[发明专利]半导体存储装置及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及具备铁电体电容器的半导体存储装置及其驱动方法。

背景技术

作为具备铁电体电容器的半导体存储装置，人们期待它能够成为能为我们提供无数次读出的非易失性存储器。

以下，参照图8说明现有的具备铁电体电容器的半导体存储装置。

如图8所示，在硅衬底1的表面部分形成源区2及漏区3，而且，在硅衬底1上源区2和漏区3之间的区域上顺序形成硅氧化膜4、由锆钛酸铅(PZT)或钽酸铋锶(SBT)等金属氧化物组成的铁电体膜5及栅电极6，由此，构成铁电体FET。

在这种结构中，电铁体5的极化方向可以设定为上向或下向、与极化的两个状态(上向或下向的状态)相对应、在硅衬底1上栅电极6下侧区域的界面电位深度也可以设定两种不同的状态。由于该界面电位的深度与铁电体FET的源·漏间电阻相对应，因铁电体膜5的极化方向使源·漏间的电阻成为高值及低值中的一个。只要保持铁电体膜5的极化特性，就能保持(存储)极化上向或下向的状态，因此铁电体FET就能够用作非易失性的存储装置。

在这种结构的铁电体FET中，如果使铁电体5的极化方向下向状态对应数据“1”、同时极化方向上向状态对应数据“0”，假如在硅衬底1的下面施加接地电位的同时在栅电极6上施加强的正电压、将铁电体膜5的极化方向设定为下向，还有，在硅衬底1的下面施加接地电位的同时在栅电极6上施加强的负电压、铁电体膜5的极化就能设定为上向。此外，在将铁电体膜5的极化设定为下向或上向后、将栅电极6的电位接地。

图9(a)、(b)及(c)示出硅衬底1的导电类型为P型、源区2及漏区3的导电类型为n型时的能带图，图9(a)示出极化下向的情况(数据“1”的情况)，图9(b)示出极化上向的情况(数据“0”的情况)，图9(c)示出热平衡的能量状态。在图9(a)～(c)中，11表示栅电极6的导带、12表示铁电体膜5的能带、13表示硅氧化膜4的能带、14表示硅衬底1的能带、15表示在硅衬底1的表面附近形成的耗尽层的能带。还有，中间空白的箭头表示铁电体膜5的极化方向。

如图9(a)所示，极化方向下向的情况(数据“1”的情况)下，由于负的离子化耗尽层15扩展到硅衬底1的很深区域，硅衬底1的界面电位比接地电位还低。

另一方面，如图9(b)所示，极化方向上向的情况(数据“0”的情况)下，由于P型载流子空穴蓄积在硅衬底1的表面，硅衬底1上没有形成耗尽层、硅衬底1的界面电位成为地电位。

这样，由于极化的方向、在硅衬底1栅电极6下侧的界面电位不同，这时如在漏·源间加上电位差，就会因极化方向不同造成流经源·漏间电流不同。也就是说，当硅衬底1的界面电位处于比接地电位还低的状态时(数据“1”状态)，漏·源间是低电阻(ON状态)，漏·源之间流过大电流，另一方面，硅衬底1的界面电位处于地电位情况(数据“0”情况)时，漏·源间是高电阻(OFF状态)，漏·源之间几乎没有电流流过。这样，只要检测出漏·源之间的电流值，就能够知道铁电体FET是处于数据“1”状态，还是处于数据“0”状态。

由于这样做就可以知道铁电体FET是处于数据“1”状态还是处于数据“0”状态，在从铁电体FET中读出数据时，铁电体5的极化不发生反转，就能够得到所谓的非破坏性数据读出。也就是说，在数据读出后不需要恢复极化方向或极化大小的动作，即不需要重写入工作。

这样，由于铁电体FET能够进行非破坏方式的读出工作，就不会发生伴随极化反转的破坏方式读出工作中产生的铁电体膜的极化疲劳与退化，因此，可以期待铁电体FET提供无数次读取的非易失性存储器。

发明内容

但是，通常在电铁体FET中铁电体膜5是具有许多缺陷能级的半导体，电子和空穴很容易在铁电体膜5内移动。

因此，如9(a)所示，铁电体FET处于ON状态时，由于电子从栅极6的导带11注入到铁电体膜5中，使极化先头的电荷被中和，V字形电位的底端渐渐上升，过渡到图9(c)所示的热平衡状态。

另一方面，如图9(b)所示，铁电体FET处于OFF状态时，空穴从栅极6的导带11注入到铁电体膜5中，极化先头的电荷被中和、∧形电位的顶部渐渐下降，也还是过渡到图9(c)所示的热平衡能量状态。

其结果，尽管极化有上向或下向两种不同的方向，由于硅衬底1的界面电位变成同一水平，产生了很难用漏·源间电流区分两种状态的问题。