon containing n-type impurities formed on the gate insulating film, and S
A plug wiring 13c formed on the side of the gate electrode 9 in the i-substrate 1 so as to be in contact with the element isolation film 5 and connecting the drain region 3a and the source region 3b containing n-type impurities, and the drain region 3a and the pad portion 15a. A plug wiring 13d connecting the source region 3b and the pad portion 15b, a first interlayer insulating film 11 filling the plug wiring 13c and the plug wiring 13d, and formed on the first interlayer insulating film 11. First made of 100 nm thick bismuth titanate (BIT)
On the first ferroelectric layer 16, the second ferroelectric layer 18 formed of BIT having a thickness of 400 nm on the first ferroelectric layer 16, and the second ferroelectric layer 18. The formed second interlayer insulating film 21 made of silicon oxide, the wiring 25c formed on the second interlayer insulating film 21, the first ferroelectric layer 16, and the second ferroelectric layer 18 And a wiring 25a that penetrates the second interlayer insulating film 21 and connects the pad portion 15a and the wiring 25c, the first ferroelectric layer 16, the second ferroelectric layer 18, and the second interlayer insulating film. And a wiring 25b penetrating through 21 and connected to the pad portion 15b. In addition,
In this embodiment, the gate length of the gate electrode 9 is 0.5 μm.
m, and the gate width is 5 μm.
【0038】また、図3に示すように、本実施形態の多
値メモリは、p型のSi基板1と、Si基板1上にLO
COS法により形成されたシリコン酸化膜からなる素子
分離膜5と、素子分離膜5により区画されたSi基板1
の活性領域上に形成されたシリコン酸化物からなる厚さ
3nmのゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7上に形成さ
れたn型不純物を含むポリシリコンからなるゲート電極
9と、ゲート電極9及び素子分離膜5の上に形成された
酸化シリコンからなる第1の層間絶縁膜11と、第1の
層間絶縁膜11の上に形成されたPt/TiNからなり
サイズが0.5μm×0.5μmの第1の中間電極14
aと、同じく第1の層間絶縁膜11の上に形成されたP
t/TiNからなりサイズが0.5μm×0.5μmの
第2の中間電極14bと、第1の層間絶縁膜11を貫通
してゲート電極9と第1の中間電極14aとを接続する
プラグ配線13aと、第1の層間絶縁膜11を貫通して
ゲート電極9と第2の中間電極14bとを接続するプラ
グ配線13bと、第1の層間絶縁膜11,第1の中間電
極14a及び第2の中間電極14bの上に形成されたB
ITからなる厚さ100nmの第1の強誘電体層16
と、第1の強誘電体層16の上に第1の中間電極14a
と互いに平行に延びて相対向するPt/TiNからなる
サイズが0.5μm×0.5μmの第1の上部電極17
と、第1の強誘電体層16の上に形成されたBITから
なる厚さ400nmの第2の強誘電体層18と、第2の
強誘電体層18の上に第2の中間電極14bと平行に延
びて相対向するPt/TiNからなるサイズが0.5μ
m×0.5μmの第2の上部電極19と、第2の強誘電
体層18の上に形成された酸化シリコンからなる第2の
層間絶縁膜21と、第2の強誘電体層18と第2の層間
絶縁膜21とを貫通して第1の上部電極17に接続さ
れ、第2の層間絶縁膜21の上面上を経由してから第2
の層間絶縁膜21を貫通して第2の上部電極19に接続
される配線25cとを備えている。Further, as shown in FIG. 3, the multi-valued memory of this embodiment has a p-type Si substrate 1 and a LO on the Si substrate 1.
An element isolation film 5 made of a silicon oxide film formed by the COS method, and a Si substrate 1 partitioned by the element isolation film 5.
A gate insulating film 7 made of silicon oxide and having a thickness of 3 nm formed on the active region, a gate electrode 9 made of polysilicon containing n-type impurities formed on the gate insulating film 7, a gate electrode 9 and A first interlayer insulating film 11 made of silicon oxide formed on the element isolation film 5 and Pt / TiN formed on the first interlayer insulating film 11 and having a size of 0.5 μm × 0.5 μm First intermediate electrode 14 of
a and P formed on the first interlayer insulating film 11 as well.
A second intermediate electrode 14b made of t / TiN and having a size of 0.5 μm × 0.5 μm, and a plug wiring penetrating the first interlayer insulating film 11 and connecting the gate electrode 9 and the first intermediate electrode 14a. 13a, a plug wiring 13b penetrating the first interlayer insulating film 11 and connecting the gate electrode 9 and the second intermediate electrode 14b, the first interlayer insulating film 11, the first intermediate electrode 14a, and the second intermediate electrode 14a. B formed on the intermediate electrode 14b of
First ferroelectric layer 16 made of IT and having a thickness of 100 nm
And the first intermediate electrode 14a on the first ferroelectric layer 16
And a first upper electrode 17 made of Pt / TiN and extending in parallel with each other and having a size of 0.5 μm × 0.5 μm.
And a second ferroelectric layer 18 made of BIT and having a thickness of 400 nm formed on the first ferroelectric layer 16, and a second intermediate electrode 14b on the second ferroelectric layer 18. The size of Pt / TiN that extends in parallel with and faces each other is 0.5μ
a second upper electrode 19 of m × 0.5 μm, a second interlayer insulating film 21 made of silicon oxide formed on the second ferroelectric layer 18, and a second ferroelectric layer 18. It penetrates through the second interlayer insulating film 21 and is connected to the first upper electrode 17, passes through the upper surface of the second interlayer insulating film 21, and then the second interlayer insulating film 21.
Wiring 25c penetrating the interlayer insulating film 21 and connected to the second upper electrode 19.
【0039】なお、第1の強誘電体層16とこれを挟み
込む第1の中間電極14aと第1の上部電極17とから
なる強誘電体キャパシタをキャパシタMFM1とし、第
1の強誘電体層16と第2の強誘電体層18の2層を挟
み込む第2の中間電極14bと第2の上部電極19とか
らなる強誘電体キャパシタをキャパシタMFM2とす
る。また、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2と
を合わせてキャパシタMFMsとする。A ferroelectric capacitor composed of the first ferroelectric layer 16 and the first intermediate electrode 14a and the first upper electrode 17 which sandwich the first ferroelectric layer 16 is referred to as a capacitor MFM1, and the first ferroelectric layer 16 is used. A ferroelectric capacitor composed of the second intermediate electrode 14b and the second upper electrode 19 sandwiching the two layers of the second ferroelectric layer 18 and is called a capacitor MFM2. Further, the capacitors MFM1 and MFM2 are collectively referred to as capacitors MFMs.
【0040】図5は、本実施形態の多値メモリを示す等
価回路図である。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing the multilevel memory of this embodiment.
【0041】同図に示すように、本実施形態の多値メモ
リはMOSトランジスタのゲート電極上に2つの強誘電
体キャパシタを互いに並列に接続させた構造を有する。
なお、図5において、キャパシタMFM1の強誘電体層
の膜厚は100nm、電極の大きさは0.5μm×0.
5μmである。また、キャパシタMFM2の強誘電体層
の膜厚は500nm、電極の大きさは0.5μm×0.
5μmである。As shown in the figure, the multi-valued memory of this embodiment has a structure in which two ferroelectric capacitors are connected in parallel on the gate electrode of a MOS transistor.
In FIG. 5, the thickness of the ferroelectric layer of the capacitor MFM1 is 100 nm, and the size of the electrode is 0.5 μm × 0.
It is 5 μm. The thickness of the ferroelectric layer of the capacitor MFM2 is 500 nm, and the size of the electrode is 0.5 μm × 0.
It is 5 μm.
【0042】次に、図4(a)〜(e)は本実施形態の
多値メモリの製造工程を示す断面図である。同図は、図
1のIII−III線における断面を示している。以下、同図
を用いて本実施形態の多値メモリの製造方法を説明す
る。Next, FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views showing the manufacturing process of the multilevel memory of this embodiment. This figure shows a cross section taken along line III-III in FIG. The method of manufacturing the multi-valued memory according to this embodiment will be described below with reference to FIG.
【0043】まず、図4(a)に示す工程で、p型のS
i基板1に、LOCOS法により、図示しない窒化シリ
コンをマスクとして酸化処理を施し、素子分離膜5を形
成する。その後、図示しない窒化シリコンを昇温した燐
酸などで溶解する。次いで、例えば900℃でSi基板
1を熱酸化し、厚さ3nmの酸化シリコン膜をSi基板
1上に形成し、これをゲート絶縁膜7とする。その後、
LPCVD法によりリンをドープした多結晶シリコンを
堆積してゲート電極9を形成する。続いて、ゲート電極
9とゲート絶縁膜7とをドライエッチングによりパター
ニングし、その後、ゲート電極9をマスクとしてゲート
電極9の両側方にボロンイオンをイオン注入し、その
後、900℃、30分の熱処理を行なうことによって、
図2に示すドレイン領域3a、ソース領域3bをそれぞ
れ形成する。なお、本工程で作製されるMOSトランジ
スタは、ゲート長が0.5μm、ゲート幅が5μmであ
る。First, in the step shown in FIG. 4A, p-type S
Oxidation is performed on the i substrate 1 by the LOCOS method using silicon nitride (not shown) as a mask to form the element isolation film 5. Then, silicon nitride (not shown) is dissolved with heated phosphoric acid or the like. Then, the Si substrate 1 is thermally oxidized at 900 ° C., for example, to form a silicon oxide film having a thickness of 3 nm on the Si substrate 1, and this is used as the gate insulating film 7. afterwards,
A gate electrode 9 is formed by depositing phosphorus-doped polycrystalline silicon by the LPCVD method. Subsequently, the gate electrode 9 and the gate insulating film 7 are patterned by dry etching, and then boron ions are ion-implanted on both sides of the gate electrode 9 using the gate electrode 9 as a mask, and then heat treatment is performed at 900 ° C. for 30 minutes. By doing
The drain region 3a and the source region 3b shown in FIG. 2 are formed respectively. The MOS transistor manufactured in this step has a gate length of 0.5 μm and a gate width of 5 μm.
【0044】次に、図4(b)に示す工程で、LPCV
D法により基板上にシリコン酸化物(SiO2)を堆積
して第1の層間絶縁膜11を形成する。次に、第1の層
間絶縁膜11上に形成したレジストマスクを用いてドラ
イエッチングすることでコンタクト窓を形成した後、L
PCVD法でポリシリコンをコンタクト窓内に堆積す
る。次いで、CMP法によりポリシリコンを平坦化する
ことによりプラグ配線13a,13b,13c及び13
dを形成する。次に、スパッタ法により厚さ20nmの
窒化チタンを第1の層間絶縁膜11の上に堆積した後、
スパッタ法により厚さ50nmのPt層を堆積する。続
いて、スパッタ法によりPt層の上に堆積した酸化シリ
コンをパターニングしてハードマスクを形成し(図示せ
ず)、これをマスクとしてPt/TiN層をArミリン
グによりパターニングして第1の中間電極14a,第2
の中間電極14bと図2に示すパッド部15a,15b
を形成する。その後、希釈したフッ酸などで酸化シリコ
ンからなるハードマスクを除去する。Next, in the step shown in FIG.
Silicon oxide (SiO 2 ) is deposited on the substrate by the D method to form a first interlayer insulating film 11. Next, a contact window is formed by dry etching using a resist mask formed on the first interlayer insulating film 11, and then L
Polysilicon is deposited in the contact window by PCVD. Then, the plug wirings 13a, 13b, 13c and 13 are formed by planarizing the polysilicon by the CMP method.
to form d. Next, after depositing titanium nitride having a thickness of 20 nm on the first interlayer insulating film 11 by a sputtering method,
A 50 nm thick Pt layer is deposited by sputtering. Subsequently, a silicon oxide deposited on the Pt layer is patterned by a sputtering method to form a hard mask (not shown). Using this as a mask, the Pt / TiN layer is patterned by Ar milling to form a first intermediate electrode. 14a, second
Intermediate electrode 14b and pad portions 15a and 15b shown in FIG.
To form. After that, the hard mask made of silicon oxide is removed with diluted hydrofluoric acid or the like.
【0045】次に、図4(c)に示す工程で、スパッタ法
により基板温度550℃、酸素分圧20%、RFパワー
100Wの条件で基板上に厚さ100nmのBITを堆
積し、第1の強誘電体層16を形成する。その後、スパ
ッタ法によりPt層を堆積して、図示しない酸化シリコ
ンからなるハードマスクを用いArミリングによりPt
層をパターニングし、第1の上部電極17を形成する。
その後、希釈したフッ酸などで図示しない酸化シリコン
からなるハードマスクを除去する。なお、本実施形態で
は、第1の中間電極14a及び第1の上部電極17の寸
法は0.5μm×0.5μmとする。Next, in the step shown in FIG. 4C, a BIT having a thickness of 100 nm is deposited on the substrate by a sputtering method under the conditions of a substrate temperature of 550 ° C., an oxygen partial pressure of 20%, and an RF power of 100 W. To form the ferroelectric layer 16. After that, a Pt layer is deposited by the sputtering method, and Pt is deposited by Ar milling using a hard mask made of silicon oxide (not shown).
The layer is patterned to form the first upper electrode 17.
After that, the hard mask made of silicon oxide (not shown) is removed with diluted hydrofluoric acid or the like. In this embodiment, the dimensions of the first intermediate electrode 14a and the first upper electrode 17 are 0.5 μm × 0.5 μm.
【0046】次に、図4(d)に示す工程で、スパッタ法
により基板温度550℃、酸素分圧20%、RFパワー
100Wの条件で基板上に厚さ400nmのBITを堆
積し、第2の強誘電体層18を形成する。次に、スパッ
タ法により第2の強誘電体層18の上にPt層を堆積し
た後、酸化シリコンからなるハードマスク(図示せず)
を用いたArミリングによりPt層をパターニングし、
第2の上部電極19を形成する。その後、希釈したフッ
酸などでハードマスク(図示せず)を除去する。なお、
本実施の形態では、第2の中間電極14b及び第2の上
部電極19の寸法は0.5μm×0.5μmとしてい
る。Next, in the step shown in FIG. 4D, a BIT having a thickness of 400 nm is deposited on the substrate by the sputtering method under the conditions of a substrate temperature of 550 ° C., an oxygen partial pressure of 20%, and an RF power of 100 W. The ferroelectric layer 18 of is formed. Next, after depositing a Pt layer on the second ferroelectric layer 18 by a sputtering method, a hard mask made of silicon oxide (not shown)
Patterning the Pt layer by Ar milling using
The second upper electrode 19 is formed. Then, the hard mask (not shown) is removed with diluted hydrofluoric acid or the like. In addition,
In the present embodiment, the dimensions of the second intermediate electrode 14b and the second upper electrode 19 are 0.5 μm × 0.5 μm.
【0047】次に、図4(e)に示す工程で、TEOSを
用いたプラズマCVDにより酸化シリコン膜を基板上に
堆積した後、CMP法により平坦化することで第2の層
間絶縁膜21を形成する。次いで、第2の層間絶縁膜上
に形成したレジストマスクを用いて第2の層間絶縁膜2
1をドライエッチングし、第2の上部電極19に到達す
るコンタクト窓を形成する。一方、第2の層間絶縁膜上
に形成したレジストマスクを用いて第2の層間絶縁膜2
1及び第2の強誘電体層18をドライエッチングし、第
1の上部電極17に到達するコンタクト窓を形成する。
なお、上部電極19と第2の強誘電体層18とのエッチ
ング選択比が十分大きい場合には、第2の上部電極19
に到達するコンタクト窓と第1の上部電極17に到達す
るコンタクト窓とを同時に形成することもできる。次
に、スパッタ法によりAlSiCu合金をコンタクト窓
内に堆積した後、このAlSiCu合金をドライエッチ
ングすることで配線25a,25b,25cをそれぞれ
形成する。Next, in the step shown in FIG. 4E, a silicon oxide film is deposited on the substrate by plasma CVD using TEOS, and then planarized by the CMP method to form the second interlayer insulating film 21. Form. Then, the second interlayer insulating film 2 is formed using the resist mask formed on the second interlayer insulating film.
1 is dry-etched to form a contact window reaching the second upper electrode 19. On the other hand, the second interlayer insulating film 2 is formed using the resist mask formed on the second interlayer insulating film.
The first and second ferroelectric layers 18 are dry-etched to form a contact window reaching the first upper electrode 17.
When the etching selection ratio between the upper electrode 19 and the second ferroelectric layer 18 is sufficiently large, the second upper electrode 19
It is also possible to simultaneously form a contact window reaching the first contact electrode and a contact window reaching the first upper electrode 17. Next, after depositing an AlSiCu alloy in the contact window by a sputtering method, the AlSiCu alloy is dry-etched to form wirings 25a, 25b, 25c, respectively.
【0048】以上の方法により、本実施形態の多値メモ
リが製造される。The multi-valued memory of this embodiment is manufactured by the above method.
【0049】図6は、キャパシタMFM1の電圧−分極
ヒステリシス特性(P-V特性)を示す図である。な
お、これはキャパシタMFM1のみを電源に接続した場
合のヒステリシス特性を示している。FIG. 6 is a diagram showing the voltage-polarization hysteresis characteristic (PV characteristic) of the capacitor MFM1. Note that this shows the hysteresis characteristic when only the capacitor MFM1 is connected to the power supply.
【0050】同図を参照すると、キャパシタMFM1で
は膜厚が100nm程度と薄いため抗電圧は小さいが、
約5V以上の電圧を印加した後の電圧0Vでの分極値
(残留分極)はBITという材料の特性を反映して4μ
C/cm2程度が得られることが分かる。Referring to the figure, since the capacitor MFM1 has a thin film thickness of about 100 nm, the coercive voltage is small, but
The polarization value (residual polarization) at a voltage of 0 V after applying a voltage of about 5 V or more reflects the characteristics of the material called BIT to be 4 μm.
It can be seen that about C / cm 2 can be obtained.
【0051】一方、図7はキャパシタMFM2のP-V
特性を示す図である。同図に示すように、キャパシタM
FM2を構成する強誘電体材料はキャパシタMFM1と
同じBITであるが、膜厚が合計500nmと厚いた
め、抗電圧値がキャパシタMFM1の5倍程度と高い値
を示している。しかし、残留分極の値は材料特有である
ため、キャパシタMFM1と同等の4μC/cm2程度で
ある。On the other hand, FIG. 7 shows the PV of the capacitor MFM2.
It is a figure which shows a characteristic. As shown in FIG.
The ferroelectric material forming the FM2 has the same BIT as that of the capacitor MFM1, but the coercive voltage value is as high as about five times that of the capacitor MFM1 because the film thickness is 500 nm in total. However, since the value of the remanent polarization is peculiar to the material, it is about 4 μC / cm 2 which is equivalent to that of the capacitor MFM1.
【0052】以上のような、ヒステリシス特性の互いに
異なる2つの強誘電体キャパシタを並列接続した構造を
有する本実施形態の多値メモリの駆動方法とその動作に
ついて、図8〜10を用いて説明する。The driving method and the operation of the multi-valued memory of this embodiment having the structure in which the two ferroelectric capacitors having different hysteresis characteristics are connected in parallel as described above will be described with reference to FIGS. .
【0053】図10は、本実施形態の多値メモリにおい
て、上部ゲート電極と下部電極の間に印加した電圧と、
2つの強誘電体キャパシタの実効的分極とを示した図で
ある。同図に示すように、本実施形態の多値メモリに用
いられるキャパシタは互いに並列に接続されているた
め、キャパシタ全体の分極は、ちょうどキャパシタMF
M1の分極とキャパシタMFM2の分極の面積比に応じ
た平均値を示す。FIG. 10 shows the voltage applied between the upper gate electrode and the lower electrode in the multi-valued memory of this embodiment.
It is a figure showing effective polarization of two ferroelectric capacitors. As shown in the figure, since the capacitors used in the multi-valued memory of this embodiment are connected in parallel with each other, the polarization of the entire capacitor is just the capacitor MF.
The average value according to the area ratio of the polarization of M1 and the polarization of the capacitor MFM2 is shown.
【0054】図8は、キャパシタMFM1とキャパシタ
MFM2を並列に接続して構成されるキャパシタ全体
(キャパシタMFMs)の分極ヒステリシス特性を説明
するための図である。同図において、破線で示した2つ
のキャパシタの分極の平均値がキャパシタMFMsの分
極となる。つまり、キャパシタMFMsの分極は、図1
0に示すヒステリシス特性となる。FIG. 8 is a diagram for explaining the polarization hysteresis characteristic of the entire capacitor (capacitor MFMs) formed by connecting the capacitors MFM1 and MFM2 in parallel. In the figure, the average value of the polarization of the two capacitors shown by the broken line is the polarization of the capacitor MFMs. That is, the polarization of the capacitor MFMs is as shown in FIG.
The hysteresis characteristic is 0.
【0055】図8に示す領域xでは、キャパシタMFM
2の分極は電圧Vの変化に対してほとんど変化しない。
一方、キャパシタMFM1の分極は電圧Vの変化に対し
て前半では急激に増大し、後半では変化が小さくなる。
その結果、両者の合成値は領域xの前半では急激に変化
し、領域xの後半では変化が緩やかになる。また、領域
yでは、キャパシタMFM2の分極は電圧Vの変化に対
して大きく変化するが、キャパシタMFM1の分極は電
圧Vの変化に対してほとんど変化しない。その結果、両
者の合成値は領域yの前半では急峻に変化するが、キャ
パシタMFM2単独のときよりも緩やかに変化する。In the region x shown in FIG. 8, the capacitor MFM is used.
The polarization of 2 hardly changes with the change of the voltage V.
On the other hand, the polarization of the capacitor MFM1 sharply increases with respect to the change of the voltage V in the first half and becomes small in the latter half.
As a result, the combined value of the two changes sharply in the first half of the region x and becomes gentle in the second half of the region x. Further, in the region y, the polarization of the capacitor MFM2 largely changes with the change of the voltage V, but the polarization of the capacitor MFM1 hardly changes with the change of the voltage V. As a result, the combined value of both changes sharply in the first half of the region y, but changes more gently than when the capacitor MFM2 alone is used.
【0056】このように、本実施形態の多値メモリは、
抗電圧が互いに異なる2つの強誘電体キャパシタを有す
るため、図6に示すような一般的なヒステリシス形状と
は異なり、図10にC点で示すような準安定点を持つ。
このため、書込み電圧が4V付近では、電圧変化に対す
る分極の変化が緩やかになっており、書込み電圧がノイ
ズなどにより揺らいだ場合でも、分極の変化を小さく抑
えることができる。As described above, the multi-valued memory of this embodiment is
Since it has two ferroelectric capacitors having mutually different coercive voltages, it has a metastable point as shown by point C in FIG. 10, unlike the general hysteresis shape as shown in FIG.
Therefore, when the write voltage is around 4 V, the change in polarization with respect to the voltage change is gradual, and even if the write voltage fluctuates due to noise or the like, the change in polarization can be suppressed to a small level.
【0057】なお、この効果を得るためには、ヒステリ
シス曲線において電圧変化に対する分極の変化が急峻に
なる領域がずれていることが必要であることから、キャ
パシタの抗電圧が互いに異なっている必要がある。特
に、分極が0から飽和するまでの前半過程において、電
圧の変化に対する分極の変化率が相異なる2つの誘電体
材料を用いることにより、準安定点を確実に得ることが
できる。同様に、キャパシタを3個以上並列に並べたと
きも、キャパシタの抗電圧の差が十分に異なっているこ
とが必要となる。In order to obtain this effect, it is necessary that the region where the change in polarization becomes steep with respect to the change in voltage on the hysteresis curve is deviated, so that the coercive voltages of the capacitors must be different from each other. is there. In particular, in the first half process of polarization from 0 to saturation, the metastable point can be reliably obtained by using two dielectric materials having different polarization change rates with respect to voltage changes. Similarly, when three or more capacitors are arranged in parallel, it is necessary that the difference in the coercive voltage of the capacitors be sufficiently different.
【0058】図9は、キャパシタMFM1及びキャパシ
タMFM2に加えて面積がこれらのキャパシタと等しい
キャパシタMFM3をさらに加えたときのキャパシタの
P−V特性を示す図である。同図に破線で示したがキャ
パシタ全体のP−V特性である。キャパシタが2つのと
きと同様にキャパシタの抗電圧が互いに異なっているた
め、ヒステリシス曲線において準安定点Fをさらに形成
することができる。また、このときC点はC’点に移動
する。これにより、少なくとも4値以上を安定に記録す
ることができる。FIG. 9 is a diagram showing the P-V characteristic of the capacitor when the capacitor MFM1 and the capacitor MFM2 are additionally added with a capacitor MFM3 having an area equal to these capacitors. The dashed line in the figure shows the PV characteristic of the entire capacitor. Since the coercive voltages of the capacitors are different from each other as in the case of two capacitors, a metastable point F can be further formed in the hysteresis curve. At this time, point C moves to point C '. As a result, at least four or more values can be recorded stably.
【0059】次に、本実施形態における並列強誘電体キ
ャパシタの多値動作の駆動法について説明する。Next, a driving method for multivalued operation of the parallel ferroelectric capacitors in this embodiment will be described.
【0060】まず、図10のA,S,C,D,Pの各点
を結んだ線は、各電圧を印加したときのキャパシタの分
極を表している。−8Vから印加電圧を上げるとキャパ
シタの分極はA点の状態からS点、C点へと矢印の方向
に変化していく。8Vの電圧を印加すると、キャパシタ
の分極は飽和し、これ以上の電圧を印加してもD点の状
態で分極は増加しない。そして、一度キャパシタに印加
する電圧を8Vまで上げた後、電圧を下げると、キャパ
シタの分極状態はP点を経てA点に向かい、−8Vのと
きにA点の状態に戻る。First, the line connecting the points A, S, C, D and P in FIG. 10 represents the polarization of the capacitor when each voltage is applied. When the applied voltage is increased from -8 V, the polarization of the capacitor changes from the state at point A to the points S and C in the direction of the arrow. When a voltage of 8 V is applied, the polarization of the capacitor is saturated, and even if a voltage higher than this is applied, the polarization does not increase at the point D. Then, once the voltage applied to the capacitor is raised to 8V and then lowered, the polarization state of the capacitor goes to the point A through the point P, and returns to the state of the point A at -8V.
【0061】ここで、キャパシタMFM1及びキャパシ
タMFM2の状態について説明すると、−8Vの電圧が
キャパシタに印加されたA点の状態では、図6,図7か
らも分かるようにキャパシタMFM1及びキャパシタM
FM2の分極が負電荷で飽和している。この状態でキャ
パシタに印加した電圧を除荷すると印加電圧が0Vとな
り、S点の状態になる。なお、キャパシタMFM1とキ
ャパシタMFM2の面積は同じであるので、キャパシタ
MFMsの分極値は、図6,図7に示すキャパシタMF
M1とキャパシタMFM2の平均値となっている(図8
参照)。Now, the states of the capacitors MFM1 and MFM2 will be described. In the state of point A where a voltage of -8 V is applied to the capacitors, as can be seen from FIGS. 6 and 7, the capacitors MFM1 and MFM are shown.
The polarization of FM2 is saturated with a negative charge. When the voltage applied to the capacitor is unloaded in this state, the applied voltage becomes 0 V, and the state at point S is reached. Since the areas of the capacitors MFM1 and MFM2 are the same, the polarization value of the capacitors MFMs is the same as the capacitors MF shown in FIGS.
It is the average value of M1 and capacitor MFM2 (Fig. 8
reference).
【0062】次に、S点の状態から印加電圧を約4Vに
上げると、キャパシタMFM1の分極は正電荷で飽和さ
れ、キャパシタMFM2は正電荷を持つが飽和していな
い状態となる。2つのキャパシタの分極が平均されて、
準安定点であるC点の状態になる。なお、図10には、
ノイズマージンを考慮して3.5Vの電圧をキャパシタ
に印加し、状態Bとなる場合が示されている。続いて、
印加した電圧を除荷すると、分極がほぼ0μC/cm2の
状態Qとなる。Next, when the applied voltage is raised to about 4 V from the state of the point S, the polarization of the capacitor MFM1 is saturated with positive charge, and the capacitor MFM2 has a positive charge but is not saturated. The polarization of the two capacitors is averaged,
The state becomes point C, which is a metastable point. In addition, in FIG.
A case where a voltage of 3.5 V is applied to the capacitor in consideration of the noise margin and the state becomes the state B is shown. continue,
When the applied voltage is unloaded, the polarization becomes the state Q of approximately 0 μC / cm 2 .
【0063】次に、キャパシタに印加する電圧を8Vま
で上げるとキャパシタはD点の状態となり、このときキ
ャパシタMFM1とキャパシタMFM2の分極はともに
正電荷で飽和している。この後、電圧を除荷すると、キ
ャパシタは点Pの状態となる。Next, when the voltage applied to the capacitor is raised to 8 V, the capacitor is in the state of point D, and at this time, the polarizations of the capacitors MFM1 and MFM2 are both saturated with positive charges. After this, when the voltage is unloaded, the capacitor is at point P.
【0064】次に、キャパシタに印加する電圧を−8V
まで下げるとキャパシタはA点の状態に戻る。Next, the voltage applied to the capacitor is -8V.
Then, the capacitor returns to the state of point A.
【0065】このように、本実施形態の多値メモリは、
例えば−8V,3.5V及び8Vの3通りの書込み電圧
を印加することによりノイズ等に対して安定に記憶動作
をすることができる。As described above, the multi-valued memory of this embodiment is
For example, by applying three kinds of write voltages of -8V, 3.5V and 8V, it is possible to perform a stable storage operation against noise and the like.
【0066】図11は、本実施形態の多値メモリについ
て、それぞれ+8V,+3.5V及び−8Vで書込み後
に、読出し電圧であるゲート電圧を変化させた場合のド
レイン電流を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the drain current when the gate voltage which is the read voltage is changed after writing at +8 V, +3.5 V and −8 V in the multi-valued memory of this embodiment.
【0067】同図に示すように、例えば読出し電圧が2
〜3Vの範囲では、各状態でドレインへ流れる電流値は
お互いに1桁以上の差異が認められており、安定して記
憶情報の読出しが可能であることが分かる。As shown in the figure, for example, when the read voltage is 2
In the range of up to 3 V, the current values flowing to the drain in each state are different from each other by one digit or more, which shows that the stored information can be stably read.
【0068】次に、特に書込みが不安定になりやすいヒ
ステリシス曲線の途中の点での書込みについて、飽和電
圧の半分の電圧での書込み電圧が、10%揺らいだ場合
を例に取って説明する。Next, writing at a point midway in the hysteresis curve where writing is apt to become unstable will be described by taking a case where the writing voltage at a voltage half the saturation voltage fluctuates by 10% as an example.
【0069】図12は、単一の強誘電体キャパシタを備
えた従来の多値メモリについて、書込み電圧が10%揺
らいだ際に、分極値にどの程度揺らぎが生じるかを説明
するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining how the polarization value fluctuates when the write voltage fluctuates by 10% in the conventional multi-valued memory having a single ferroelectric capacitor. is there.
【0070】また、図13は、図12のA部で示した部
分を拡大して示した図である。FIG. 13 is an enlarged view of the portion indicated by A in FIG.
【0071】図12及び図13から、従来技術の方式で
は、途中の分極状態を得るにはヒステリシス曲線におい
て分極が急峻に変化する部分を使わざるを得ないため、
10%程度の揺らぎに対して(図13参照)、本来1.
7μC/cm2の分極値を期待すべきところ、分極値は
1.4〜2.0μC/cm2の間で大きく変動することが
理解される。From FIGS. 12 and 13, in the method of the prior art, in order to obtain the polarization state in the middle, there is no choice but to use the portion in which the polarization sharply changes in the hysteresis curve.
For fluctuations of about 10% (see FIG. 13), 1.
Where to expect the polarization value of 7 .mu.C / cm 2, the polarization value is understood to vary significantly between 1.4~2.0μC / cm 2.
【0072】一方、図14は、本実施形態の多値メモリ
において、図12,図13と同様に書込み電圧が揺らい
だ際の分極値の揺らぎを説明するための図であり、図1
5は、図14に示すB部を拡大したものである。On the other hand, FIG. 14 is a diagram for explaining the fluctuation of the polarization value when the write voltage fluctuates in the multi-valued memory of this embodiment, as in FIGS. 12 and 13, and FIG.
5 is an enlarged view of the portion B shown in FIG.
【0073】図14及び図15から、本実施形態の多値
メモリにおいては、書込み電圧の揺らぎに対する分極変
化の急峻性が、従来技術に対して大幅に改善されること
が理解される。例えば、本来−0.15μC/cm2の分
極値を期待するところ、±10%の電圧揺らぎに対する
分極値の変動は−0.1〜−0.2μC/cm2程度と、
揺らぎの幅が従来技術の0.6μC/cm2に対して0.
1μC/cm2以下と大幅に改善されている。これは、強
誘電体キャパシタを並列接続し、且つお互いの抗電圧を
変化させることにより、ヒステリシスの途中に準安定点
が生じるためである。It is understood from FIGS. 14 and 15 that the steepness of the polarization change with respect to the fluctuation of the write voltage is significantly improved in the multi-valued memory of this embodiment as compared with the prior art. For example, the original place expect polarization value of -0.15μC / cm 2, the -0.1~-0.2μC / cm 2 degree variation in the polarization value for ± 10% of the voltage fluctuation,
The fluctuation width is less than 0.6 μC / cm 2 of the prior art.
It is significantly improved to 1 μC / cm 2 or less. This is because the ferroelectric capacitors are connected in parallel and the mutual coercive voltages are changed, so that a metastable point occurs in the middle of the hysteresis.
【0074】これら、書込み電圧(書込み電界強度)の
揺らぎについては、ノイズのほか強誘電体層の膜厚変動
や、強誘電体層の結晶性の差による誘電率の変動などに
よっても、生じうるものであり、±10%程度の書込み
電圧の揺らぎが起こることは実用条件で十分考えられ
る。These fluctuations in the write voltage (write field strength) can be caused by noise, fluctuations in the film thickness of the ferroelectric layer, fluctuations in the dielectric constant due to the difference in crystallinity of the ferroelectric layer, and the like. However, the fluctuation of the write voltage of about ± 10% can be sufficiently considered under the practical condition.
【0075】よって、本実施形態の多値メモリの構造
は、分極値の揺らぎを抑制することによりプロセス上の
マージンを広げることを可能にするので、実際的なデバ
イス製造において有用である。Therefore, the structure of the multi-valued memory of the present embodiment makes it possible to widen the process margin by suppressing the fluctuation of the polarization value, and is useful in practical device manufacturing.
【0076】図16、図17はともに、キャパシタMF
M1の強誘電体膜厚が100nmでキャパシタMFM2
の強誘電体膜厚が1000nmのときに、それぞれのキ
ャパシタ面積比を変化させたときの、実効分極値を示す
図である。なお、図16(a)〜(d)、図17(a)
〜(d)のD,A,B,Eの各点は、それぞれプラス側
最大分極,マイナス側最大分極,プラス側中間分極,マ
イナス側中間分極を書き込む電圧を示しており、その後
電圧を除荷したときの分極値は、それぞれ、P,S,
Q、Rとなる。16 and 17 both show the capacitor MF.
The ferroelectric film thickness of M1 is 100 nm and the capacitor MFM2 is
FIG. 3 is a diagram showing effective polarization values when the respective capacitor area ratios are changed when the ferroelectric film thickness is 1000 nm. 16 (a) to 16 (d) and FIG. 17 (a)
Points (D), (A), (B), and (E) in (d) indicate voltages for writing the positive maximum polarization, the negative maximum polarization, the positive intermediate polarization, and the negative intermediate polarization, respectively, and then unloading the voltage. The polarization values at that time are P, S, and
Q and R.
【0077】図16(a)〜(d)は、キャパシタMF
M2の面積をキャパシタMFM1に対して、徐々に増加
させた場合の実効分極を示す図である。同図に示すよう
に、キャパシタMFM2の面積比率が増加するにつれ、
ヒステリシス曲線におけるB点を通過する領域及びE点
を通過する領域での電圧変化に対する分極の変化が急峻
になる。16A to 16D show the capacitor MF.
It is a figure which shows the effective polarization when the area of M2 is gradually increased with respect to the capacitor MFM1. As shown in the figure, as the area ratio of the capacitor MFM2 increases,
In the region passing the point B and the region passing the point E in the hysteresis curve, the polarization changes sharply with respect to the voltage change.
【0078】一方、図17(a)〜(d)は逆にキャパ
シタMFM1の面積比率を増加させた場合を示してい
る。同図に示すように、このときヒステリシス曲線にお
けるB点を通過する領域及びE点を通過する領域での電
圧変化に対する分極の変化が緩やかになっている。以上
のことから、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2
の面積比率については、キャパシタMFM1の方を大き
くする方が、より書込み電圧の揺らぎに強い多値メモリ
を実現できることが分かる。しかし、図17(d)から
も理解されるように、極端にキャパシタMFM1の面積
が大きくなると、図のP点とQ点、及びS点とR点が接
近し、データの判別が困難になる。よって、本実施形態
では、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2の面積
比(MFM1の面積/MFM2の面積)が0.5から2
の間とすることで、記憶情報の分離性が高く、且つ安定
な多値動作を実現している。On the other hand, FIGS. 17A to 17D show the case where the area ratio of the capacitor MFM1 is increased. As shown in the figure, at this time, the change in polarization with respect to the voltage change in the region passing through the point B and the region passing through the point E in the hysteresis curve is gradual. From the above, the capacitors MFM1 and MFM2
As for the area ratio of, the larger the capacitor MFM1, the more the multi-valued memory which is more resistant to the fluctuation of the write voltage can be realized. However, as can be understood from FIG. 17D, when the area of the capacitor MFM1 becomes extremely large, the points P and Q, and the points S and R in the figure come close to each other, making it difficult to determine the data. . Therefore, in this embodiment, the area ratio of the capacitors MFM1 and MFM2 (area of MFM1 / area of MFM2) is 0.5 to 2
By setting the interval between the two, it is possible to realize a stable multi-valued operation with high separability of stored information.
【0079】ただし、Q点、R点の代わりに実効分極値
が0μC/cm2の点を取る場合、つまり3種類の分極を
用いる場合にはキャパシタMFM1とキャパシタMFM
2の面積比(MFM1の面積/MFM2の面積)は、ほ
ぼ0.2から2の間でも記憶情報の分離性は良好に保た
れる。However, when the effective polarization value is 0 μC / cm 2 instead of the Q point and the R point, that is, when three types of polarization are used, the capacitor MFM1 and the capacitor MFM are used.
Even if the area ratio of 2 (area of MFM1 / area of MFM2) is approximately 0.2 to 2, good separability of stored information is maintained.
【0080】以上、本実施形態によれば、電界効果トラ
ンジスタのゲート電極に分極方向が互いに同じで抗電圧
の異なる2つ以上の強誘電体キャパシタを接続すること
で書込み電圧の多少の揺らぎに対してドレイン電流の揺
らぎが少ない多値メモリが実現できる。As described above, according to the present embodiment, by connecting two or more ferroelectric capacitors having the same polarization direction but different coercive voltages to the gate electrode of the field effect transistor, it is possible to prevent some fluctuations in the write voltage. It is possible to realize a multi-valued memory with less fluctuation in drain current.
【0081】これにより、高集積且つ安定な半導体メモ
リを提供できるのみならず、複数の抵抗値を提供する不
揮発トランジスタとして、脳のニューロンを模倣したニ
ューロン素子への応用なども考えられる。As a result, not only a highly integrated and stable semiconductor memory can be provided, but also a non-volatile transistor providing a plurality of resistance values can be applied to a neuron element which imitates a brain neuron.
【0082】次に、図18は、本発明の実施形態の多値
メモリの変型例を示す断面図である。この多値メモリ
は、図3に示す本実施形態の多値メモリと第2の強誘電
体層18以外の部分は同一の構造であるので、構造の説
明は省略する。Next, FIG. 18 is a sectional view showing a modified example of the multi-valued memory according to the embodiment of the present invention. Since this multi-valued memory has the same structure as the multi-valued memory of the present embodiment shown in FIG. 3 except for the second ferroelectric layer 18, the description of the structure will be omitted.
【0083】ここで示す多値メモリは、図3に示す本実
施形態の多値メモリの第2の強誘電体層18に代えて常
誘電体を用いたものである。The multi-valued memory shown here uses a paraelectric material in place of the second ferroelectric layer 18 of the multi-valued memory of this embodiment shown in FIG.
【0084】例えば、本実施形態の変形例においては常
誘電体層20としてスパッタ法により形成した膜厚10
0nmの酸化タンタルを用いている。酸化タンタル層の
比誘電率は、本実施形態ではおよそ25である。この場
合、常誘電体層の静電容量は強誘電体層の静電容量の1
/4程度であるため、MFM2に印加した電圧の1/5
が強誘電体層に印加されることとなる。このため、見か
けの抗電圧は5倍となるので、キャパシタ全体の分極が
飽和するまでの間に準安定点を持たせることができる。For example, in the modification of this embodiment, the paraelectric layer 20 has a film thickness of 10 formed by the sputtering method.
0 nm tantalum oxide is used. The relative permittivity of the tantalum oxide layer is about 25 in this embodiment. In this case, the capacitance of the paraelectric layer is 1 of the capacitance of the ferroelectric layer.
Since it is about / 4, it is ⅕ of the voltage applied to MFM2.
Will be applied to the ferroelectric layer. For this reason, the apparent coercive voltage becomes five times, so that a metastable point can be provided until the polarization of the entire capacitor is saturated.
【0085】なお、本実施形態においては、異なる抗電
圧の強誘電体キャパシタを得るのに、強誘電体層の膜厚
を100nmと500nm、または100nmと100
0nmとしたが、これ以外に任意の膜厚にすることで、
キャパシタの抗電圧を変化させることができる。In this embodiment, in order to obtain ferroelectric capacitors having different coercive voltages, the thickness of the ferroelectric layer is 100 nm and 500 nm, or 100 nm and 100 nm.
Although it is set to 0 nm, by setting an arbitrary film thickness in addition to this,
The coercive voltage of the capacitor can be changed.
【0086】また、異なる材料の強誘電体をそれぞれの
強誘電体キャパシタに適用しても強誘電体層の膜厚を変
化させることと同様の効果が得られる。例えば、本実施
の形態のBITでは抗電界はおよそ20kV/cm程度
であったが、PZTでは40kV/cm程度と、抗電界
が異なるため、同じ膜厚であればキャパシタの抗電圧は
2倍となる。Further, even when the ferroelectrics made of different materials are applied to the respective ferroelectric capacitors, the same effect as changing the film thickness of the ferroelectric layer can be obtained. For example, in the BIT of the present embodiment, the coercive electric field is about 20 kV / cm, but in PZT, the coercive electric field is about 40 kV / cm. Become.
【0087】また、本実施形態の多値メモリとして、特
に強誘電体キャパシタを2つ備えた場合について説明を
行なったが、抗電圧の異なる強誘電体キャパシタを図9
に示すように3つ以上接続しても、同様にヒステリシス
に準安定点が増加するため、さらに多値の強誘電体ゲー
トメモリを実現できる。Further, as the multi-valued memory of this embodiment, the case where two ferroelectric capacitors are provided has been described, but the ferroelectric capacitors having different coercive voltages are shown in FIG.
Even if three or more transistors are connected as shown in FIG. 5, the metastable points increase in the hysteresis as well, so that a more multi-valued ferroelectric gate memory can be realized.
【0088】また、本実施形態の多値メモリにおいて、
キャパシタMFM1の分極とキャパシタMFM2の分極
の正負は一致していたが、これらを互いに逆向きに分極
させることもできる。In the multivalued memory of this embodiment,
The positive and negative polarities of the capacitor MFM1 and the capacitor MFM2 are the same, but they can be polarized in opposite directions.
【0089】(第2の実施形態)図19は、本発明の第
2の実施形態に係る多値メモリの構造を示す断面図であ
る。同図に示すように、本実施形態の多値メモリは、p
型のSi基板1と、Si基板1上に形成されたシリコン
酸化物からなる素子分離膜(図示せず)と、Si基板1
上に形成されたシリコン酸化物からなるゲート絶縁膜
と、ゲート絶縁膜の上に形成されたPt/TiNからな
るゲート電極/下部電極26と、ゲート電極/下部電極
26の上に形成されたBITからなる厚さ100nmの
第1の強誘電体層27と、第1の強誘電体層27の上に
形成され、幅がゲート電極の幅の半分以下である第1の
上部電極29と、第1の強誘電体層27の上に形成され
た幅がゲート電極の幅の半分以下である厚さ400nm
のBITからなる第2の強誘電体層28と、第2の強誘
電体層28の上に形成された第2の上部電極30と、ゲ
ート絶縁膜7の上に形成され、ゲート電極/下部電極2
6,第1の強誘電体層27,第1の上部電極29,第2
の強誘電体層28,第1の上部電極29及び第2の上部
電極30の側方を埋める層間絶縁膜31と、層間絶縁膜
を貫通して第1の上部電極29及び第2の上部電極30
に接続するプラグ配線32とを備えている。ここで、ゲ
ート電極/下部電極26は、ゲート電極がキャパシタの
下部電極と一体化している。(Second Embodiment) FIG. 19 is a sectional view showing the structure of a multilevel memory according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the multi-valued memory of this embodiment has p
Type Si substrate 1, an element isolation film (not shown) made of silicon oxide formed on the Si substrate 1, and the Si substrate 1
A gate insulating film made of silicon oxide formed above, a gate electrode / lower electrode 26 made of Pt / TiN formed on the gate insulating film, and a BIT formed on gate electrode / lower electrode 26 A first ferroelectric layer 27 having a thickness of 100 nm, a first upper electrode 29 formed on the first ferroelectric layer 27 and having a width not more than half the width of the gate electrode, The thickness formed on the ferroelectric layer 27 of No. 1 is less than half the width of the gate electrode, and the thickness is 400 nm.
Second ferroelectric layer 28 made of BIT, a second upper electrode 30 formed on the second ferroelectric layer 28, and a gate electrode / lower portion formed on the gate insulating film 7. Electrode 2
6, first ferroelectric layer 27, first upper electrode 29, second
Of the ferroelectric layer 28, the first upper electrode 29, and the second upper electrode 30, and an interlayer insulating film 31 filling the sides of the ferroelectric layer 28, and the first upper electrode 29 and the second upper electrode penetrating the interlayer insulating film. Thirty
And a plug wiring 32 connected to. Here, in the gate electrode / lower electrode 26, the gate electrode is integrated with the lower electrode of the capacitor.
【0090】本実施形態において、第1の上部電極2
9,第1の強誘電体27及び下部電極26からなるキャ
パシタMFM1と第2の上部電極30,第2の強誘電体
層28,第1の強誘電体層26及び下部電極26からな
るキャパシタMFM2の抗電圧は互いに異なっている。
よって、キャパシタ全体のヒステリシス曲線において準
安定点が形成されるので、本実施形態の多値メモリによ
れば、第1の実施形態の多値メモリと同様に記憶情報の
分離性が高く、且つ安定な多値動作を実現することがで
きる。In this embodiment, the first upper electrode 2
9, a capacitor MFM1 including the first ferroelectric 27 and the lower electrode 26 and a second upper electrode 30, a second ferroelectric layer 28, a capacitor MFM2 including the first ferroelectric layer 26 and the lower electrode 26. The coercive voltages of are different from each other.
Therefore, a metastable point is formed in the hysteresis curve of the entire capacitor. Therefore, according to the multi-valued memory of the present embodiment, as in the multi-valued memory of the first embodiment, the stored information is highly separable and stable. It is possible to realize various multi-valued operations.
【0091】本実施形態の多値メモリにおいては、中間
電極を形成する必要がないため、第1の実施形態の多値
メモリと比べ、製造工程数を少なくすることができ、製
造コストを抑えることができる。In the multi-valued memory of this embodiment, since it is not necessary to form the intermediate electrode, the number of manufacturing steps can be reduced and the manufacturing cost can be suppressed as compared with the multi-valued memory of the first embodiment. You can
【0092】また、本実施形態で用いた第2の強誘電体
層28の代わりに常誘電体層を用いても、キャパシタM
FM1及びキャパシタMFM2の抗電圧を互いに異なる
ように形成することができる。Even if a paraelectric layer is used instead of the second ferroelectric layer 28 used in this embodiment, the capacitor M
The coercive voltages of the FM1 and the capacitor MFM2 may be formed to be different from each other.
【0093】(第3の実施形態)図20は、本発明の第
3の実施形態に係る多値メモリを示す回路図である。同
図に示すように、本実施形態の多値メモリは、ゲートが
ワード線WLに接続されドレインがビット線BLに接続
された1つの選択トランジスタTr1と、選択トランジ
スタTr1のソースに並列に接続された強誘電体を有す
るキャパシタMFM1及び強誘電体を有するキャパシタ
MFM2とからなる。本実施形態の多値メモリにおい
て、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2の抗電圧
は互いに異なっている。(Third Embodiment) FIG. 20 is a circuit diagram showing a multilevel memory according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, the multi-valued memory of this embodiment is connected in parallel to one selection transistor Tr1 whose gate is connected to the word line WL and whose drain is connected to the bit line BL, and the source of the selection transistor Tr1. And a capacitor MFM1 having a ferroelectric substance and a capacitor MFM2 having a ferroelectric substance. In the multi-valued memory of this embodiment, the coercive voltages of the capacitors MFM1 and MFM2 are different from each other.
【0094】本実施形態の多値メモリは、FeRAMと
呼ばれる、キャパシタの分極反転時に流れる電流量によ
り、情報を読み出すメモリである。このとき、本実施形
態の多値メモリでは、第1及び第2の実施形態で説明し
たように、異なる抗電圧のキャパシタを並列接続するこ
とにより、安定して複数の残留分極値を得ることが可能
である。本実施形態の多値メモリの情報読み出し動作
は、例えばワード線WLに所定の電圧、例えば8Vを保
持しておき、選択トランジスタTr1をOn(導通)状
態にした際にワード線WLの電圧の降下度合いによりT
r1を経由して流れた電流量を判断し、情報の読み出し
を行っている。ここで、強誘電体キャパシタの残留分極
状態により、分極反転の量が異なるため、Tr1を経由
して流れる電流量に差異が生じることとなる。例えば、
図8のP点、Q点、S点の順で電流量(絶対値)が大き
く検出されることとなる。すなわち、多値のFeRAM
を実現することができる。The multi-valued memory of this embodiment is a memory called FeRAM for reading out information by the amount of current flowing when the polarization of the capacitor is inverted. At this time, in the multi-valued memory of this embodiment, as described in the first and second embodiments, a plurality of remanent polarization values can be stably obtained by connecting capacitors having different coercive voltages in parallel. It is possible. In the information read operation of the multi-valued memory according to the present embodiment, for example, a predetermined voltage, for example, 8V is held on the word line WL, and the voltage of the word line WL drops when the selection transistor Tr1 is turned on (conductive). T depending on the degree
Information is read by determining the amount of current flowing through r1. Here, since the amount of polarization reversal differs depending on the remanent polarization state of the ferroelectric capacitor, the amount of current flowing through Tr1 also differs. For example,
A large amount of current (absolute value) is detected in the order of points P, Q, and S in FIG. That is, multi-valued FeRAM
Can be realized.
【0095】この構造によっても、第1の実施形態の多
値メモリと同様に、記憶情報の分離性が高く、且つ安定
な多値動作を実現することができる。With this structure as well, similar to the multi-valued memory of the first embodiment, it is possible to realize stable multi-valued operation with high separability of stored information.
【0096】(第4の実施形態)図21は、本発明の第
4の実施形態に係る多値メモリを示す等価回路図であ
る。本実施形態の多値メモリは、第1の実施形態に係る
多値メモリのゲート電極9とキャパシタMFM2の間に
キャパシタ40を挿入した構成をとっている。すなわ
ち、本実施形態の多値メモリは、MISトランジスタ
と、MISトランジスタのゲート電極9に対して並列に
接続され、共に強誘電体を有するキャパシタMFM1及
びキャパシタMFM2と、ゲート電極9とキャパシタM
FM2の間に設けられたキャパシタ40とを備えてい
る。なお、図21では、図5と同じ部材には同じ符号を
付けている。また、キャパシタMFM1及びキャパシタ
MIF2の面積や、強誘電体層の厚みは第1の実施形態
と同一とする。キャパシタ40は、常誘電体を有するキ
ャパシタであるが、強誘電体キャパシタであってもよ
い。(Fourth Embodiment) FIG. 21 is an equivalent circuit diagram showing a multilevel memory according to the fourth embodiment of the present invention. The multi-valued memory according to the present embodiment has a configuration in which a capacitor 40 is inserted between the gate electrode 9 and the capacitor MFM2 of the multi-valued memory according to the first embodiment. That is, the multi-valued memory according to the present embodiment includes a MIS transistor, a capacitor MFM1 and a capacitor MFM2 that are connected in parallel to the gate electrode 9 of the MIS transistor and both have a ferroelectric substance, and the gate electrode 9 and the capacitor M.
And a capacitor 40 provided between FM2. 21, the same members as those in FIG. 5 are designated by the same reference numerals. The areas of the capacitors MFM1 and MIF2 and the thickness of the ferroelectric layer are the same as those in the first embodiment. The capacitor 40 is a capacitor having a paraelectric material, but may be a ferroelectric capacitor.
【0097】第1の実施形態の多値メモリに電圧が印加
された場合、キャパシタMFM1とキャパシタMFM2
に加わる電圧は互いに等しかったが、本実施形態の多値
メモリでは、キャパシタMFM2とキャパシタ40とに
分配される電圧の和とキャパシタMFM1に分配される
電圧とが等しくなっている。When a voltage is applied to the multi-valued memory of the first embodiment, the capacitors MFM1 and MFM2
However, in the multi-valued memory of this embodiment, the sum of the voltages distributed to the capacitors MFM2 and 40 is equal to the voltage distributed to the capacitor MFM1.
【0098】そのため、多値メモリに同一電圧を印加し
た時のキャパシタMFM2に分配される電圧は、第1の
実施形態でのキャパシタMFM2よりも小さくなってお
り、見かけの抗電圧が大きくなっている。本実施形態の
多値メモリも、キャパシタMFM1とキャパシタMFM
2の抗電圧が異なっており、そのヒステリシスループに
おいて準安定点を持っている。従って、本実施形態の多
値メモリは、安定に多値を保持することが可能である。Therefore, the voltage distributed to the capacitor MFM2 when the same voltage is applied to the multilevel memory is smaller than that of the capacitor MFM2 in the first embodiment, and the apparent coercive voltage is large. . The multi-valued memory according to this embodiment also includes the capacitors MFM1 and MFM.
The two coercive voltages are different and have a metastable point in their hysteresis loop. Therefore, the multi-valued memory of this embodiment can stably hold multi-valued data.
【0099】また、強誘電体キャパシタとMISトラン
ジスタのゲート電極との間に少なくとも1つのキャパシ
タを挿入することで、見かけの抗電圧を任意に調節する
ことができるので、設計の自由度を大きくすることがで
きる。なお、本実施形態においては、キャパシタMFM
1とキャパシタMFM2の抗電圧が異なる例を示した
が、キャパシタ40を挿入することでキャパシタMFM
2の見かけの抗電圧が変化するため2つのキャパシタの
抗電圧が互いに同じであっても安定に多値を保持する多
値メモリを実現することができる。また、本実施形態の
多値メモリは、キャパシタMFM1とキャパシタMFM
2の強誘電体層を同時に形成できる点で有利である。By inserting at least one capacitor between the ferroelectric capacitor and the gate electrode of the MIS transistor, the apparent coercive voltage can be adjusted arbitrarily, so that the degree of freedom in design is increased. be able to. In this embodiment, the capacitor MFM
1 shows an example in which the coercive voltage of the capacitor MFM2 is different from that of the capacitor MFM2.
Since the apparent coercive voltage of 2 changes, it is possible to realize a multi-valued memory that stably holds multi-valued even if the coercive voltages of two capacitors are the same. In addition, the multi-valued memory according to the present embodiment includes the capacitors MFM1 and MFM.
This is advantageous in that two ferroelectric layers can be formed at the same time.
【0100】なお、本実施形態ではキャパシタMFM2
とMISトランジスタのゲート電極9の間に1つのキャ
パシタを挿入した例を示したが、2つ以上のキャパシタ
を挿入してもよい。In the present embodiment, the capacitor MFM2
Although an example in which one capacitor is inserted between the gate electrode 9 and the gate electrode 9 of the MIS transistor is shown, two or more capacitors may be inserted.
【0101】(第5の実施形態)以下、本発明の第5の
実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しなが
ら説明する。(Fifth Embodiment) A semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0102】図22は、本実施形態の半導体装置を示す
等価回路図である。同図から分かるように、本実施形態
の半導体装置は、制御電圧供給部110と、電界効果ト
ランジスタ(以下MOSトランジスタと表記)と、この
MOSトランジスタのゲート電極109と制御電圧供給
部110との間に互いに並列に介設された誘電体キャパ
シタ104及び抵抗素子106とを有することを特徴と
している。FIG. 22 is an equivalent circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment. As can be seen from the figure, the semiconductor device of this embodiment includes a control voltage supply unit 110, a field effect transistor (hereinafter referred to as a MOS transistor), a gate electrode 109 of the MOS transistor, and a control voltage supply unit 110. It is characterized in that it has a dielectric capacitor 104 and a resistance element 106 which are interposed in parallel with each other.
【0103】次に、図23には、本実施形態の半導体装
置の上面図を、図24には図23のXXIV-XXIV線におけ
る断面図を、図25には図23のXXV-XXV線における断
面図を示す。なお、図23においては、見やすくするた
めにハッチングを省略して示し、また最上面の構成物の
み実線で示している。さらに、図24、図25と同一で
ある部分についても、図を見やすくするため一部省略し
て示している。また、図24、図25においても、切断
面より奥にある構成物について、図を見やすくするため
にその一部を省略して示している。Next, FIG. 23 is a top view of the semiconductor device of this embodiment, FIG. 24 is a sectional view taken along line XXIV-XXIV of FIG. 23, and FIG. 25 is taken along line XXV-XXV of FIG. A sectional view is shown. In FIG. 23, hatching is omitted for clarity, and only the uppermost component is shown by a solid line. Further, the same portions as those in FIGS. 24 and 25 are also partially omitted for easy understanding of the drawings. Further, also in FIGS. 24 and 25, a part of the components located behind the cut surface is omitted for the sake of easy viewing.
【0104】図23、図24、図25に示すように、本
実施形態の半導体装置は、例えば活性領域を有するP型
のSi基板101と、Si基板101の活性領域と対向
する面上に設けられた基板電極108(図22にのみ図
示)と、Si基板101上に設けられた活性領域を囲む
素子分離用酸化膜105と、Si基板101上に設けら
れたSiO2 からなる厚さ5nmのゲート絶縁膜107
と、ゲート絶縁膜107の上に設けられたリンを含むポ
リシリコンからなるゲート電極109と、Si基板10
1のうちゲート電極109の両側方に設けられたN型不
純物を含むドレイン領域103a及びソース領域103
bと、Si基板101上に設けられたSiO2 などの絶
縁体からなる第1の層間絶縁膜111と、第1の層間絶
縁膜111の上に設けられた厚さ20nmの窒化チタン
(TiN)膜と厚さ50nmのPt膜とからなるパッド
部115a,115b及び中間電極114と、第1の層
間絶縁膜111を貫通してゲート電極109と中間電極
114とを接続するポリシリコンからなるプラグ配線1
13aと、第1の層間絶縁膜111を貫通してドレイン
領域103aとパッド部115a,ソース領域103b
とパッド部115bとをそれぞれ接続するポリシリコン
からなるプラグ配線113b及び113cと、第1の層
間絶縁膜111の上に設けられた厚さ100nmのチタ
ン酸バリウム・ストロンチウム(以下BSTと表記す
る)からなる誘電体層116と、誘電体層116の上に
設けられた厚さ50nmのPtからなる上部電極119
と、誘電体層116の上に設けられた第2の層間絶縁膜
121と、第2の層間絶縁膜121を貫通して上部電極
119に至るAlSiCu合金等の導電体からなる配線
125aと、誘電体層116及び第2の層間絶縁膜12
1を貫通してパッド部115a,115bにそれぞれ至
るAlSiCu合金等の導電体からなる配線125b及
び125cとを有している。As shown in FIGS. 23, 24, and 25, the semiconductor device of this embodiment is provided, for example, on a P-type Si substrate 101 having an active region and on a surface of the Si substrate 101 facing the active region. The formed substrate electrode 108 (illustrated only in FIG. 22), the element isolation oxide film 105 surrounding the active region provided on the Si substrate 101, and the SiO 2 provided on the Si substrate 101 with a thickness of 5 nm. Gate insulating film 107
And a gate electrode 109 made of polysilicon containing phosphorus provided on the gate insulating film 107, and the Si substrate 10.
1, the drain region 103a and the source region 103 including N-type impurities provided on both sides of the gate electrode 109.
b, a first interlayer insulating film 111 made of an insulator such as SiO 2 provided on the Si substrate 101, and titanium nitride (TiN) having a thickness of 20 nm provided on the first interlayer insulating film 111. Film and a pad portion 115a, 115b made of a Pt film having a thickness of 50 nm and the intermediate electrode 114, and a plug wiring made of polysilicon that penetrates the first interlayer insulating film 111 and connects the gate electrode 109 and the intermediate electrode 114. 1
13a and the first interlayer insulating film 111, the drain region 103a, the pad portion 115a, and the source region 103b.
From plug wirings 113b and 113c made of polysilicon for connecting the pad and the pad portion 115b, respectively, and barium strontium titanate (hereinafter referred to as BST) having a thickness of 100 nm provided on the first interlayer insulating film 111. And the upper electrode 119 made of Pt and having a thickness of 50 nm provided on the dielectric layer 116.
A second interlayer insulating film 121 provided on the dielectric layer 116, a wire 125a made of a conductor such as an AlSiCu alloy, which penetrates the second interlayer insulating film 121 and reaches the upper electrode 119, Body layer 116 and second interlayer insulating film 12
Wirings 125b and 125c made of a conductor such as an AlSiCu alloy or the like and penetrating 1 to reach the pad portions 115a and 115b, respectively.
【0105】また、中間電極114及び上部電極119
の寸法は共に2.5μm×4μmであり、ゲート電極1
09を有するMOSトランジスタと同じサイズである。Also, the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119.
The dimensions of both are 2.5 μm × 4 μm.
It is the same size as the MOS transistor having the 09.
【0106】なお、本実施形態の半導体装置において
は、誘電体層116と、これを挟む中間電極114及び
上部電極119とはキャパシタを構成しているが、誘電
体層116は同時に抵抗素子106(図22参照)にも
なっている。このことを含めた半導体装置の動作につい
ては後で詳述する。In the semiconductor device of this embodiment, the dielectric layer 116 and the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119 sandwiching the dielectric layer 116 form a capacitor, but the dielectric layer 116 simultaneously forms the resistance element 106 ( (See FIG. 22). The operation of the semiconductor device including this will be described in detail later.
【0107】次に、本実施形態の半導体装置の製造方法
について、以下、図26を用いて説明する。Next, a method of manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described below with reference to FIG.
【0108】図26は、本実施形態の半導体装置の製造
工程を示す図23のXXV-XXV線における断面図である。
なお、図26のXXV-XXV断面において図示されない、あ
るいは図示しない構造物については、図23〜25の説
明において用いた符号を使用して説明する。FIG. 26 is a sectional view taken along line XXV-XXV in FIG. 23, showing the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.
Structures not shown or not shown in the XXV-XXV cross section of FIG. 26 will be described using the reference numerals used in the description of FIGS.
【0109】図26(a)に示す工程で、P型のSi基
板101上に形成した図示しない窒化シリコン膜をマス
クとして基板の酸化処理を行ない、素子分離用酸化膜1
05を形成する(LOCOS法)。次に、窒化シリコン
膜を例えば昇温した燐酸などを用いて除去した後、基板
を900℃でパイロ酸化することにより厚さ5nmのS
iO2 からなるSiO2 膜をSi基板101上に形成す
る。その後、LPCVD法などにより、リンなどのn型
不純物を導入したポリシリコンをSiO2 膜上に堆積し
てからドライエッチングによりパターニングしてゲート
絶縁膜107及びゲート電極109を形成する。次い
で、ゲート電極109をマスクとしてボロン等のp型不
純物を注入してから900℃、30分の熱処理を行なう
ことにより、Si基板101のうちゲート電極109の
両側方にドレイン領域103a及びソース領域103b
を形成する。なお、本工程により作製されるMOSトラ
ンジスタは、ゲート長が1μm、ゲート幅が10μmで
ある。In the step shown in FIG. 26A, the substrate is oxidized by using a silicon nitride film (not shown) formed on the P-type Si substrate 101 as a mask, and the element isolation oxide film 1 is formed.
05 is formed (LOCOS method). Next, the silicon nitride film is removed by using, for example, heated phosphoric acid, and the substrate is pyrooxidized at 900 ° C.
A SiO 2 film made of iO 2 is formed on the Si substrate 101. After that, polysilicon into which an n-type impurity such as phosphorus is introduced is deposited on the SiO 2 film by the LPCVD method or the like, and then patterned by dry etching to form the gate insulating film 107 and the gate electrode 109. Then, by implanting a p-type impurity such as boron with the gate electrode 109 as a mask and performing a heat treatment at 900 ° C. for 30 minutes, the drain region 103a and the source region 103b are formed on both sides of the gate electrode 109 in the Si substrate 101.
To form. The MOS transistor manufactured by this process has a gate length of 1 μm and a gate width of 10 μm.
【0110】次に、図26(b)に示す工程において、例
えばLPCVD法により基板上にSiO2 を堆積して第
1の層間絶縁膜111を形成する。その後、第1の層間
絶縁膜111上にレジストマスクパターン(図示せず)
を形成してから第1の層間絶縁膜111をドライエッチ
ングすることによりゲート電極109、ドレイン領域1
03a及びソース領域103bに至るコンタクト窓をそ
れぞれ形成する。次いで、LPCVD法などにより基板
上にポリシリコンを堆積した後でCMP法により基板表
面を平坦化し、各コンタクト窓を埋めるプラグ配線11
3a、113b、113cをそれぞれ形成する。次に、
スパッタ法により第1の層間絶縁膜111の上にTiN
を20nm堆積した後、同じくスパッタ法によりPtを
50nm堆積する。続いて、スパッタ法で堆積させたS
iO2 膜をパターニングして形成した図示しないハード
マスクを用いて、Pt/TiNをArミリングによりパ
ターニングしてプラグ配線113aの上に中間電極11
4を、プラグ配線113bの上にパッド部115aを、
プラグ配線113cの上にパッド部115bをそれぞれ
形成する。その後、希釈したフッ酸などでハードマスク
を除去する。Next, in the step shown in FIG. 26B, SiO 2 is deposited on the substrate by, for example, the LPCVD method to form the first interlayer insulating film 111. Then, a resist mask pattern (not shown) is formed on the first interlayer insulating film 111.
Then, the first interlayer insulating film 111 is dry-etched to form the gate electrode 109 and the drain region 1.
Contact windows reaching 03a and the source region 103b are formed respectively. Next, after depositing polysilicon on the substrate by the LPCVD method or the like, the substrate surface is flattened by the CMP method and the plug wiring 11 for filling each contact window is formed.
3a, 113b, 113c are formed respectively. next,
TiN is deposited on the first interlayer insulating film 111 by the sputtering method.
Is deposited to a thickness of 20 nm, and then Pt is deposited to a thickness of 50 nm by the same sputtering method. Then, S deposited by the sputtering method
Using a hard mask (not shown) formed by patterning the iO 2 film, Pt / TiN is patterned by Ar milling to form the intermediate electrode 11 on the plug wiring 113a.
4, the pad portion 115a on the plug wiring 113b,
Pad portions 115b are formed on the plug wirings 113c, respectively. After that, the hard mask is removed with diluted hydrofluoric acid or the like.
【0111】なお、ここでTiN層は、Ptと多結晶シ
リコンがシリサイドを形成して抵抗が増加するのを防ぐ
ために形成している。Here, the TiN layer is formed in order to prevent Pt and polycrystalline silicon from forming silicide to increase resistance.
【0112】次に、図26(c)に示す工程で、スパッタ
法などにより基板温度550℃、酸素分圧20%、RF
パワー100Wの条件で第1の層間絶縁膜111の上に
BSTを堆積し、厚さ100nmの誘電体層116を形
成する。そして、スパッタ法により誘電体層116の上
にPtを堆積した後、図示しないSiO2 からなるハー
ドマスクを用いたArミリングにより堆積したPt層を
パターニングし、誘電体層116を挟んで中間電極11
4と対向する位置に上部電極119を形成する。その
後、希釈したフッ酸などでハードマスクを除去する。Next, in the step shown in FIG. 26C, the substrate temperature is 550 ° C., the oxygen partial pressure is 20%, and the RF
BST is deposited on the first interlayer insulating film 111 under the condition of power of 100 W to form a dielectric layer 116 having a thickness of 100 nm. Then, after Pt is deposited on the dielectric layer 116 by the sputtering method, the Pt layer deposited by Ar milling using a hard mask made of SiO 2 ( not shown) is patterned, and the intermediate electrode 11 is sandwiched with the dielectric layer 116 in between.
The upper electrode 119 is formed at a position opposed to No. 4. After that, the hard mask is removed with diluted hydrofluoric acid or the like.
【0113】なお、本実施形態では、中間電極114及
び上部電極119の寸法は2.5μm×4μmとし、M
OSトランジスタのサイズと同じにしている。In this embodiment, the dimensions of the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119 are 2.5 μm × 4 μm, and M
The size is the same as that of the OS transistor.
【0114】次に、図26(d)に示す工程で、TEOS
(テトラエトキシシラン)を用いたプラズマCVDによ
りSiO2 を堆積した後、CMP法により平坦化するこ
とにより第2の層間絶縁膜121を形成する。その後、
レジストマスクを用いて第2の層間絶縁膜121及び誘
電体層116をドライエッチングすることによりコンタ
クト窓を形成する。続いて、スパッタ法によりAlSi
Cu合金を基板上に堆積した後、レジストマスクを用い
てドライエッチングすることで第2の層間絶縁膜121
上から上部電極119に至る配線125a、パッド部1
15aに至る配線125b及びパッド部115bに至る
配線125cをそれぞれ形成する。なお、配線125a
は図示しない制御電圧供給部110に接続されている。Next, in the step shown in FIG. 26D, TEOS is performed.
After depositing SiO 2 by plasma CVD using (tetraethoxysilane), the second interlayer insulating film 121 is formed by planarizing by CMP. afterwards,
A contact window is formed by dry etching the second interlayer insulating film 121 and the dielectric layer 116 using a resist mask. Then, AlSi is formed by the sputtering method.
After depositing the Cu alloy on the substrate, dry etching is performed using a resist mask to remove the second interlayer insulating film 121.
Wiring 125a from the top to the upper electrode 119, pad portion 1
A wiring 125b reaching 15a and a wiring 125c reaching the pad portion 115b are formed. Note that the wiring 125a
Is connected to a control voltage supply unit 110 (not shown).
【0115】以上の方法により図22に記載の半導体装
置が製造される。The semiconductor device shown in FIG. 22 is manufactured by the above method.
【0116】本実施形態の半導体装置は、図22に示す
等価回路で示される構成を有しているが、実際には図2
3〜6に示すように、中間電極114と上部電極119
により誘電体層116を挟みこんだ構造の誘電体キャパ
シタ104が、さらに図22に示す電気抵抗としても動
作している。すなわち、図22の誘電体キャパシタ10
4と抵抗素子106とが同一物であって、電気抵抗は誘
電体キャパシタの抵抗成分となっている。このため、本
実施形態の半導体装置では、誘電体キャパシタ104と
抵抗素子106とが別個に設けられる場合に比べ、図2
2に示す等価回路で表される構造をより簡便な構成で実
現している。The semiconductor device of this embodiment has the structure shown by the equivalent circuit shown in FIG.
As shown in FIGS. 3 to 6, the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119.
Thus, the dielectric capacitor 104 having the structure in which the dielectric layer 116 is sandwiched also operates as the electric resistance shown in FIG. That is, the dielectric capacitor 10 of FIG.
4 and the resistance element 106 are the same, and the electric resistance is the resistance component of the dielectric capacitor. Therefore, in the semiconductor device of the present embodiment, as compared with the case where the dielectric capacitor 104 and the resistance element 106 are provided separately, FIG.
The structure represented by the equivalent circuit shown in 2 is realized with a simpler configuration.
【0117】次に、本実施形態の半導体装置の駆動方法
及び動作について以下に説明する。Next, the driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment will be described below.
【0118】図27は、BSTからなる誘電体層116
を有する誘電体キャパシタ104の両電極に電圧を印加
した際に、誘電体層116を通過して中間電極114と
上部電極119の間に流れる通過電流の特性を示した図
である。同図に示すように、BSTという材料は、電界
強度が小さい間は、ほぼ抵抗値が一定である特性を有す
るため、電圧に比例する通過電流値が得られる。ただ
し、図27では縦軸をログスケールとしているため、特
性を表すグラフは、0Vを挟んで正と負の電圧範囲で線
対称な曲線として示されている。FIG. 27 shows a dielectric layer 116 made of BST.
FIG. 6 is a diagram showing characteristics of a passing current that passes through the dielectric layer 116 and flows between the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119 when a voltage is applied to both electrodes of the dielectric capacitor 104 having a. As shown in the figure, the material BST has a characteristic that the resistance value is substantially constant while the electric field strength is small, so that a passing current value proportional to the voltage can be obtained. However, in FIG. 27, since the vertical axis is the log scale, the graph showing the characteristics is shown as a line-symmetrical curve in the positive and negative voltage ranges across 0V.
【0119】このような特性の誘電体層116を有する
本実施形態の半導体装置の駆動方法及び動作について以
下説明する。The driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment having the dielectric layer 116 having such characteristics will be described below.
【0120】図28は、本実施形態の半導体装置の駆動
方法及び動作を説明するためのドレイン電流−印加電圧
の特性図である。図28に示すグラフの横軸はSi基板
101と配線125aとの間に印加する電圧(以下、単
に印加電圧と表記)を、縦軸はドレイン領域103aと
ソース領域103bとの間を流れるドレイン電流をそれ
ぞれ示している。 なお、本実施形態を含む以降の実施
形態の半導体装置においてドレイン電流−印加電圧の特
性を測定する際には、全てドレイン領域103aとソー
ス領域103bとの間には1Vを印加して評価を行って
いる。FIG. 28 is a drain current-applied voltage characteristic diagram for explaining the driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 28 represents the voltage applied between the Si substrate 101 and the wiring 125a (hereinafter simply referred to as applied voltage), and the vertical axis represents the drain current flowing between the drain region 103a and the source region 103b. Are shown respectively. Note that when measuring the characteristics of the drain current-applied voltage in the semiconductor devices of the following embodiments including this embodiment, the evaluation is performed by applying 1 V between the drain region 103a and the source region 103b. ing.
【0121】本実施形態の半導体装置においては、Si
基板101とゲート電極109とによりゲート絶縁膜1
07を挟みこむ構造のMOSキャパシタと、中間電極1
14と上部電極119とにより誘電体層116を挟みこ
む構造の誘電体キャパシタ104とが直列接続された構
造となるため、印加電圧は、それぞれのキャパシタに分
配されて印加されることとなる。In the semiconductor device of this embodiment, Si
The gate insulating film 1 is formed by the substrate 101 and the gate electrode 109.
MOS capacitor having a structure sandwiching 07 and the intermediate electrode 1
Since the dielectric capacitor 104 having the structure in which the dielectric layer 116 is sandwiched by the upper electrode 14 and the upper electrode 119 is connected in series, the applied voltage is distributed and applied to each capacitor.
【0122】例えば、図28に示す本実施形態の半導体
装置の測定では、印加電圧を−3Vから+3Vの範囲と
しているが、最大電圧である+3Vを印加した際に、そ
れぞれMOSと誘電体キャパシタには、2.2Vと0.
8Vがそれぞれ分配されている。図27に示すとおり、
誘電体キャパシタは、ここで測定した−0.8V以上
0.8V以下の電圧範囲では、リーク電流が非常に小さ
くなっている。For example, in the measurement of the semiconductor device of the present embodiment shown in FIG. 28, the applied voltage is in the range of -3V to + 3V, but when the maximum voltage of + 3V is applied, the MOS and the dielectric capacitor are respectively applied. Is 2.2V and 0.
8V is distributed respectively. As shown in FIG. 27,
The dielectric capacitor has a very small leak current in the voltage range of −0.8 V or higher and 0.8 V or lower measured here.
【0123】図28に示すように、初期状態の本実施形
態の半導体装置は、例えば1MHz程度の高周波数のパ
ルス電圧で半導体装置を高速動作させると、点Aと点O
とを含む特性曲線(以下A−O曲線と称する)上を移動
する特性を示す。As shown in FIG. 28, in the semiconductor device of this embodiment in the initial state, when the semiconductor device is operated at a high speed with a high frequency pulse voltage of, for example, about 1 MHz, points A and O are obtained.
A characteristic of moving on a characteristic curve including (hereinafter, referred to as an A-O curve) is shown.
【0124】なお、A−O曲線には、およそ0V以下が
図示されていないが、この領域でのドレイン電流はノイ
ズレベルであり、10-8 (A)より十分小さい電流レ
ベルであった。そのため、例えば印加電圧が3Vのとき
には約1×10-3(A)のドレイン電流が流れ(図28
の点A)、その後、印加電圧を0Vとするとドレイン電
流はノイズレベルとなる(図28の点O)。つまり、本
実施形態の半導体装置は、1MHz程度の高速で動作さ
せた場合、印加電圧に応じてドレイン電流が増加し、M
OSトランジスタと同様の動作を示す。Although not shown in the A-O curve at about 0 V or less, the drain current in this region was a noise level, which was a current level sufficiently smaller than 10 -8 (A). Therefore, for example, when the applied voltage is 3 V, a drain current of about 1 × 10 −3 (A) flows (see FIG. 28).
Point A), and then, when the applied voltage is set to 0 V, the drain current becomes a noise level (point O in FIG. 28). That is, when the semiconductor device of the present embodiment is operated at a high speed of about 1 MHz, the drain current increases in accordance with the applied voltage, and M
The same operation as the OS transistor is shown.
【0125】次に、図28の点Aの状態、すなわち上部
電極119に+3Vの電圧を印加した状態を保持する
と、誘電体層116の通過電流により電荷が徐々に中間
電極114に蓄積される。この状態では、中間電極に接
続されたMOSトランジスタのゲート電極109にも電
荷が蓄積されてMOSトランジスタの閾値が変化し、半
導体装置の印加電圧−ドレイン電流の特性も変化する。Next, when the state at point A in FIG. 28, that is, the state in which a voltage of +3 V is applied to the upper electrode 119 is maintained, electric charges are gradually accumulated in the intermediate electrode 114 due to the passing current of the dielectric layer 116. In this state, charges are also accumulated in the gate electrode 109 of the MOS transistor connected to the intermediate electrode, the threshold value of the MOS transistor changes, and the applied voltage-drain current characteristic of the semiconductor device also changes.
【0126】例えば、+3Vの印加電圧を100秒間保
持した後、1MHz程度で上部電極119に電圧を印加
すると、図28の点Bと点Cとを含む曲線を描くように
特性が変化する。すなわち、印加電圧の大きさと保持時
間の積により、MOSトランジスタの印加電圧−ドレイ
ン電流特性(以下、VG−ID特性と表記)を変化させ
ることが可能である。For example, when the applied voltage of +3 V is held for 100 seconds and then the voltage is applied to the upper electrode 119 at about 1 MHz, the characteristics change so as to draw a curve including points B and C in FIG. That is, it is possible to change the applied voltage-drain current characteristic (hereinafter referred to as VG-ID characteristic) of the MOS transistor by the product of the magnitude of the applied voltage and the holding time.
【0127】初期状態と+3V、100秒間保持した後
の状態とでは、+2Vの印加電圧に対するドレイン電流
で1桁以上、0Vの印加電圧に対するドレイン電流では
5桁以上の差があるので、例えば本実施形態の半導体装
置をメモリとして用いた場合に、ドレイン電流を検出す
ることで多値情報を読みとることができる。Since there is a difference of 1 digit or more in the drain current with respect to the applied voltage of + 2V and a difference of 5 digits or more in the drain current with respect to the applied voltage of 0V between the initial state and the state after holding for 100 seconds at + 3V. When the semiconductor device having the above-described structure is used as a memory, multivalued information can be read by detecting a drain current.
【0128】このように、本実施形態の半導体装置で
は、誘電体キャパシタ104の抵抗値がほぼ一定と見な
せる範囲の電圧を上部電極119に長時間印加し続ける
ことにより、これを書込み情報として、初期状態に比べ
て印加電圧に対するドレイン電流が大きくなるようにM
OSトランジスタ部分の特性を変調させられる。これに
対し、図示はしないが、−3Vなどの負電圧で保持する
ことにより、初期状態に比べて印加電圧に対するドレイ
ン電流が流れにくくなるようにMOSトランジスタ部分
の特性を変調することも可能である。As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the voltage within the range in which the resistance value of the dielectric capacitor 104 can be considered to be substantially constant is continuously applied to the upper electrode 119 for a long time, and this is used as write information in the initial stage. The drain current with respect to the applied voltage becomes larger than that in the state M
The characteristics of the OS transistor portion can be modulated. On the other hand, although not shown, by holding a negative voltage such as -3V, it is possible to modulate the characteristics of the MOS transistor portion so that the drain current with respect to the applied voltage becomes less likely to flow than in the initial state. .
【0129】以上のように、本実施形態の半導体装置に
よれば、多値メモリとして機能する従来の半導体装置と
は全く異なる駆動方法により記憶動作を行なうことがで
きる。As described above, according to the semiconductor device of this embodiment, the storage operation can be performed by a driving method which is completely different from that of the conventional semiconductor device functioning as a multi-valued memory.
【0130】また、本実施形態の半導体装置は、それま
での書込み情報の履歴を反映して特性が変化するので、
単なる多値メモリとしての応用だけでなく、ニューロン
素子への適用も可能である。Further, since the semiconductor device of this embodiment changes its characteristics by reflecting the history of write information up to that time,
It can be applied not only as a multi-valued memory but also as a neuron element.
【0131】ニューロン素子への応用する場合、多数の
本実施形態の半導体装置を互いに接続され、配線125
aには荷重信号が、ドレイン領域103aには前段ニュ
ーロン素子からの出力信号が加えられる。このとき、配
線125aへ印加される電圧が高く、そのパルス幅が長
い場合、半導体装置からの電流が流れやすくなる。この
ようなニューロン素子への応用については後の実施形態
で詳述する。When applied to a neuron element, a large number of semiconductor devices of this embodiment are connected to each other and wiring 125
A weight signal is applied to a and an output signal from the preceding neuron element is applied to the drain region 103a. At this time, when the voltage applied to the wiring 125a is high and the pulse width thereof is long, current from the semiconductor device easily flows. The application to such a neuron element will be described in detail in later embodiments.
【0132】なお、本実施形態の半導体装置において、
+3Vの印加電圧を100秒間保持して図28のB−C
曲線で示される状態にした後、例えば配線125aを接
地することで、この半導体装置の特性曲線は、B−C曲
線からA−O曲線へと徐々に戻っていき、およそ100
秒間でA−O曲線に示す特性へと復帰することとなる。
これは、書込み情報の記憶とは逆の動作を示すものであ
り、一度書き込まれた情報を、時間の経過とともに「忘
却」する機能も有することを示している。なお、実際の
素子の動作はたとえば100MHzなどの高速で行うた
め、このような忘却の機能は、長期間信号が入力されな
い場合に有効となる。つまり、忘却機能により、使用頻
度の低い部分には、次の学習動作が入力されたときに効
果的に変化が生じるので、素子の学習機能を向上させる
ことができる。In the semiconductor device of this embodiment,
Hold the applied voltage of + 3V for 100 seconds, and
The characteristic curve of this semiconductor device gradually returns from the BC curve to the AO curve by, for example, grounding the wiring 125a after the state shown by the curve is reached, and the characteristic curve is about 100.
It returns to the characteristic shown by the A-O curve in a second.
This shows an operation reverse to the storage of the written information, and indicates that the information once written has a function of "forgetting" with the passage of time. Since the actual operation of the device is performed at a high speed such as 100 MHz, such a forgetting function is effective when a signal is not input for a long period of time. That is, the forgetting function effectively changes the less frequently used portion when the next learning operation is input, so that the element learning function can be improved.
【0133】なお、本実施形態の半導体装置は、電圧印
加を保持する時間により中間電極114及びゲート電極
109に蓄積する電荷量を調節し、それによりドレイン
電流の流れやすさを制御するものであるが、情報の書込
み速度と同様に、忘却の速度についても、通過電流が電
圧に対して比例的に変化する電圧範囲において、通過電
流の大きさを制御することにより調節が可能である。In the semiconductor device of this embodiment, the amount of charge accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109 is adjusted depending on the time during which the voltage application is maintained, thereby controlling the ease of drain current flow. However, like the information writing speed, the forgetting speed can be adjusted by controlling the magnitude of the passing current in the voltage range in which the passing current changes in proportion to the voltage.
【0134】図29は、本実施形態の半導体装置におけ
る誘電体キャパシタ104中を流れる通過電流と復帰時
間の相関を示した。ここで、復帰時間とは、書込み電圧
を印加してから半導体装置が初期状態に戻るまでに要す
る時間(すなわち、情報を忘却するまでの時間)をい
う。FIG. 29 shows the correlation between the passing current flowing through the dielectric capacitor 104 and the recovery time in the semiconductor device of this embodiment. Here, the recovery time is the time required from the application of the write voltage until the semiconductor device returns to the initial state (that is, the time until the information is forgotten).
【0135】図29から、誘電体層116の抵抗値が一
定と見なせる電圧範囲内において、復帰時間は、通過電
流が大きいほど短くなる傾向が見られる。これは、書込
み電圧により中間電極114及びゲート電極109に蓄
積された電荷が通過電流としてリークしていくことを示
している。From FIG. 29, it can be seen that within a voltage range where the resistance value of the dielectric layer 116 can be regarded as constant, the recovery time tends to become shorter as the passing current increases. This indicates that the charge accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109 is leaked as a passing current due to the write voltage.
【0136】なお、ここでは、記憶情報の保持の観点か
ら、誘電体キャパシタ104の両端に1Vの電圧を印加
した際の通過電流が100(mA/cm2)以下であるよ
うにし、復帰時間が10μsec以上の保持時間とする
ことで、計算時間に対し、トランジスタの変調記憶が相
対的に十分長く保持されるようにしている。なお、デー
タを保持したい時間に対し、通過電流が十分に小さけれ
ばよい。Here, from the viewpoint of holding stored information, the passing current when a voltage of 1 V is applied across the dielectric capacitor 104 is set to 100 (mA / cm 2 ) or less, and the recovery time is set. By setting the holding time to 10 μsec or more, the modulation memory of the transistor is held sufficiently long with respect to the calculation time. It is sufficient that the passing current is sufficiently small with respect to the time for which the data is desired to be retained.
【0137】例えば、本実施形態の半導体装置において
は、図27のグラフより1V印加時の通過電流はおよそ
10-8(A/cm2 )であるため、保持時間は図29よ
り100秒程度である。For example, in the semiconductor device of this embodiment, the graph of FIG. 27 shows that the passing current when 1 V is applied is about 10 −8 (A / cm 2 ), so the holding time is about 100 seconds as shown in FIG. is there.
【0138】以上、本実施形態の半導体装置は、MOS
トランジスタのゲート電極に、誘電体キャパシタと電気
抵抗素子とを並列接続した構成をとることにより、通常
のMOSトランジスタに、信号の履歴を印加電圧−ドレ
イン電流特性の変化として記憶させることを可能にする
ものである。As described above, the semiconductor device of this embodiment has the MOS
By adopting a configuration in which a dielectric capacitor and an electric resistance element are connected in parallel to the gate electrode of the transistor, it becomes possible to store the history of signals in a normal MOS transistor as a change in applied voltage-drain current characteristics. It is a thing.
【0139】なお、本実施形態の半導体装置において
は、誘電体キャパシタ104と抵抗素子106を同一物
とすることで、構成を簡略化している。これにより、例
えば、ドレイン領域103aをビット線に、配線125
aをワード線に接続して本実施形態の半導体装置をメモ
リセルとして利用すれば、面積の小さい多値メモリを作
製することができる。また、本実施形態の半導体装置を
ニューロン素子として使用する場合でも、高集積化が可
能となる利点がある。In the semiconductor device of this embodiment, the dielectric capacitor 104 and the resistance element 106 are the same, so that the structure is simplified. Thereby, for example, the drain region 103a is used as a bit line and the wiring 125 is used.
If a is connected to a word line and the semiconductor device of this embodiment is used as a memory cell, a multi-valued memory with a small area can be manufactured. Further, even when the semiconductor device of this embodiment is used as a neuron element, there is an advantage that high integration can be achieved.
【0140】ただし、一度記憶した情報は、復帰時間が
経過すると失われてしまうため、誘電体キャパシタ10
4と抵抗素子106とを別個に作製し、抵抗素子を通過
電流がより流れにくい材料で構成してもよい。これによ
り、より長時間情報を保持することが可能となる。However, since the information once stored is lost after the recovery time elapses, the dielectric capacitor 10
4 and the resistance element 106 may be separately manufactured, and the resistance element may be made of a material through which a passing current is less likely to flow. This makes it possible to hold information for a longer time.
【0141】なお、本実施形態の半導体装置において、
誘電体材料としてBSTの場合について説明したが、膜
を通過して電流が流れる材料であれば、代替可能であ
る。このような材料として、チタン酸ストロンチウム、
酸化チタン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ジ
ルコニウム、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化ラ
ンタンなどが特に有効である。In the semiconductor device of this embodiment,
Although the case of using BST as the dielectric material has been described, any material that allows current to flow through the film can be substituted. As such a material, strontium titanate,
Titanium oxide, tantalum oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, cerium oxide, gadolinium oxide, and lanthanum oxide are particularly effective.
【0142】なお、上部電極119に印加される電圧の
誘電体キャパシタとMOSトランジスタとの分配比はキ
ャパシタの容量に反比例するので、誘電体材料の変更、
電極面積の変更、誘電体層116またはゲート絶縁膜の
膜厚の変更などにより各素子に分配される電圧を適宜変
えることができる。Since the distribution ratio of the voltage applied to the upper electrode 119 between the dielectric capacitor and the MOS transistor is inversely proportional to the capacitance of the capacitor, it is necessary to change the dielectric material.
The voltage distributed to each element can be appropriately changed by changing the electrode area, changing the film thickness of the dielectric layer 116 or the gate insulating film, and the like.
【0143】また、MOSトランジスタのゲート絶縁膜
の材料は、本実施形態においてはSiO2 を用いたが、
例えばシリコン窒化膜など、他の絶縁体や誘電体などを
用いてもよい。また、MOSトランジスタに限らず、電
界効果トランジスタであれば、本実施形態の半導体装置
に用いることができる。これは、以後の実施形態につい
ても同様である。Further, as the material of the gate insulating film of the MOS transistor, SiO 2 was used in the present embodiment,
For example, another insulator or dielectric such as a silicon nitride film may be used. Further, not only MOS transistors but also field effect transistors can be used in the semiconductor device of this embodiment. This also applies to the subsequent embodiments.
【0144】また、本実施形態の半導体装置において
は、書込み時間を印加電圧+3Vの条件で100秒とし
たが、これは書込み時間の一例であって、中間電極に蓄
積される電荷が飽和しているわけではない。電荷が飽和
するまでの時間はもう少し長く、また上述のような装置
の設計変更によってもこの時間は変わる。また、書込み
電圧は誘電体層116の抵抗値が一定の範囲内であれば
+3Vに限らないが、低電圧であれば書込みに要する時
間がさらに長くなる。In the semiconductor device of this embodiment, the write time is set to 100 seconds under the condition of the applied voltage of + 3V, but this is an example of the write time, and the charge accumulated in the intermediate electrode is saturated. Not necessarily. The time until the charge is saturated is a little longer, and this time also changes due to the design change of the device as described above. The writing voltage is not limited to + 3V as long as the resistance value of the dielectric layer 116 is within a certain range, but if the voltage is low, the time required for writing becomes longer.
【0145】なお、本実施形態の半導体装置では、誘電
体キャパシタ104中の誘電体層116の抵抗成分が抵
抗素子106ともなっていたが、誘電体キャパシタ10
4と抵抗素子106とを互いに分離して設けてもよい。
その場合、面積は大きくなるが、誘電体層116と抵抗
素子106との構成材料を異なるものとして、抵抗素子
106からのリーク電流を減らす、あるいは書込みに要
する時間を短縮するなど、適宜設計条件を調節すること
ができる。In the semiconductor device of this embodiment, the resistance component of the dielectric layer 116 in the dielectric capacitor 104 is also the resistance element 106.
4 and the resistance element 106 may be provided separately from each other.
In that case, the area becomes large, but appropriate design conditions such as reducing the leak current from the resistance element 106 or shortening the time required for writing by making the constituent materials of the dielectric layer 116 and the resistance element 106 different from each other. It can be adjusted.
【0146】なお、本実施形態の半導体装置において、
中間電極114への電荷蓄積は印加電圧と印加時間の積
に比例している。そのため、ニューロン素子に応用する
場合、最大電圧の印加時間を変化させることで重み付け
を可能としている。さらに、一度入力した信号はその後
の入力がなければ復帰時間の経過後に「忘却」するの
で、演算に使用されるニューロン素子とされないニュー
ロン素子が選別されるなど、従来のニューロン素子に比
べてより長期的に効率的な演算が実現できるものであ
る。In the semiconductor device of this embodiment,
The charge accumulation on the intermediate electrode 114 is proportional to the product of the applied voltage and the applied time. Therefore, when applied to a neuron element, weighting is possible by changing the application time of the maximum voltage. Furthermore, once a signal is input, it is “forgotten” after the recovery time elapses if there is no subsequent input, so that neuron elements that are not used for computation and those that are not used are selected. The efficient calculation can be realized.
【0147】(第6の実施形態)次に、本発明の第6の
実施形態について図面を用いて説明する。(Sixth Embodiment) Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0148】ここでは、第5の実施形態の同一の半導体
装置について、第5の実施形態とは異なる駆動方法を第
6の実施形態として説明する。そのため、以下では半導
体装置の駆動方法及び動作についてのみ説明する。Here, for the same semiconductor device of the fifth embodiment, a driving method different from that of the fifth embodiment will be described as a sixth embodiment. Therefore, only the driving method and operation of the semiconductor device will be described below.
【0149】図30は、図23〜25に示す第5の実施
形態と同一の半導体装置において、BSTからなる誘電
体層116を有する誘電体キャパシタ104の両電極間
に電圧を印加した際に、誘電体層116を通過して中間
電極114と上部電極119の間に流れる通過電流の特
性を示した図である。FIG. 30 shows the same semiconductor device as that of the fifth embodiment shown in FIGS. 23 to 25, when a voltage is applied between both electrodes of a dielectric capacitor 104 having a dielectric layer 116 made of BST. FIG. 6 is a diagram showing characteristics of a passing current that passes through a dielectric layer 116 and flows between an intermediate electrode 114 and an upper electrode 119.
【0150】一般に、BSTなどのペロブスカイト型酸
化物は、電界強度が小さい範囲ではほぼ抵抗値が一定で
あるが、さらに電圧を上昇させると、図30の特性曲線
に示すように、1.3V付近を越えるあたりから通過電
流が指数関数的に増加する特性を有している。また、印
加電圧が負の範囲でも0Vを挟んでほぼ対称の印加電圧
−通過電流特性を示す。Generally, a perovskite type oxide such as BST has a substantially constant resistance value in the range where the electric field strength is small, but when the voltage is further increased, as shown in the characteristic curve of FIG. It has the characteristic that the passing current increases exponentially from around the point where it exceeds. Further, even when the applied voltage is in the negative range, it exhibits substantially symmetrical applied voltage-passing current characteristics across 0V.
【0151】この通過電流の急激な増加は、ショットキ
ー電流として説明できる。すなわち、中間電極114や
上部電極119と誘電体層116の界面において、障壁
高さが存在し、ある電界強度までは、ほとんど電流が流
れない。しかしながら、ある電界強度を越えると、この
障壁を越えて電流が流れるようになる。このような電流
をショットキー電流と呼んでいる。This sudden increase in the passing current can be explained as a Schottky current. That is, there is a barrier height at the interface between the intermediate electrode 114 or the upper electrode 119 and the dielectric layer 116, and almost no current flows up to a certain electric field strength. However, when a certain electric field strength is exceeded, a current flows through this barrier. Such a current is called a Schottky current.
【0152】次に、このような誘電体キャパシタの特性
を利用した本実施形態の半導体装置の駆動方法について
説明する。Next, a method of driving the semiconductor device of this embodiment using the characteristics of the dielectric capacitor will be described.
【0153】図31は、本実施形態の半導体装置の駆動
方法と動作を説明するためのドレイン電流−印加電圧特
性図である。ここで、印加電圧とは配線125a(また
は上部電極119)と基板電極108との間に印加され
る電圧をいう。FIG. 31 is a drain current-applied voltage characteristic diagram for explaining the driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment. Here, the applied voltage refers to a voltage applied between the wiring 125a (or the upper electrode 119) and the substrate electrode 108.
【0154】本実施形態の半導体装置においては、Si
基板101とゲート電極109によりゲート絶縁膜10
7を挟みこむ構造を有するMOSキャパシタと、中間電
極114と上部電極119により誘電体層116を挟み
こむ構造を有する誘電体キャパシタとが直列接続された
構造となるため、印加電圧は、それぞれのキャパシタに
分配されて印加されることとなる。例えば、印加電圧が
+2Vのときには、MOSキャパシタと誘電体キャパシ
タには、それぞれ1.5Vと0.5Vが印加され、印加
電圧が+8Vのときには、MOSキャパシタと誘電体キ
ャパシタ104には、それぞれ6.0Vと2.0Vが、
分配されて印加される。なお、図30から、本実施形態
の誘電体キャパシタ104は、0.5Vの電圧下では、
ほぼ一定抵抗値を持つ抵抗素子として動作し、2.0V
の電圧下では電圧の上昇に対して指数関数的に電流が増
加する、比較的抵抗の小さい抵抗素子として動作するこ
とが分かる。In the semiconductor device of this embodiment, Si
The gate insulating film 10 is formed by the substrate 101 and the gate electrode 109.
Since a MOS capacitor having a structure sandwiching 7 and a dielectric capacitor having a structure sandwiching the dielectric layer 116 by the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119 are connected in series, the applied voltage is applied to each capacitor. Will be distributed and applied. For example, when the applied voltage is + 2V, 1.5V and 0.5V are applied to the MOS capacitor and the dielectric capacitor, respectively, and when the applied voltage is + 8V, the MOS capacitor and the dielectric capacitor 104 are respectively 6. 0V and 2.0V are
It is distributed and applied. Note that, from FIG. 30, the dielectric capacitor 104 of the present embodiment, under the voltage of 0.5 V,
Operates as a resistance element with an almost constant resistance value, 2.0V
It can be seen that under the voltage of 1, the current increases exponentially with the increase of the voltage, and operates as a resistance element having a relatively small resistance.
【0155】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
では、例えば50kHz程度で電圧を印加して半導体装
置を動作させる。In the method of driving the semiconductor device of this embodiment, the semiconductor device is operated by applying a voltage at, for example, about 50 kHz.
【0156】まず、初期状態において、印加電圧を±2
Vの範囲内とすると、本実施形態の半導体装置は、図3
1の点Dと点O’とを含む特性曲線(以下D−O’曲線
と称する)上を移動する特性を示す。なお、D−O’曲
線には、およそ0V以下が示されていないが、この領域
でのドレイン電流はノイズレベルであり、10-8(A)
より十分小さい電流レベルであった。First, in the initial state, the applied voltage is ± 2
Within the range of V, the semiconductor device according to the present embodiment has the structure shown in FIG.
1 shows a characteristic of moving on a characteristic curve including a point D and a point O ′ of 1 (hereinafter referred to as a D-O ′ curve). It should be noted that although the D-O 'curve does not show approximately 0 V or less, the drain current in this region is a noise level and is 10 -8 (A).
It was a sufficiently smaller current level.
【0157】ここで、例えば2Vを印加すると約6×1
0-4のドレイン電流が流れ(点D)、その後で0Vを印
加すると、ほぼノイズレベルの電流しか流れない点Oの
状態に戻る。2Vの以下の電圧を印加してから0Vを印
加した場合でもドレイン電流はほぼノイズレベルとな
る。すなわち、本実施形態の半導体装置は、−2Vから
+2Vまでの印加電圧に対しては、MOSトランジスタ
と同様の動作を示す。Here, for example, when 2 V is applied, about 6 × 1
A drain current of 0 -4 flows (point D), and when 0 V is applied thereafter, the state returns to the state of point O where only a noise level current flows. Even if a voltage of 2 V or less is applied and then 0 V is applied, the drain current is almost at the noise level. That is, the semiconductor device of the present embodiment exhibits the same operation as that of the MOS transistor for the applied voltage of −2V to + 2V.
【0158】次に、例えば+8Vの高電圧を印加する
と、誘電体層116中を流れる通過電流が指数関数的に
増加することで、非常に短時間に中間電極114及びゲ
ート電極109に電荷が蓄積される。本実施形態では、
印加するパルス電圧の周波数を50kHzとして動作を
行っているが、例えば+8V、20μsecのパルス電
圧を印加することで、図31の点E、点Fを含む曲線上
へと特性を変化させることが可能である。つまり、印加
電圧を大きくすることにより、短時間でMOSトランジ
スタのVG−ID特性を変化させることが可能である。
電荷の蓄積に要した時間は第5の実施形態の駆動方法で
は100秒であったのが、本実施形態の駆動方法では2
0μsecへと大幅に短縮されている。Next, when a high voltage of, for example, +8 V is applied, the passing current flowing through the dielectric layer 116 exponentially increases, so that charges are accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109 in a very short time. To be done. In this embodiment,
The operation is performed by setting the frequency of the applied pulse voltage to 50 kHz, but by applying a pulse voltage of, for example, +8 V and 20 μsec, the characteristics can be changed to a curve including points E and F in FIG. Is. That is, it is possible to change the VG-ID characteristics of the MOS transistor in a short time by increasing the applied voltage.
The time required for charge accumulation was 100 seconds in the driving method of the fifth embodiment, but it was 2 seconds in the driving method of the present embodiment.
It is greatly shortened to 0 μsec.
【0159】ここで、本実施形態の半導体装置の動作を
さらに詳細に説明する。+8Vの電圧パルスを印加する
と、誘電体層116を流れる通過電流が指数関数的に増
加するため、中間電極114及びゲート電極109に急
速に電荷が蓄積される。Now, the operation of the semiconductor device of this embodiment will be described in more detail. When a voltage pulse of + 8V is applied, the passing current flowing through the dielectric layer 116 exponentially increases, so that charges are rapidly accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109.
【0160】その後、印加電圧を0Vに戻すと、図31
の点Fの位置へと特性が変化し、ドレイン電流が変化す
る。次に、点Fの状態から、さらに+2Vの電圧を上部
電極119に印加すると、点Eの状態になり約3×10
-3(A)のドレイン電流が流れるが、印加電圧を再度0
Vに戻すと、点Fの状態に復帰する。すなわち、大きい
電圧パルスを入力した後、0〜2V程度の低電圧パルス
を加えても半導体装置のドレイン電流−印加電圧特性は
変化しない。一方、点Fの状態で−2Vの負電圧パルス
を上部電極119に印加すると、半導体装置の状態は点
Gへと移動し、ドレイン電流はおよそ1桁低下する。そ
の後、再び印加電圧を0Vにすると、上述の点Fに近い
点Hの状態となり、点Fの状態よりもややドレイン電流
が小さくなるものの、大きなドレイン電流の変化は見ら
れない。After that, when the applied voltage is returned to 0 V, FIG.
The characteristic changes to the position of point F, and the drain current changes. Next, when a voltage of +2 V is further applied to the upper electrode 119 from the state of the point F, the state of the point E is reached and the voltage becomes about 3 × 10 5.
-3 (A) drain current flows, but apply voltage again to 0
When returning to V, the state of point F is restored. That is, the drain current-applied voltage characteristic of the semiconductor device does not change even if a low voltage pulse of about 0 to 2 V is applied after inputting a large voltage pulse. On the other hand, when a −2V negative voltage pulse is applied to the upper electrode 119 in the state of the point F, the state of the semiconductor device moves to the point G, and the drain current decreases by about one digit. After that, when the applied voltage is set to 0 V again, the state at the point H close to the point F is obtained, and the drain current is slightly smaller than that at the point F, but no large change in the drain current is observed.
【0161】同様の原理により、例えば印加電圧に−8
Vを印加すると、±2Vのスキャンでドレイン電流が極
めて小さい変化となる特性へと変化することはいうまで
もない。According to the same principle, for example, the applied voltage is -8
It goes without saying that when V is applied, the drain current changes to an extremely small change in the scan of ± 2V.
【0162】以上のように、本実施形態の半導体装置の
駆動方法では、誘電体キャパシタ104を流れる通過電
流が印加電圧の上昇に対して指数関数的に増加する電圧
範囲で情報の書込みを行ない、情報の読み出しなどの際
には通過電流が印加電圧にほぼ比例する電圧範囲内でM
OSトランジスタを駆動する。この方法により、第5の
実施形態で示した半導体装置の駆動方法に比べて情報の
書込み時間を大幅に短縮することができる。As described above, in the method of driving the semiconductor device of this embodiment, information is written in the voltage range in which the passing current flowing through the dielectric capacitor 104 exponentially increases with respect to the increase of the applied voltage, When reading information, etc., within the voltage range where the passing current is almost proportional to the applied voltage,
It drives the OS transistor. By this method, the information writing time can be significantly shortened as compared with the semiconductor device driving method shown in the fifth embodiment.
【0163】本実施形態の半導体装置の駆動方法によっ
ても、それまでの書きこみ情報の履歴を素子特性の変化
という形で記憶できるので、本実施形態の半導体装置を
単なる多値メモリとして応用するだけでなく、ニューロ
ン素子として適用することが可能となる。ニューロン素
子として利用する場合、情報の書込み時間を第5の実施
形態の方法よりも大幅に短縮できるので、演算速度を大
きく向上させることができる。According to the method of driving the semiconductor device of this embodiment, the history of writing information up to that time can be stored in the form of a change in element characteristics. Therefore, the semiconductor device of this embodiment is simply applied as a multi-valued memory. Instead, it can be applied as a neuron element. When it is used as a neuron element, the writing time of information can be significantly shortened as compared with the method of the fifth embodiment, so that the calculation speed can be greatly improved.
【0164】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
は、第5の実施形態と異なり、印加電圧パルスの長さで
はなく印加電圧の絶対値の大きさでMOSトランジスタ
のVG−ID特性を変化させることが可能な点が特徴で
ある。すなわち、入力する印加電圧パルスを一定周期と
し、パルスの電圧値の設定のみで、VG-ID特性を変
調することが可能である。The semiconductor device driving method of this embodiment differs from that of the fifth embodiment in that the VG-ID characteristics of the MOS transistor are changed not by the length of the applied voltage pulse but by the magnitude of the absolute value of the applied voltage. The feature is that it can be done. That is, it is possible to modulate the VG-ID characteristic only by setting the input voltage pulse to be a constant cycle and setting the voltage value of the pulse.
【0165】本実施形態の半導体装置の駆動方法におい
ては、書込み電圧を8Vとしたが、さらに高電圧で書込
みを行っても構わない。また、配線125aまたは上部
電極119に印加する電圧が例えば8V以下であって
も、誘電体キャパシタの面積を小さくする、誘電体層の
厚さを厚くするなどの方法により容量を低減し、誘電体
キャパシタに分配される電圧を大きくすることで、書込
み時間を短縮することができる。In the method for driving the semiconductor device of this embodiment, the write voltage is set to 8V, but writing may be performed at a higher voltage. Further, even if the voltage applied to the wiring 125a or the upper electrode 119 is, for example, 8 V or less, the capacitance is reduced by a method such as reducing the area of the dielectric capacitor or increasing the thickness of the dielectric layer. The write time can be shortened by increasing the voltage distributed to the capacitor.
【0166】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
においても、例えば配線125aを接地することで半導
体装置の状態は時間の経過とともに図31のD−O’曲
線で示される初期状態に戻る。すなわち、本実施形態の
半導体装置は第5の実施形態でも述べたとおり、「忘
却」する機能も有する。Also in the semiconductor device driving method of this embodiment, the state of the semiconductor device returns to the initial state shown by the D-O 'curve in FIG. 31 with the passage of time by grounding the wiring 125a, for example. That is, the semiconductor device of this embodiment also has a function of "forgetting" as described in the fifth embodiment.
【0167】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
においては、記憶情報の保持の観点から、誘電体キャパ
シタ104の両端に1Vの電圧を印加した際の通過電流
が100(mA/cm2)以下であるようにし、復帰時間
が10μsec以上の保持時間とすることで、絶対値の
大きい電圧パルスとの差異が明確になるようにしてい
る。これは第5の実施形態の駆動方法と同様の条件であ
るため、本実施形態においては、では、復帰に要した時
間はおよそ100秒となる。In the method of driving the semiconductor device of this embodiment, from the viewpoint of retaining stored information, the passing current when a voltage of 1 V is applied across the dielectric capacitor 104 is 100 (mA / cm 2 ). By setting as below and setting the recovery time to 10 μsec or more, the difference from the voltage pulse having a large absolute value is made clear. Since this is the same condition as the driving method of the fifth embodiment, in the present embodiment, the time required for the recovery is about 100 seconds.
【0168】(第7の実施形態)本発明の第7の実施形
態に係る半導体装置は、第6の実施形態に係る半導体装
置と比べ、構造の一部と、その駆動方法及び動作のみが
異なる。(Seventh Embodiment) The semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention is different from the semiconductor device according to the sixth embodiment only in part of the structure and its driving method and operation. .
【0169】図32は、本実施形態の半導体装置を示す
等価回路図である。同図に示されるように、本実施形態
の半導体装置は、電界効果トランジスタ(以下MOSト
ランジスタと表記)のゲート電極109に、強誘電体キ
ャパシタ104aと抵抗素子106とを並列接続した構
成を有することを特徴としている。FIG. 32 is an equivalent circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment. As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment has a structure in which a ferroelectric capacitor 104a and a resistance element 106 are connected in parallel to a gate electrode 109 of a field effect transistor (hereinafter referred to as a MOS transistor). Is characterized by.
【0170】本実施形態の半導体装置は、第5及び第6
の実施形態の半導体装置とほぼ同様の構造となっている
が、本実施形態の半導体装置では誘電体層116に代え
て強誘電体材料からなる強誘電体層131が用いられて
いる点が上記の実施形態のものと異なる。The semiconductor device of this embodiment has the fifth and sixth structures.
Although the structure is almost the same as that of the semiconductor device of the above embodiment, the semiconductor device of this embodiment uses the ferroelectric layer 131 made of a ferroelectric material instead of the dielectric layer 116. Of the embodiment of FIG.
【0171】すなわち、本実施形態の半導体装置は、制
御電圧供給部110と、ゲート電極109とドレイン領
域103aとソース領域103bと基板電極108とを
有するMOSトランジスタと、MOSトランジスタのゲ
ート電極109と制御電圧供給部110との間に互いに
並列に介設された強誘電体キャパシタ104a及び抵抗
素子106とを有している。また、強誘電体キャパシタ
104aは、上部電極119と、中間電極114と、上
部電極119及び中間電極114に挟まれた厚さ300
nmのチタン酸ビスマス(BIT)からなる強誘電体層
131とからなっている。さらに、本実施形態の半導体
装置においては、強誘電体層131が抵抗素子106と
しても機能している。また、ソース領域103bと基板
電極108とは互いに接続されている。That is, in the semiconductor device of this embodiment, the control voltage supply unit 110, the MOS transistor having the gate electrode 109, the drain region 103a, the source region 103b, and the substrate electrode 108, the gate electrode 109 of the MOS transistor, and the control transistor. It has a ferroelectric capacitor 104a and a resistance element 106 that are provided in parallel with each other with the voltage supply unit 110. Further, the ferroelectric capacitor 104 a has an upper electrode 119, an intermediate electrode 114, and a thickness of 300 between the upper electrode 119 and the intermediate electrode 114.
nm ferroelectric layer 131 made of bismuth titanate (BIT). Further, in the semiconductor device of this embodiment, the ferroelectric layer 131 also functions as the resistance element 106. The source region 103b and the substrate electrode 108 are connected to each other.
【0172】次に、図33(a)〜(d)は、本実施形
態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。同図に
おいて、図26と同一のものには同一符号を附記する。Next, FIGS. 33A to 33D are sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor device of this embodiment. In the figure, the same parts as those in FIG. 26 are designated by the same reference numerals.
【0173】まず、図33(a)に示す工程で、第5の実
施形態と同様の手順で、LOCOS法により素子分離用
酸化膜105をSi基板101上に形成する。次いで、
基板のパイロ酸化により基板上に厚さ5nmのSiO2
膜を形成した後、n型不純物を含むポリシリコンをSi
O2 膜上に堆積し、このSiO2 膜及びポリシリコン層
をパターニングすることにより、ゲート絶縁膜107及
びゲート電極109をSi基板101上にそれぞれ形成
する。次に、ボロンなどのp型不純物を注入し、Si基
板101のうちゲート電極109の両側方にドレイン領
域103a及びソース領域103bを形成する。なお、
本工程により作製されるMOSトランジスタは、ゲート
長が1μm、ゲート幅が10μmである。First, in the step shown in FIG. 33A, the element isolation oxide film 105 is formed on the Si substrate 101 by the LOCOS method in the same procedure as in the fifth embodiment. Then
5 nm thick SiO 2 on the substrate by pyrooxidation of the substrate
After forming the film, the polysilicon containing the n-type impurities is changed to Si.
The gate insulating film 107 and the gate electrode 109 are formed on the Si substrate 101 by depositing on the O 2 film and patterning the SiO 2 film and the polysilicon layer. Then, a p-type impurity such as boron is implanted to form the drain region 103a and the source region 103b on both sides of the gate electrode 109 in the Si substrate 101. In addition,
The MOS transistor manufactured by this step has a gate length of 1 μm and a gate width of 10 μm.
【0174】次に、図33(b)に示す工程で、第5の実
施形態と同様の手順で、基板上にSiO2 からなる第1
の層間絶縁膜111を形成した後、レジストマスクを用
いたドライエッチングによりコンタクト窓を形成し、こ
れをポリシリコンにより埋めることにより、ポリシリコ
ンからなるプラグ配線113a、113b、113c、
をそれぞれ形成する。次いで、プラグ配線113aを介
してゲート電極109に接続する中間電極114、プラ
グ配線113bを介してドレイン領域103aに接続す
るパッド部115a及びプラグ配線113cを介してソ
ース領域103bに接続するプラグ配線15bをそれぞ
れ形成する。各部材の材質は第5の実施形態と同じであ
るが、中間電極の寸法は1μm×2μmとし、その面積
はMOSトランジスタの面積の1/5とする。Next, in the step shown in FIG. 33B, the first step of forming SiO 2 on the substrate is carried out in the same procedure as in the fifth embodiment.
After forming the inter-layer insulation film 111, a contact window is formed by dry etching using a resist mask, and the contact window is filled with polysilicon to form plug wirings 113a, 113b, 113c made of polysilicon.
Are formed respectively. Next, the intermediate electrode 114 connected to the gate electrode 109 via the plug wiring 113a, the pad portion 115a connected to the drain region 103a via the plug wiring 113b, and the plug wiring 15b connected to the source region 103b via the plug wiring 113c are formed. Form each. The material of each member is the same as that of the fifth embodiment, but the size of the intermediate electrode is 1 μm × 2 μm, and its area is 1/5 of the area of the MOS transistor.
【0175】次に、図33(c)に示す工程で、スパッタ
法により基板温度600℃、酸素分圧20%、RFパワ
ー100Wの条件でBITを堆積し、厚さ300nmの
強誘電体層131を基板上に形成する。その後、第5の
実施形態と同様の手順で、強誘電体層131の上の、中
間電極と対向する位置に上部電極119を形成する。な
お、上部電極119の寸法は中間電極114と同じ1μ
m×2μmとし、MOSトランジスタの面積の5分の1
とする。Next, in the step shown in FIG. 33C, BIT is deposited by a sputtering method under the conditions of a substrate temperature of 600 ° C., an oxygen partial pressure of 20% and an RF power of 100 W, and a ferroelectric layer 131 having a thickness of 300 nm is formed. Are formed on the substrate. After that, the upper electrode 119 is formed on the ferroelectric layer 131 at a position facing the intermediate electrode by the same procedure as in the fifth embodiment. The size of the upper electrode 119 is 1 μm which is the same as that of the intermediate electrode 114.
m × 2 μm, 1/5 of the area of MOS transistor
And
【0176】次に、図33(d)に示す工程で、実施の形
態1の半導体装置と同様の手順で、強誘電体層131の
上に第2の層間絶縁膜121を形成する。次に、第2の
層間絶縁膜121上から上部電極119に至る配線12
5aと、第2の層間絶縁膜121上からパッド部115
a及びパッド部115bに至る配線125b、125c
をそれぞれ形成する。Then, in the step shown in FIG. 33D, the second interlayer insulating film 121 is formed on the ferroelectric layer 131 by the same procedure as in the semiconductor device of the first embodiment. Next, the wiring 12 from the second interlayer insulating film 121 to the upper electrode 119
5a and the pad portion 115 from above the second interlayer insulating film 121.
a and wirings 125b and 125c reaching the pad portion 115b
Are formed respectively.
【0177】以上の製造方法により製造される本実施形
態の半導体装置は、図32に示す強誘電体キャパシタ1
04aと抵抗素子106とが同一物であって、抵抗素子
106は、強誘電体キャパシタ104aの抵抗成分とな
っている。The semiconductor device of this embodiment manufactured by the above manufacturing method is the ferroelectric capacitor 1 shown in FIG.
04a and the resistance element 106 are the same thing, and the resistance element 106 is a resistance component of the ferroelectric capacitor 104a.
【0178】これにより、図32に示す構造を比較的小
さい面積で実現できるとともに、強誘電体キャパシタ1
04aと抵抗素子106を別々に製造する場合に比べ製
造工程数も少なくなっている。As a result, the structure shown in FIG. 32 can be realized in a relatively small area, and the ferroelectric capacitor 1
The number of manufacturing steps is smaller than that in the case of separately manufacturing 04a and the resistance element 106.
【0179】次に、本実施形態の半導体装置の駆動方法
及び動作について以下に説明する。Next, the driving method and operation of the semiconductor device of this embodiment will be described below.
【0180】図34(a)は、本実施形態の半導体装置
において、記憶情報を大幅に変更する粗調時の等価回路
を、(b)は、記憶情報を微小変更する微調時の等価回
路を示している。また、図35は、強誘電体キャパシタ
104aの両端に電圧を印加したときの通過電流の特性
を示した図である。ここで、通過電流とは、強誘電体層
131を通過して中間電極114と上部電極119の間
に流れる電流を指す。FIG. 34 (a) shows an equivalent circuit at the time of coarse adjustment in which the stored information is significantly changed in the semiconductor device of this embodiment, and FIG. 34 (b) shows an equivalent circuit at the time of fine adjustment in which the stored information is finely changed. Shows. Further, FIG. 35 is a diagram showing characteristics of a passing current when a voltage is applied to both ends of the ferroelectric capacitor 104a. Here, the passing current refers to a current that passes through the ferroelectric layer 131 and flows between the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119.
【0181】本実施形態において、強誘電体材料として
用いられたBITを始めとする、元素の組成がABO3
で表されて結晶構造がペロブスカイト構造を有する酸化
物は、第1、第6の実施形態で用いられたBSTと同様
に、印加される電界強度が小さい間は抵抗値が無視でき
る程に小さく、さらに電圧を上昇すると、通過電流が指
数関数的に増加するという特徴を示す。図35より、本
実施形態の強誘電体キャパシタ104aにおいても、
1.8V付近より大きい電圧を印加した場合、通過電流
が指数関数的に増加する。また、負電圧を印加した場合
には印加電圧が0Vの軸を挟んで対称の特性を示す。In the present embodiment, the composition of the elements including BIT used as the ferroelectric material is ABO 3
The oxide having a perovskite structure represented by the following is similar to BST used in the first and sixth embodiments, and has a resistance value that is negligible while the applied electric field strength is small, When the voltage is further increased, the passing current increases exponentially. From FIG. 35, also in the ferroelectric capacitor 104a of the present embodiment,
When a voltage higher than around 1.8 V is applied, the passing current increases exponentially. Further, when a negative voltage is applied, a symmetrical characteristic is shown across the axis of the applied voltage of 0V.
【0182】そのため、図35に示すように、強誘電体
に分配される電圧が−2.3V以下及び+2.3V以上
の粗調時電圧範囲にあるときは、強誘電体は抵抗素子1
06としても機能し、リーク電流Iが流れる。この時の
等価回路は、図34(a)に示すように、MOSトラン
ジスタのゲート電極109に強誘電体キャパシタ104
aと抵抗素子106とが並列に接続された形になってい
る。Therefore, as shown in FIG. 35, when the voltage distributed to the ferroelectric substance is within the voltage range of -2.3 V or less and +2.3 V or more during the rough adjustment time, the ferroelectric substance becomes the resistance element 1.
It also functions as 06, and the leak current I flows. The equivalent circuit at this time is, as shown in FIG. 34A, the ferroelectric capacitor 104 on the gate electrode 109 of the MOS transistor.
In this configuration, a and the resistance element 106 are connected in parallel.
【0183】一方、強誘電体に分配される電圧が−1.
4〜+1.4V程度の微調時電圧範囲にあるときは、強
誘電体にはほとんど電流が流れず、ほぼ絶縁体となって
いる。この時の等価回路は、図34(b)に示すよう
に、MOSトランジスタのゲート電極109に強誘電体
キャパシタ104aのみが接続された形となっている。On the other hand, the voltage distributed to the ferroelectric is -1.
In the fine adjustment voltage range of about 4 to +1.4 V, almost no current flows through the ferroelectric substance, and the ferroelectric substance is almost an insulator. The equivalent circuit at this time has a form in which only the ferroelectric capacitor 104a is connected to the gate electrode 109 of the MOS transistor, as shown in FIG.
【0184】なお、本実施形態の半導体装置において
は、Si基板101とゲート電極109によりゲート絶
縁膜107を挟みこむ構造のMOSキャパシタと、中間
電極114と上部電極119により強誘電体層131を
挟みこむ構造の強誘電体キャパシタ104aとが直列接
続された構造となるため、印加電圧は、それぞれのキャ
パシタに分配されて印加されることとなる。例えば、本
実施形態の半導体装置においては、印加電圧として+2
Vを装置全体に加えたときには、MOSトランジスタと
強誘電体キャパシタ104aには、それぞれ1.2Vと
0.8Vが、印加電圧を+6Vとしたときには、MOS
トランジスタと強誘電体キャパシタ104aには、それ
ぞれ3.6Vと2.4Vが、分配される。In the semiconductor device of this embodiment, the MOS capacitor having a structure in which the gate insulating film 107 is sandwiched between the Si substrate 101 and the gate electrode 109, and the ferroelectric layer 131 is sandwiched between the intermediate electrode 114 and the upper electrode 119. Since the ferroelectric capacitor 104a having the recessed structure is connected in series, the applied voltage is distributed and applied to each capacitor. For example, in the semiconductor device of this embodiment, the applied voltage is +2
When V is applied to the entire device, 1.2V and 0.8V are applied to the MOS transistor and the ferroelectric capacitor 104a, respectively.
3.6V and 2.4V are distributed to the transistor and the ferroelectric capacitor 104a, respectively.
【0185】本実施形態の半導体装置では、強誘電体キ
ャパシタ104aに分配される電圧を粗調時電圧範囲に
設定することで、リーク電流を大きくし、フローティン
グゲートの電位を大きく変化させることができる。ま
た、強誘電体キャパシタ104aに分配される電圧を微
調時電圧範囲に設定することでリーク電流を小さくし、
データを保持したり、強誘電体の分極変化によるフロー
ティングゲート電位の微調整が可能となる。In the semiconductor device of this embodiment, the leak current can be increased and the potential of the floating gate can be greatly changed by setting the voltage distributed to the ferroelectric capacitor 104a within the voltage range during coarse adjustment. . Further, by setting the voltage distributed to the ferroelectric capacitor 104a in the fine adjustment voltage range, the leak current is reduced,
Data can be retained and the floating gate potential can be finely adjusted by changing the polarization of the ferroelectric substance.
【0186】図36は、上述の知見を踏まえた実際の電
圧印加方法の一例を示す図である。この例では、最初に
1μsecの期間に強誘電体に2.5Vの電圧パルスを
加えている。これにより、強誘電体を通して高速にフロ
ーティングゲートに蓄積される。このとき、強誘電体の
分極は、一方向に揃う。FIG. 36 is a diagram showing an example of an actual voltage applying method based on the above findings. In this example, first, a voltage pulse of 2.5 V is applied to the ferroelectric in the period of 1 μsec. As a result, it is rapidly accumulated in the floating gate through the ferroelectric substance. At this time, the polarization of the ferroelectric substance is aligned in one direction.
【0187】次に、5μsec以降では期間が1μse
cで負の微小電圧を強誘電体に印加している。このと
き、強誘電体からのリーク電流は無視できるほど小さ
く、強誘電体の分極が少しずつ反転していく。これによ
り、フローティングゲートの電荷量を微少量変更するこ
とができる。Next, after 5 μsec, the period is 1 μse.
At c, a negative minute voltage is applied to the ferroelectric. At this time, the leak current from the ferroelectric substance is so small that it can be ignored, and the polarization of the ferroelectric substance is gradually inverted. As a result, the charge amount of the floating gate can be changed by a small amount.
【0188】一般的な強誘電体ゲートトランジスタで
は、強誘電体の分極値分しかフローティング電極(ゲー
ト電極109)の電荷量を変更できないが、本実施形態
の駆動方法を用いることにより、非常に広い範囲で電荷
量を変更できることとなる。すなわち、MOSトランジ
スタのオン抵抗値を非常に幅広く、しかも詳細に決定す
ることができることとなる。これは、フローティング電
極に蓄積された電荷量に応じて連続的に多値の情報を保
持可能なアナログメモリとして機能することを意味して
いる。In a general ferroelectric gate transistor, the charge amount of the floating electrode (gate electrode 109) can be changed only by the polarization value of the ferroelectric substance, but by using the driving method of this embodiment, it is very wide. The charge amount can be changed within the range. That is, the on-resistance value of the MOS transistor can be determined in a very wide range and in detail. This means that it functions as an analog memory capable of continuously holding multivalued information in accordance with the amount of charge accumulated in the floating electrode.
【0189】図37は、本実施形態の半導体装置の初期
状態における動作を説明するための特性図である。同図
の横軸は印加電圧を、縦軸はドレイン電流を示してい
る。なお、ここでの印加電圧とは、配線125a(また
は上部電極119)とSi基板101との間に印加され
る電圧を指す。FIG. 37 is a characteristic diagram for explaining the operation of the semiconductor device of this embodiment in the initial state. In the figure, the horizontal axis represents the applied voltage and the vertical axis represents the drain current. The applied voltage here means a voltage applied between the wiring 125a (or the upper electrode 119) and the Si substrate 101.
【0190】図37に示すように、初期状態の本実施形
態の半導体装置に±2Vの範囲で電圧を印加していく
と、装置中のMOSトランジスタのVG−ID特性が反
時計回りのヒステリシスを示し、いわゆる強誘電体ゲー
トトランジスタとして動作する。As shown in FIG. 37, when a voltage is applied to the semiconductor device of this embodiment in the initial state within a range of ± 2 V, the VG-ID characteristic of the MOS transistor in the device causes counterclockwise hysteresis. It operates as a so-called ferroelectric gate transistor.
【0191】このため、例えば半導体装置に+2Vの電
圧を印加した後に印加電圧を除荷しても、強誘電体層1
31の分極により中間電極114に電荷が誘起されて電
位が生じる。このため印加電圧を0Vにしても約2μA
のドレイン電流が流れる。一方、逆に−2Vを印加した
後に印加電圧を除荷すると、今度は逆にドレイン電流が
極めて小さい状態となる(10-8A以下、図示せず)。
なお、ここでも第5の実施形態と同様にソース・ドレイ
ン間の電圧は1Vである。Therefore, for example, even if the applied voltage is unloaded after the + 2V voltage is applied to the semiconductor device, the ferroelectric layer 1
The polarization of 31 induces charges in the intermediate electrode 114 to generate a potential. Therefore, even if the applied voltage is 0 V, about 2 μA
Drain current flows. On the other hand, conversely, if the applied voltage is unloaded after applying -2 V, the drain current will be extremely small this time (10 -8 A or less, not shown).
Here, the voltage between the source and the drain is 1V as in the fifth embodiment.
【0192】次に、本実施形態の半導体装置に+6Vを
印加すると、さらに異なるドレイン電流の値を設定する
ことが可能となる。Next, when +6 V is applied to the semiconductor device of this embodiment, it becomes possible to set a different drain current value.
【0193】図38は、書込み電圧として+6Vを印加
した後の本実施形態の半導体装置に2Vの電圧パルスを
繰り返し印加して除荷したときのドレイン電流を示す図
である。このときの電圧パルスの間隔は20μsecで
ある。FIG. 38 is a diagram showing a drain current when a voltage pulse of 2 V is repeatedly applied and unloaded to the semiconductor device of this embodiment after applying +6 V as a write voltage. The voltage pulse interval at this time is 20 μsec.
【0194】同図に示すように、初期状態にある本実施
形態の半導体装置に+6Vを書込み電圧として印加する
と、強誘電体キャパシタには2.4Vの電圧が分配され
るため、通過電流が指数関数的に増加し、電荷が中間電
極114及びゲート電極109に蓄積されることによ
り、ドレイン電流は初期状態より2桁強も増加する。さ
らにその後、同じ+2Vの電圧パルスを入力しても、ド
レイン電流は約1×10 -3(A)と、ほとんど変化しな
い特性を示す。As shown in the figure, the present embodiment in the initial state
+ 6V is applied as a write voltage to the semiconductor device of the embodiment
Then, the voltage of 2.4V is distributed to the ferroelectric capacitor.
Therefore, the passing current increases exponentially and the charge is
By being accumulated in the pole 114 and the gate electrode 109,
Therefore, the drain current increases by more than two digits from the initial state. It
After that, even if the same + 2V voltage pulse is input,
Rain current is about 1 x 10 -3Almost no change from (A)
Shows the characteristics.
【0195】このことから、本実施形態の半導体装置
は、高電圧の書込み電圧を印加することにより、安定し
てデータを保持できることが分かる。From this, it is understood that the semiconductor device of this embodiment can stably hold data by applying a high voltage write voltage.
【0196】次に、図39は、+6Vを印加した後、±
2Vの範囲で印加電圧をスキャンした場合の本実施形態
の半導体装置における印加電圧−ドレイン電流の特性図
である。Next, in FIG. 39, after applying +6 V,
FIG. 9 is a characteristic diagram of applied voltage-drain current in the semiconductor device of the present embodiment when the applied voltage is scanned in the range of 2V.
【0197】まず、この半導体装置に+6Vの電圧を印
加した後に除荷すると、ドレイン電流は図39の点Iに
示す値となる。First, when a voltage of +6 V is applied to this semiconductor device and then the load is removed, the drain current has a value shown by point I in FIG.
【0198】次いで、この点Iの状態で半導体装置に2
Vの電圧を印加し、さらに電圧を除荷すると、ドレイン
電流は図39の点Iから点Jまでに示す軌跡をたどり、
除荷後は再び点Iの状態へと復帰する。なお、点Iの状
態は、図38に示す電圧パルスを加えた状態に相当す
る。Then, in this point I, the semiconductor device is
When a voltage of V is applied and the voltage is unloaded, the drain current follows the locus shown from point I to point J in FIG.
After unloading, the state returns to point I again. The state at point I corresponds to the state in which the voltage pulse shown in FIG. 38 is applied.
【0199】また、点Iの状態の半導体装置に−2Vの
電圧を印加すると、点Kに示す状態となり、ドレイン電
流は1×10-5(A)以下と、2桁程度減少する。続い
て、電圧を除荷すると、点Lの状態へと移動して電圧印
加前の点Iの状態よりも1桁程度ドレイン電流が減少す
る。When a voltage of -2 V is applied to the semiconductor device in the state of point I, the state shown in point K is reached, and the drain current is reduced to 1 × 10 -5 (A) or less, which is about two digits. Then, when the voltage is unloaded, the state moves to the state of point L, and the drain current decreases by about one digit as compared with the state of point I before voltage application.
【0200】第6の実施形態の半導体装置では、図31
の点F及び点Hにおけるドレイン電流に大きな差がな
く、この点が本実施形態の半導体装置が第5、第6の実
施形態の半導体装置と大きく異なる点である。In the semiconductor device of the sixth embodiment, FIG.
There is no significant difference in the drain currents at points F and H, and this is the point that the semiconductor device of this embodiment is significantly different from the semiconductor devices of the fifth and sixth embodiments.
【0201】これにより、本実施形態の半導体装置で
は、第5、第6の実施形態の半導体装置よりもさらに多
くのデータを保持することができる。As a result, the semiconductor device of this embodiment can hold much more data than the semiconductor devices of the fifth and sixth embodiments.
【0202】次に、図39の点Lの状態の半導体装置に
+2Vを印加すると、点Mの状態へと移動し、その後、
電圧を除荷すると点Nに示す状態となる。このとき、ド
レイン電流は点L→点M→点Nで示される軌跡を描いて
変化し、点Nの状態では先の点Lの状態におけるよりも
大きいドレイン電流が得られる。このように、+6Vの
高い印加電圧の後に、±2Vの小さい印加電圧スキャン
によってもさらにドレイン電流を変調することが可能で
ある。Next, when + 2V is applied to the semiconductor device in the state of point L in FIG. 39, the semiconductor device moves to the state of point M, and thereafter,
When the voltage is unloaded, the state shown at point N is reached. At this time, the drain current changes along a locus indicated by point L → point M → point N, and in the state of point N, a larger drain current than in the state of point L is obtained. In this way, it is possible to further modulate the drain current by a scan of a small applied voltage of ± 2V after a high applied voltage of + 6V.
【0203】一方、大きい負電圧のパルスを書込み電圧
として入力することもできる。On the other hand, a large negative voltage pulse can be input as the write voltage.
【0204】図40は、−6Vの電圧を本実施形態の半
導体装置に印加した後に+2Vの電圧パルスを印加して
除荷した場合のドレイン電流を示す図である。なお、電
圧パルスのパルス間隔は20μsecである。FIG. 40 is a diagram showing the drain current when a voltage of -6V is applied to the semiconductor device of this embodiment and then a voltage pulse of + 2V is applied to unload it. The pulse interval of the voltage pulse is 20 μsec.
【0205】同図より、初期状態にある本実施形態の半
導体装置に−6Vの電圧を印加することにより、0Vの
時のドレイン電流は初期状態よりも4桁低くなることが
分かる。この場合も+2Vの電圧パルスの印加及び除荷
を繰り返したときのドレイン電流変化は小さい。From the figure, it can be seen that by applying a voltage of -6V to the semiconductor device of this embodiment in the initial state, the drain current at 0V becomes four orders of magnitude lower than that in the initial state. Also in this case, the change in drain current when the application of the voltage pulse of +2 V and the unloading are repeated is small.
【0206】次に、図41は、−6Vの電圧パルスの入
力後に、±2Vの範囲で印加電圧をスキャンした場合の
本実施形態の半導体装置の印加電圧−ドレイン電流特性
を示す図である。この状態でもヒステリシスが見られる
ものの、0V印加状態でのドレイン電流はいずれの極性
の電圧を印加しても極めて低い値のまま保持されてい
る。このように、負電圧を印加することによって、正の
電圧を印加した場合と区別できる小さいドレイン電流が
得られる。Next, FIG. 41 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics of the semiconductor device of the present embodiment when the applied voltage is scanned within a range of ± 2 V after the input of a voltage pulse of -6 V. Although hysteresis is observed even in this state, the drain current in the 0 V applied state is maintained at an extremely low value regardless of which polarity voltage is applied. Thus, by applying a negative voltage, a small drain current that can be distinguished from the case of applying a positive voltage can be obtained.
【0207】以上、本実施形態の半導体装置は、強誘電
体キャパシタ104aの抵抗成分の抵抗値がほぼ一定の
電圧範囲(低電圧範囲)でMOSトランジスタを駆動す
る場合と、強誘電体キャパシタ104aを通過する電流
が指数関数的に増加する範囲で書きこみを行なう場合と
を、印加する電圧を切り替えることで、使い分けること
ができる。As described above, in the semiconductor device of this embodiment, when the MOS transistor is driven in the voltage range (low voltage range) where the resistance value of the resistance component of the ferroelectric capacitor 104a is substantially constant, It is possible to selectively use the case where writing is performed within a range in which the passing current exponentially increases by switching the applied voltage.
【0208】本実施形態の半導体装置において、印加電
圧−ドレイン電流の特性変化は、中間電極114に強誘
電体層131を通過した電荷が蓄積されることによりM
OSトランジスタのゲート電極109にも電荷が蓄積さ
れ、MOSトランジスタのVG−ID特性が変化するこ
とにより生じる。特に、本実施形態の半導体装置では、
強誘電体キャパシタ104aの分極方向により中間電極
及びゲート電極109の電荷蓄積量を変化させることが
可能であるため、第5、第6の実施形態の半導体装置に
比べても極めて多くの値を取り得る多値メモリとして使
用することができる。In the semiconductor device of this embodiment, the change in the applied voltage-drain current characteristic is caused by the accumulation of the charges passing through the ferroelectric layer 131 in the intermediate electrode 114.
Electric charges are also accumulated in the gate electrode 109 of the OS transistor, which is caused by a change in the VG-ID characteristic of the MOS transistor. Particularly, in the semiconductor device of this embodiment,
Since it is possible to change the charge storage amount of the intermediate electrode and the gate electrode 109 depending on the polarization direction of the ferroelectric capacitor 104a, it takes an extremely large value compared with the semiconductor devices of the fifth and sixth embodiments. Can be used as a multi-valued memory to obtain
【0209】また、大きい電圧パルスによるドレイン電
流の大きな変調と、小さい電圧パルスによるドレイン電
流の小さい変調がそれぞれドレイン電流の変調として反
映することが可能であるので、極めて重み付けの自由度
の高いニューロン素子としての応用も可能である。Further, since the large modulation of the drain current by the large voltage pulse and the small modulation of the drain current by the small voltage pulse can be reflected as the modulation of the drain current, respectively, the neuron element with extremely high degree of freedom of weighting can be obtained. Can also be applied.
【0210】なお、本実施形態の半導体装置において
も、第5、第6の実施形態の半導体装置と同様に、配線
125aを接地することなどにより特性が初期状態へ復
帰し、「忘却」する機能を有する。In the semiconductor device of this embodiment as well, similar to the semiconductor devices of the fifth and sixth embodiments, the characteristic of restoring the characteristic to the initial state by grounding the wiring 125a, etc., and "forgetting" Have.
【0211】なお、本実施形態の半導体装置において
は、記憶情報の保持の観点から、誘電体キャパシタの両
端に1Vの電圧を印加した際の通過電流が100(mA
/cm 2 )以下であるようにし、復帰時間が10μse
c以上とすることで、強誘電体の分極によるドレイン電
圧の変調との差異が明確になるようにしている。これ
は、図29に示した第5の実施形態の半導体装置とほぼ
同様の傾向であり、復帰に要する時間はおよそ100秒
となっている。In the semiconductor device of this embodiment,
From the perspective of retaining stored information,
When a voltage of 1 V is applied to the end, the passing current is 100 (mA
/ Cm 2 ) The recovery time is 10 μse
By setting c or more, the drain charge due to polarization of the ferroelectric substance
The difference with the pressure modulation is made clear. this
Is almost the same as the semiconductor device of the fifth embodiment shown in FIG.
It is the same tendency, and the time required for recovery is about 100 seconds.
Has become.
【0212】また、第5の実施形態の半導体装置と同様
に、本実施形態の半導体装置においても、強誘電体層1
31と抵抗素子106とを分離して設けてもよい。その
場合、例えば情報を保持する時間を延長するために、抵
抗素子106を構成する強誘電体材料を強誘電体層13
1を構成する強誘電体材料よりも電流を通しにくいもの
にすることなど、要求される条件に合わせて適宜設計す
ることができる。Further, similarly to the semiconductor device of the fifth embodiment, the ferroelectric layer 1 is also applied to the semiconductor device of the present embodiment.
31 and the resistance element 106 may be provided separately. In that case, for example, in order to extend the time for holding information, the ferroelectric material forming the resistance element 106 is changed to the ferroelectric layer 13.
It can be appropriately designed in accordance with the required conditions, such as making it harder for current to pass than the ferroelectric material constituting No. 1.
【0213】また、強誘電体層131と抵抗素子106
とを分離して設ける場合、抵抗素子106を構成する材
料として誘電体を用いてもよい。In addition, the ferroelectric layer 131 and the resistance element 106
When they are provided separately, a dielectric may be used as the material forming the resistance element 106.
【0214】なお、本実施形態の半導体装置の駆動方法
では、強誘電体層の抵抗値がほぼ一定である電圧領域
と、電圧に対して通過電流が指数関数的に増加する電圧
領域とを使い分ける方法について説明したが、第5の実
施形態と同様に、強誘電体層の抵抗値が無視できる程小
さい電圧領域のみで半導体装置を駆動し、且つ、印加電
圧のパルスの幅を復帰時間よりも十分短く設定すること
で、同様に中間電極114及びゲート電極109への電
荷蓄積量を変化させることが可能である。In the semiconductor device driving method of this embodiment, the voltage region in which the resistance value of the ferroelectric layer is substantially constant and the voltage region in which the passing current exponentially increases with respect to the voltage are used separately. Although the method has been described, as in the fifth embodiment, the semiconductor device is driven only in the voltage region in which the resistance value of the ferroelectric layer is so small that it can be ignored, and the pulse width of the applied voltage is set to be longer than the recovery time. By setting it sufficiently short, it is possible to similarly change the amount of charge accumulated in the intermediate electrode 114 and the gate electrode 109.
【0215】なお、本実施形態の半導体装置において
は、強誘電体層の材料としてBITを用いたが、これと
同様に強誘電性を示す材料である、チタン酸鉛、チタン
酸ジルコン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムなどの材料
であれば強誘電体層の材料として用いることができる。Although BIT was used as the material of the ferroelectric layer in the semiconductor device of this embodiment, lead titanate, lead zirconate titanate, and other materials exhibiting ferroelectricity are also used. Any material such as strontium tantalate can be used as the material of the ferroelectric layer.
【0216】(第8の実施形態)本発明の第8の実施形
態に係る半導体装置は、第7の実施形態における抵抗素
子106を、例えば酸化亜鉛(ZnO)からなるバリス
タである抵抗素子150に置き換えたものである。ただ
し、抵抗素子150は強誘電体とは別に設けられてい
る。(Eighth Embodiment) In a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention, the resistance element 106 in the seventh embodiment is replaced with a resistance element 150 which is a varistor made of zinc oxide (ZnO). It has been replaced. However, the resistance element 150 is provided separately from the ferroelectric substance.
【0217】図42(a)は、本実施形態の半導体装置
を示す回路図であり、(b)は、抵抗素子150のバリ
スタ特性を示す図である。なお、図32と同じ部材は同
じ符号で示す。FIG. 42A is a circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment, and FIG. 42B is a diagram showing the varistor characteristic of the resistance element 150. The same members as those in FIG. 32 are designated by the same reference numerals.
【0218】図42(b)に示すように、ZnOなど、
一部の金属酸化物は、印加される電圧により抵抗値が大
きく変化する性質がある。電極面積が10μm2 の本実
施形態の抵抗素子150の場合、−1V以上+1Vの以
下の電圧範囲では約180GΩもの抵抗値を示すが、電
圧の絶対値が1.5Vを越えると抵抗値が激減する。As shown in FIG. 42 (b), ZnO, etc.
Some metal oxides have a property that the resistance value greatly changes depending on the applied voltage. In the case of the resistance element 150 of the present embodiment having an electrode area of 10 μm 2, a resistance value of about 180 GΩ is exhibited in the voltage range of −1 V or more and +1 V or less, but when the absolute value of the voltage exceeds 1.5 V, the resistance value drastically decreases. To do.
【0219】このことから、例えば−2V以下及び2V
以上の電圧範囲を粗調時電圧とし、−1V〜+1Vの範
囲を微調時電圧として動作させることにより、第7の実
施形態の半導体装置と同様の動作が可能になる。From this, for example, -2V or less and 2V
By operating the above voltage range as the coarse adjustment voltage and operating the range of -1V to + 1V as the fine adjustment voltage, the same operation as that of the semiconductor device of the seventh embodiment becomes possible.
【0220】加えて、本実施形態の半導体装置では、抵
抗素子150の素材を任意に選択できるので、動作電圧
の範囲を自由に設定することが可能になっている。例え
ば、強誘電体の分極が飽和する電圧より抵抗素子150
の低抵抗電圧を少しだけ高い電圧とすることで、より低
い駆動電圧で粗調整及び微調整の動作を実行することが
できる。In addition, in the semiconductor device of this embodiment, the material of the resistance element 150 can be arbitrarily selected, so that the range of operating voltage can be freely set. For example, the resistance element 150 is applied at a voltage at which the polarization of the ferroelectric substance is saturated.
By setting the low resistance voltage of 1 to a little higher voltage, it is possible to execute the rough adjustment and fine adjustment operations with a lower drive voltage.
【0221】次に、図43は、本実施形態の半導体装置
の構造を示す断面図である。Next, FIG. 43 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device of this embodiment.
【0222】同図に示すように、本実施形態の強誘電体
131と抵抗素子150とは上部電極及び下部電極を共
通として設けられていてもよい。このような構造は公知
の技術を用いて容易に実現可能である。例えば、下部電
極の全面の上に強誘電体を堆積後、その一部を選択的に
エッチングし、強誘電体が除かれた部分の下部電極上に
ZnOを堆積する。なお、ここでは、強誘電体と抵抗素
子とが接して設けられる例を示したが、互いに離して設
けられていてもよい。As shown in the figure, the ferroelectric substance 131 and the resistance element 150 of this embodiment may be provided with the upper electrode and the lower electrode in common. Such a structure can be easily realized by using a known technique. For example, after depositing a ferroelectric substance on the entire surface of the lower electrode, a part of the ferroelectric substance is selectively etched, and ZnO is deposited on the lower electrode portion where the ferroelectric substance is removed. Although the example in which the ferroelectric and the resistance element are provided in contact with each other has been shown here, they may be provided separately from each other.
【0223】なお、抵抗素子を構成する材料としては、
ZnOの他、BaXSr1-XTiO3などのペロブスカイ
ト型酸化物、TiO2系酸化物、Fe2O3系酸化物、C
u2O系酸化物などを用いることができる。また、これ
らの金属酸化物の抵抗を下げるために、上述の金属酸化
物にBi2O3や希土類元素の添加を行なうこともでき
る。これにより、金属酸化物材料の抵抗率及び抵抗変化
率を適宜調節することができる。また、SiのPN接合
や、SiC半導体にAlを添加した系や、Seなども抵
抗素子の材料として使用可能である。Incidentally, as the material for forming the resistance element,
In addition to ZnO, perovskite type oxides such as Ba x Sr 1 -x TiO 3 , TiO 2 -based oxides, Fe 2 O 3 -based oxides, C
A u 2 O-based oxide or the like can be used. Further, in order to reduce the resistance of these metal oxides, it is possible to add Bi 2 O 3 or a rare earth element to the above metal oxides. Thereby, the resistivity and the rate of resistance change of the metal oxide material can be adjusted appropriately. Further, a PN junction of Si, a system in which Al is added to a SiC semiconductor, Se, or the like can also be used as the material of the resistance element.
【0224】なお、本実施形態の半導体装置では、粗調
時と微調時とを使い分けることによって多値の情報を良
好に保持できるように制御したが、強誘電体と並列に設
ける素子は、抵抗素子に限らず、印加電圧によりフロー
ティングゲートに注入する電荷を変化させることができ
る素子または回路であればよい。In the semiconductor device of this embodiment, the multi-valued information is controlled so as to be favorably retained by properly using the rough adjustment time and the fine adjustment time. However, the element provided in parallel with the ferroelectric substance is a resistor. Not limited to the element, any element or circuit capable of changing the charge injected into the floating gate by the applied voltage may be used.
【0225】(第9の実施形態)本発明の第9の実施形
態に係る半導体装置は、第7の実施形態における抵抗素
子106を、互いに並列に接続され、且つ互いに逆方向
に配置された2つのダイオードに置き換えたものであ
る。(Ninth Embodiment) In a semiconductor device according to a ninth embodiment of the present invention, the resistance elements 106 of the seventh embodiment are connected in parallel to each other and arranged in opposite directions to each other. It is replaced with two diodes.
【0226】図44は、本実施形態の半導体装置を示す
回路図である。なお、図32と同じ部材には同じ符号を
付している。FIG. 44 is a circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment. The same members as those in FIG. 32 are designated by the same reference numerals.
【0227】同図に示すように、本実施形態の半導体装
置は、制御電圧供給部110と、MOSトランジスタ
と、MOSトランジスタのゲート電極109に接続さ
れ、互いに並列に設けられた強誘電体キャパシタ104
aと、ダイオード152と、ダイオード154とを備え
ている。また、ダイオード152とダイオード154と
は互いに逆方向に配置されている。すなわち、ダイオー
ド152とダイオード154は、各々の入力部と出力部
とが接続されている。As shown in the figure, in the semiconductor device of this embodiment, the ferroelectric capacitors 104 connected to the control voltage supply section 110, the MOS transistor, and the gate electrode 109 of the MOS transistor and provided in parallel with each other.
a, a diode 152, and a diode 154. Further, the diode 152 and the diode 154 are arranged in directions opposite to each other. That is, the diode 152 and the diode 154 are connected to the input section and the output section, respectively.
【0228】本実施形態において、ダイオード152及
び154は例えばPNダイオード等である。これらのダ
イオードは、所定値以上の順方向電圧を加えた場合、電
流が流れ、所定値を下回る電流を加えた場合にはほとん
ど電流が流れない。また、耐圧範囲であれば、逆方向の
電流を加えても電流はほとんど流れない。In this embodiment, the diodes 152 and 154 are, for example, PN diodes or the like. A current flows through these diodes when a forward voltage higher than a predetermined value is applied, and almost no current flows when a current below a predetermined value is applied. Further, within the withstand voltage range, almost no current flows even if a reverse current is applied.
【0229】図44に示すように、互いに逆方向の2つ
のダイオードを並列に接続することにより、ダイオード
のしきい値をtVとした場合、ダイオードに印加される
電圧が−tV〜+tVの間であれば電流がほとんど流れ
ず、電圧の絶対値がtVを以上になった場合には電流が
流れ、フローティングゲートには電荷が流入する。As shown in FIG. 44, by connecting two diodes opposite to each other in parallel, when the threshold voltage of the diode is tV, the voltage applied to the diode is between -tV and + tV. If so, almost no current flows, and when the absolute value of the voltage exceeds tV, current flows and charges flow into the floating gate.
【0230】このため、第3及び第8の実施形態と同様
に、分配される電圧の絶対値が大きい場合を粗調時、分
配される電圧の絶対値が小さい場合を微調時として多値
のデータを記憶させることができる。Therefore, as in the third and eighth embodiments, the case where the absolute value of the distributed voltage is large is set as the coarse adjustment, and the case where the absolute value of the distributed voltage is small is set as the fine adjustment. Data can be stored.
【0231】なお、本実施形態の半導体装置では、ダイ
オード152及び154としてPNダイオードを用いる
例を示したが、ショットキーダイオードなど他のダイオ
ードを用いてもよい。In the semiconductor device of this embodiment, PN diodes are used as the diodes 152 and 154, but other diodes such as Schottky diodes may be used.
【0232】(第10の実施形態)本発明の第10の実
施形態に係る半導体装置は、第7の実施形態における抵
抗素子106を、制御電圧Vrによってオンまたはオフ
を制御されるMISトランジスタに置き換えたものであ
る。(Tenth Embodiment) In a semiconductor device according to a tenth embodiment of the present invention, the resistance element 106 in the seventh embodiment is replaced with a MIS transistor whose on / off is controlled by a control voltage Vr. It is a thing.
【0233】図45は、本実施形態の半導体装置を示す
回路図である。FIG. 45 is a circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment.
【0234】同図に示すように、本実施形態の半導体装
置は、制御電圧供給部110と、MOSトランジスタ
と、MOSトランジスタのゲート電極109に接続され
た強誘電体キャパシタ104aと、制御電圧供給部11
0とゲート電極109との間に設けられたMISトラン
ジスタ156とを備えている。また、MISトランジス
タ156は、制御信号Vrによって制御されている。As shown in the figure, the semiconductor device according to the present embodiment has a control voltage supply unit 110, a MOS transistor, a ferroelectric capacitor 104a connected to the gate electrode 109 of the MOS transistor, and a control voltage supply unit. 11
0 and the MIS transistor 156 provided between the gate electrode 109. The MIS transistor 156 is controlled by the control signal Vr.
【0235】本実施形態の半導体装置によれば、外部の
制御回路等などによりMISトランジスタのオン、オフ
を適切に制御することにより、第3〜5の実施形態で説
明したようなフローティングゲート電位の粗調節及び微
調節が可能になる。例えば、MISトランジスタに印加
される電圧の絶対値が所定値以上のときにはMISトラ
ンジスタをオン状態にし、MISトランジスタに印加さ
れる電圧の絶対値が設定値以下であればオフ状態に制御
する。According to the semiconductor device of the present embodiment, by appropriately controlling the on / off of the MIS transistor by an external control circuit or the like, the floating gate potential as described in the third to fifth embodiments can be obtained. Coarse and fine adjustments are possible. For example, when the absolute value of the voltage applied to the MIS transistor is equal to or larger than a predetermined value, the MIS transistor is turned on, and when the absolute value of the voltage applied to the MIS transistor is equal to or less than the set value, it is controlled to be off.
【0236】本実施形態の半導体装置によれば、MIS
トランジスタの構造によらず、制御電圧Vrを適宜変化
させることで粗調時及び微調時の切替えを行なうことが
できるので、任意の電圧範囲で動作させることができ
る。According to the semiconductor device of this embodiment, the MIS
Regardless of the structure of the transistor, it is possible to switch between the rough adjustment and the fine adjustment by appropriately changing the control voltage Vr, and thus it is possible to operate in an arbitrary voltage range.
【0237】なお、本実施形態の半導体装置において、
MISトランジスタ156に変えてバイポーラトランジ
スタを用いることもできる。In the semiconductor device of this embodiment,
A bipolar transistor can be used instead of the MIS transistor 156.
【0238】(第11の実施形態)本発明の第11の実
施形態に係る半導体装置は、第7の実施形態における抵
抗素子106を、抵抗制御信号Vwによって結晶性が制
御される抵抗変化素子158に置き換えたものである。(Eleventh Embodiment) A semiconductor device according to an eleventh embodiment of the present invention is the resistance variable element 158 whose crystallinity is controlled by the resistance control signal Vw in the resistance element 106 of the seventh embodiment. Is replaced with.
【0239】図46は、本実施形態の半導体装置を示す
回路図である。FIG. 46 is a circuit diagram showing the semiconductor device of this embodiment.
【0240】同図に示すように、本実施形態の半導体装
置は、制御電圧供給部110と、MOSトランジスタ
と、制御電圧供給部110とMOSトランジスタのゲー
ト電極109との間に設けられた強誘電体キャパシタ1
04aと、制御電圧供給部110とMOSトランジスタ
のゲート電極109との間に設けられ、強誘電体キャパ
シタ104aと並列に設けられた抵抗変化素子158と
を備えている。また、抵抗変化素子158は、例えばゲ
ルマニウム(Ge)、テルル(Te)、アンチモン(S
b)の3元素を主成分とする合金から構成されており、
その結晶性は抵抗制御信号Vwによって制御されてい
る。As shown in the figure, in the semiconductor device of this embodiment, the ferroelectric capacitor provided between the control voltage supply unit 110, the MOS transistor, and the control voltage supply unit 110 and the gate electrode 109 of the MOS transistor. Body capacitor 1
04a, a resistance change element 158 provided between the control voltage supply unit 110 and the gate electrode 109 of the MOS transistor in parallel with the ferroelectric capacitor 104a. The resistance change element 158 is made of, for example, germanium (Ge), tellurium (Te), antimony (S).
It is composed of an alloy whose main component is the three elements of b),
Its crystallinity is controlled by the resistance control signal Vw.
【0241】抵抗変化素子158は、Vwが設定値以上
の高電圧パルスのときにアモルファス状態となり、抵抗
値が大きくなる。その後、Vwパルスを小さくすること
により、抵抗値を徐々に小さくし、任意の値に調節する
ことができる。そのため、フローティングゲートに電荷
を蓄積させたい場合にはVwパルスを低電圧とし、その
状態で制御電圧供給部110から電圧を供給する。次い
で、フローティングゲートの電位を微調節したり、デー
タを保持する場合には、Vwパルスを高電圧とし、強誘
電体キャパシタ104aに図35に示す微調時電圧範囲
の電圧を印加する。これにより、強誘電体からのリーク
電流も抵抗変化素子からのリーク電流も小さくできる。
このように、抵抗変化素子を用いることによっても、多
値情報を良好に保持可能な半導体装置が実現できる。The resistance change element 158 becomes amorphous when Vw is a high voltage pulse equal to or higher than the set value, and the resistance value becomes large. After that, by decreasing the Vw pulse, the resistance value can be gradually decreased and adjusted to an arbitrary value. Therefore, when it is desired to accumulate charges in the floating gate, the Vw pulse is set to a low voltage and the voltage is supplied from the control voltage supply unit 110 in that state. Next, when the potential of the floating gate is finely adjusted or the data is held, the Vw pulse is set to a high voltage and a voltage in the fine adjustment voltage range shown in FIG. 35 is applied to the ferroelectric capacitor 104a. As a result, both the leak current from the ferroelectric substance and the leak current from the resistance change element can be reduced.
As described above, even by using the resistance change element, it is possible to realize a semiconductor device that can favorably hold multi-valued information.
【0242】なお、本実施形態の抵抗変化素子158の
材料としては、Ge、Te、Sb以外のカルコゲナイド
材料も好ましく用いられる。A chalcogenide material other than Ge, Te, and Sb is preferably used as the material of the resistance change element 158 of this embodiment.
【0243】(第12の実施形態)本発明の第12の実
施形態として、第7の実施形態の半導体装置をニューロ
ン素子として用いたニューロンコンピュータについて説
明する。(Twelfth Embodiment) As a twelfth embodiment of the present invention, a neuron computer using the semiconductor device of the seventh embodiment as a neuron element will be described.
【0244】図48は、生物の脳について、基本単位の
構成を簡略化したモデルを示す図である。同図に示すよ
うに、生物の脳は、演算機能を持った神経細胞である前
段のニューロン141a及び後段のニューロン141
b,141cと、ニューロンからの演算結果を伝達する
神経繊維142a,142b,142cと、神経繊維に
より伝達される信号に重みをかけてニューロンに入力す
るシナプス結合143a,143b,143cとを有し
ている。FIG. 48 is a diagram showing a model of the basic structure of the brain of a living organism. As shown in the same figure, the brain of an organism is a neuron 141a in the front stage and a neuron 141 in the rear stage, which are nerve cells having an arithmetic function.
b, 141c, nerve fibers 142a, 142b, 142c for transmitting the calculation result from the neuron, and synaptic connections 143a, 143b, 143c for weighting the signal transmitted by the nerve fiber and inputting to the neuron. There is.
【0245】例えば、神経繊維142aを含む多数の神
経繊維により伝達された信号は、シナプス結合143a
を含む多数のシナプス結合によりWa,Wb,Wcとい
った重みをかけられ、ニューロン141aに入力され
る。ニューロン141aは入力された信号強度の線形和
をとり、それらの合計値がある閾値を越えると活性化さ
れて、神経繊維142bに信号を出力する。ニューロン
が活性化されて信号を出力することをニューロンが「発
火した」という。For example, the signals transmitted by a large number of nerve fibers including the nerve fiber 142a are transmitted through the synapse connection 143a.
Weights such as Wa, Wb, and Wc are applied by a large number of synaptic connections including, and input to the neuron 141a. The neuron 141a takes a linear sum of the input signal intensities, is activated when the total value exceeds a certain threshold value, and outputs a signal to the nerve fiber 142b. When a neuron is activated and outputs a signal, the neuron is said to "fire."
【0246】この出力信号は、例えば2つに分岐し、そ
れぞれシナプス結合により重みをかけられた後に、後段
のニューロン141b,141cに入力される。後段の
ニューロン141b,141cでも入力された信号の線
形和をとり、それらの合計値がある閾値を越えるとニュ
ーロン141b,141cが活性化されて、信号を出力
する。この動作が複数段階繰り返されて演算結果が出力
される。This output signal is branched into, for example, two parts, weighted by synaptic connection, and then input to the neurons 141b and 141c in the subsequent stage. The neurons 141b and 141c in the subsequent stage also take the linear sum of the input signals, and when the total value of these signals exceeds a certain threshold value, the neurons 141b and 141c are activated and output signals. This operation is repeated in a plurality of steps to output the calculation result.
【0247】また、シナプス結合においてかけられる荷
重は、学習により徐々に修正され、最終的に最適の演算
結果が得られるようになる。The weight applied in the synapse connection is gradually corrected by learning so that the optimum calculation result can be finally obtained.
【0248】ニューロンコンピュータは、このような脳
の機能を半導体装置で代用するべく設計されている。The neuron computer is designed to substitute such a brain function with a semiconductor device.
【0249】図47は、本実施形態のニューロンコンピ
ュータの基本構成の概略を示す図である。なお、同図に
おいて、第7の実施形態の半導体装置と同じ部材は、図
32に示す符号と同じ符号で示す。FIG. 47 is a diagram showing an outline of the basic configuration of the neuron computer of this embodiment. In the figure, the same members as those of the semiconductor device of the seventh embodiment are designated by the same reference numerals as those shown in FIG.
【0250】まず、本実施形態のニューロンコンピュー
タに用いられる第7の実施形態に係る半導体装置は、す
でに述べたように、制御電圧供給部110と、ゲート電
極109とドレイン領域103aとソース領域103b
と基板電極108とを有するMOSトランジスタTr1
1と、MOSトランジスタ Tr11のゲート電極10
9と制御電圧供給部110との間に互いに並列に介設さ
れた強誘電体キャパシタ104a及び抵抗素子106と
を有している。First, as described above, the semiconductor device according to the seventh embodiment used in the neuron computer of this embodiment has the control voltage supply unit 110, the gate electrode 109, the drain region 103a, and the source region 103b.
MOS transistor Tr1 having a substrate electrode 108
1 and the gate electrode 10 of the MOS transistor Tr11
9 and the control voltage supply unit 110, the ferroelectric capacitor 104a and the resistance element 106 are provided in parallel with each other.
【0251】次に、図47に示すように、本実施形態の
ニューロンコンピュータは、第7の実施形態に係る半導
体装置と、接地とMOSトランジスタTr11のソース
電極との間に介設された電気抵抗133と、MOSトラ
ンジスタTr11のソース電極と電気抵抗133との間
に設けられたノードN1と、フローティングゲートとフ
ローティングゲートの上に設けられた多数の入力ゲート
とソース及びドレイン電極とを有するトランジスタTr
12と、トランジスタTr12のソース電極と電圧供給
線Vddとの間に介設された電気抵抗132とを有して
いる。また、トランジスタTr12のソース電極は接地
に接続されている。さらに、ノードN1は入力ゲートの
うちの1つに接続されている。Next, as shown in FIG. 47, the neuron computer according to the present embodiment has an electric resistance provided between the semiconductor device according to the seventh embodiment and the ground and the source electrode of the MOS transistor Tr11. 133, a node N1 provided between the source electrode of the MOS transistor Tr11 and the electric resistance 133, a floating gate, a transistor Tr having a large number of input gates provided on the floating gate, and source and drain electrodes.
12 and an electric resistance 132 interposed between the source electrode of the transistor Tr12 and the voltage supply line Vdd. The source electrode of the transistor Tr12 is connected to ground. Further, the node N1 is connected to one of the input gates.
【0252】なお、第7の実施形態に係る半導体装置、
ノードN1及び電気抵抗133は生物の脳でいえば信号
の伝達と重み付けを行なうシナプス部(神経繊維とシナ
プス結合)に相当し、多数のシナプス部が、トランジス
タTr12と電気抵抗132とからなるニューロン部
(ニューロンMOS)に接続されている。本実施形態の
ニューロンコンピュータにおいては、脳の構造を模し
て、互いに接続されたシナプス部とニューロン部の組み
合わせを1層として、例えばこれが4層程度重ね合わさ
れた構造をとっている。The semiconductor device according to the seventh embodiment,
The node N1 and the electric resistance 133 correspond to a synapse portion (a nerve fiber and a synapse connection) for transmitting and weighting signals in the brain of an organism, and a large number of synapse portions are neuron portions each including a transistor Tr12 and an electric resistance 132. (Neuron MOS). In the neuron computer of the present embodiment, the structure of the brain is imitated, and the combination of the synapse part and the neuron part connected to each other is taken as one layer, and for example, about four layers are superposed.
【0253】次に、信号の伝達経路であるが、まず、前
段ニューロン部からの出力信号Ss1がMOSトランジ
スタTr11のドレイン電極に入力され、荷重信号S1
が制御電圧供給部110に入力される。すると、荷重信
号S1 によってMOSトランジスタTr11から流れる
ドレイン電流値が変化する。Next, regarding the signal transmission path, first, the output signal Ss1 from the preceding neuron section is input to the drain electrode of the MOS transistor Tr11, and the weight signal S 1
Is input to the control voltage supply unit 110. Then, the drain signal value flowing from the MOS transistor Tr11 is changed by the weight signal S 1 .
【0254】次に、MOSトランジスタTr11から出
力された電流信号は、電気抵抗133により電圧の信号
に変換され、トランジスタTr12の入力ゲートに入力
される。トランジスタTr12の入力ゲートには他の多
数のシナプス部からの信号も入力され、これらの入力信
号の電圧の和がトランジスタTr12の閾値以上になる
とニューロンが「発火」してニューロン部から信号が出
力される。続いて、出力された信号は次段のシナプス部
へと伝達される。Next, the current signal output from the MOS transistor Tr11 is converted into a voltage signal by the electric resistance 133 and input to the input gate of the transistor Tr12. Signals from many other synapse parts are also input to the input gate of the transistor Tr12, and when the sum of the voltages of these input signals exceeds the threshold value of the transistor Tr12, the neuron “fires” and a signal is output from the neuron part. It Then, the output signal is transmitted to the synapse part of the next stage.
【0255】一方、シナプス部からの入力信号の電圧の
和がトランジスタTr12の閾値より小さい場合には、
信号は出力されない。On the other hand, when the sum of the voltages of the input signals from the synapse part is smaller than the threshold value of the transistor Tr12,
No signal is output.
【0256】本実施形態のニューロンコンピュータにお
いては、単純な構造でシナプス部に多値の情報を保持で
きる第7の実施形態の半導体装置をシナプス部に用いて
いるので、小さい面積で信号に多様な重みをかけること
ができる。この結果、シナプス部及びニューロン部を集
積して作製される学習機能を持ったニューロンコンピュ
ータのサイズを小さくすることができる。In the neuron computer of this embodiment, since the semiconductor device of the seventh embodiment capable of holding multivalued information in the synapse portion with a simple structure is used in the synapse portion, various signals can be obtained in a small area. Weight can be applied. As a result, it is possible to reduce the size of the neuron computer having a learning function, which is created by integrating the synapse part and the neuron part.
【0257】また、第7の実施形態の半導体装置は、既
に説明したように6V程度で印加電圧−ドレイン電流の
特性を変化させた後、±2V程度の低電圧を印加するこ
とでMOSトランジスタTr11のドレイン電流を細か
く変化させることができる。そのため、本実施形態のニ
ューロンコンピュータでは、加重信号S1 が比較的低電
圧であってもこれに対応した多様なレベルの重みをかけ
ることが可能になる。Further, in the semiconductor device of the seventh embodiment, the MOS transistor Tr11 is changed by applying a low voltage of about ± 2V after changing the characteristics of the applied voltage-drain current at about 6V as described above. The drain current of can be finely changed. Therefore, in the neuron computer of the present embodiment, even if the weighted signal S 1 has a relatively low voltage, it is possible to apply various levels of weighting corresponding thereto.
【0258】また、本実施形態のニューロンコンピュー
タのシナプス部は、荷重信号S1 の履歴を記憶するとと
もに、長期間使用されない場合には履歴を忘却する機能
も持っている。Further, the synapse portion of the neuron computer of this embodiment has a function of storing the history of the weight signal S 1 and forgetting the history when it is not used for a long time.
【0259】なお、本実施形態のニューロンコンピュー
タにおいては、シナプス部に強誘電体キャパシタを備え
た第7の実施形態の半導体装置を用いたが、これに代え
て誘電体キャパシタを備えた第5の実施形態の半導体装
置や、第8〜第11の実施形態の半導体装置を用いても
よい。In the neuron computer of this embodiment, the semiconductor device of the seventh embodiment having the ferroelectric capacitor in the synapse portion is used, but instead of this, the fifth semiconductor device having the dielectric capacitor is used. You may use the semiconductor device of embodiment and the semiconductor device of 8th-11th embodiment.
【0260】[0260]
【発明の効果】本発明の半導体装置によれば、互いに抗
電圧の異なる強誘電体キャパシタを並列に接続すること
により、キャパシタのヒステリシスにおいてキャパシタ
の分極が飽和する点以外に、分極が準安定になる点が得
られる。これにより、記憶情報の分離性を高くすること
ができ、強誘電体膜厚バラツキや強誘電体の結晶性の違
いなどによって書込み電圧が揺らいだ場合でも安定に3
値以上の分極を得ることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, by connecting the ferroelectric capacitors having different coercive voltages in parallel, the polarization of the capacitor is metastable in addition to the point that the polarization of the capacitor is saturated in the hysteresis of the capacitor. The point is obtained. As a result, it is possible to improve the separability of stored information, and to stabilize the voltage even when the write voltage fluctuates due to variations in the ferroelectric film thickness and differences in the crystallinity of the ferroelectric.
Ru can obtain the value or more polarization.
【0261】このことを利用して、多値メモリのみなら
ず、信号の重みつけを行なうニューロン素子の構成要素
としても応用可能な半導体装置を実現することができ
る。[0261] Using the fact of this, not the multi-level memory but also can be realized applicable semiconductor device as a component of a neuron element which performs weighted signal.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図1】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリを示
す上面図である。FIG. 1 is a top view showing a multi-valued memory according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリにお
いて、図1のII−II断面を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a II-II cross section of FIG. 1 in the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリにお
いて、図1のIII−III断面を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a III-III cross section of FIG. 1 in the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図4】(a)〜(e)は本発明の第1の実施形態に係
る多値メモリの製造工程を示す断面図である。4A to 4E are cross-sectional views showing a manufacturing process of the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリを示
す等価回路図である。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing a multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図6】キャパシタMFM1の電圧−分極ヒステリシス
特性(P-V特性)を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a voltage-polarization hysteresis characteristic (PV characteristic) of a capacitor MFM1.
【図7】キャパシタMFM2のP-V特性を示す図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing a P-V characteristic of a capacitor MFM2.
【図8】キャパシタMFM1及びおよびキャパシタMF
M2のP-V特性とキャパシタ全体のP−V特性とを示
す図である。FIG. 8 is a capacitor MFM1 and a capacitor MF.
It is a figure which shows the P-V characteristic of M2 and the P-V characteristic of the whole capacitor.
【図9】本発明の多値メモリにおいて、3個のキャパシ
タを用いたときのキャパシタ全体のP−V特性を示す図
である。FIG. 9 is a diagram showing a P-V characteristic of the entire capacitor when three capacitors are used in the multilevel memory of the present invention.
【図10】本発明の第1の実施形態の多値メモリにおい
て、上部ゲート電極と下部電極の間に印加した電圧と、
強誘電体キャパシタの実効的分極とを示した図である。FIG. 10 shows a voltage applied between an upper gate electrode and a lower electrode in the multilevel memory according to the first embodiment of the present invention,
It is a figure showing effective polarization of a ferroelectric capacitor.
【図11】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリの
各書込み電圧に対するゲート電圧−ドレイン電流特性を
説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining gate voltage-drain current characteristics with respect to each write voltage of the multilevel memory according to the first embodiment of the present invention.
【図12】従来の多値メモリの書込み電圧の揺らぎと分
極値の揺らぎの相関を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the correlation between the fluctuation of the write voltage and the fluctuation of the polarization value in the conventional multilevel memory.
【図13】従来の多値メモリについて、図12のA部で
示した部分の拡大図である。FIG. 13 is an enlarged view of a portion indicated by A in FIG. 12 in the conventional multi-valued memory.
【図14】本発明の第1の実施形態の多値メモリの、書
込み電圧の揺らぎと分極値の揺らぎの相関を説明するた
めの図である。FIG. 14 is a diagram for explaining the correlation between the fluctuation of the write voltage and the fluctuation of the polarization value in the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図15】本発明の第1の実施形態の多値メモリについ
て、図14のB部で示した部分の拡大図である。FIG. 15 is an enlarged view of a portion indicated by B in FIG. 14 in the multi-valued memory according to the first embodiment of the present invention.
【図16】(a)〜(d)は、本発明の多値メモリにつ
いて、キャパシタMFM2の面積をキャパシタMFM1
に対して変化させた場合の実効分極を示す図である。16 (a) to 16 (d) are diagrams showing the area of the capacitor MFM2 in the multi-valued memory of the present invention.
It is a figure which shows the effective polarization when changing with respect to.
【図17】(a)〜(d)は、本発明の多値メモリにつ
いて、キャパシタMFM1の面積をキャパシタMFM2
に対して変化させた場合の実効分極を示す図である。17 (a) to 17 (d) are diagrams showing the area of the capacitor MFM1 in the multi-valued memory of the present invention.
It is a figure which shows the effective polarization when changing with respect to.
【図18】本発明の第1の実施形態に係る多値メモリの
変型例を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a modified example of the multilevel memory according to the first embodiment of the present invention.
【図19】本発明の第2の実施形態に係る多値メモリの
構造を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing the structure of the multi-valued memory according to the second embodiment of the present invention.
【図20】本発明の第3の実施形態に係る多値メモリの
概略を示す回路図である。FIG. 20 is a circuit diagram showing an outline of a multilevel memory according to a third embodiment of the present invention.
【図21】本発明の第4の実施形態に係る多値メモリを
示す等価回路図である。FIG. 21 is an equivalent circuit diagram showing a multilevel memory according to a fourth embodiment of the present invention.
【図22】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置を
示す等価回路図である。FIG. 22 is an equivalent circuit diagram showing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図23】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置を
示す上面図である。FIG. 23 is a top view showing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図24】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の
図22に示すXXIV−XXIV線における断面図である。24 is a cross-sectional view taken along line XXIV-XXIV shown in FIG. 22 of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図25】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の
図22に示すXXV−XXV線における断面図である。FIG. 25 is a sectional view taken along line XXV-XXV shown in FIG. 22 of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図26】(a)〜(d)は、本発明の第5の実施形態
に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。26A to 26D are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図27】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置に
用いられる誘電体キャパシタの印加電圧−通過電流特性
を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing applied voltage-pass current characteristics of a dielectric capacitor used in a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図28】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の
印加電圧−ドレイン電流特性を示す図である。FIG. 28 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図29】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置に
おいて、誘電体キャパシタを流れる通過電流と復帰時間
との相関図である。FIG. 29 is a correlation diagram between the passing current flowing through the dielectric capacitor and the recovery time in the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図30】本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の
駆動方法における誘電体キャパシタの印加電圧−通過電
流特性を示す図である。FIG. 30 is a diagram showing applied voltage-pass current characteristics of a dielectric capacitor in a method for driving a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention.
【図31】本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の
印加電圧−ドレイン電流特性を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.
【図32】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置を
示す等価回路図である。FIG. 32 is an equivalent circuit diagram showing a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention.
【図33】(a)〜(d)は、本発明の第7の実施形態
に係る半導体装置の製造工程を示す図である。33 (a) to 33 (d) are views showing manufacturing steps of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図34】(a)は、本実施形態の半導体装置におい
て、記憶情報を大幅に変更する粗調時の等価回路を示す
図であり、(b)は、記憶情報を微小変更する微調時の
等価回路を示す図である。FIG. 34A is a diagram showing an equivalent circuit at the time of coarse adjustment in which the stored information is significantly changed in the semiconductor device of the present embodiment, and FIG. 34B is a view at the time of fine adjustment in which the stored information is finely changed. It is a figure which shows an equivalent circuit.
【図35】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
用いられる強誘電体キャパシタの印加電圧−通過電流特
性を示す図である。FIG. 35 is a diagram showing applied voltage-pass current characteristics of a ferroelectric capacitor used in a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention.
【図36】第7の実施形態に係る半導体装置における、
電圧印加方法の一例を示す図である。FIG. 36 is a view of a semiconductor device according to a seventh embodiment,
It is a figure which shows an example of a voltage application method.
【図37】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置の
初期状態における印加電圧−ドレイン電流特性を示す図
である。FIG. 37 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics in the initial state of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図38】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
おいて、+6Vを印加した後で連続的にパルス電圧を加
えたときのドレイン電流を示す図である。FIG. 38 is a diagram showing a drain current when a pulse voltage is continuously applied after + 6V is applied in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図39】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
おいて、+6Vを印加した後で±2Vの範囲で印加電圧
をスキャンした場合の印加電圧−ドレイン電流特性を示
す図である。FIG. 39 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics when the applied voltage is scanned within a range of ± 2V after applying + 6V in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図40】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
おいて、−6Vを印加した後で連続的にパルス電圧を加
えたときのドレイン電流を示す図である。FIG. 40 is a diagram showing a drain current when a pulse voltage is continuously applied after applying −6 V in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図41】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置に
おいて、−6Vを印加した後で±2Vの範囲で印加電圧
をスキャンした場合の印加電圧−ドレイン電流特性を示
す図である。FIG. 41 is a diagram showing applied voltage-drain current characteristics when the applied voltage was scanned within a range of ± 2 V after applying −6 V in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
【図42】(a)は、本発明の第8の実施形態に係る半
導体装置を示す回路図であり、(b)は、抵抗素子のバ
リスタ特性を示す図である。42A is a circuit diagram showing a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention, and FIG. 42B is a diagram showing varistor characteristics of a resistance element.
【図43】第8の実施形態に係る半導体装置の構造を示
す断面図である。FIG. 43 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the eighth embodiment.
【図44】本発明の第9の実施形態に係る半導体装置を
示す回路図である。FIG. 44 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to a ninth embodiment of the present invention.
【図45】本発明の第10の実施形態に係る半導体装置
を示す回路図である。FIG. 45 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to a tenth embodiment of the present invention.
【図46】本発明の第11の実施形態に係る半導体装置
を示す回路図である。FIG. 46 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to an eleventh embodiment of the present invention.
【図47】本発明の第12の実施形態に係るニューロン
コンピュータの基本構成の概略を示す図である。FIG. 47 is a diagram showing an outline of a basic configuration of a neuron computer according to a twelfth embodiment of the present invention.
【図48】生物の脳について、基本単位の構成を簡略化
したモデルを示す図である。[Fig. 48] Fig. 48 is a diagram showing a model of the brain of an organism, in which the constitution of basic units is simplified.
【図49】多値メモリとして機能する従来の半導体装置
の断面図である。FIG. 49 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device that functions as a multi-valued memory.
【図50】多値メモリとして機能する従来の半導体装置
のヒステリシス特性を示す図である。FIG. 50 is a diagram showing hysteresis characteristics of a conventional semiconductor device that functions as a multi-valued memory.
【図51】従来の半導体装置のメモリセルのゲート電圧
とドレイン電流との関係を示すグラフである。FIG. 51 is a graph showing a relationship between a gate voltage and a drain current of a memory cell of a conventional semiconductor device.
【符号の説明】 1 基板 3a ドレイン領域 3b ソース領域 5 素子分離膜 7 ゲート絶縁膜 9 ゲート電極 11 第1の層間絶縁膜 13a、13b、13c、13d プラグ配線 14a 第1の中間電極 14b 第2の中間電極 15a、15b パッド部 16 第1の強誘電体層 17 第1の上部電極 18 第2の強誘電体層 19 第2の上部電極 20 絶縁層 21 第2の層間絶縁膜 25a、25b、25c 配線 26 ゲート電極/下部電極 27 第1の強誘電体層 28 第2の強誘電体層 29 第1の上部電極 30 第2の上部電極 31 層間絶縁膜 32 プラグ配線 WL ワード線 BL ビット線 101 Si基板 103a ドレイン領域 103b ソース領域 104 誘電体キャパシタ 104a 強誘電体キャパシタ 105 素子分離用酸化膜 106 抵抗素子 107 ゲート絶縁膜 108 基板電極 109 ゲート電極 110 制御電圧供給部 111 第1の層間絶縁膜 113a、113b、113c プラグ配線 114 中間電極 115a、115b パッド部 116 誘電体層 119 上部電極 121 第2の層間絶縁膜 125a、125b、125c 配線 131 強誘電体層 132、133 電気抵抗 Ss1 前段シナプスからの出力信号 S1 荷重信号 Tr11 MOSトランジスタ Tr12 トランジスタ N1 ノード[Description of Reference Signs] 1 substrate 3a drain region 3b source region 5 element isolation film 7 gate insulating film 9 gate electrode 11 first interlayer insulating films 13a, 13b, 13c, 13d plug wiring 14a first intermediate electrode 14b second Intermediate electrodes 15a and 15b Pad portion 16 First ferroelectric layer 17 First upper electrode 18 Second ferroelectric layer 19 Second upper electrode 20 Insulating layer 21 Second interlayer insulating film 25a, 25b, 25c Wiring 26 Gate / Lower Electrode 27 First Ferroelectric Layer 28 Second Ferroelectric Layer 29 First Upper Electrode 30 Second Upper Electrode 31 Interlayer Insulating Film 32 Plug Wiring WL Word Line BL Bit Line 101 Si Substrate 103a Drain region 103b Source region 104 Dielectric capacitor 104a Ferroelectric capacitor 105 Element isolation oxide film 106 Resistor element 107 Gate Edge film 108 Substrate electrode 109 Gate electrode 110 Control voltage supply section 111 First interlayer insulating films 113a, 113b, 113c Plug wiring 114 Intermediate electrodes 115a, 115b Pad section 116 Dielectric layer 119 Upper electrode 121 Second interlayer insulating film 125a , 125b, 125c Wiring 131 Ferroelectric layer 132, 133 Electric resistance Ss 1 Output signal S 1 from previous stage synapse S 1 Load signal Tr 11 MOS transistor Tr 12 Transistor N 1 node
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03K 19/20 101 H01L 27/10 444Z (72)発明者 森田 清之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F083 FR01 FR02 JA06 JA14 JA15 JA38 JA40 KA01 KA05 MA06 MA17 MA19 NA08 PR22 PR40 ZA21 5J042 AA10 BA13 CA07 CA20 DA00 DA06 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H03K 19/20 101 H01L 27/10 444Z (72) Inventor Kiyoyuki Morita 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita F-term in Denki Sangyo Co., Ltd. (reference) 5F083 FR01 FR02 JA06 JA14 JA15 JA38 JA40 KA01 KA05 MA06 MA17 MA19 NA08 PR22 PR40 ZA21 5J042 AA10 BA13 CA07 CA20 DA00 DA06
Claims (40)
誘電体層,及び第1の下部電極からなる第1のキャパシ
タと、 上記半導体基板上に形成された第2の上部電極,第2の
誘電体層,及び第2の下部電極からなる第2のキャパシ
タとを配置して構成される記憶部とを備え、3値以上の
情報を保持可能な半導体装置であって、 上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層のヒステリシ
ス特性における抗電圧値が互いに異なっている半導体装
置。1. A semiconductor substrate, a first capacitor composed of a first upper electrode, a first dielectric layer, and a first lower electrode formed on the semiconductor substrate, and formed on the semiconductor substrate. And a storage unit configured by arranging a second upper electrode, a second dielectric layer, and a second capacitor composed of a second lower electrode, which can hold information of three values or more. A semiconductor device, wherein the first dielectric layer and the second dielectric layer have different coercive voltage values in hysteresis characteristics.
2のキャパシタの分極方向とが互いに同じとなることを
特徴とする半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the polarization direction of the first capacitor and the polarization direction of the second capacitor are the same during operation.
おいて、 上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲ
ート絶縁膜の上に形成された導体膜からなるゲート電極
とを有するトランジスタをさらに備え、 上記第1の下部電極と上記第2の下部電極とが共に上記
ゲート電極と一体化されていることを特徴とする半導体
装置。3. The semiconductor device according to claim 1, comprising a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and a gate electrode formed of a conductive film formed on the gate insulating film. The semiconductor device, further comprising: a first lower electrode and a second lower electrode both integrated with the gate electrode.
おいて、 上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と上記ゲー
ト絶縁膜の上に形成された導体膜からなるゲート電極と
をさらに備え、 上記第1の下部電極と上記第2の下部電極とがそれぞれ
上記ゲート電極と互いに接続されていることを特徴とす
る半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a gate insulating film formed on the semiconductor substrate and a gate electrode formed of a conductor film formed on the gate insulating film. A semiconductor device, wherein the first lower electrode and the second lower electrode are connected to the gate electrode, respectively.
の半導体装置において、 上記第1のキャパシタ及び上記第2のキャパシタのそれ
ぞれの分極が0から飽和するまでの前半過程で、電圧の
変化に対する分極の変化率が相異なることを特徴とする
半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the voltage of the first capacitor and the second capacitor in the first half process until the polarization of each of the first capacitor and the second capacitor is saturated. A semiconductor device characterized in that the rate of change of polarization with respect to the change of the difference is different.
の半導体装置において、 上記第1の誘電体層及び上記第2の誘電体層は、共に強
誘電体層を有していることを特徴とする半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first dielectric layer and the second dielectric layer both have a ferroelectric layer. A semiconductor device characterized by the above.
の半導体装置において、 上記第1の上部電極と上記第2の上部電極とは互いに接
続されていることを特徴とする半導体装置。7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first upper electrode and the second upper electrode are connected to each other. .
の半導体装置において、 上記第1の誘電体層が上記第2の誘電体層と共用されて
いることを特徴とする半導体装置。8. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first dielectric layer is shared with the second dielectric layer. .
部材の材料が互いに同一で、且つ上記第1のキャパシタ
及び上記第2のキャパシタと並列に接続された常誘電体
キャパシタをさらに有することを特徴とする半導体装
置。9. The semiconductor device according to claim 8, wherein materials of members forming the first dielectric layer and the second dielectric layer are the same, and the first capacitor and the second capacitor are the same. A semiconductor device further comprising a paraelectric capacitor connected in parallel with the second capacitor.
において、 上記第2のキャパシタと上記ゲート電極との間に介設さ
れたキャパシタをさらに備えていることを特徴とする半
導体装置。10. The semiconductor device according to claim 8, further comprising a capacitor interposed between the second capacitor and the gate electrode.
載の半導体装置において、 上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層の面積が互い
に異なっていることを特徴とする半導体装置。11. The semiconductor device according to claim 1, wherein the areas of the first dielectric layer and the second dielectric layer are different from each other. Semiconductor device.
載の半導体装置において、 上記第1の誘電体層と上記第2の誘電体層とは互いに異
なる材料から構成されていることを特徴とする半導体装
置。12. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first dielectric layer and the second dielectric layer are made of different materials. Characteristic semiconductor device.
載の半導体装置において、 上記第1の誘電体層の膜厚と上記第2の誘電体層の膜厚
とが互いに異なることを特徴とする半導体装置。13. The semiconductor device according to claim 1, wherein the film thickness of the first dielectric layer and the film thickness of the second dielectric layer are different from each other. Characteristic semiconductor device.
て、 上記第1のキャパシタと上記第2のキャパシタとは、相
互の電極面積の比である(上記第1のキャパシタの面
積)/(上記第2のキャパシタの面積)の値が、0.2
以上2以下であることを特徴とする半導体装置。14. The semiconductor device according to claim 11, wherein the first capacitor and the second capacitor are a ratio of mutual electrode areas (area of the first capacitor) / (the first capacitor). The area of the capacitor 2) is 0.2
A semiconductor device having the number of 2 or more.
て、 上記第1のキャパシタと上記第2のキャパシタの相互の
電極面積の比は、0.5以上2以下であることを特徴と
する半導体装置。15. The semiconductor device according to claim 12, wherein a ratio of mutual electrode areas of the first capacitor and the second capacitor is 0.5 or more and 2 or less. .
において、 上記第1の上部電極及び上記第2の上部電極に接続され
たMISトランジスタと、 上記MISトランジスタのゲート電極に接続されたワー
ド線と、 上記MISトランジスタに接続されたビット線とをさら
に備えている半導体装置。16. The semiconductor device according to claim 1, wherein a MIS transistor connected to the first upper electrode and the second upper electrode, and a word line connected to a gate electrode of the MIS transistor. And a bit line connected to the MIS transistor.
トランジスタと、 上記制御電圧供給部と上記ゲート電極との間に互いに並
列に介設された容量素子及び抵抗素子とを有し、多値の
情報を保持可能な半導体装置。17. A control voltage supply unit, a field effect transistor having a gate electrode having a function of accumulating charges, a capacitor element interposed in parallel between the control voltage supply unit and the gate electrode, and A semiconductor device having a resistance element and capable of holding multivalued information.
て、 上記ゲート電極への電荷の注入は、上記制御電圧供給部
から行われることを特徴とする半導体装置。18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the charge is injected into the gate electrode from the control voltage supply section.
装置において、 上記ゲート電極に蓄積された電荷量に応じて連続的に多
値の情報を保持可能なアナログメモリとして機能するこ
とを特徴とする半導体装置。19. The semiconductor device according to claim 17, which functions as an analog memory capable of continuously holding multi-valued information in accordance with the amount of charge accumulated in the gate electrode. Semiconductor device.
に記載の半導体装置において、 上記抵抗素子は誘電体材料からなっていることを特徴と
する半導体装置。20. The semiconductor device according to claim 17, wherein the resistance element is made of a dielectric material.
に記載の半導体装置において、 上記制御電圧供給部が上部電極となっており、 上記電界効果トランジスタのゲート電極が中間電極に接
続されており、 上記容量素子は上記上部電極,上記中間電極及び上記上
部電極と上記中間電極とに挟まれた誘電体層とからなる
誘電体キャパシタであり、 上記誘電体層の抵抗成分は上記抵抗素子の1つとして機
能することを特徴とする半導体装置。21. The semiconductor device according to claim 17, wherein the control voltage supply section serves as an upper electrode, and the gate electrode of the field effect transistor is connected to an intermediate electrode. Wherein the capacitive element is a dielectric capacitor including the upper electrode, the intermediate electrode, and a dielectric layer sandwiched between the upper electrode and the intermediate electrode, and the resistance component of the dielectric layer is the resistance element of the resistive element. A semiconductor device, which functions as one.
装置において、 上記抵抗素子の抵抗値は、上記抵抗素子に印加する電界
強度に応じて変化することを特徴とする半導体装置。22. The semiconductor device according to claim 20, wherein the resistance value of the resistance element changes according to the electric field strength applied to the resistance element.
に記載の半導体装置において、 上記抵抗素子の抵抗値は、上記抵抗素子に印加する電界
強度が所定値以下のときにはほぼ一定の値をとり、電界
強度が上記所定値を越えると低くなることを特徴とする
半導体装置。23. The semiconductor device according to claim 20, wherein a resistance value of the resistance element has a substantially constant value when an electric field strength applied to the resistance element is a predetermined value or less. In particular, the semiconductor device is characterized in that it becomes low when the electric field strength exceeds the above-mentioned predetermined value.
に記載の半導体装置において、 上記抵抗素子に流れる通過電流は、上記抵抗素子の両端
に印加する電圧の絶対値が一定値以下のときには印加電
圧にほぼ正比例して増加し、印加する電圧の絶対値が上
記一定値を越えると指数関数的に増加する特性を示すこ
とを特徴とする半導体装置。24. The semiconductor device according to claim 20, wherein the passing current flowing through the resistance element is equal to or less than a certain absolute value of a voltage applied across the resistance element. A semiconductor device having a characteristic that the voltage increases substantially in direct proportion to an applied voltage and increases exponentially when the absolute value of the applied voltage exceeds the constant value.
て、 上記抵抗素子に流れる通過電流が電圧に対してほぼ正比
例して増加する電圧範囲では、上記抵抗素子の単位面積
あたりに流れる通過電流が100[mA/cm2]以下であ
ることを特徴とする半導体装置。25. The semiconductor device according to claim 24, wherein in the voltage range in which the passing current flowing through the resistance element increases substantially in direct proportion to the voltage, the passing current flowing per unit area of the resistance element is 100. wherein a is not more than [mA / cm 2].
に記載の半導体装置において、 上記容量素子は強誘電体層を有し、 上記抵抗素子のうち少なくとも1つは強誘電体材料から
なることを特徴とする半導体装置。26. The semiconductor device according to claim 20, wherein the capacitance element has a ferroelectric layer, and at least one of the resistance elements is made of a ferroelectric material. A semiconductor device characterized by the above.
に記載の半導体装置において、 上記容量素子と別個に設けられた少なくとも1つの抵抗
素子をさらに備えていることを特徴とする半導体装置。27. The semiconductor device according to claim 21, further comprising at least one resistance element provided separately from the capacitance element.
て、 上記容量素子と別個に設けられた抵抗素子は、Ba、S
r、Ti、Zn、Fe、Cuのうちから選ばれた元素の
酸化物またはSiC、Si、Seのうちから選ばれた1
つを含んでいるバリスタであることを特徴とする半導体
装置。28. The semiconductor device according to claim 27, wherein the resistive element provided separately from the capacitive element is Ba or S.
An oxide of an element selected from r, Ti, Zn, Fe, and Cu or 1 selected from SiC, Si, and Se
A semiconductor device characterized by being a varistor including two.
て、 上記容量素子と別個に設けられた抵抗素子は、互いに並
列に接続され、且つ互いに逆方向に配置されたダイオー
ドであることを特徴とする半導体装置。29. The semiconductor device according to claim 27, wherein the resistance element provided separately from the capacitance element is a diode connected in parallel to each other and arranged in opposite directions to each other. Semiconductor device.
て、 MISトランジスタをさらに備え、上記MISトランジ
スタのオン抵抗が上記容量素子と別個に設けられた抵抗
素子として機能することを特徴とする半導体装置。30. The semiconductor device according to claim 27, further comprising an MIS transistor, wherein an on-resistance of the MIS transistor functions as a resistance element provided separately from the capacitance element.
て、 上記容量素子と別個に設けられた抵抗素子は、結晶性に
より抵抗値が変化する抵抗変化材料からなる抵抗変化素
子であることを特徴とする半導体装置。31. The semiconductor device according to claim 27, wherein the resistance element provided separately from the capacitance element is a resistance change element made of a resistance change material whose resistance value changes according to crystallinity. Semiconductor device.
に記載の半導体装置において、 ニューロンコンピュータのシナプス部として用いられる
ことを特徴とする半導体装置。32. The semiconductor device according to claim 17, wherein the semiconductor device is used as a synapse unit of a neuron computer.
能を持つゲート電極を有する電界効果トランジスタと、
上記制御電圧供給部と上記ゲート電極との間に互いに並
列に介設された容量素子及び抵抗素子とを有する半導体
装置の駆動方法であって、 上記抵抗素子の両端に書込み電圧を印加することで上記
抵抗素子を経て上記ゲート電極に蓄積する電荷量を変化
させ、上記電界効果トランジスタの閾値電圧を変化させ
るステップ(a)と、 上記電界効果トランジスタのドレイン電流の変化に応じ
て情報を読み出すステップ(b)とを含む半導体装置の
駆動方法。33. A control voltage supply unit, a field effect transistor having a gate electrode having a function of accumulating charges,
A driving method of a semiconductor device having a capacitive element and a resistive element interposed in parallel with each other between the control voltage supply section and the gate electrode, wherein a write voltage is applied to both ends of the resistive element. A step (a) of changing the amount of charge accumulated in the gate electrode through the resistance element to change the threshold voltage of the field effect transistor, and a step of reading information according to the change of the drain current of the field effect transistor ( b) A method for driving a semiconductor device including:
方法において、 上記容量素子は誘電体層を有することを特徴とする半導
体装置の駆動方法。34. The method of driving a semiconductor device according to claim 33, wherein the capacitive element has a dielectric layer.
方法において、 上記ステップ(a)では、上記抵抗素子の両端に印加す
る書込み電圧の絶対値が一定値以下であれば、上記抵抗
素子に流れる通過電流が書込み電圧にほぼ正比例して増
加し、 書込み電圧の絶対値が上記一定値を越える場合には、通
過電流が書込み電圧の増加に対して指数関数的に増加す
ることを特徴とする半導体装置の駆動方法。35. The method of driving a semiconductor device according to claim 34, wherein in step (a), if the absolute value of the write voltage applied to both ends of the resistance element is equal to or less than a constant value, The flowing current increases almost directly in proportion to the write voltage, and when the absolute value of the write voltage exceeds the above constant value, the passing current increases exponentially with the increase of the write voltage. Driving method for semiconductor device.
方法において、 上記ステップ(a)で、書込み電圧の絶対値が上記一定
値以下のときには、書込み電圧を印加する時間の長さに
より上記ゲート電極に蓄積される電荷量の制御を行なう
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。36. The method of driving a semiconductor device according to claim 35, wherein in step (a), when the absolute value of the write voltage is equal to or less than the constant value, the gate is applied depending on the length of time for applying the write voltage. A method for driving a semiconductor device, comprising controlling the amount of charge accumulated in an electrode.
装置の駆動方法において、 上記ステップ(a)で、書込み電圧の絶対値が上記一定
値以下のときには、上記抵抗素子に流れる単位面積あた
りの通過電流が100[mA/cm2]以下であることを特
徴とする半導体装置の駆動方法。37. The method of driving a semiconductor device according to claim 35 or 36, wherein in step (a), when the absolute value of the write voltage is equal to or less than the constant value, a passage per unit area flowing through the resistance element is performed. A method for driving a semiconductor device, wherein the current is 100 [mA / cm 2 ] or less.
方法において、 上記ステップ(a)で、上記抵抗素子の両端に印加する
書込み電圧の絶対値が上記一定値を越える場合に、書込
み電圧のパルス幅を互いに等しくし、書込み電圧の絶対
値の大きさにより上記ゲート電極に蓄積される電荷量を
制御することを特徴とする半導体装置の駆動方法。38. The method of driving a semiconductor device according to claim 35, wherein in step (a), when the absolute value of the write voltage applied to both ends of the resistance element exceeds the predetermined value, the write voltage A method of driving a semiconductor device, wherein the pulse widths are made equal to each other, and the amount of charges accumulated in the gate electrode is controlled by the magnitude of the absolute value of the write voltage.
方法において、 上記ステップ(a)で、上記抵抗素子の両端に印加する
書込み電圧の絶対値が上記一定値を越える場合には上記
ゲート電極に蓄積される電荷量の粗調整を行い、上記書
込み電圧の絶対値が上記一定値を下回る場合には上記ゲ
ート電極に蓄積される電荷量の微調整を行なうことを特
徴とする半導体装置の駆動方法。39. The method of driving a semiconductor device according to claim 38, wherein in step (a), when the absolute value of the write voltage applied to both ends of the resistance element exceeds the certain value, the gate electrode is used. Driving of a semiconductor device characterized in that the amount of charge accumulated in the gate electrode is roughly adjusted, and the amount of charge accumulated in the gate electrode is finely adjusted when the absolute value of the write voltage is lower than the constant value. Method.
に記載の半導体装置の駆動方法において、 上記ステップ(a)では、上記抵抗素子の両端に印加す
る書込み電圧の範囲が絶対値の互いに等しい正負の範囲
であることを特徴とする半導体装置の駆動方法。40. The method of driving a semiconductor device according to claim 33, wherein in the step (a), ranges of write voltages applied to both ends of the resistance element are mutually absolute values. A method for driving a semiconductor device, wherein the positive and negative ranges are equal.
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Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004010582A1 (en) * | 2002-07-22 | 2004-01-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Probabilistic calculation element, drive method thereof, and recognition device using the same |
JP2007004514A (en) * | 2005-06-24 | 2007-01-11 | Elpida Memory Inc | Artificial neural circuit |
JP2007123864A (en) * | 2005-09-29 | 2007-05-17 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Memory device |
JP2010079941A (en) * | 2008-09-24 | 2010-04-08 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Semiconductor nonvolatile storage device |
JP2013168494A (en) * | 2012-02-15 | 2013-08-29 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2014033140A (en) * | 2012-08-06 | 2014-02-20 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
KR101671071B1 (en) | 2014-11-27 | 2016-10-31 | 포항공과대학교 산학협력단 | Synapse Apparatus for neuromorphic system applications |
KR20180035251A (en) * | 2016-09-28 | 2018-04-06 | 포항공과대학교 산학협력단 | Weighting Device and Method of the same |
WO2020141597A1 (en) * | 2019-01-04 | 2020-07-09 | 学校法人慶應義塾 | Machine learning device and method for controlling same |
JPWO2019239245A1 (en) * | 2018-06-15 | 2021-08-05 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Semiconductor device |
JP7671520B2 (en) | 2022-10-11 | 2025-05-02 | テラ クアンタム アーゲー | Ferroelectric nanoparticle capacitors for non-binary logic |
-
2002
- 2002-06-14 JP JP2002174228A patent/JP2003163332A/en not_active Withdrawn
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004010582A1 (en) * | 2002-07-22 | 2004-01-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Probabilistic calculation element, drive method thereof, and recognition device using the same |
US7493353B2 (en) | 2002-07-22 | 2009-02-17 | Panasonic Corporation | Stochastic processor, driving method thereof, and recognition process device using the same |
JP2007004514A (en) * | 2005-06-24 | 2007-01-11 | Elpida Memory Inc | Artificial neural circuit |
JP2007123864A (en) * | 2005-09-29 | 2007-05-17 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Memory device |
JP2010079941A (en) * | 2008-09-24 | 2010-04-08 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Semiconductor nonvolatile storage device |
JP2013168494A (en) * | 2012-02-15 | 2013-08-29 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2014033140A (en) * | 2012-08-06 | 2014-02-20 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
KR101671071B1 (en) | 2014-11-27 | 2016-10-31 | 포항공과대학교 산학협력단 | Synapse Apparatus for neuromorphic system applications |
KR20180035251A (en) * | 2016-09-28 | 2018-04-06 | 포항공과대학교 산학협력단 | Weighting Device and Method of the same |
KR101924694B1 (en) | 2016-09-28 | 2019-02-21 | 포항공과대학교 산학협력단 | Weighting Device and Method of the same |
JPWO2019239245A1 (en) * | 2018-06-15 | 2021-08-05 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Semiconductor device |
JP7346399B2 (en) | 2018-06-15 | 2023-09-19 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | semiconductor equipment |
US12211539B2 (en) | 2018-06-15 | 2025-01-28 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
WO2020141597A1 (en) * | 2019-01-04 | 2020-07-09 | 学校法人慶應義塾 | Machine learning device and method for controlling same |
JPWO2020141597A1 (en) * | 2019-01-04 | 2021-11-18 | 学校法人慶應義塾 | Machine learning devices and their control methods |
JP7526484B2 (en) | 2019-01-04 | 2024-08-01 | 慶應義塾 | Machine learning device and method for controlling same |
JP7671520B2 (en) | 2022-10-11 | 2025-05-02 | テラ クアンタム アーゲー | Ferroelectric nanoparticle capacitors for non-binary logic |
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