[发明专利]半导体存贮器件及其操作方法

说明书

本发明涉及至少有一个存贮单元，一般有多个存贮单元的半导体存贮器件。还涉及该半导体存贮器件的操作方法。

在半导体存贮器件中，如DRAM(动态随机存取存贮器)，或SRAM(静态随机存取存贮器)中，设置了多个存贮单元，每个存贮单元有开关元件和与开关元件相连接的电容元件。外围控制电路控制跨接在相连的开关元件与电容元件上的电压，也控制开关元件一端的控制信号，随着每个电容元件中的电荷贮存，将数据存贮在各自的存贮单元中。由于电容元件被控制，从而确定了逻辑的″1″和逻辑的″0″状态。从整体来看，这种存贮器件能够以逻辑信号的形式将数据存贮在每个存贮单元中。

美国专利说明书4873664号所公开的这种存贮器件的电容元件是以铁电电容元件的形式存在的。这种元件可以在不同的方向被极化，当其从一种极化状态转变成另一种极化状态时，出现滞后效应。因此，假若铁电电容元件处于一种极化状态下，加上适当的电压后它可以转变成另一种极化状态。但是，当电压除去后，极化不会变回到第一种状态，但会维持在第二种状态。为了变回到第一种状态，必须在相反方向加一适当电压。因此，在存贮器件的存贮单元中用铁电电容元件具有的优点是，即使将电源从存贮器件上除去，存贮器件中存贮的数据也不会消失。

在美国专利说明书4914627号中，在每个存贮单元中设置两个铁电电容元件，使美国专利4873664号的发明思想得到进一步发展。两个铁电电容元件共同连接到存贮单元的开关元件的终端上。在美国专利4914627号中公开了。存贮单元的两个铁电电容元件的每一个元件中都写入了相同的数据、然后分别读出数据。

考虑到这类器件中存在的已发现的各种问题，本发明企图进一步发展在半导体存贮器件的存贮单元中使用一个或多个铁电电容元件的思想。本发明有许多构形，将这些构形分成三组。

本发明构形的第一组考虑了半导体存贮器件用的能量(电源)。在美国专利4873664和4914627中公开的半导体存贮器件中，是在铁电电容元件上加一适当的跨接电压来改变其极化状态，使数据写入铁电电容元件中。这就使用了能量，然而，由于标志存贮单元逻辑状态的状态改变，使这种能量需求不可避免。但是，为了读出信息，美国专利4873664和4814627的布线所使用的读出万法中，铁电电容元件的极化是反向的，并在检测的电压中变化。这种变化取决于初始极化状态，因此，初始逻辑状态可以确定。当然，随后的铁电电容元件的逻辑状态改变，需要加一反向电压，使铁电电容元件恢复到它的原始状态。因此，在读出时，铁电电容元件经过了它的整个滞后周期。因此，读出操作使用了数量可观的电力。

现在认为，可能有另一种读出方法。考虑到处于一种极化状态下的铁电电容元件。如果在一个方向给铁电电容元件跨接一个电压，那么会有两种可能。首先，如果电压的方向是使器件保持在它原有的极化状态下，那么，极化不会变化，或者，有可能使极化稍有增大，这取决于铁电电容元件滞后曲线的确切形状。另一方面，如果在引起它状态变化的方向上加足够大的电压，那么，极化变化较大。当然，如果在相应于状态变化的方向加足够大的电压，状态变化仍会发生，如现有技术所述。然而，如果电压小于状态变化所需的电压，那么除去电压后会使铁电电容元件恢复到它的原始状态。因此，本发明的第一种构形建议将这种作用用于读出铁电电容元件的逻辑状态。

因此，可以加一个不足以使状态改变和极化检测中的变化的电压。如果铁电电容元件处于一种极化状态，由于电场的作用，极化中变化将是零或很小。如果铁电电容元件处于另一极化状态下，极化中变化将较大，然后可以检测出这种差别，以确定原始极化状态。当电压除去时，会恢复原始状态，因此消耗较少功率。通常，每个存贮单元的铁电元件都有一端连接到开关元件的终端，因此，可以用加到铁电电容元件另一端的信号，及加到控制端和开关元件另一端的信号来控制并确定极化。

最好的是，极化的变化是在与处于固定极化状态的另一单元(″伪单元″)中的另一铁电电容元件比较的基础上来确定的。如果将相同的电压加到伪单元的铁电电容元件上，那么，两个铁电电容元件均会有基本上相同的极化变化(在这种情况下，他们均处于相同的极化状态)，或者是两个铁电电容元件会有不同的极化变化，因为伪单元中的铁电电容元件的极化状态是固定的，与之比较，能确定极化状态，因此，由铁电电容元件的逻辑状态读出数据。