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JPS5953713B2 - integrated circuit device - Google Patents

integrated circuit device

Info

Publication number
JPS5953713B2
JPS5953713B2 JP56005969A JP596981A JPS5953713B2 JP S5953713 B2 JPS5953713 B2 JP S5953713B2 JP 56005969 A JP56005969 A JP 56005969A JP 596981 A JP596981 A JP 596981A JP S5953713 B2 JPS5953713 B2 JP S5953713B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
concentration impurity
high concentration
impurity region
silicon substrate
field effect
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP56005969A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS57120372A (en
Inventor
太彦 長谷川
茂夫 柴田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP56005969A priority Critical patent/JPS5953713B2/en
Publication of JPS57120372A publication Critical patent/JPS57120372A/en
Publication of JPS5953713B2 publication Critical patent/JPS5953713B2/en
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/63Vertical IGFETs

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ’ この発明は、不揮発性絶縁型電界効果トランジスタ
、もしくはこの不揮発性絶縁型電界効果トランジスタを
用いて構成する高密度記憶セルアレーを含む集積回路装
置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an integrated circuit device including a non-volatile insulated field effect transistor or a high-density memory cell array constructed using the non-volatile insulated field effect transistor.

従来、半導体不揮発性記憶装置としては、例えiばフロ
ーティングゲートを有するFAMOS(フローテイング
ゲートアバランシエジヤンクシヨンM05)、窒化シリ
コン膜をゲート絶縁膜として含むMNOS(メタルナイ
トライドオキサイドセミコンダクタ)、MAOS(メタ
ルアルミナオキサイドセミコンダクタ)等のPROM(
プログラマブルリードオンリーメモリ)装置が知られて
いるが、これらのデバイスはいずれも、データの書き込
み電圧が高いこと、書き込み速度が遅いこと、耐圧の観
点から微細化が困難であること等の欠点を有していると
共に、データの読み出し回数が108〜1010回に限
定されている。
Conventionally, semiconductor non-volatile memory devices include, for example, FAMOS (floating gate avalanche mechanism M05) having a floating gate, MNOS (metal nitride oxide semiconductor) containing a silicon nitride film as a gate insulating film, and MAOS (metal PROM (alumina oxide semiconductor) etc.
Programmable read-only memory) devices are known, but all of these devices have drawbacks such as high data write voltage, slow write speed, and difficulty in miniaturization from the viewpoint of voltage resistance. In addition, the number of times data can be read is limited to 108 to 1010 times.

また、データの消去についても、例えばFAMOSデバ
イスでは紫外線もしくはX線を必要とし、MNOSにお
いてもかなりの高電圧を必要とする等の問題を有してい
る。従つて、このようなデバイスを用いて構成された従
来の半導体不揮発性記憶素子は、微細化が困難で素子の
高密度化に限界があると共に消費電力が大きいという欠
点がある。また、データの消去法が素子の種類によつて
異なるという取扱い上の不便もある。この発明は以上の
ような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、
小型、高性能にして低電力特性を有すると共に使い易い
半導体不揮発性記憶デバイスを提供することにある。
Furthermore, there are also problems with erasing data, such as FAMOS devices requiring ultraviolet rays or X-rays, and MNOS devices also requiring considerably high voltage. Therefore, conventional semiconductor nonvolatile memory elements constructed using such devices have the disadvantages that miniaturization is difficult, there is a limit to increasing the density of the element, and power consumption is large. Furthermore, there is also an inconvenience in handling that data erasing methods differ depending on the type of element. This invention was made in view of the above circumstances, and its purpose is to:
An object of the present invention is to provide a semiconductor nonvolatile memory device that is small in size, has high performance, has low power characteristics, and is easy to use.

このような目的を達成するためにこの発明による集積回
路装置は、ソースおよびドレインを縦方向に形成した絶
縁型電界効果トランジスタを用い、かつそのゲート絶縁
膜に強誘電体を介在せしめたものである。
In order to achieve such an object, an integrated circuit device according to the present invention uses an insulated field effect transistor in which a source and a drain are formed vertically, and a ferroelectric material is interposed in the gate insulating film. .

以下、実施例を用いてこの発明による集積回路装置を詳
細に説明する。第1図aおよびbは、この発明による集
積回路装置を絶縁型電界効果トランジスタに適用した場
合の一実施例を示す上面図およびそのA−N断面図であ
る。
Hereinafter, an integrated circuit device according to the present invention will be explained in detail using examples. FIGS. 1a and 1b are a top view and a sectional view taken along the line AN of FIG. 1, showing an embodiment in which an integrated circuit device according to the present invention is applied to an insulated field effect transistor.

なお、同図aにおいては同図bに示した層間絶縁膜が省
略されている。同図において、P型シリコン基板1の内
部にソースとしてのn+高濃度層2が形成され、その上
部に所望の濃度よりなる1〜5μm膜厚のP型エピタキ
シヤル層3が形成されている。このP型エピタキシヤル
層3のあるP型シリコン基板1の主面4から、n+高濃
度層2にかけて開孔部5が形成されている。この開孔部
5の終端部は、n+高濃度層2の内部に逸脱することな
く包含されていることが望ましい。開孔部5の側壁上に
、ゲート絶縁膜としての強誘電体膜6が設けられている
。強誘電体としては、例えばBaTiO3、SrTiO
3、PLZT等のペロブスカイト系、ロツシエル塩系お
よびKDP系など公知の強誘電体が用いられ、強誘電体
膜6の膜面に垂直方向の自発分極に安定なヒステリシス
を有する限り、単結晶体でも多結晶体でもよい。なおこ
のゲート絶縁膜は、強誘電体膜6によつてのみ構成せず
に、例えば通常のMOS構造のゲート酸化膜SiO2な
どと組み合わせたサンドウイツチ構造もしくは2層構造
とすることも可能である。更に、前記シリコン基板の主
面4に設けられた開孔部5の縁部を内包して忙高濃度層
7が形成されている。このn+高濃度層7はドレインに
相当し、ソースとしてのn+高濃度層2と適切な間隔を
おいて縦方向に配置されている。この両n+高濃度層7
,2によつて挟まれた開孔部側壁直下の領域がチヤネル
領域8となる。また、ゲート絶縁膜を構成する強誘電体
膜6の上にはゲート電極9が設けられており、n+高濃
度領域2から主面4までソース電極取り出し用のn+高
濃度層10が形成されている。ドレイン、ゲート、ソー
スの各電極端子11,12,13はアルミニウム等の導
体層によつて構成され、図上詳細な構造は詳略したが、
層間絶縁膜に設けられたコンタクトホールを通してそれ
ぞれドレイン、ゲート、ソースに接続されている。上記
構成を有する絶縁型電界効果トランジスタの典型的な動
作特性を第2図に示す。
Note that the interlayer insulating film shown in FIG. 2B is omitted in FIG. In the figure, an n+ high concentration layer 2 as a source is formed inside a P type silicon substrate 1, and a P type epitaxial layer 3 having a desired concentration and a thickness of 1 to 5 μm is formed on top of the n+ layer 2. An opening 5 is formed from the main surface 4 of the P-type silicon substrate 1, where the P-type epitaxial layer 3 is located, to the n+ high concentration layer 2. It is desirable that the terminal end of the opening 5 be included in the n+ high concentration layer 2 without deviating from it. A ferroelectric film 6 is provided on the side wall of the opening 5 as a gate insulating film. Examples of ferroelectric materials include BaTiO3 and SrTiO.
3. As long as a known ferroelectric material such as a perovskite system such as PLZT, a Rothsiel salt system, or a KDP system is used, and it has stable hysteresis in the spontaneous polarization in the direction perpendicular to the film surface of the ferroelectric film 6, even a single crystal material can be used. It may also be a polycrystalline material. Note that this gate insulating film is not composed only of the ferroelectric film 6, but can also have a sandwich structure or a two-layer structure in combination with, for example, a gate oxide film SiO2 of a normal MOS structure. Further, a highly concentrated layer 7 is formed to include the edge of the opening 5 provided on the main surface 4 of the silicon substrate. This n+ high concentration layer 7 corresponds to a drain, and is arranged in the vertical direction with an appropriate spacing from the n+ high concentration layer 2 as a source. Both n+ high concentration layer 7
, 2 immediately below the side wall of the opening portion becomes the channel region 8. Further, a gate electrode 9 is provided on the ferroelectric film 6 constituting the gate insulating film, and an n+ high concentration layer 10 for taking out the source electrode is formed from the n+ high concentration region 2 to the main surface 4. There is. The drain, gate, and source electrode terminals 11, 12, and 13 are made of a conductor layer such as aluminum, and the detailed structure is not shown in the figure.
They are connected to the drain, gate, and source, respectively, through contact holes provided in the interlayer insulating film. FIG. 2 shows typical operating characteristics of the insulated field effect transistor having the above structure.

同図において横軸はゲート電圧V6、また縦軸はソース
・ドレイン電流1s0である。同図から明らかなように
150−V6特性曲線はヒステリシス特性を示し、ソー
ス・ドレイン間の伝導状態に、導通、非導通の2つの安
定状態が存在する。この状態はゲート電圧を取り除いた
場合にも、従つてまた、電源を断つた場合においても保
持されるため、後述する不揮発性記憶に応用することが
できる。また、この2つの安定状態はゲート電圧VGに
よつて制御することができる。即ち、第2図に示すよう
にクリテイカルゲート電圧V6lが存在し、V6〉V6
lとすることにより、強誘電体膜6は抗電界以上の電界
を受けてシリコン界面に対して正に分極する。その結果
、チヤネル領域8に反転層が誘起されてソース・ドレイ
ン間は導通状態となる。この導通状態は、ゲート電圧V
6を除去しても強誘電体膜6の自発分極によつて保持さ
れる。他方、もう1つのクリテイカル電圧V6Oが存在
し、V6〈V6Oなる負電圧を印加することにより、強
誘電体膜6はシリコン界面に対して負の分極に反転し、
この結果、チヤネル領域8の反転層は消失してソース・
ドレイン間は非導通状態となる。従つて、ゲート電圧V
6をV6O<V6くV6lに保つ限り、2つの安定状態
は破壊されることはなく、この状態はゲート電圧を除去
した後も保持される。2つのクリテイカルゲート電圧V
6l,VGOは、強誘電体膜6の組成、膜厚、形成条件
等のデ゛バイス構造パラメータによつて決定される。
In the figure, the horizontal axis is the gate voltage V6, and the vertical axis is the source-drain current 1s0. As is clear from the figure, the 150-V6 characteristic curve exhibits a hysteresis characteristic, and there are two stable states of conduction between the source and drain: conduction and non-conduction. This state is maintained even when the gate voltage is removed, and even when the power is turned off, so it can be applied to nonvolatile memory, which will be described later. Furthermore, these two stable states can be controlled by the gate voltage VG. That is, as shown in FIG. 2, there is a critical gate voltage V6l, and V6>V6
1, the ferroelectric film 6 receives an electric field greater than the coercive electric field and is positively polarized with respect to the silicon interface. As a result, an inversion layer is induced in the channel region 8, and the source and drain become conductive. This conduction state is caused by the gate voltage V
Even if ferroelectric film 6 is removed, it is maintained by the spontaneous polarization of ferroelectric film 6. On the other hand, there is another critical voltage V6O, and by applying a negative voltage V6<V6O, the ferroelectric film 6 is reversed to negative polarization with respect to the silicon interface.
As a result, the inversion layer in the channel region 8 disappears and the source
There is no conduction between the drains. Therefore, the gate voltage V
As long as V6O<V6 and V6l are maintained, the two stable states will not be destroyed and this state will be maintained even after removing the gate voltage. Two critical gate voltages V
6l, VGO is determined by device structure parameters such as the composition, film thickness, and formation conditions of the ferroelectric film 6.

第3図aおよびbは、この発明による集積回路装置を絶
縁型電界効果トランジスタに適用した場合の他の実施例
を示す上面図およびそのAA″断面図であり、第1図と
同一もしくは相当部分は同一記号を用いてその詳細説明
を省略する。
FIGS. 3a and 3b are a top view and an AA'' cross-sectional view of another embodiment in which the integrated circuit device according to the present invention is applied to an insulated field effect transistor, and are the same or equivalent parts as in FIG. 1. The same symbols will be used and detailed explanation will be omitted.

第3図においては、ゲート絶縁膜が、第1図の強誘電体
膜6に相当する強誘電体膜6aと、SiO2絶縁膜14
とによつて構成されている。この場合、強誘電体膜6a
は開孔部5の側壁上の局所に限定され、その1端はn+
高濃度層7からなるドレイン領域上に延在すると共に、
他端側はチヤネル領域8の中途で終端して耐高濃度層2
からなるソース領域まで達していない。そしてこの強誘
電体膜6aが延在する部分もしない部分も含めて、開孔
部5の側壁をSiO2絶縁膜]4が覆つて,おり、これ
らの強誘電体膜6aおよびSiO2絶縁膜14の上にゲ
ート電極9が形成されている。なお、強誘電体膜6aの
組成、膜厚等は第]図の強誘電体膜6の場合と特に変わ
るところはない。第4図に、上記構成を有する絶縁型電
界効果卜jランジスタの典型的な180−6特性曲線を
示す。第3図において、強誘電体膜6aの作用は第1図
における強誘電体膜6の作用と全く同様であるが、強誘
電体膜6aはチヤネル領域8の一部のみを覆つているた
め、当該強誘電体膜6aの正の5分極によつて形成され
る反転層はチヤネル領域8aにのみ誘起される。従つて
、この状態でソース・ドレイン間が導通状態となるため
には、第4図に示すように、チヤネル領域8bに反転層
を誘起するしきい値電圧VTの電圧をゲートに与え4る
、即ちV6〉VTとする必要がある。ここで、しきい値
電圧Vェは第2図において説明したようなクリテイカル
ゲート電圧V6lより小さい値とする。他方、強誘電体
膜6aを負の分極に反転させフるための条件は第1図の
実施例と同様である。
In FIG. 3, the gate insulating film includes a ferroelectric film 6a corresponding to the ferroelectric film 6 in FIG. 1, and a SiO2 insulating film 14.
It is composed of: In this case, the ferroelectric film 6a
is limited to a local area on the side wall of the opening 5, one end of which is n+
Extending over the drain region consisting of the high concentration layer 7,
The other end terminates in the middle of the channel region 8 and is a high concentration resistant layer 2.
It has not reached the source region consisting of. A SiO2 insulating film]4 covers the side wall of the opening 5, including the part where the ferroelectric film 6a extends and the part where the ferroelectric film 6a does not extend. A gate electrode 9 is formed thereon. The composition, thickness, etc. of the ferroelectric film 6a are not particularly different from those of the ferroelectric film 6 shown in FIG. FIG. 4 shows a typical 180-6 characteristic curve of the insulated field effect transistor having the above structure. In FIG. 3, the action of the ferroelectric film 6a is exactly the same as the action of the ferroelectric film 6 in FIG. 1, but since the ferroelectric film 6a covers only a part of the channel region 8, The inversion layer formed by the positive 5 polarization of the ferroelectric film 6a is induced only in the channel region 8a. Therefore, in order for the source and drain to become conductive in this state, as shown in FIG. 4, a voltage of threshold voltage VT that induces an inversion layer in the channel region 8b is applied to the gate. That is, it is necessary to set V6>VT. Here, the threshold voltage Ve is set to a value smaller than the critical gate voltage V6l as explained in FIG. On the other hand, the conditions for inverting the ferroelectric film 6a to negative polarization are the same as in the embodiment shown in FIG.

このように、2つの安定状態を破壊しないゲート電圧の
範囲V6O<V6〈V6lにおいて、いずれの安定状態
に対してもソース・ドレイン間の非導通状態を実現する
ゲート電圧の範囲V6O<V6くV1が存在するために
、第]図のものに比較して応用範囲が広くなる。なお、
上述した実施例においては強誘電体膜6aがドレイン領
域上に延在してソース領域には達していない場合につい
てのみ説明したが、逆に該強誘電体膜6aがソース領域
上に延在し、ドレイン領域からは離れて存在する場合に
ついても、上に述べた動作は全く同様である。
In this way, in the gate voltage range V6O<V6<V6l that does not destroy the two stable states, the gate voltage range V6O<V6<V1 that achieves a non-conducting state between the source and drain for any stable state Because of the existence of this, the range of applications is wider than that shown in Figure 1. In addition,
In the above-mentioned embodiments, only the case where the ferroelectric film 6a extends over the drain region and does not reach the source region is explained, but conversely, the ferroelectric film 6a extends over the source region. , the above-mentioned operation is exactly the same even in the case where the transistor is located apart from the drain region.

また、上述した実施例においては強誘電体膜6aと開孔
部5の側壁との間にSiO2絶縁膜14が介在したが、
強誘電体膜6aを開孔部5の側壁上に直接に形成した後
、その上にSiO2絶縁膜14を形成してもよい。更に
、SiO2絶縁膜で強誘電体膜を挟んだサンドウイツチ
構造にすることもできる。第5図A,bおよびCは、こ
の発明による集積回路装置を不揮発性記憶セルアレーに
適用した場合の一実施例を示す上面図、A−N断面図お
よびその等価回路図である。
Furthermore, in the above embodiment, the SiO2 insulating film 14 was interposed between the ferroelectric film 6a and the side wall of the opening 5;
After forming the ferroelectric film 6a directly on the side wall of the opening 5, the SiO2 insulating film 14 may be formed thereon. Furthermore, a sandwich structure in which a ferroelectric film is sandwiched between SiO2 insulating films can also be used. FIGS. 5A, 5B, and 5C are a top view, a sectional view taken along the line A--N, and an equivalent circuit diagram thereof, showing an embodiment in which the integrated circuit device according to the present invention is applied to a nonvolatile memory cell array.

即ち、第]図に示したと同様の絶縁型電界効果トランジ
スタ(第5図では15で示す)をシリコンウエハ内に2
行3列のマトリツクス状に配列し、各行のn+高濃度層
からなるソース2bを共通の連続した構造とし、これを
例えばワード線16とする。更に各列の忙高濃度層から
なるドレイン7bを共通の連続した構造とし、これを例
えばデータ線17とする。また、各行のゲート電極9を
例えばアルミニウムからなる導体層18によつて共通に
接続し、これをワード線19とする。この場合、各強誘
電体膜6と前記導体層18とは層間絶縁膜20によつて
分離されている。また、データ線17を構成するドレイ
ン7bとワード線19を構成する導体層18とが平行に
なる構造を避けることは動作マージンを確保する上で有
利である。上記構成を有する不揮発性記憶セルアレーに
おいて、データの読み出し、書き込み動作は以下のよう
に行なわれる。
That is, two insulated field effect transistors (indicated by 15 in FIG. 5) similar to those shown in FIG.
They are arranged in a matrix of rows and three columns, and the sources 2b made of the n+ high concentration layer in each row have a common continuous structure, and this is used as, for example, a word line 16. Furthermore, the drains 7b made of high concentration layers in each column are made into a common continuous structure, and this is used as, for example, a data line 17. Further, the gate electrodes 9 in each row are commonly connected by a conductor layer 18 made of aluminum, for example, and this is used as a word line 19. In this case, each ferroelectric film 6 and the conductor layer 18 are separated by an interlayer insulating film 20. Further, it is advantageous to avoid a structure in which the drain 7b forming the data line 17 and the conductor layer 18 forming the word line 19 are parallel to each other in order to secure an operating margin. In the nonvolatile memory cell array having the above configuration, data reading and writing operations are performed as follows.

即ち先ず、第2図において説明したような絶縁型電界効
果トランジスタ]5が有する2つの安定状態のうち、例
えばソース・ドレイン間の導通状態を“1゛に、非導通
状態を゜゜0゛に対応づける。また、非アクセス時には
すべてのデータ線17とワード線16とをフローテイン
グ状態に、ワード線19をフローテイング状態もしくは
V6O<V6くV6lの範囲内に設定しておく。そこで
データの読み出しを行なう場合、選択されたワード線1
6をアースレベルとし、同じく選択されたデータ線17
に電流を供給することにより、これらのワード線16と
データ線17との交点の記憶セル即ち絶縁型電界効果ト
ランジスタ15が選択され、選択されたデータ線17に
電圧降下が発生するか否かによつて当該絶縁型電界効果
トランジスタ15の導通、非導通状態即ちデータ“1”
、“0゛が識別できる。この場合、所望のワード線、デ
ータ線を選択するための選択回路、データ線への電流供
給回路、および出力信号の検出回路等の記憶セルアレー
の周辺回路については、公知の記憶回路技術が適用でき
る。次にデータの書き込みを行なう場合には、選択され
た記憶セルのワード線16とデータ線17をアースレベ
ルとし、それ以外のワード線16はフローテイング状態
のままとする。非選択データ線17については、選択さ
れた記憶セルのワード線19の電位に応じ、これと同電
位に設定する。次いで、選択されたワード線19の電位
V6をV6l以上またはV6O以下とすることにより、
゜“1゛または“0”が書き込まれる。このようにして
書き込まれたデータは、電源を切つても消失しない。即
ち不揮発性記憶が実現できる。第6図はA,bおよびC
は、この発明による集積回路を不揮発性記憶セルアレー
に適用した場合の他の実施例を示す上面図、A−N断面
図およびその等価回路図である。
That is, first, among the two stable states of the insulated field effect transistor 5 as explained in FIG. In addition, when not accessing, all data lines 17 and word lines 16 are set in a floating state, and the word line 19 is set in a floating state or within the range of V6O<V6 and V6l. If so, the selected word line 1
6 as the ground level, and the similarly selected data line 17
By supplying a current to the word line 16 and the data line 17, the memory cell at the intersection of the word line 16 and the data line 17, that is, the insulated field effect transistor 15, is selected, and it is determined whether or not a voltage drop occurs on the selected data line 17. Therefore, the conduction or non-conduction state of the insulated field effect transistor 15, that is, the data “1”
, "0" can be identified. In this case, peripheral circuits of the memory cell array, such as a selection circuit for selecting a desired word line and data line, a current supply circuit to the data line, and an output signal detection circuit, are as follows. Known memory circuit technology can be applied.When writing data next, the word line 16 and data line 17 of the selected memory cell are grounded, and the other word lines 16 remain in a floating state. The unselected data line 17 is set to the same potential according to the potential of the word line 19 of the selected memory cell.Then, the potential V6 of the selected word line 19 is set to be equal to or higher than V6l or lower than V6O. By doing so,
゜“1” or “0” is written. Data written in this way does not disappear even when the power is turned off. In other words, non-volatile storage can be realized. Figure 6 shows A, b and C.
These are a top view, an AN sectional view, and an equivalent circuit diagram showing another embodiment in which the integrated circuit according to the present invention is applied to a nonvolatile memory cell array.

これは、第3図に示したものと基本的に同様な構成を有
する絶縁型電界効果トランジスタ21をシリコンウエハ
内に2行3列のマトリツクス状に配列した例であり、各
行のソース2Cを共通の連続した構造としてこれを例え
ばワード線16としている。更に各列のドレイン7Cを
共通の連続した構造とし、これを例えばデータ線17と
している。また、層間絶縁膜20を介して各行のゲート
電極9を例えばアルミニウムからなる導体層18によつ
て共通に接続し、これをワード線19としている。上記
構成を有する不揮発性記憶セルアレーにおいては、非ア
クセス時にはすべてのデータ線17とワード線]6とを
フローテイング状態もしくはアースレベルに設定してお
き、ワード線19をV6O<V6くV1の範囲、好まし
くはV6=0としておく。
This is an example in which insulated field effect transistors 21 having basically the same configuration as that shown in FIG. This is, for example, a word line 16 as a continuous structure. Furthermore, the drains 7C in each column have a common continuous structure, and this is used as, for example, a data line 17. Further, the gate electrodes 9 in each row are commonly connected via an interlayer insulating film 20 by a conductor layer 18 made of, for example, aluminum, and this is used as a word line 19. In the non-volatile memory cell array having the above configuration, all data lines 17 and word lines 6 are set in a floating state or at ground level during non-access, and word lines 19 are set in the range of V6O<V6 and V1. Preferably, V6=0.

第4図において説明したような絶縁型電界効果トランジ
スタ21の2つの安定状態のうち、ソース・ドレイン間
の導通状態を゛゜1゛に、非導通状態を“0゛に対応さ
せ、先ずデータの読み出しを行なう場合には、選択され
たワード線16をアースレベルに設定する。同じく選択
されたデータ線17に電流を供給するとにより、これら
被選択ワード線16と被選択データ線17との交点の記
憶セル即ち絶縁型電界効果トランジスタ21が選択され
、前記被選択データ線17における電圧降下の有無によ
り、当該セルの導通、非導通状態即ち“゜1− ゜゜0
”が識別できる。他方、データの書き込みを行なう場合
には、選択された記憶セルのワード線16とデータ線1
7とをアースレベルとし、その他のワード線16とデー
タ線17とをフローテイング状態とする。次に選択され
た記憶セルのワード線19の電位をV6l以上またはV
GO以下とすることにより、“1”またぱ゜0゛が書き
込まれる。この場合、選択されたワード線16は必ずし
もアースレベルとする必要はなく、むしろフローテイン
グ状態としておくことによつて書き込みマージンの拡大
が期待できる。このようにして書き込まれた記憶情報は
電源を切つても消失せず、不揮発性記憶が実現される。
このような不揮発性記憶の読み出し、書き込み電圧を決
める電圧V6l,V6OおよびVTは、絶縁型電界効果
トランジスタ21の構造パラメータ、特に強誘電体膜6
aの膜厚と組成、およびSiO2絶縁膜14の膜厚によ
つて決定される。
Of the two stable states of the insulated field effect transistor 21 as explained in FIG. When performing this, the selected word line 16 is set to the ground level. By supplying a current to the selected data line 17, the intersection points of the selected word line 16 and the selected data line 17 are memorized. A cell, that is, an insulated field effect transistor 21, is selected, and depending on the presence or absence of a voltage drop on the selected data line 17, the cell is in a conductive or non-conductive state, that is, "゜1-゜゜0.
” can be identified. On the other hand, when writing data, the word line 16 and data line 1 of the selected memory cell
7 is set at ground level, and the other word lines 16 and data lines 17 are set in a floating state. Next, set the potential of the word line 19 of the selected memory cell to V6l or higher or V
By making it less than GO, "1" or "0" is written. In this case, the selected word line 16 does not necessarily have to be at ground level, but rather is left in a floating state, which can be expected to increase the write margin. The stored information written in this way does not disappear even when the power is turned off, and nonvolatile storage is realized.
The voltages V6l, V6O, and VT that determine the read and write voltages of such nonvolatile memory are determined by the structural parameters of the insulated field effect transistor 21, especially the ferroelectric film 6.
It is determined by the thickness and composition of a and the thickness of the SiO2 insulating film 14.

例えば強誘電体膜6aをPLZTによつて膜厚0.5μ
m程度に構成することにより、V6l=5〜10(V)
、V6O=−5〜−10(V)なる値が得られる。また
、しきい値電圧V1は主としてSiO2絶縁膜14の膜
厚を調整することによつて、容易に0.5〜1.0(V
)の値を得ることができる。更に、データの書き込みに
要する時間は主として強誘電体膜6aの分極反転に要す
る時間によつて決まり、上述した構造パラメータを有す
る強誘電体膜6aでは約0.3μSecの値が得られて
いる。なお、上述した実施例に類似の構造を有するもの
として、ソース2C即ちワード線16を全セルアレーす
べてに共通とすることも可能であるが、この場合書き込
みマージンが若干狭くなる。
For example, the ferroelectric film 6a is made of PLZT to a thickness of 0.5 μm.
By configuring it to about m, V6l=5 to 10 (V)
, a value of V6O=-5 to -10 (V) is obtained. Further, the threshold voltage V1 can be easily set from 0.5 to 1.0 (V
) can be obtained. Further, the time required for writing data is mainly determined by the time required for polarization reversal of the ferroelectric film 6a, and a value of about 0.3 μSec has been obtained for the ferroelectric film 6a having the above-mentioned structural parameters. Note that it is also possible to have a structure similar to the above-described embodiment and to make the source 2C, that is, the word line 16 common to all cell arrays, but in this case, the write margin becomes slightly narrower.

また、上述した実施例においては、いずれも2行3列の
記憶セルアレーについてのみ説明したが、この発明はこ
れに限定されるものではなく、任意のn行m列の記憶セ
ルアレーに同様に適用し得ることは勿論である。更に、
上述した実施例における記憶セルアレーのセル密度につ
いては、例えば3μmルールで1〜2.5Mb/Cm2
、2μmルールで2〜4Mb/Cln2、1・μmルー
ルで8〜15Mb/Cm2という極めて高い値が得られ
る。
In addition, in the above-mentioned embodiments, only the memory cell array with 2 rows and 3 columns was described, but the present invention is not limited to this, and can be similarly applied to any memory cell array with n rows and m columns. Of course you can get it. Furthermore,
The cell density of the memory cell array in the above embodiment is, for example, 1 to 2.5 Mb/Cm2 based on the 3 μm rule.
, extremely high values of 2 to 4 Mb/Cln2 can be obtained with the 2 μm rule, and 8 to 15 Mb/Cm2 with the 1 μm rule.

以上説明したように、この発明による集積回路装置によ
れば、絶縁型電界効果トランジスタのソースとドレイン
とを縦方向に配設し、かつゲート絶縁膜に強誘電体を介
在させることにより、小型で低消費電力性、高信頼性を
有する不揮発性記憶を実現することが可能となる。
As explained above, according to the integrated circuit device of the present invention, the source and drain of the insulated field effect transistor are arranged vertically, and the gate insulating film is interposed with a ferroelectric material. It becomes possible to realize nonvolatile memory with low power consumption and high reliability.

即ち、ソース・ドレインを縦型構造とすることにより、
素子の占有面積を小さくできると共に、記憶平面を構成
する,場合の配線面積を削減することが可能となり、極
めて高い記憶セル密度が得られる。また、ゲート絶縁膜
を強誘電体を含む構造とすることにより、強誘電体の自
発分極のヒステリシスを利用して電界効果トランジスタ
のしきい値電圧を制御することができる。このため低電
圧でデータの書き込みを行なうことが可能となり、かつ
データは極めて安定に保持されると共に、書き込み時間
が短いという利点を有する。従つて、MNOS.FAM
OS等の従来用いられいる他の半導体不揮発性記憶素子
に比較して高速、低消費電力特性を有し、かつ信頼度が
高くて使い易い等の種々優れた効果を有する。
That is, by making the source and drain have a vertical structure,
Not only can the area occupied by the element be reduced, but also the area of wiring constituting the storage plane can be reduced, and extremely high storage cell density can be obtained. Furthermore, by forming the gate insulating film to include a ferroelectric material, the threshold voltage of the field effect transistor can be controlled by utilizing the hysteresis of spontaneous polarization of the ferroelectric material. Therefore, it is possible to write data at a low voltage, the data is held extremely stably, and the write time is short. Therefore, MNOS. F.A.M.
Compared to other conventionally used semiconductor nonvolatile memory elements such as OS, it has various excellent effects such as high speed, low power consumption, high reliability, and ease of use.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図aおよびbは、この発明による集積回路装置の一
実施例を示す上面図およびそのAA″断面図、第2図は
第1図の集積回路装置の動作特性図、第3図aおよびb
は、この発明による集積回路装置の他の実施例を示す上
面図およびAA″断面図、第4図は第3図の集積回路装
置の動作特性図、第5図A,bおよびCはこの発明によ
る集積回路装置の更に他の実施例を示す上面図、A−X
断面図および゛その等価回路図、第6図A,bおよびC
はこの発明による集積回路装置の他の実施例を示す上面
図、A−N断面図およびその等価回路図である。 1・・・・・・P型シリコン基板、2,7,10・・・
・・・n+高濃度層、3・・・・・・P型エピタキシヤ
ル層、4・・・・・・P型シリコン基板の主面、5・・
・・・・開孔部、6,6a・・・・・・強誘電体膜、8
,8a,8b・・・・・・チヤネル領域、9・・・・・
・ゲート電極、11・・・・・・ドレイン電極端子、1
2・・・・・・ゲート電極端子、13・・・・・・ソー
ス電極端子、14・・・・・・SiO2絶縁膜、15,
21・・・・・・絶縁型電界効果トランジスタ、]6,
19・・・・・・ワード線、17・・・・・・データ線
、18・・・・・・導体層、20・・・・・・層間絶縁
膜、2b,2C・・・・・・ソース、7b,7C・・・
・・・ドレイン。
1a and 1b are a top view and an AA'' cross-sectional view of an embodiment of an integrated circuit device according to the present invention, FIG. 2 is an operational characteristic diagram of the integrated circuit device of FIG. 1, and FIGS. 3a and 3 are b
4 is a top view and an AA'' cross-sectional view showing another embodiment of the integrated circuit device according to the present invention, FIG. 4 is an operational characteristic diagram of the integrated circuit device of FIG. 3, and FIGS. A top view showing still another embodiment of the integrated circuit device according to
Cross-sectional view and its equivalent circuit diagram, Fig. 6 A, b and C
FIG. 2 is a top view, a sectional view taken along the line A--N, and an equivalent circuit diagram thereof, showing another embodiment of the integrated circuit device according to the present invention. 1... P-type silicon substrate, 2, 7, 10...
... n+ high concentration layer, 3 ... P type epitaxial layer, 4 ... main surface of P type silicon substrate, 5 ...
...Opening part, 6, 6a... Ferroelectric film, 8
, 8a, 8b...channel area, 9...
・Gate electrode, 11...Drain electrode terminal, 1
2... Gate electrode terminal, 13... Source electrode terminal, 14... SiO2 insulating film, 15,
21...Insulated field effect transistor, ]6,
19... Word line, 17... Data line, 18... Conductor layer, 20... Interlayer insulating film, 2b, 2C... Source, 7b, 7C...
···drain.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 第1導電型を有するシリコン基板中に設けられた第
2導電型を有する第1の高濃度不純物領域と、前記シリ
コン基板の主面から前記第1の高濃度不純物領域にかけ
て形成された開孔部と、前記シリコン基板の主面に接す
ると共に前記開孔部の縁部を内包しかつ第2導電型を有
する第2の高濃度不純物領域と、前記開孔部の側壁上に
形成されかつ少なくてもその一部に強誘電体を含むゲー
ト絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を覆うゲート電極とを備え
、前記第1の高濃度不純物領域によつてソースもしくは
ドレインのいずれか1つを構成しかつ前記第2の高濃度
不純物領域によつてソースもしくはドレインの他の1つ
を構成すると共に前記シリコン基板の前記第1の高濃度
不純物領域と第2の高濃度不純物領域との間の領域をチ
ャンネル領域とする絶縁型電界効果トランジスタを含む
ことを特徴とする集積回路装置。 2 第1導電型を有するシリコン基板中に設けられた第
2導電型を有する第1の高濃度不純物領域と、前記シリ
コン基板の主面から前記第1の高濃度不純物領域にかけ
て形成された開孔部と、前記シリコン基板の主面に接す
ると共に前記開孔部の縁部を内包しかつ第2導電型を有
する第2の高濃度不純物領域と、前記開孔部の側壁上に
形成されかつ少なくてもその一部に強誘電体を含むゲー
ト絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を覆うゲート電極とを備え
、前記第1の高濃度不純物領域によつてソースもしくは
ドレインのいずれか1つを構成しかつ前記第2の高濃度
不純物領域によつてソースもしくはドレインの他の1つ
を構成すると共に前記シリコン基板の前記第1の高濃度
不純物領域と第2の高濃度不純物領域との間の領域をチ
ャネル領域とする絶縁型電界効果トランジスタが記憶セ
ルとして複数個マトリックス状に配列され、該マトリッ
クスの行もしくは列のいずれか一方を構成する各絶縁型
電界効果トランジスタの第1の高濃度不純物領域が電気
的に接続され、かつ前記マトリックスの行もしくは列の
他方を構成する各絶縁型電界効果トランジスタの第2の
高濃度不純物領域が電気的に接続されると共に、前記マ
トリックスの行もしくは列のいずれか一方を構成する各
絶縁型電界効果トランジスタのゲート電極が電気的に接
続され、前記第1の高濃度不純物領域とゲート電極と第
2の高濃度不純物領域とを記憶セルの選択線並びにデー
タの読み出しおよび書き込み線とした記憶セルアレーを
含むことを特徴とする集積回路装置。
[Scope of Claims] 1. A first high concentration impurity region having a second conductivity type provided in a silicon substrate having a first conductivity type, and a first high concentration impurity region extending from the main surface of the silicon substrate. a second high-concentration impurity region that is in contact with the main surface of the silicon substrate and includes an edge of the opening and has a second conductivity type; and a side wall of the opening. a gate insulating film formed thereon and containing at least a portion of a ferroelectric material, and a gate electrode covering the gate insulating film; and the second high concentration impurity region constitutes the other source or drain, and the first high concentration impurity region and the second high concentration impurity region of the silicon substrate. 1. An integrated circuit device comprising an insulated field effect transistor whose channel region is a region between. 2. A first high concentration impurity region having a second conductivity type provided in a silicon substrate having a first conductivity type, and an opening formed from the main surface of the silicon substrate to the first high concentration impurity region. a second high-concentration impurity region that is in contact with the main surface of the silicon substrate, includes an edge of the opening, and has a second conductivity type; The gate insulating film includes a gate insulating film partially containing a ferroelectric material, and a gate electrode covering the gate insulating film, and the first high concentration impurity region constitutes either a source or a drain. and the second high concentration impurity region constitutes the other one of the source or the drain, and a region between the first high concentration impurity region and the second high concentration impurity region of the silicon substrate. A plurality of insulated field effect transistors serving as channel regions are arranged in a matrix as memory cells, and the first high concentration impurity region of each insulated field effect transistor constituting either a row or a column of the matrix is electrically the second high concentration impurity regions of each insulated field effect transistor constituting the other row or column of the matrix are electrically connected, and the second high concentration impurity region of each insulated field effect transistor forming the other row or column of the matrix is The gate electrodes of each insulated field effect transistor constituting the transistor are electrically connected, and the first high concentration impurity region, the gate electrode, and the second high concentration impurity region are connected to a memory cell selection line and a data readout line. An integrated circuit device comprising a memory cell array as a write line.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6034819B2 (en) * 1978-02-14 1985-08-10 工業技術院長 Storage device

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