[發明專利]半導體存儲裝置的驅動方法

無效

• 申請號: 01118832.4
• 申請日: 2001-06-19
• 公開（公告）號: CN1329360A
• 公開（公告）日: 2002-01-02
• 發明（設計）人: 嶋田恭博;加藤剛久
• 申請（專利權）人: 松下電器產業株式會社
• 主分類號: H01L21/82
• 分類號: H01L21/82;G11C11/34
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 黃永奎

本發明涉及一種具有強電介質電容器的半導體存儲裝置的驅動方法。

作為具有強電介質電容器的半導體存儲裝置，眾所周知的構成如圖6所示，包括：具有漏極區域1a、源極區域1b以及柵電極1c的場效應型晶體管(以下稱作FET)1和具有上電極2a、下電極2b以及強電介質膜2c的強電介質電容器2；其中，將位線BL連接到FET1的漏極區域1a上，將強電介質電容器2的上電極連接到FET1的源極區域1b上，將字線WL連接到FET1的柵電極1c上。

該第1已有實施例的半導體存儲裝置是在讀出數據的同時消除已經儲存數據的破壞讀出方式。因此，在讀出數據之后必須再次進行存入工作，所以每進行一次數據讀出工作就要進行一次改變強電介質膜極化方向的工作(極化翻轉工作)。

但是，因為在強電介質膜中會發生極化疲勞劣化這一現象，所以存在著以下問題：即，如果反復地進行極化翻轉工作，則強電介質膜的極化發現特性就會顯著劣化。

為此，如圖16所示的第2已有實施例的半導體存儲裝置已被提案。即，第2已有實施例是通過把強電介質電容器2的下電極1b連接到FET1的柵電極1c上，來把電介質電容器2用于控制FET1柵電極電位的非破壞讀出方式。并且，在圖16中，3表示襯底。

當把數據存入第2已有實施例半導體存儲裝置中時，要在作為控制電極的強電介質電容器2的上電極2a和襯底3之間外加存入電壓。

例如，如果通過對襯底3外加正電壓(控制電壓)來把數據存入上電極2a，則在強電介質電容器2的強電介質膜2c上產生向下的極化。而后，即使將上電極2a接地，在FET1的柵電極1c上仍然殘留有正電荷，所以柵電極1c的電位為正。

如果柵電極1c的電位超過FET1的閾值電壓，則FET1為“導通”狀態，所以若把電位差加到漏極區域1a和源極區域1b之間，則電流就會在漏極區域1a和源極區域1b之間流動。把這種強電介質存儲器的邏輯狀態例如定義為“1”。

另一方面，如果把相對于襯底3為負的電壓外加到強電介質電容器2的上電極2a上，則在強電介質電容器2的強電介質膜2c上產生向上的極化。而后，即使將上電極2a接地，在FET1的柵電極1c上仍然殘留有負電荷，所以柵電極1c的電位為負。此時，柵電極1c的電位通常比FET1的閾值電壓要小，所以FET1為“截止”狀態，因此即使把電位差加到漏極區域1a和源極區域1b之間，在漏極區域1a和源極區域1b之間也不會有電流流動。把這種強電介質存儲器的邏輯狀態例如定義為“0”。

即使切斷向強電介質電容器2提供的電源，即，即使不將電壓外加到強電介質電容器2的上電極2a上，也能保存所述各邏輯狀態，所以能夠實現非易失性存儲裝置。即，在某期間內切斷供給電源之后，如果再次供給電源，把電壓加到漏極區域1a和源極區域1b之間，則當邏輯狀態為“1”時，在漏極區域1a和源極區域1b之間有電流流動，所以能讀出數據“1”；另一方面，當邏輯狀態為“0”時，在漏極區域1a和源極區域1b之間沒有電流流動，所以能讀出數據“0”。

即使在切斷電源期間，為了正確地保存數據(象這樣，把保存數據的特性稱為保持特性)，即使在切斷電源期間，當數據為“1”時，有必要把FET1的柵電極1c的電位經常維持在高于FET1閾值電壓的水平上，而且當數據為“0”時，有必要把FET1的柵電極1c的電位經常維持在負電壓的水平上。

但是，在切斷電源期間，強電介質電容器2的上電極2a以及襯底3成為接地電位，所以柵電極1c的電位處于孤立狀態。因此，理想的情況是如圖17所示的那樣，將數據存入強電介質電容器2時的滯后回線4和偏置電壓為0V時的FET1柵電極電容性負載線7之間的第1交點c的電位變為柵電極1c對應數據“1”的電位，同時滯后回線4和柵電極電容性負載線7之間的第2交點d的電位變為柵電極1c對應數據“0”的電位。而且，在圖17中，縱軸表示出現在上電極2a(或柵電極1c)上的電荷Q，橫軸表示電壓V。

但是，實際上強電介質電容器2并非理想的絕緣體而是具有阻抗成分，所以通過該阻抗成分后，柵電極1c的電位會下降。該電位下降為指數函數性質，具有用FET1柵電極容量和強電介質電容器2容量的并聯總容量乘以強電介質電容器2的阻抗成分后所得的時間常數，該時間常數至多為104秒。因此，柵電極1c的電位經過幾小時后就會下降為原來的一半。