KR100269207B1 - 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스메모리 및 그 작동 방법 - Google Patents

공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스메모리 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강유전체 랜덤 액세스 메모리에 관한 것으로, 상세하게는 비파괴 읽기가 가능하면서 각 메모리 셀들이 각각 하나의 트랜지스터와 강유전체 캐패시터로 이루어지는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리 및 그 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공통 워드라인를 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리는 비파괴 읽기형(NDRO type)이면서 각 메모리셀이 단일 트랜지스터와 강유전체 캐패시터로 이루어지도록 하되, 각 셀의 트랜지스터의 게이트와 소스를 워드라인으로 연결하여 어드레싱(addressing)을 위한 기준으로 삼고, 이 워드라인과 플레이트(plate)로 정보를 기록하고, 워드라인과 비트라인(sense amplifier line)으로 읽기를 행함으로써, 공통 워드라인 하나로 기준을 삼기 때문에 FRAM 제작이 간편하고, NDRO 방식을 유지할 수 있기 때문에 피로(fatigue)에 대한 부담이 덜어지며, 단일 트랜지스터 형태이기 때문에 집적도가 증대된다.

Description

공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리 및 그 작동 방법
본 발명은 강유전체 랜덤 액세스 메모리에 관한 것으로, 상세하게는 비파괴 읽기가 가능하면서 각 메모리 셀들이 각각 하나의 트랜지스터와 강유전체 캐패시터로 이루어지는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
비파괴 읽기(NDRO; non-destructive read out)이면서 각 메모리 셀이 단일 트랜지스터(single transistor)로 이루어지는 강유전체 메모리는 랜덤 액세스 메모리(RAM) 형태가 사실상 불가능한 것으로 여겨져 왔다. 이를 극복하기 위하여 NDRO 1T-1CC TFT-FRAM 및 NDRO 1T-1C FRAM의 구조 및 작동 방법을 아래와 같이 밝힌 바 있다.
도 1은 종래의 1T-1C 구조의 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 개략적 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 1T-1C 구조는 CMOS 트랜지스터(transistor; 10, 14b, 15, 16, 17)와 강유전체 캐패시터(11, 12, 13)를 전극(18b)으로 연결하여 하나의 셀(cell)을 형성하고 있다. 즉, 불순물 도핑에 의하여 소스(15) 및 드레인(17)이 형성된 실리콘 기판(10)의 채널(19) 상에 절연층(14b)이 형성되고, 이 절연층(14b) 내에 게이트(16)가 형성되어 있는 CMOS 트랜지스터와 하부 전극(11), 강유전체층(12) 및 상부 전극(13)이 순차로 적층된 강유전체 캐패시터(11,12,13)이 연결된 구조로 되어 있다. 이를 1T-1C 구조라 부르는데 1T-1C가 한 개의 셀이 된다. 여기서, CMOS 트랜지스터의 소스(15) 및 드레인(17)의 상부는 절연층이 개구되어 소스 전극(18a) 및 드레인 전극(18b)이 형성되어 있으며, 강유전체 캐패시터는 CMOS 기판(10) 위에 제작되고 주변의 트랜지스터와 연결되며, 그 상부에는 의 상부에는 절연층의 개구부를 통하여 전극(18c)이 형성되어 있다.
도 2는 종래의 1T-CC 구조의 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 개략적 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 1T-CC(1 transistor-common capacitor) 구조의 박막 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세서 메모리는 박막 트랜지스터들이 공통 강유전체 캐패시터 상에 집적된 구조를 이루고 있다. 즉, 강유전체 캐패시터의 하부전극(1)을 먼저 증착하여 공통 전극으로 이용한다. 이 공통 하부전극(1)에 강유전물질(2)을 증착하여 공통 강유전체층(2)으로 이용한다. 이 때는 반도체에 대한 강유전체층 증착 온도의 제한이 없다. 다음에 각 메모리 셀(cell)을 형성하기 위하여 메모리 셀별로 상부전극(3)을 증착한다. 그 다음에 상부전극(3)에 절연체(4a)를 증착하되 상부전극(3)과 박막 트랜지스터가 접촉할 창(window)을 남겨둔다. 그 위에 박막 트랜지스터(TFT; thin film transistor)를 형성한다.
이상 설명한 바와 같은 종래의 1T-1C 구조의 강유전체 랜덤 액세스 메모리나 1T-CC 구조의 강유전체 랜덤 액세스 메모리는 공히 겹층구조에 워드라인(word line), 비트라인(bit line), 플레이트 라인(plate line) 외에도 센싱용 비트라인이 첨가되어 그 작동 방법에 있어서 네 개의 라인을 사용해야 하는 한계를 벗어나지 못한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 각 메모리셀을 단일 트랜지스터와 강유전체 캐패시터로 구성하되, 이 단일 트랜지스터들의 게이트와 소스를 워드라인으로 연결하여, 이 워드라인을 이용하여 기록하거나 읽는 이상적인 공통 워드라인를 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리 및 그 작동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 1T-1C 구조의 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 개략적 수직 단면도,
도 2는 종래의 1T-CC 구조의 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 개략적 수직 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 발췌 수직 단면도,
도 4는 도 3의 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 개략적 평면도,
도 5a 및 도 5b는 도 3의 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 "쓰기" 동작을 설명하기 위한 도면,
그리고 도 6a 및 도 6b는 도 3의 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 "읽기" 동작을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
101. 비트라인(Bit line)(B)
102. 공통 워드라인(Word line)(W)
103. 강유전체 캐패시터 윗전극(gate)
104. 강유전체
105. 확산층(Diffusion layer)
106. 우물(Well)
107. 도전성 확산 라인(Conductive diffusion line)(플레이트 라인; plate line)
108. 기판(Substrate)
109. 절연층(Insulation layer)
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 공통 워드라인를 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리는, 기판 및 상기 기판 상의 각 메모리 셀에 단일 트랜지스터 및 강유전체 캐패시터가 구비된 강유전체 랜덤 액세스 메모리에 있어서, 상기 강유전체 캐패시터의 상부 전극이 상기 단일 트랜지스터의 게이트 역할을 하도록 상기 단일 트랜지스터의 채널 상부에 배치하고, 상기 상부 전극과 상기 단일 트랜지스터의 소스를 함께 연결하여 공통 워드라인을 형성하며, 상기 단일 트랜지스터의 드레인을 연결하여 비트라인을 형성하며, 상기 비트라인에 대응하도록 플레이트 라인을 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판의 저면에 절연층을 형성하여 상기 기판을 플로팅시키고, 상기 플레이트 라인은 상기 비트라인에 대응하도록 기판 내부에 매립되며, 상기 플레이트 라인은 상기 단일 트랜지스터의 소스 및 드레인과 동일한 종유의 불순물로 도핑하되, 상기 플레이트 라인은 n+로 도핑되고, 상기 단일 트랜지스터의 채널은 p-well로 형성되거나, 상기 플레이트 라인은 p+로 도핑되고, 상기 단일 트랜지스터의 채널은 n-well로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 공통 워드라인를 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 작동 방법은, 기판 및 상기 기판 상의 각 메모리 셀에 단일 트랜지스터 및 강유전체 캐패시터를 구비하되, 상기 강유전체 캐패시터의 상부 전극이 상기 단일 트랜지스터의 게이트 역할을 하도록 상기 단일 트랜지스터의 채널 상부에 배치하고, 상기 상부 전극과 상기 단일 트랜지스터의 소스를 함께 연결하여 공통 워드라인을 형성하며, 상기 단일 트랜지스터의 드레인을 연결하여 비트라인을 형성하며, 상기 비트라인에 대응하도록 플레이트 라인을 형성한 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 작동 방법에 있어서, 상기 공통 워드라인을 어드레싱의 기준으로 하여, (가) 상기 공통 워드라인과 플레이트 라인 간에 전위차를 인가하여 정보를 기록하는 쓰기 단계; 및 (나) 상기 공통 워드라인에 인가된 전압에 의해 상기 비트라인에 접속된 센스 증폭기를 통하여 정보를 읽는 읽기 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 공통 워드라인를 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리를 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 공통 워드라인를 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리는 FRAM에 있어서 가장 이상적인 작동 형태인 비파괴 읽기형(NDRO type)이면서, 각 메모리셀이 단일 트랜지스터와 강유전체 캐패시터로 이루어진다. 이 때, 각 셀의 트랜지스터의 게이트와 소스를 워드라인으로 연결하여 어드레싱(addressing)을 위한 기준으로 삼고, 이 워드라인과 플레이트(plate)로 정보를 기록하고, 워드라인과 비트라인(sense amplifier line)으로 읽기를 행한다. 이를 구현하기 위한 메모리 구조가 도 3 및 도 4에 도시된다.
도 3은 본 발명에 따른 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 발췌 수직 단면도이고, 도 4는 도 3의 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 개략적 평면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리는 공통 워드라인(word line)(102), 플레이트 라인(plate line)(107), 비트라인(bit line)(101)으로 이루어지면서 셀(cell) 전부가 절연판(109)으로 격리되는 특징이 있다. 각 메모리 셀을 구성하는 단일 트랜지스터는 게이트(103; 강유전체 캐패시터의 상부전극에 해당)와 소스(105)를 연결하여 워드라인(102)을 형성한다. 단일 트랜지스터들의 드레인들은 서로 연결하여 비트라인(101)으로 구성하되 센서 증폭기(sense amplifier)(미도시, 도 6a 및 도 6b 참조)로 연결된다. 플레이트 라인(Plate line)(107)은 불순물의 고농도 도핑층(highly doped layer)로 구성하는데 n+, p+중 선택한다. 만일 플레이트 라인(107)이 n+형이면 우물(well)(106)과 기판(108)은 p 형이되고 확산층(diffusion layer)(105)은 n+형이 된다. 만일 플레이트 라인(107)이 p+형이라면 우물(106)과 기판(108)은 n 형이 되고 확산층(105)는 p+형이 된다. 도면의 실시예에서는 n+형 플레이트 라인, 즉 p-well이 예로 도시된다.
이와 같이 구성된 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 작동 방법은 다음과 같다.
먼저, 도 5a 및 도 5b는 도 3의 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 "쓰기" 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이, 메모리 셀에 기록할 때에는 워드라인(102)을 먼저 택하여 어드레싱(addressing)하고 워드라인(102)과 플레이트 라인(107) 사이에 전위차를 가한다. 이 전위차에 의해서 p-well에 유도되는 전하 극성이 결정된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 워드라인(102)의 전압(Vw)이 플레이트 라인(107) 전압(Vb) 보다 작게되면 해당 셀의 확산층 사이 혹은 워드라인(102)과 비트라인(101) 사이의 p-well에는 양전하가 유도되고 이는 강유전체(104)의 도메인(domain)에 의해 균형을 이루어 속박 전하(bound charge)가 되어 사라지지 않게 된다. 이를 "0"으로 기록된 것으로 설정(assign)한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 워드라인(102)의 전압(Vw)이 플레이트 라인(107) 전압(Vb) 보다 크게되면 해당 셀의 p-well에는 음전하가 유도된다. 이를 "1"로 기록된 것으로 설정(assign)한다. 물론 상기의 경우와 반대로 설정할 수도 있다.
다음에, 도 6a 및 도 6b는 도 3의 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 "읽기" 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이, 기록된 정보를 읽을 때에는 워드라인(102)을 먼저 선택하여 어드레싱하고 읽기전압 Vr을 가하고 센서 증폭기(sense amlifier)(110)가 연결된 비트라인(101)을 선택하면 메모리 상태를 검출할 수 있다. 즉, 도 6a에 도시된 바와 같이, "0"으로 기록된 셀(cell)은 "off"로 검출되고, 도 6b에 도시된 바와 같이, "1"로 기록된 셀은 "on"으로 검출된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 공통 워드라인를 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리는 비파괴 읽기형(NDRO type)이면서 각 메모리셀이 단일 트랜지스터와 강유전체 캐패시터로 이루어지도록 하되, 각 셀의 트랜지스터의 게이트와 소스를 워드라인으로 연결하여 어드레싱(addressing)을 위한 기준으로 삼고, 이 워드라인과 플레이트(plate)로 정보를 기록하고, 워드라인과 비트라인(sense amplifier line)으로 읽기를 행함으로써, 공통 워드라인 하나로 기준을 삼기 때문에 FRAM 제작이 간편하고, NDRO 방식을 유지할 수 있기 때문에 피로(fatigue)에 대한 부담이 덜어지며, 단일 트랜지스터 형태이기 때문에 집적도가 증대된다.

Claims (7)

  1. 기판 및 상기 기판 상의 각 메모리 셀에 단일 트랜지스터 및 강유전체 캐패시터가 구비된 강유전체 랜덤 액세스 메모리에 있어서,
    상기 강유전체 캐패시터의 상부 전극이 상기 단일 트랜지스터의 게이트 역할을 하도록 상기 단일 트랜지스터의 채널 상부에 배치하고, 상기 상부 전극과 상기 단일 트랜지스터의 소스를 함께 연결하여 공통 워드라인을 형성하며, 상기 단일 트랜지스터의 드레인을 연결하여 비트라인을 형성하며, 상기 비트라인에 대응하도록 플레이트 라인을 형성한 것을 특징으로 하는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 저면에 절연층을 형성하여 상기 기판을 플로팅시킨 것을 특징으로 하는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플레이트 라인은 상기 비트라인에 대응하도록 기판 내부에 매립된 것을 특징으로 하는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플레이트 라인은 상기 단일 트랜지스터의 소스 및 드레인과 동일한 종유의 불순물로 도핑된 것을 특징으로 하는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플레이트 라인은 n+로 도핑되고, 상기 단일 트랜지스터의 채널은 p-well로 형성된 것을 특징으로 하는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 플레이트 라인은 p+로 도핑되고, 상기 단일 트랜지스터의 채널은 n-well로 형성된 것을 특징으로 하는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리.
  7. 기판 및 상기 기판 상의 각 메모리 셀에 단일 트랜지스터 및 강유전체 캐패시터를 구비하되, 상기 강유전체 캐패시터의 상부 전극이 상기 단일 트랜지스터의 게이트 역할을 하도록 상기 단일 트랜지스터의 채널 상부에 배치하고, 상기 상부 전극과 상기 단일 트랜지스터의 소스를 함께 연결하여 공통 워드라인을 형성하며, 상기 단일 트랜지스터의 드레인을 연결하여 비트라인을 형성하며, 상기 비트라인에 대응하도록 플레이트 라인을 형성한 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 작동 방법에 있어서,
    상기 공통 워드라인을 어드레싱의 기준으로 하여,
    (가) 상기 공통 워드라인과 플레이트 라인 간에 전위차를 인가하여 정보를 기록하는 쓰기 단계; 및
    (나) 상기 공통 워드라인에 인가된 전압에 의해 상기 비트라인에 접속된 센스 증폭기를 통하여 정보를 읽는 읽기 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 공통 워드라인을 갖는 단일 트랜지스터 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 작동 방법.
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