JP3622390B2 - Semiconductor memory device having ferroelectric capacitor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、1つのメモリセル内にそれぞれ異なる記憶データを記憶可能な複数の強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置にかかり、特に複数の強誘電体キャパシタの立体的な配置構造と、そのキャパシタを選択的に切り替える回路構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、強誘電体メモリ素子は、そのセル形式が、2個の選択トランジスタと2個の強誘電体キャパシタとにより1ビットを構成するもの(2Tr−2Cap方式)と、1個の選択トランジスタと1個の強誘電体キャパシタとにより1ビットを構成するもの(1Tr−1Cap方式)との2種類があった。
2Tr−2Cap方式は、データ読出時の基準をセル内部で設定でき、データ読出動作がプロセスや膜特性等のバラツキの影響を受けにくい、また低電圧動作が可能であるといった利点を有する。
これに対し、1Tr−1Cap方式では、高集積化に適したものとするために、データ読出の基準となるセルをビット線対ごとに共有させて、メモリセル自体は簡素化されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
これら強誘電体メモリ素子も、他のメモリ素子と同様に大容量化の要請がつよく、全体の記憶容量を増やす際、チップ面積の増大を如何に最小限に抑えるかが重要な課題となっている。このため、単位面積当たりの容量値を向上させることを目的として、誘電率の高い強誘電薄膜の開発や、電極表面積の増大といった様々な検討が進められ、ある程度の成果を上げている。
ところが、従来のセル形式のまま、強誘電体メモリ素子の単位面積当たり容量値を上げようとしても、強誘電薄膜の開発自体の困難性や強誘電薄膜の扱いが難しいといったことに起因して、蓄積容量値を大幅に向上させることは容易でない。
【0004】
本発明は、このような実情に鑑みてなされ、セル面積を増大させることなく、単位面積当たりのメモリ容量を大幅に向上させることができる新たなセル構造を提案し、これを用いた大容量で高性能な強誘電体メモリ素子を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上述した従来技術の問題点を解決し、上記目的を達成するために、本発明の強誘電体記憶装置では、選択トランジスタを共通化した複数の強誘電体キャパシタをメモリセル内に複数設け、その何れにデータを記憶させ、また何れの記憶データを読出すかを制御する回路を具備させる構成にした。
すなわち、本発明の強誘電体記憶装置では、一対のビット線の一方にソースまたはドレインの何れか一方が接続されている選択トランジスタと、当該選択トランジスタのソースまたはドレインの他方側に、記憶ノード電極を並列に接続させ、それぞれが異なる記憶データを蓄積できる複数の強誘電体キャパシタと、によりメモリセルが構成され、当該複数の強誘電体キャパシタのプレート電極に接続され、ワード線が励起されることを条件に、入力されるプレート線選択信号に応じて、複数の強誘電体キャパシタの何れかのプレート電極をプレート電圧供給線に選択的に接続させるプレート線選択回路を有することを特徴とする。
【0006】
複数の強誘電体キャパシタは、選択トランジスタを挟んで半導体基板面に垂直な方向に互いに離間して配置させると、単位面積あたりのメモリ容量値を従来の少なくとも2倍以上にでき好ましい。
【0007】
また、選択トランジスタおよび複数の強誘電体キャパシタは、半導体基板上の厚い絶縁層内に埋め込まれたかたちで配置させると、選択トランジスタがSOI(Silicon On Insulator)型の素子分離構造となり、選択トランジスタの高速化および低消費電力化を図り、さらにキャパシタのプレート線同士の電気的干渉を小さくでき、好ましい。
【0008】
このような構成の強誘電体記憶装置では、1メモリセルで複数ビットの情報を記憶でき、従来の数倍の記憶容量を達成できる。また、強誘電体キャパシタを立体配置させることによって、占有面積を同等あるいは面積増大を極力抑えることが可能となる。加えて、選択トランジスタの高性能化等を図ることができ、この結果、大容量で高速動作が可能な強誘電体記憶装置を実現させることが容易化される。
【0009】
一方、メモリセル内に2つの強誘電体キャパシタを設けた場合、これを選択的にプレート線に接続させるプレート線選択回路の具体的構成としては、各プレート電極とプレート電圧供給線との接続経路途中それぞれに制御ゲートを設け、その2つの制御ゲートを、プレート線選択信号によって互いに反転動作させるようにすることができる。
すなわち、この場合のプレート線選択回路は、前記ワード線が第1の入力端子に接続され、前記プレート線選択信号が第2の入力端子に接続されるANDゲートと、前記2つの強誘電体キャパシタの一方のプレート電極と前記プレート電圧供給線との間に接続され、ゲートに前記ANDゲートの出力が接続されている第1の制御ゲートと、他方のプレート電極と前記プレート電圧供給線との間に接続され、ゲートに前記ANDゲートの出力がインバータを介して接続され、前記第1の制御ゲートに対し反転動作する第2の制御ゲートと、を有することを特徴とする。
【0010】
また、これらの制御ゲートを、プレート線選択信号とその反転信号によって動作するトランスミッションゲート構成にすると、導通時の低インピーダンス化、及び非導通時の高インピーダンス化を図ることができ、好ましい。
すなわち、この場合のプレート線選択回路において、前記ANDゲートは、それぞれ前記第1の入力端子と前記第2の入力端子とを有する第1のANDゲートと第2のANDゲートから構成され、当該第1のANDゲートは、その第2の入力端子に前記プレート線選択信号が入力され、その出力が前記第1の制御ゲートを構成するトランジスタのゲートに接続され、前記第2のANDゲートは、その第2の入力端子に前記プレート線選択信号の反転信号が入力され、その出力が前記第2の制御ゲートを構成するトランジスタのゲートに前記インバータを介して接続され、前記第1の制御ゲートを構成するトランジスタは、第1のANDゲートの出力がインバータを介してゲートに接続されている逆導電型のトランジスタとともに、第1のトランスミッションゲートを構成し、前記第2の制御ゲートを構成するトランジスタは、第2のANDゲートの出力がゲートに接続されている逆導電型のトランジスタとともに、第2のトランスミッションゲートを構成していることを特徴とする。
【0011】
このようなプレート線選択回路は、回路構成が簡易であり、単位面積あたりのメモリ容量増大を目的として本発明で新たに提案される1Tr−2Cap方式の強誘電体記憶装置について、そのメモリセル内のキャパシタ切換回路として適している。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる強誘電体記憶装置(強誘電体メモリ)を、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の強誘電体メモリの特徴は、上記したように、それぞれ異なるデータが記憶できる強誘電体キャパシタを各メモリセル内に複数有し、また、その選択を制御する回路が設けられていることにある。したがって、メモリセル内の強誘電体キャパシタ数に限定はなく、その配置についても特に制限はない。ただし、セル面積の増大を抑える意味では、キャパシタを基板面と垂直な方向に3次元的に配置させるのが望ましい。
【0013】
ここでは、共通な選択トランジスタを挟んで、2つの強誘電体キャパシタを上下に対称に設け、セル面積を変えずにメモリ容量を2倍にできる場合を例として、本発明を説明する。
図1(a)は、本発明の強誘電体記憶装置のメモリセル構成例を示す等価回路図であり、図1(b)は、プレート線選択回路の構成例を示す回路図である。
図中、符号1は、強誘電体メモリのメモリセル、2は選択トランジスタを示す。C0 およびC1 は2つの強誘電体キャパシタを示し、その記憶ノードとなる電極(本発明では、記憶ノード電極と称する)を符号3で示し、そのプレート電極を符号4で示す。また、BLはビット線、WLはワード線、PL0 ,PL1 はそれぞれ強誘電体キャパシタC0 ,C1 のプレート電極に接続されたプレート線である。
【0014】
本発明では、このように共通な選択トランジスタ2の一方の不純物拡散領域(例えば、ドレイン)に、2つの強誘電体キャパシタC0 ,C1 がその記憶ノード電極3側から並列に接続されて、メモリセルが構成されている。そして、同様な構成のメモリセルがビット線BLとワード線の各交点ごとに規則正しく配置され、メモリアレイ全体が構成されている。
【0015】
一方、本発明の強誘電体メモリでは、図1(a)に示すように、例えばメモリアレイ周囲にプレート線選択回路5が設けられている。プレート線選択回路5には、上記したワード線WLと2本のプレート線PL0 ,PL1 、及びプレート電圧供給線PLが接続されている。この外、図示せぬ選択信号線等も接続されている。このプレート線選択回路5の機能および具体的な構成については、後述する。
【0016】
図2は、図1のメモリセル1およびプレート線選択回路5と、このメモリセル1に隣接し、ビット線BLを共有する他のメモリセルの概略断面図である。なお、この図2では、他のメモリセルのプレート線の取出構造は、簡略化のため省略している。また、図2は、プレート線選択回路5とプレート線の接続は模式的に示したものであり、実際の回路(例えば、図1(b))には対応していない。
【0017】
図2中、符号10b,10cは、図示せぬシリコン基板のエッチバックにより残されたMOSトランジスタの能動領域、11は第1の層間絶縁層、16は第2層間絶縁層、17は接続プラグ、18は第3の層間絶縁層、19は半導体基板、20は接着層を示す。
本実施形態の強誘電体メモリ装置は、選択トランジスタ2を挟んで、半導体基板19の面に垂直な方向に2つの強誘電体キャパシタC0 ,C1 が配置されている。このため、メモリセル1の大きさが殆ど選択トランジスタ2の占有面積で決まり、またメモリセル1が2つの強誘電体キャパシタC0 ,C1 を有して2ビットのデータを記憶できる。したがって、選択トランジスタ2と強誘電体キャパシタを平面上に並べた場合に比べ、単位面積あたりの容量値をおおよそ4倍に向上させ、極めて大容量の強誘電体メモリに適した構造を有している。
【0018】
つぎに、このように構成された強誘電体メモリの製造方法について、各製造過程の断面を示す図3〜9に沿って説明する。
図3(a)では、まずシリコン基板10を用意し、このシリコン基板10の表面に、通常のフォトリソグラフィ技術とRIE等の異方性エッチングにより、所定深さの溝10aを形成する。次に説明するように、この溝10a同士の間隔内が絶縁膜で埋められることによって、メモリセル1の選択トランジスタ2、或いはプレート線選択回路5を構成するトランジスタについて、素子分離が達成される。この溝間隔部分のうち、図の左端(符号10b)がメモリセル1の選択トランジスタ2の能動領域となり、他の溝間隔部分10cがプレート線選択回路5を構成するトランジスタの能動領域となる。
【0019】
図3(b)では、溝10aが形成されたシリコン基板10上に、図示せぬシリコン酸化膜を薄く成膜した後、第1の層間絶縁層11とエッチングストッパ膜12を、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition) 法により成膜する。また、このエッチングストッパ膜12上に、比較的に厚めの犠牲層13を、例えばCVD法やSOG(Spin on Glass) 法を用いて形成する。
この第1の層間絶縁層11としては、例えば酸化シリコン膜を用いることができ、犠牲層13は、酸化シリコン系の膜で構成される。また、エッチングストッパ膜12は、その上層側の犠牲層13に対しエッチング選択比が高い材料、例えば窒化シリコン膜等から構成される。第1の層間絶縁層11は、その成膜後に、例えば化学的機械研磨(CMP)等により平坦化しておくことが望ましい。
そして、メモリセル側の能動領域となる溝間隔部分10bに達するコンタクト孔14を、例えばRIE等の異方性エッチングにより形成する。
【0020】
図4(c)では、まず、記憶ノード電極材料をコンタクト孔14に埋め込むかたちで成膜し、エッチバックすることによりプラグ状の記憶ノード電極3を形成する。
その後、フッ酸系のエッチング液により犠牲層13を除去し、またリン酸系のエッチング液によりエッチングストッパ膜12を除去する。
【0021】
図4(d)では、まず、強誘電体膜15とプレート電極4となる膜を連続的に、例えばCVD法で成膜する。そして、この積層膜を、通常のフォトリソグラフィ技術とRIE等の異方性エッチングにより所定形状に加工する。これにより、選択トランジスタの能動領域10bから立設したかたちで強誘電体キャパシタC0 が形成される。
【0022】
図5(e)では、まず、第2の層間絶縁層16を全面に成膜する。第2の層間絶縁層16は、例えば酸化シリコン膜で構成される。
この第2の層間絶縁層16と第1の層間絶縁層11とに、コンタクト孔を形成する。このコンタクト孔は、強誘電体キャパシタC0 のプレート電極上と、プレート線選択回路5を構成する所定トランジスタの能動領域10c上で開口される。
そして、これらコンタクト孔を埋め込むかたちで、ポリシリコン等からなる膜を成膜し、これをエッチバックすることにより、接続プラグ17を形成する。
また、タングステン(W)、またはWとアルミニウム(Al)の積層膜を成膜し、通常のフォトリソグラフィ技術とRIE等の異方性エッチングによって、プレート線PL0 を形成する。
【0023】
図6(f)では、まず、全面に酸化シリコン系の第3の層間絶縁層18を、CVD法等で比較的に厚く成膜する。成膜した第3の層間絶縁層18上に、シリコンウェーハ等の半導体基板19との接着材料として、例えばポリシリコンからなる接着層20を成膜後、接着層20上面をCMP等で平坦化する。そして、この接着層20側から半導体基板19を張り合わせ、熱処理により密着させる。
【0024】
図7(g)では、いま張り合わせた半導体基板19を上にして、その上面から機械研磨とCMP等で研磨していき、第1の層間絶縁層11が表面に露出したとことで研磨を終了させる。これにより、第1の層間絶縁層11表面にトランジスタの能動領域10b,10cが埋め込まれたかたちで残される。
【0025】
図8(h)では、まず、能動領域10b,10cに対し、チャネル導電型に応じて不純物を打ち分けた後、メモリセル1側の能動領域10bに選択トランジスタ2のゲート電極となるワード線MLと、プレート線選択回路5側のトランジスタのゲート電極21とを、通常のフォトリソグラフィ技術とRIE等の異方性エッチングで形成する。これらの電極材料は、ポリシリコン膜である。次いで、これらの電極ML,21をマスクとして、全面にイオン注入で不純物をチャネル導電型に応じて打ち分けることによって、各能動領域10b,10cにソース領域22とドレイン領域23を形成する。
また、全面に酸化シリコン等の絶縁膜を成膜した後、同様な加工技術を用いて、ポリシリコンからなるビット線BLを、メモリセル1の選択トランジスタ2のソース領域22に接続させたかたちで形成する。
そして、全面に酸化シリコン等からなる第1の層間絶縁層11再び成膜し、その上面を平坦化する。
【0026】
その後は、先に説明した図4の工程と同様な方法によって、第2の強誘電体キャパシタC1 を形成し(図9(i))、これとプレート線選択回路5とを接続する第2のプレート線PL1 を形成する(図2)。
その後は、保護膜の形成およびパッド窓明け等を経て、当該強誘電体メモリを完成させることができる。
【0027】
最後に、図1(b)に例示したプレート線選択回路5の具体的な構成と、動作について説明する。なお、メモリセルへのデータ書込とデータ読出動作は、基本的に通常の場合と変わらないことから、ここでの動作説明は、プレート線の選択的な切換えについて行なう。
【0028】
図中符号TG0,TG1 は、トランスファーゲートを示している。トランスファーゲートTG0 は、プレート電圧供給線PLとプレート線PL0 との間に接続されている。また,トランスファーゲートTG1 は、プレート電圧供給線PLとプレート線PL1 との間に接続されている。各トランスファーゲートTG0,TG1 は、ソース同士およびドレイン同士を相互接続させたPチャネルMOSFET(PMOS30)と、NチャネルMOSFET(NMOS31)とから構成されている。
【0029】
一方、符号AND0,AND1 は、ANDゲートを示している。AND0,AND1 の一方の入力には、ワード線WLが接続されている。AND0 の他方の入力には、プレート線選択信号APO が入力される。これに対し、AND1 の他方の入力には、プレート線選択信号APO の反転信号/APOが入力される。
AND0 の出力は、トランスファゲートTG0 を構成するNMOS31のゲートに接続されるとともに、インバータINV0 を介して、トランスファゲートTG0 を構成するPMOS30のゲートに接続されている。
同様に、AND1 の出力は、トランスファゲートTG1 のNMOS31のゲートと、インバータINV1 を介してトランスファゲートTG1 のPMOS30のゲートに接続されている。
【0030】
図1(a)の強誘電体キャパシタC0 が選択され、ワード線WLが励起されると、このような構成のプレート線選択回路5にプレート線選択信号APO が入力される。
このプレート線選択回路5はハイアクティブとすれば、AND0 の出力が“high(H)”となり、トランスファゲートTG0 を構成するNMOS31およびPMOS30がともに導通して、プレート線PL0 をプレート電圧供給線PLに接続する。
一方、AND1 の出力は、“low(L)”のままで、非選択の強誘電体キャパシタC1 のプレート線PL1 には、プレート電圧が供給されない。
【0031】
これとは逆に、強誘電体キャパシタC1 が選択され、ワード線WLが励起されると、プレート線選択信号APO は入力されず、その反転信号/APOが入力される。このため、AND0 の出力は“L”、AND1 の出力が“H”となり、トランスファゲートTG0 が遮断しトランスファゲートTG1 が導通する。したがって、プレート電圧供給線PLに接続されるプレート線がPL0 からPL1 に切り替えられる。
【0032】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係わる強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置によれば、1つの選択トランジスタと複数の強誘電体キャパシタで1メモリセルを構成させ、1メモリセルに複数ビットのデータを記憶させることができる。この際、三次元的に複数の強誘電体キャパシタを配置させることでメモリセルの占有面積の増大を極力抑制することができる。
また、SOI型の素子分離構造を採用することで、選択トランジスタの高速化および低消費電力化が図れるほか、2つの強誘電体キャパシタのプレート電極に接続されている2つのプレート線間で電気的干渉が小さく、当該強誘電体キャパシタの安定動作が確保される。
【0033】
よって、本発明により、セル面積を増大させることなく、単位面積当たりのメモリ容量を大幅に向上させることができる新たなセル構造を提案し、これを用いた大容量で高性能な強誘電体メモリ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は、本発明の実施形態にかかる強誘電体記憶装置のメモリセル構成例を示す等価回路図である。図1(b)は、プレート線選択回路の構成例を示す回路図である。
【図2】図2は、図1のメモリセルおよびプレート線選択回路と、このメモリセルに隣接し、ビット線を共有する他のメモリセルの概略断面図である。
【図3】図3は、図1および図2に示す強誘電体メモリの各製造過程を示す概略断面図であり、記憶ノード電極形成用コンタクト孔の開口工程までを示す。
【図4】図4は、図3に続く概略断面図であり、最初の強誘電体キャパシタの形成工程までを示す。
【図5】図5は、図4に続く概略断面図であり、プレート線の形成工程までを示す。
【図6】図6は、図5に続く概略断面図であり、半導体基板の張り合せ工程までを示す。
【図7】図7は、図6に続く概略断面図であり、シリコン基板を研磨することによるトランジスタ能動領域の形成工程までを示す。
【図8】図8は、図7に続く概略断面図であり、トランジスタ、ビット線およびワード線の形成工程までを示す。
【図9】図9は、図8に続く概略断面図であり、2つ目の強誘電体キャパシタの形成工程までを示す。
【符号の説明】
1…メモリセル、2…選択トランジスタ、3…記憶ノード電極、4…プレート電極、5…プレート線選択回路、10…シリコン基板、10a…素子分離用の溝、10b,10c…トランジスタの能動領域、11…第1の層間絶縁層、12…エッチングストッパ膜、13…犠牲層、14…コンタクト孔、15…強誘電体膜、16…第2の層間絶縁層、17…接続プラグ、18…第3の層間絶縁層、19…半導体基板、20…接着層、21…ゲート電極、22…ソース領域、23…ドレイン領域、30…トランスファゲートを構成するPMOS、31…トランスファゲートを構成するNMOS、C0,C1 …2つの強誘電体キャパシタ、BL…ビット線、WL…ワード線、PL…プレート電圧供給線、PL0,PL1 …プレート線、TG0,TG1 …トランスファーゲート、AND0,AND1 …ANDゲート、INV0,INV1 …インバータ、APO …プレート線選択信号、/APO…プレート線選択信号の反転信号。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device having a plurality of ferroelectric capacitors capable of storing different storage data in one memory cell, and in particular, a three-dimensional arrangement structure of a plurality of ferroelectric capacitors and the capacitor. The present invention relates to a circuit configuration for selectively switching.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the ferroelectric memory element has a cell type in which one bit is composed of two selection transistors and two ferroelectric capacitors (2Tr-2Cap system), one selection transistor and one There were two types, one that constitutes one bit with one ferroelectric capacitor (1Tr-1Cap system).
The 2Tr-2Cap method has an advantage that a reference at the time of data reading can be set inside the cell, the data reading operation is hardly affected by variations in process and film characteristics, and low voltage operation is possible.
On the other hand, in the 1Tr-1Cap system, in order to make it suitable for high integration, the memory cell itself is simplified by sharing a cell serving as a reference for data reading for each pair of bit lines.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As with other memory devices, these ferroelectric memory devices are also demanded to have a large capacity, and when increasing the overall storage capacity, how to minimize the increase in chip area is an important issue. Yes. For this reason, various studies such as the development of a ferroelectric thin film having a high dielectric constant and an increase in the electrode surface area have been promoted for the purpose of improving the capacitance value per unit area, and some results have been achieved.
However, even if it is attempted to increase the capacitance value per unit area of the ferroelectric memory element with the conventional cell format, the development of the ferroelectric thin film itself is difficult and the handling of the ferroelectric thin film is difficult. It is not easy to greatly increase the storage capacity value.
[0004]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has proposed a new cell structure capable of greatly improving the memory capacity per unit area without increasing the cell area, and has a large capacity using the cell structure. An object is to provide a high-performance ferroelectric memory device.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems of the prior art and achieve the above object, in the ferroelectric memory device of the present invention, a plurality of ferroelectric capacitors having a common selection transistor are provided in a memory cell, A circuit for controlling which data is stored and which stored data is read is provided.
That is, in the ferroelectric memory device of the present invention, a selection transistor in which one of a source and a drain is connected to one of a pair of bit lines, and a storage node electrode on the other side of the source or drain of the selection transistor Are connected in parallel, and a plurality of ferroelectric capacitors each capable of storing different storage data constitute a memory cell, connected to the plate electrodes of the plurality of ferroelectric capacitors, and a word line is excited. And a plate line selection circuit for selectively connecting any plate electrode of the plurality of ferroelectric capacitors to the plate voltage supply line in accordance with an input plate line selection signal.
[0006]
It is preferable that the plurality of ferroelectric capacitors be disposed at a distance from each other in the direction perpendicular to the semiconductor substrate surface with the selection transistor interposed therebetween, because the memory capacity value per unit area can be at least twice that of the conventional one.
[0007]
When the selection transistor and the plurality of ferroelectric capacitors are arranged in a thick insulating layer on the semiconductor substrate, the selection transistor has an SOI (Silicon On Insulator) type element isolation structure, and the selection transistor High speed and low power consumption can be achieved, and electrical interference between the plate lines of the capacitor can be reduced, which is preferable.
[0008]
In the ferroelectric memory device having such a configuration, information of a plurality of bits can be stored in one memory cell, and a storage capacity several times that of the conventional one can be achieved. Further, by arranging the ferroelectric capacitors in three dimensions, it is possible to make the occupied area equal or suppress the increase in area as much as possible. In addition, it is possible to improve the performance of the selection transistor, and as a result, it is easy to realize a ferroelectric memory device capable of high-speed operation with a large capacity.
[0009]
On the other hand, when two ferroelectric capacitors are provided in the memory cell, a specific configuration of the plate line selection circuit for selectively connecting the ferroelectric capacitor to the plate line is a connection path between each plate electrode and the plate voltage supply line. Control gates can be provided in the middle, and the two control gates can be inverted by a plate line selection signal.
That is, the plate line selection circuit in this case includes an AND gate in which the word line is connected to the first input terminal, the plate line selection signal is connected to the second input terminal, and the two ferroelectric capacitors. Between the first plate gate and the plate voltage supply line, the gate of which is connected to the output of the AND gate, and the other plate electrode and the plate voltage supply line. And an output of the AND gate is connected to the gate via an inverter, and a second control gate that performs an inverting operation with respect to the first control gate is provided.
[0010]
In addition, it is preferable that these control gates have a transmission gate configuration that operates according to a plate line selection signal and its inverted signal because it is possible to reduce the impedance when conducting and to increase the impedance when not conducting.
That is, in the plate line selection circuit in this case, the AND gate is composed of a first AND gate and a second AND gate each having the first input terminal and the second input terminal, respectively. The AND line of 1 is supplied with the plate line selection signal at its second input terminal, and its output is connected to the gate of the transistor that constitutes the first control gate. An inverted signal of the plate line selection signal is input to a second input terminal, and an output thereof is connected to a gate of a transistor constituting the second control gate via the inverter, thereby constituting the first control gate. The first transistor is connected to the first transistor together with the reverse conductivity type transistor in which the output of the first AND gate is connected to the gate through the inverter. The transistor constituting the transmission gate and the second control gate constitutes the second transmission gate together with the reverse conductivity type transistor in which the output of the second AND gate is connected to the gate. It is characterized by that.
[0011]
Such a plate line selection circuit has a simple circuit configuration, and the 1Tr-2Cap type ferroelectric memory device newly proposed in the present invention for the purpose of increasing the memory capacity per unit area is included in the memory cell. It is suitable as a capacitor switching circuit.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a ferroelectric memory device (ferroelectric memory) according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As described above, the ferroelectric memory according to the present invention has a plurality of ferroelectric capacitors capable of storing different data in each memory cell, and a circuit for controlling the selection is provided. It is in. Therefore, there is no limitation on the number of ferroelectric capacitors in the memory cell, and the arrangement thereof is not particularly limited. However, in order to suppress an increase in cell area, it is desirable to arrange the capacitors three-dimensionally in a direction perpendicular to the substrate surface.
[0013]
Here, the present invention will be described by taking as an example a case where two ferroelectric capacitors are provided vertically symmetrically across a common selection transistor, and the memory capacity can be doubled without changing the cell area.
FIG. 1A is an equivalent circuit diagram showing a memory cell configuration example of the ferroelectric memory device of the present invention, and FIG. 1B is a circuit diagram showing a configuration example of a plate line selection circuit.
In the figure,
[0014]
In the present invention, two ferroelectric capacitors C 0 and C 1 are connected in parallel from the
[0015]
On the other hand, in the ferroelectric memory of the present invention, as shown in FIG. 1A, for example, a plate
[0016]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
[0017]
In FIG. 2,
In the ferroelectric memory device of this embodiment, two ferroelectric capacitors C 0 and C 1 are arranged in a direction perpendicular to the surface of the
[0018]
Next, a method for manufacturing the ferroelectric memory configured as described above will be described with reference to FIGS.
In FIG. 3A, first, a
[0019]
3B, after forming a thin silicon oxide film (not shown) on the
For example, a silicon oxide film can be used as the first
Then, the
[0020]
In FIG. 4C, first, a storage node electrode material is formed in a form embedded in the
Thereafter, the
[0021]
In FIG. 4D, first, the
[0022]
In FIG. 5E, first, the second
Contact holes are formed in the second
Then, a film made of polysilicon or the like is formed so as to fill these contact holes, and this is etched back to form the
In addition, a laminated film of tungsten (W) or W and aluminum (Al) is formed, and the plate line PL 0 is formed by a normal photolithography technique and anisotropic etching such as RIE.
[0023]
In FIG. 6F, first, a silicon oxide-based third
[0024]
In FIG. 7G, the bonded
[0025]
In FIG. 8H, first, impurities are divided into the
Further, after an insulating film such as silicon oxide is formed on the entire surface, the bit line BL made of polysilicon is connected to the
Then, the first
[0026]
Then, by a process similar to the method of FIG. 4 described above, to form a second ferroelectric capacitor C 1 (FIG. 9 (i)), a second for connecting this with the plate
Thereafter, the ferroelectric memory can be completed through formation of a protective film and opening of a pad window.
[0027]
Finally, a specific configuration and operation of the plate
[0028]
Reference numerals TG 0 and TG 1 in the figure indicate transfer gates. Transfer gate TG 0 is connected between the plate voltage supply line PL and the plate line PL 0. Further, the transfer gate TG 1 is connected between the plate voltage supply line PL and the plate line PL 1 . Each transfer gate TG 0 , TG 1 is composed of a P-channel MOSFET (PMOS 30) in which sources and drains are interconnected and an N-channel MOSFET (NMOS 31).
[0029]
On the other hand, the symbols AND 0 and AND 1 indicate AND gates. A word line WL is connected to one input of AND 0 and AND 1 . The other input of the AND 0, the plate line selection signal APO are input. On the other hand, an inverted signal / APO of the plate line selection signal APO is input to the other input of AND 1 .
The output of the AND 0 is connected to the gate of NMOS31 constituting the transfer gates TG 0, via the inverter INV 0, is connected to the gate of the PMOS30 which constitute a transfer gate TG 0.
Similarly, the output of the AND 1 includes a gate of NMOS31 of the transfer gate TG 1, is connected to the gate of the PMOS30 of the transfer gate TG 1 via an inverter INV 1.
[0030]
Figure 1 ferroelectric capacitor C 0 of the (a) is selected and the word line WL is energized, the plate line selection signal APO to the plate
If the plate
On the other hand, the output of AND 1 remains “low (L)”, and no plate voltage is supplied to the plate line PL 1 of the non-selected ferroelectric capacitor C 1 .
[0031]
Conversely, the ferroelectric capacitor C 1 is selected and the word line WL is energized, the plate line selection signal APO is not input, the inverted signal / APO are input. Therefore, the output of AND 0 is “L”, the output of AND 1 is “H”, the transfer gate TG 0 is cut off, and the transfer gate TG 1 is turned on. Therefore, the plate line connected to the plate voltage supply line PL is switched from PL 0 to PL 1 .
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor according to the present invention, one memory cell is formed by one selection transistor and a plurality of ferroelectric capacitors, and a plurality of bits are stored in one memory cell. Data can be stored. At this time, an increase in the area occupied by the memory cell can be suppressed as much as possible by arranging a plurality of ferroelectric capacitors three-dimensionally.
In addition, by adopting an SOI type element isolation structure, it is possible to increase the speed and power consumption of the selection transistor, and to electrically connect the two plate lines connected to the plate electrodes of the two ferroelectric capacitors. The interference is small and stable operation of the ferroelectric capacitor is ensured.
[0033]
Therefore, according to the present invention, a new cell structure capable of greatly improving the memory capacity per unit area without increasing the cell area is proposed, and a large capacity and high performance ferroelectric memory using the same is proposed. An element can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is an equivalent circuit diagram showing a memory cell configuration example of a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a circuit diagram showing a configuration example of the plate line selection circuit.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the memory cell and plate line selection circuit of FIG. 1 and another memory cell adjacent to the memory cell and sharing a bit line.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing each manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIGS. 1 and 2 and shows a process up to a process of opening a contact hole for forming a storage node electrode;
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 3, showing a process up to the first ferroelectric capacitor formation process;
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 4 and shows a process up to forming a plate line.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 5, showing a process up to a bonding process of semiconductor substrates.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 6 and shows a process up to forming a transistor active region by polishing a silicon substrate.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 7, showing a process up to forming transistors, bit lines, and word lines.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 8, showing a process up to forming a second ferroelectric capacitor;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
当該選択トランジスタのソースまたはドレインの他方側に、記憶ノード電極を並列に接続させ、それぞれが異なる記憶データを蓄積できる複数の強誘電体キャパシタと、によりメモリセルが構成され、
当該複数の強誘電体キャパシタのプレート電極に接続され、ワード線が励起されることを条件に、入力されるプレート線選択信号に応じて、複数の強誘電体キャパシタの何れかのプレート電極をプレート電圧供給線に選択的に接続させるプレート線選択回路を有する
強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置。A selection transistor having either a source or a drain connected to one of a pair of bit lines;
A memory cell is composed of a plurality of ferroelectric capacitors, each having a storage node electrode connected in parallel to the other side of the source or drain of the selection transistor and capable of storing different storage data.
The plate electrodes of any of the plurality of ferroelectric capacitors are connected to the plate electrodes of the plurality of ferroelectric capacitors and the word line is excited, depending on the input plate line selection signal. A semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor having a plate line selection circuit selectively connected to a voltage supply line.
請求項1に記載の強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置。2. The semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein the plurality of ferroelectric capacitors are spaced apart from each other in a direction perpendicular to the semiconductor substrate surface with the selection transistor interposed therebetween.
請求項2に記載の強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置。3. The semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor according to claim 2, wherein the selection transistor and the plurality of ferroelectric capacitors are arranged in a form embedded in a thick insulating layer on a semiconductor substrate.
前記プレート線選択回路は、
前記ワード線が第1の入力端子に接続され、前記プレート線選択信号が第2の入力端子に接続されるANDゲートと、
前記2つの強誘電体キャパシタの一方のプレート電極と前記プレート電圧供給線との間に接続され、ゲートに前記ANDゲートの出力が接続されている第1の制御ゲートと、
他方のプレート電極と前記プレート電圧供給線との間に接続され、ゲートに前記ANDゲートの出力がインバータを介して接続され、前記第1の制御ゲートに対し反転動作する第2の制御ゲートと、を有する
請求項1に記載の強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置。A pair of the ferroelectric capacitors are provided in the memory cell,
The plate line selection circuit is
An AND gate having the word line connected to a first input terminal and the plate line selection signal connected to a second input terminal;
A first control gate connected between one plate electrode of the two ferroelectric capacitors and the plate voltage supply line, the gate of which is connected to the output of the AND gate;
A second control gate connected between the other plate electrode and the plate voltage supply line, the output of the AND gate being connected to the gate via an inverter, and an inverting operation with respect to the first control gate; A semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor according to claim 1.
当該第1のANDゲートは、その第2の入力端子に前記プレート線選択信号が入力され、その出力が前記第1の制御ゲートを構成するトランジスタのゲートに接続され、
前記第2のANDゲートは、その第2の入力端子に前記プレート線選択信号の反転信号が入力され、その出力が前記第2の制御ゲートを構成するトランジスタのゲートに前記インバータを介して接続され、
前記第1の制御ゲートを構成するトランジスタは、第1のANDゲートの出力がインバータを介してゲートに接続されている逆導電型のトランジスタとともに、第1のトランスミッションゲートを構成し、
前記第2の制御ゲートを構成するトランジスタは、第2のANDゲートの出力がゲートに接続されている逆導電型のトランジスタとともに、第2のトランスミッションゲートを構成している
請求項4に記載の強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置。The AND gate comprises a first AND gate and a second AND gate each having the first input terminal and the second input terminal,
The plate line selection signal is input to the second input terminal of the first AND gate, and the output is connected to the gate of the transistor constituting the first control gate.
The second AND gate receives an inverted signal of the plate line selection signal at its second input terminal, and its output is connected to the gate of the transistor constituting the second control gate via the inverter. ,
The transistor constituting the first control gate constitutes a first transmission gate together with a reverse conductivity type transistor in which the output of the first AND gate is connected to the gate via an inverter,
5. The strong transistor according to claim 4, wherein the transistor constituting the second control gate constitutes a second transmission gate together with a reverse conductivity type transistor in which an output of the second AND gate is connected to the gate. A semiconductor memory device having a dielectric capacitor.
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