CN100490012C

CN100490012C - 半导体存储装置及其驱动方法

Info

Publication number: CN100490012C
Application number: CNB031581676A
Authority: CN
Inventors: 加藤刚久; 山田隆善
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-09-15
Also published as: JP4154967B2; EP1398791A2; JP2004110878A; EP1398791A3; US6898108B2; CN1490821A; US20040052122A1

Abstract

本发明涉及半导体存储装置及其驱动方法。根据本发明能够对具有包含由强电介质构成的电容器的存储器和增益晶体管的半导体存储装置中的增益晶体管的偏置电压进行补偿。例如，在存储块MB00中，配置着2个存储单元MC00、MC01、复位晶体管QR00、QRX00、和增益晶体管QG00、QGX00，配置着分别使该增益晶体管QG00、QGX00的栅极电位充电的充电晶体管QS00、QSX00、截断与该增益晶体管QG00、QGX00的位线BL0电连接的电流截断晶体管QC00、QCX00。

Description

半导体存储装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及采取增益晶体管与包含用强电介质的电容器存储单元连接的构成的半导体存储装置及其驱动方法。

背景技术

我们参照附图说明具有包含用强电介质电容器的存储单元和增益晶体管的已有的半导体存储装置。

图5表示已有的强电介质存储装置的电路构成。

如图5所示，将4个存储块MB00～MB11配置成2行2列的矩阵状。例如在存储块MB00中配置着2个存储单元MC00、MC01、复位晶体管QR00、QRX00、和增益晶体管QG00、QGX00，存储单元MC00由传递晶体管QP00、QPX00和强电介质电容器C00、CX00构成。

例如，增益晶体管QG00、QGX00的各栅极与从位线SBL00、SBLX00连接，各漏极与位线BL0、BLX0连接，各源极与复位线RST0、RSTX0连接。

例如，复位晶体管QR00、QRX00的各栅极与复位晶体管控制线RE0连接，各漏极与从位线SBL00、SBLX00连接，各源极与复位线RST0、RSTX0连接。

例如由交叉耦合变换器构成的读出放大器SA0与位线BL0、BLX0连接，通过开关SW接地电源或数据写入电路WR0、WRX0与复位线RST0、RSTX0连接。

例如，存储单元MC00由2个强电介质电容器C00、CX00和2个传递晶体管QP00、QPX00构成，在强电介质电容器C00、CX00的电极中，一个电极与单元屏极线CP0连接，另一个电极即存储节点SN00、SNX00通过传递晶体管QP00、QPX00与从位线SBL00、SBLX00连接，传递晶体管QP00、QPX00的各栅极与字线WL0连接。这里，在存储单元MC00中包含的2个强电介质电容器C00、CX00中，为了使电容膜中的极化一方向上另一方向下而相补地记录着数据。

下面，我们一面参照图6(a)和图6(b)的定时图一面说明上述已有的半导体存储装置的写入工作和读出工作。

(写入工作)

这里，作为一个例子，我们说明在存储块MB00中包含的存储单元MC00中写入数据“0”的情形。

首先，开关SW与接地电源连接使复位线RST0、RSTX0接地。此后，如图6(a)所示，在字线WL0和复位晶体管控制线RE0上加上高电压，使传递晶体管QP00、QPX00和复位晶体管QR00、QRX00处于接通状态。接着，在单元屏极线CP0上加上正极性的脉冲电压。由于加上该脉冲，使2个强电介质电容器C00、CX00向着各存储节点SN00、SNX00一侧的电极的方向(图面的上侧)极化。

其次，为了使各复位线RST0等与数据写入电路WR0等连接而切换开关SW，从数据写入电路WR0将正极性的脉冲电压加到复位线RST0上，使强电介质电容器C00的极化方向变化到向着单元屏极线CP0一侧的电极的方向(图面的下侧)。这时，其它的数据写入电路WRX0、WR1等输出接地电位。

此外，强电介质电容器C00等中的极化，当在2个电极之间加上强电介质的矫顽电压以上的电压时，与电极间的电压极性同方向即从正电压电极一侧指向负电压电极一侧。

通过这种写入工作，在存储单元MC00内的2个强电介质电容器C00、CX00中，根据使相互的极化方向不同而决定数据。包含强电介质电容器C00等的半导体存储装置，因为即便切断电源也能够保持极化状态，所以作为非易失性存储器实施功能。

(读出工作)

其次，我们一面参照图6(b)的定时图一面说明在上述方法中从写入数据“0”的存储单元MC00读出该数据的工作。

数据的读出工作，首先，为了使复位线RST0、RSTX0与接地电源连接而切换开关SW，使复位线RST0等处于接地状态。进一步，使图中未画出的预充电电路处于接通状态，使位线BL0、BLX0预充电到高电位。

其次，如图6(b)所示，在字线WL0和复位晶体管控制线RE0上加上高电压，使传递晶体管QP00、QPX00和复位晶体管QR00、QRX00处于接通状态，使强电介质电容器C00、CX00的各存储节点SN00、SNX00复位到复位电位即接地电位。

使各存储节点SN00、SNX00的电位复位到接地电位后，使复位晶体管控制线RE0处于低电位，使复位晶体管QR00、QRX00处于断开状态并且使预充电电路处于断开状态。此后，起动读出放大器SA0并且将正极性的脉冲加到单元屏极线CP0上。因此，电荷从强电介质电容器C00、CX00移动到增益晶体管QG00、QGX00的栅极，从位线SBL00、SBLX00的电位上升，增益晶体管QG00、QGX00成为接通状态，结果，位线BL0、BLX0的电位从预充电电平下降。这时，因为向下极化的强电介质电容器C00一方比向上极化的强电介质电容器CX00产生更多的电荷，所以从位线SBL00的电位(VSBL00)比SBLX00的电位(VSBLX00)高。结果，增益晶体管QG00的沟道电阻比QGX00小，位线BL0的电位变化也比位线BLX0的电位变化大。这个电位变化量的大小成为位线对BL0、BLX0的电位差，进一步这个电位差由读出放大器SA0进行倍增。

在读出放大器SA0中，因为位线对BL0、BLX0中BL0处于低电位而BLX0处于高电位，所以判定为数据“0”，将该判定结果从数据输出线DL0、DLX0输出到外部。

此后，通过使复位晶体管控制线RE0处于高电位使复位晶体管处于接通状态，使各存储节点SN00、SNX00复位到RST电位即接地电位，使字线WL0处于低电位，使各传递晶体管QP00、QPX00处于断开状态，完成读出工作。

发明内容

但是，上述的已有半导体存储装置存在着因为例如在构成1个存储单元MC00的2个增益晶体管QG00、QGX00中产生读出电压中的电压差(偏置电压)，所以该偏置电压使读出界限降低那样的问题。

数据的读出工作，例如，将在持有相互相补关系的从位线对SBL0、SBLX0中产生的电位差变换成沟道电阻之差，在读出放大器SA0中检测由该沟道电阻之差引起的漏极源极之间的电流差作为位线BL0、BLX0中生成的电位变化。

因为增益晶体管QG00、QGX00在饱和区域中工作，所以根据漏极源极电流的简易公式，与栅极电压和阈值电压之差的平方成正比。当令增益晶体管QG00、QGX00的漏极源极电流分别为IDS00、IDSX00，阈值电压的值分别为VT00、VTX00时，下列[公式1]成立。

[公式1]

IDS00/IDSX00＝(VSBL00-VT00)²

/(VSBLX00-VTX00)²

这里，例如，当假定读出工作中发生的电压和阈值电压分别为VSBL00＝1.0V、VSBLX00＝0.9V和VT00＝VTX00＝0.6V时，IDS00/IDSX00＝1.78。可是，当假定在相互成对的增益晶体管QG00、QGX00中存在0.1V的偏置电压时，例如，VT00＝0.7V、VTX00＝0.6V时，IDS00/IDSX00＝1，读出放大器不能进行读出工作。

这样，当由于偏置电压使漏极源极电流比的值降低和在其它配线上加上驱动脉冲时，使对于进入从位线的噪声的抵抗性降低。

又，导致由于在强电介质电容器中保持的剩余极化(保留)降低引起的读出电荷降低、由于高温环境强电介质磁滞变化(印记)引起的读出电荷降低、或对于由于制造零散从2个强电介质电容器产生的电荷的偏差等引起的从位线的电位差(VSBL00-VSBLX00)的减少的工作界限的降低。

至今，已经提出了使电容器充电取消读出放大器的偏置电压的方法(日本平成7年公布的07-302497号专利公报)、给予读出放大器微调功能减少偏置电压的方法(日本平成10年公布的10-162585号专利公报)、和调整构成读出放大器的MOS晶体管的陷阱电位补偿偏置电压的方法(日本2000年公布的2000-311491号专利公报)等方案。

然而，这些专利公报中的各个专利公报，无论哪个都揭示了在读出放大器中取消偏置电压的方法，却没有揭示取消与存储单元连接的增益晶体管中产生的偏置电压的方法。

本发明的目的就是要解决上述已有的问题，能够对具有包含由强电介质构成的电容器的存储单元和增益晶体管的半导体存储装置中的增益晶体管的偏置电压进行补偿。

为了达到上述目的，本发明具有使半导体存储装置，在通过传递晶体管在栅极上接受与电容器的存储节点连接的从位线的电位的增益晶体管的栅极上，反馈加载上述增益晶体管的阈值电压值的构成。

又，其它的发明具有可以使半导体存储装置截断在通过传递晶体管在栅极上接受与电容器的存储节点连接的从位线的电位的增益晶体管中的漏极源极电流的构成。

具体地说，与本发明有关的第1半导体存储装置备有包含由强电介质构成的电容器与该电容器的存储节点连接的传递晶体管的存储单元、与传递晶体管连接的从位线、栅极与从位线连接，漏极与位线连接、源极与源极线连接的增益晶体管、和将增益晶体管的阈值电压值反馈加载给从位线的充电元件。

根据第1半导体存储装置，将从位线和电容器的存储节点，在进行读出工作前一直充电到增益晶体管的阈值电压或在该阈值电压上加上偏置电压的电压值。结果，因为将增益晶体管的阈值电压反馈到栅极电位，能够补偿由于阈值电压的零散引起的偏置电压，所以能够进行稳定的读出工作。

第1半导体存储装置最好进一步备有在从位线上加上所定的复位电压的复位电压加上元件。当这样做时，将从位线和电容器的存储节点一直充电到增益晶体管的阈值电压后，能够只将从位线设定在复位电位上。例如，当增益晶体管是N沟道型时，因为通过将复位电压设定得比增益晶体管的阈值电压低，能够降低读出工作时的增益晶体管的栅极电位，所以能够增大该增益晶体管的输出振幅即增益。

与本发明有关的第1半导体存储装置的驱动方法，以具有包含持有由强电介质构成的电容膜的电容器和与该电容器的一个电极连接的传递晶体管的存储单元、与上述传递晶体管连接的从位线、栅极与从位线连接，漏极与位线连接、源极与源极线连接的增益晶体管、和将上述增益晶体管的阈值电压值反馈加载给上述从位线的充电元件的半导体存储装置的驱动方法为对象，备有通过充电元件，将阈值电压值反馈加载给从位线和电容器的一个电极的第1工序、和通过在电容器的另一个电极上加上读出电压，检测在增益晶体管的中的沟道电阻的变化，读出电容器保持的数据的第2工序。

根据第1半导体存储装置的驱动方法，在从位线上，产生将阈值电压VT加到由于加上读出电压引起的电位变化VSBL上的电压，增益晶体管的漏极源极电流IDS成为

IDS∝(VSBL+VT-VT)²＝VSBL²

不会受到阈值电压值零散的影响。

在第1半导体存储装置的驱动方法中，最好具有在从位线上加上所定的复位电压的复位电压加上元件，第1工序包含使复位电压加上元件处于接通状态在从位线上加上复位电压，此后，使复位电压加上元件处于断开状态的工序。

当这样做时，将从位线和电容器的存储节点一直充电到增益晶体管的阈值电压或在该阈值电压上加上偏置电压的电压值后，能够只将从位线设定在复位电位上。此外，在存储节点上余留与阈值电压有关的电荷量Qp。

可是，当令电容器的电容值为Cf、电容器的存储节点和反对侧的电极(单元屏极)的电压为Vp时，该电容器的电荷量Qp＝Cf×(Vp-VT)。当将读出电压加到电容器的单元屏极上时，将该电荷量Qp分配给从位线的电容(电容值CSBL)和电容器的电容。由于这种电荷再分配减低了给予读出工作时的漏极源极电流的阈值电压零散的影响，能够使这种影响减小电容比CSBL/(CSBL+Cf)倍。此外，当增益晶体管是N沟道型时，因为通过将复位电压设定得比增益晶体管的阈值电压低，能够降低读出工作时的增益晶体管的栅极电位，所以能够增大该增益晶体管的输出振幅即增益。

在第1半导体存储装置的驱动方法中，最好第1工序包含对于电容器的另一个电极，加上读出电压、阈值电压的中间电压的工序，并且在第1工序中加在电容器的两电极上的电压不超过电容膜的矫顽电压。当这样做时，能够防止破坏读出数据前保持的极化状态。

第1半导体存储装置的驱动方法最好进一步备有存储单元具有多个电容器，在第2工序后，对于由于读出工作引起极化量变化的电容器，加上比只使该极化量饱和的通常的写入电压的电压值小的再写入电压的第3工序。当这样做时，一面能够恢复由于读出工作引起变化的极化状态，一面也能够减轻加在由强电介质构成的电容膜上的应力。

与本发明有关的第2半导体存储装置，在本发明的第1半导体存储装置中，备有截断增益晶体管中的漏极源极电流的电流截断元件。

根据第2半导体存储装置，因为在增益晶体管的栅极电位即从位线的电位迁移期间能够截断漏极源极电流，所以栅极电位稳定后可以通过漏极源极电流。因此，即便在增益晶体管上存在偏置电压时，也能够使读出工作稳定。

与本发明有关的第2半导体存储装置的驱动方法以本发明的第2半导体存储装置的驱动方法为对象，备有在电容器的另一个电极上加上读出电压，在从位线的电位变化期间，由电流截断元件截断漏极源极电流的第1工序。

根据第2半导体存储装置，在增益晶体管的栅极电位即从位线电位迁移期间能够截断增益晶体管的漏极源极电流，在栅极电位稳定后能够通过使增益晶体管的漏极源极电流流通读出数据。结果，即便在增益晶体管上发生偏置电压，工作界限小的情形和噪声、保留特性下降或产生印记的情形中也能够进行稳定的读出工作。

第2半导体存储装置的驱动方法最好进一步备有在第1工序后，对于由于读出工作引起极化量变化的电容器，加上比只使该极化量饱和的通常的写入电压的电压值小的再写入电压的第2工序。

附图说明

图1是表示与本发明的第1实施形态有关的具有强电介质存储器的半导体存储装置的主要部件的电路图。

图2是表示与本发明的第1实施形态有关的半导体存储装置中的写入工作的定时图。

图3是表示与本发明的第1实施形态有关的半导体存储装置中的读出工作的定时图。

图4是表示与本发明的第2实施形态有关的半导体存储装置中的读出工作的定时图。

图5是表示已有的强电介质存储装置的主要部件的电路图。

图6(a)和(b)表示已有的强电介质存储装置的工作定时，(a)是表示写入工作的定时图，(b)是表示读出工作的定时图。

其中：

MB00——存储块

MC00——存储单元

C00——电容器

CX00——电容器

SN00——存储节点

SNX00——存储节点

QP00——传递晶体管

QPX00——传递晶体管

QG00——增益晶体管

QGX00——增益晶体管

QR00——复位晶体管

QRX00——复位晶体管

QS00——充电晶体管

QSX00——充电晶体管

QC00——电流截断晶体管

QCX00——电流截断晶体管

SBL00——从位线

SBLX00——从位线相补线

WL0——字线

BL0——位线

BLX0——位线相补线

RST0——复位线

RSTX00——复位线

PCE——预充电起动线

CP0——单元屏极线

S00——充电晶体管控制线

GC0——电流截断晶体管控制线

WR0——数据写入电路

WRX0——数据写入电路

具体实施方式

(第1实施形态)

我们一面参照附图一面说明本发明的第1实施形态。

图1表示与本发明的第1实施形态有关的具有强电介质存储器的半导体存储装置的电路构成。

如图1所示，与第1实施形态有关的半导体存储装置具有配置成2行2列的矩阵状的存储块MB00、MB01、MB10、MB11、与存储块MB00、MB01连接的位线对BL0、BLX0的一端连接，例如与P沟道晶体管形成交叉耦合的读出放大器SA0、与存储块MB10、MB11连接的位线对BL1、BLX1的一端连接，具有与读出放大器SA0相同构成的读出放大器SA1、与存储块MB00、MB01连接又通过开关SW分别的复位线RST0、RSTX0的一端连接的数据写入电路WR0、WRX0、和与存储块MB10、MB11连接又通过开关SW分别的复位线RST1、RSTX1的一端连接的数据写入电路WR1、WRX1。这里，开关SW能够切换这些各数据写入电路WR0等与接地电源。

进一步，具有分别对各位线对BL0、BLX0和BL1、BLX1进行预充电的预充电晶体管QQ0、QQX0、QQ1、QQX1，关于各预充电晶体管QQ0～QQX1，各栅极与预充电起动线PCE连接，各源极与电源端子连接，各漏极与位线BL0、BLX0、BL1、BLX1连接。

在各存储块，例如存储块MB00上配置2个存储单元MC00、MC01、复位晶体管QR00、QRX00和增益晶体管QG00、QGX00，配置分别对该增益晶体管QG00、QGX00的栅极进行充电的充电晶体管QS00、QSX00、截断在该增益晶体管QG00、QGX00和位线BL0、BLX0之间的电连接的电流截断晶体管QC00、QCX00。

例如，存储块MB00中包含的存储单元MC00由2个传递晶体管QP00、QPX00和分别持有由强电介质构成的电容膜的2个电容器C00、CX00构成。电容器C00、CX00的电极中，一个电极与单元屏极线CP0连接，另一个电极即存储节点SN00、SNX00通过传递晶体管QP00、QPX00分别与从位线SBL00、SBLX00连接，传递晶体管QP00、QPX00的各栅极分别与字线WL0连接。这里，在存储单元MC00中包含的2个强电介质电容器C00、CX00中，使电容膜中极化一方向上而另一方向下地记录相补的数据，此外，如电容器C00、CX00那样，附有“X”的各标号与不附有“X”的该标号成对，它们的元件或配线具有相互相补的关系。

下面，我们以存储块MB00为例，说明在各存储块中包含的多个晶体管的配置。增益晶体管QG00、QGX00的各栅极分别与从位线SBL00、SBLX00连接，各漏极通过电流截断晶体管QC00、QCX00分别与位线BL0、BLX0连接，各源极分别与作为源极线的复位线RST0、RSTX0连接。

复位晶体管QR00、QRX00的各栅极与复位晶体管控制线RE0连接，各漏极通分别与从位线SBL00、SBLX00连接，各源极分别与复位线RST0、RSTX0连接。

充电晶体管QS00、QSX00的各栅极与充电晶体管控制线S00连接，各漏极分别与位线BL0、BLX0连接，各源极分别与从位线SBL00、SBLX00连接。

电流截断晶体管QC00、QCX00的各栅极与电流截断晶体管控制线GC0连接，各漏极分别与位线BL0、BLX0连接，各源极分别与增益晶体管QG00、QGX00的各漏极连接。

如从图1可以看到的那样，在各晶体管中，预充电晶体管QQ0～、QQX1是P沟道型晶体管，其它的晶体管是N沟道型晶体管。

(写入工作)

下面，我们一面参照图2的定时图一面说明上述那样构成的半导体存储装置的写入工作。这里，作为一个例子，我们说明在存储块MB00中包含的存储单元MC00中写入“0”的情形。

首先，通过使开关SW与接地电源连接分别使复位线RST0、RSTX0接地，将接地电位供给各复位晶体管QR00、QRX00的各源极。

其次，如图2所示，通过在字线WL0和复位晶体管控制线RE0上加上高电压使传递晶体管QP00、QPX00和复位晶体管QR00、QRX00都处于接通状态。因此，电容器C00、CX00的各存储节点SN00、SNX00和复位线RST0、RSTX0通过从位线SBL00、SBLX00分别成为导通状态，使各存储节点SN00、SNX00的电位复位到接地电位。

接着，通过在单元屏极线CP0上加上正极性的脉冲电压，使2个强电介质电容器C00、CX00分别在向着存储节点SN00、SNX00一侧的电极的方向(图面的上侧)中极化。

其次，为了使复位线RST0与数据写入电路WR0连接而切换开关SW，通过从数据写入电路WR0，将作为写入用的电压值为VRSTw的正极性的脉冲电压加到复位线RST0上，使电容器C00的极化方向变到向着单元屏极线CP0一侧的电极的方向(图面的下侧)。这时，其它的数据写入电路WRX0、WR1等输出接地电位。

通过以上的写入工作，在存储单元MC00内的2个电容器C00、CX00中，写入作为相互不同的极化方向的数据。这里，与已有例相同，当构成各存储单元的电容器C**(**是表示地址的添加字号码)的极化向下(单元屏极一侧)，并且电容器CX**的极化向上(存储节点一侧)时，该存储单元的数据表示为“0”。与此相反，当电容器C**的极化向上并且电容器CX**的极化向下时，该存储单元的数据表示为“1”。

此外，当写入数据时，例如希望将加在单元屏极线CP0和复位线RST0上的正极性的脉冲电压值设定在使构成各电容器C00、CX00的电容膜的强电介质的极化量饱和的电压值以上。因此，电容器C00、CX00的等具有即便使电源处于断开状态也能够作为为了保存电容膜的极化的非易失性存储装置的功能。

(读出工作)

下面，我们一面参照图2的定时图一面说明根据上述方法从写入数据“0”的存储单元MC00读出该数据的工作。

读出数据的工作，首先，为了使复位线RST0、RSTX0与接地电源连接而切换开关SW，将接地电位供给复位线RST0等。这时，通过向预充电起动线PCE供给低电压使预充电晶体管QQ0～QQX1处于接通状态，因此，使位线BL0、BLX0都预充电到高电位。

这时，如图3所示，将字线WL0～WL3、单元屏极线CP0～CP03、和充电晶体管控制线S00、S01的电位无论哪个都设定在低电位。

与此相反，将复位晶体管控制线RE0、RE1和电流截断晶体管控制线GC0、GC1的电位都设定在高电位。因此，因为复位晶体管QR00、QRX01处于接通状态，所以从位线SBL00、SBLX00的电位成为接地电位。又，电流截断晶体管QC00、QCX00也处于接通状态，增益晶体管QG00、QGX00的各漏极处于分别与位线BL0、BLX0导通的状态。

其次，通过使复位晶体管控制线RE0处于低电位，使复位晶体管QR00、QRX00处于接通状态，并且使充电晶体管控制线S00处于高电位，使充电晶体管QS00、QSX00处于接通状态。因此，将预充电晶体管QQ0、QQX0作为负荷，增益晶体管QG00、QGX00的各漏极和各栅极通过电流截断晶体管QC00、QCX00和充电晶体管QS00、QSX00连接起来形成闭合电路。因此，增益晶体管QG00、QGX00的栅极即从位线SBL00、SBLX00的电位分别成为该增益晶体管QG00、QGX00的阈值电压电平VT00、VTX00(图3中的定时t1)。这里，通过调整预充电晶体管QQ0、QQX0和增益晶体管QG00、QGX00的各晶体管尺寸，也可以使VT00、VTX00的值为分别在增益晶体管QG00、QGX00的阈值电压上加上所定的偏置电压量的电压值。

通过使复位晶体管控制线RE0处于低电位大致同时使单元屏极线CP0上升到第1电压值VRD1，使电容器C00、CX00的各存储节点SN00、SNX00的电位成为第1电压值VRD1。我们希望这个第1电压值VRD1与设定在增益晶体管QG00、QGX00上的阈值电压的制造零散的上限值一致。或者比该上限值稍高，并且希望第1电压值VRD1与阈值电压之差为比由强电介质构成的电容膜的矫顽电压小的电压值。具体地说，将第1电压值VRD1设定在例如比阈值电压的上限值只高0.1V的值上。通过设定这个第1电压值VRD1，当在下面的步骤中使传递晶体管QP00、QPX00处于接通状态时(图3中的定时t2)，因为将与读出工作同一极性并且在电容膜的矫顽电压以下的电压加到电容器C00、CX00上，所以在读出前在电容膜上加上矫顽电压以上的电压，使极化反转，能够防止发生破坏记录的数据的不合适情形。

其次，通过在字线WL0上加上高电压使传递晶体管QP00、QPX00处于接通状态，使电容器C00、CX00的各存储节点SN00、SNX00的电位分别上升到阈值电压VT00、VTX00(定时t2)。

其次，使充电晶体管控制线S00与电流截断晶体管QC0连接处于低电位，分别使充电晶体管QS00、QSX00和电流截断晶体管QC00、QCX00处于断开状态。因此，在位线BL0、BLX0，与从位线SBL00、SBLX00之间，和与增益晶体管QG00、QGX00的漏极之间都处于高阻抗状态，结果，位线BL0、BLX0的电位再次预充电到高电位。

其次，通过使预充电起动线PCE处于高电位即非活性状态，使预充电晶体管QQ0、QQX0迁移到断开状态，并且起动读出放大器SA0。与此同时，在单元屏极线CP0上加上持有读出用的第2电压值VRD2的正极性的脉冲电压。因此，电荷从电容器C00、CX00移动到增益晶体管QG00、QGX00，从位线SBL00、SBLX00的电位分别上升(图3中的定时t3)。

接着，在从位线SBL00、SBLX00的电位变化稳定后，再次在电流截断晶体管控制线GC0上加上高电压，使电流截断晶体管QC00、QCX00处于导通状态(接通状态)。因此，因为位线BL0、BLX0通过接通状态的电流截断晶体管QC00、QCX00和接通状态的增益晶体管QG00、QGX00使电荷流出到复位线RST0、RSTX0，所以位线BL0、BLX0的电位从预充电电平下降。

在已有的强电介质存储装置中，如图6(b)所示，采用使从位线SBL00、SBLX00的电位变化，超过设定在增益晶体管QG00、QGX00上的阈值电压时立即使位线BL0、BLX0的电位下降的驱动方法。

可是，在第1实施形态中，通过停止对位线BL0、BLX0预充电，并且在单元屏极线CP0上加上正极性的脉冲电压，在从位线SBL00、SBLX00的电位正在变化期间，通过电流截断晶体管QC00、QCX00分离位线BL0、BLX0和增益晶体管QG00、QGX00，使从位线SBL00、SBLX00的电位稳定后，在位线对BL0、BLX0上产生电位变化。这样，通过在位线BL0、BLX0和增益晶体管QG00、QGX00之间设置电流截断晶体管QC00、QCX00，能够使读出工作稳定地进行。

可是，当在单元屏极线CP0上加上正极性的脉冲电压时，向下极化的电容器C00一方比向上极化的电容器CX00一方发生较多的电荷。因此，在从位线SBL00上从定时t2到定时t3的电位变化VSBL00比子位相补线SBLX00的电位变化VSBLX00大。在定时t3的2条从位线SBL00、SBLX00上产生的电位分别成为VSBL00+VT00和VSBL01+VT01。

因此，2个增益晶体管QG00、QGX00中的漏极源极电流IDS00、IDSX00之比由下列的[公式2]表示。

[公式2]

IDS00/IDSX00＝(VSBL00+VT00-VT00)²

/(VSBLX00+VTX00-VTX00)²

＝VSBL00²/VSBLX00²

从而，如从[公式2]可以看到的那样，即便在2个增益晶体管QG00、QGX00中读出的电压中发生差异(所谓的偏置电压)也不会受到该偏置电压的影响。

这里，加在增益晶体管QG00的栅极上的VSBL00比加在增益晶体管QGX00的栅极上的VSBLX00大。例如，作为读出工作中发生的电压，当假定VSBL00为1.0V，VSBLX00为0.9V时，IDS00/IDSX00＝1.23，因为增益晶体管QG00的沟道电阻变得比QGX00小，所以相反地，位线BL0的电位变化变得比位相补线BLX0的电位变化大。接着，在位线对BL0、BLX0上产生的电位变化，即电位差由读出放大器SA0倍增。结果，位线BL0成为低电位，位相补线BLX0成为高电位，判定数据“0”。从数据输出线DL0、DLX0输出这个判定结果。

又，这样，当从用强电介质作为电容膜的电容器C00、CX00读出数据时，通过分别调整为了使加在电容膜的电压不超过矫顽电压而设定的对于单元屏极线CP0的第2电压值VRD2和电容器的电容值、从位线SBL00、SBLX00的电容值、进一步传递晶体管QP00、QPX00、复位晶体管QR00、QRX00和充电晶体管QS00、QSX00的各耦合电容、增益晶体管QG00、QGX00的各栅极电容、和配线间电容等，能够减轻当读出工作时加在电容膜上的应力。结果，能够使已有技术的可以进行10⁸～10¹⁰次左右的读出的工作次数，一直增加到与第1实施形态有关的半导体存储装置中的10¹⁵次以上。

其次，为了使复位线RST0等与数据写入电路WR0等连接而切换开关SW。接着，当读出数据时，从数据写入电路WR0，在与位线对BL0、BLX0中变化到低电位一侧对应的复位线，这里，与变化到低电位的位线BL0对应的复位线RST0上，加上电压值为VRSTr的再写入用的脉冲电压。这时，从数据写入电路WR0向与复位线RST0具有相补关系的复位线RSTX0供给接地电位。

在加上再写入用的电压VRSTr同时，通过使字线WL0处于低电位，使传递晶体管QP00、QPX00处于断开状态，进一步，通过使预充电起动线PCE处于低电位，使预充电晶体管QQ0、QQX0活性化。接着，通过使单元屏极线CP0处于低电位，又，使复位晶体管控制线RE0处于高电位，使复位晶体管QR00、QRX00处于接通状态。通过这样一连串的控制，从位线SBL00的电位成为再写入用的电压VRSTr，子位相补线SBLX00的电位成为接地电位(图3中的定时t5)。

接着，通过使字线WL0处于高电位，使传递晶体管QP00、QPX00处于接通状态，在电容器C00的存储节点SN00上加上再写入用的脉冲电压VRSTr，对由于加上读出电压(VRD2)引起的电容器C00的极化的变化进行补偿。与此相对，通过使电容器CX00的存储节点SNX00和单元屏极线CP0处于接地电位，使在该电容器CX00的两个电极之间的电压为0(图3中的定时t6)。

接着，将数据写入电路WR0的输出值从再写入用的电压VRSTr切换到接地电位，向电容器C00的存储节点SN00供给接地电位。因此，使在电容器C00的两个电极之间的电压为0(图3中的定时t7)。此后，使字线WL0的电位成为低电位，完成读出工作。

这里，例如构成存储单元MC00的2个电容器C00、CX00将由强电介质构成的电容膜上产生的极化的方向相互不同作为数据记录下来，但是只对为了读出记录的数据加上的读出电压与极化方向不同的电容器，加上读出时的再写入用的脉冲电压(VRSTr)。即，在第1实施形态中，从数据写入电路WR0在记录向下极化的电容器C00上加上再写入脉冲，在记录向上极化的电容器CX00上不加上再写入脉冲。这是因为，例如，与通过在记录向下极化的电容器C00上，加上来自单元屏极线CP0的读出脉冲，使极化的绝对值减小相反，即便在记录向上极化的电容器CX00上，加上读出脉冲也不会使极化的绝对值减小。

此外，加在复位线RST0上的再写入用的脉冲电压VRSTr也可以比图2所示的写入用的电压电平VRSTw小，作为使由于读出工作引起变化的极化状态恢复的电压是足够的，即达到矫顽电压程度。

这样，在第1实施形态中，是1个存储单元包含2个电容器，并且具有记录作为相互不同方向的极化的数据的构成，只对由于读出工作使极化量变化的电容器，加上比作为只当电容器的极化量饱和时的电压值的通常的写入工作用的脉冲电压VRSTw小的电压值的再写入用的脉冲电压VRSTr。因此，能够一面恢复由于读出工作引起变化的极化状态，一面能够减轻加在由强电介质构成的电容膜上的应力。

此外，第1实施形态的特征是，不一定设置从位线BL0、BLX0对从位线SBL00、SBLX00即增益晶体管QG00、QGX00的栅极充电到该增益晶体管QG00、QGX00的阈值电压左右的充电晶体管QS00、QSX00等、和截断位线BL0、BLX0与该增益晶体管QS00、QSX00的漏极之间的电流的电流截断晶体管QC00、QCX00等两者，通过设置其中任何一方的晶体管，也能够得到本发明的效果。

(第2实施形态)

我们一面参照附图一面说明本发明的第2实施形态。

在第2实施形态中半导体存储装置的电路构成和它的数据写入方法与图1和图2所示的第1实施形态相同，但是数据读出方法与第1实施形态不同。

这里，例如，我们一面参照图4的定时图一面说明与第1实施形态相同从具有写入数据“0”的存储单元MC00读出该数据的工作。

数据的读出工作，首先，为了使复位线RST0、RSTX0与接地电源连接而切换开关SW，将接地电位供给复位线RST0等。这时，通过向预充电起动线PCE供给低电压，使预充电晶体管QQ0～QQX1处于接通状态，因此，使位线BL0、BLX0一起预充电到高电位。

这时，如图4所示，将字线WL0～WL3、单元屏极线CP0～CP03、和充电晶体管控制线S00、S01的电位无论哪个都设定在低电位。

将复位晶体管控制线RE0、RE1和电流截断晶体管控制线GC0、GC1的电位都设定在高电位，因此，因为复位晶体管QR00、QRX01处于接通状态，所以从位线SBL00、SBLX00的电位成为接地电位。又，电流截断晶体管QC00、QCX00也处于接通状态，增益晶体管QG00、QGX00的各漏极处于分别与位线BL0、BLX0导通的状态。

其次，通过使复位晶体管控制线RE0处于低电位，使复位晶体管QR00、QRX00处于断开状态，并且通过使充电晶体管控制线S00处于高电位，使充电晶体管QS00、QSX00处于接通状态。因此，将预充电晶体管QQ0、QQX0作为负荷，增益晶体管QG00、QGX00的各漏极和各栅极通过电流截断晶体管QC00、QCX00和充电晶体管QS00、QSX00连接起来形成闭合电路。因此，增益晶体管QG00、QGX00的栅极即从位线SBL00、SBLX00的电位分别成为该增益晶体管QG00、QGX00的阈值电压电平VT00、VTX00(图4中的定时tt1)。这里，通过调整预充电晶体管QQ0、QQX0和增益晶体管QG00、QGX00的各晶体管尺寸，也可以使VT00、VTX00的值成为分别在增益晶体管QG00、QGX00的阈值电压上加上所定的偏置量的电压值。

通过使复位晶体管控制线RE0处于低电位大致同时使单元屏极线CP0的电位上升到第1电压值VRD1，使电容器C00、CX00的各存储节点SN00、SNX00的电位成为第1电压值VRD1。我们希望这个第1电压值VRD1与设定在增益晶体管QG00、QGX00上的阈值电压的制造零散的上限值一致。或者比该上限值稍高，并且希望第1电压值VRD1与阈值电压值之差成为比由强电介质构成的电容膜的矫顽电压小的电压值。具体地说，将第1电压值VRD1设定在例如比阈值电压的上限值只高0.1V的值上。通过这个设定，当在下面的步骤中使传递晶体管QP00、QPX00处于接通状态时(图4中的定时tt2)，因为将与读出工作时同一极性并且在电容膜的矫顽电压以下的电压加到电容器C00、CX00上，所以通过在读出前在电容膜上加上矫顽电压以上的电压，使极化反转，能够防止发生破坏记录的数据的不合适情形。

其次，通过在字线WL0上加上高电压使传递晶体管QP00、QPX00处于接通状态，使电容器C00、CX00的各存储节点SN00、SNX00的电位分别上升到阈值电压VT00、VTX00(定时tt2)。

其次，通过使字线WL0处于低电位使传递晶体管QP00、QPX00处于断开状态。接着，通过使充电晶体管控制线S00处于低电位使充电晶体管QS00、QSX00处于断开状态，进一步，使复位晶体管控制线RE0处于高电位。因此，当令电容器C00、CX00的电容值为Cf00、Cfx00时，在各个存储节点SN00、SNX00上分别保持由下列[公式3]和[公式4]表示的电荷。此外，在具有由强电介质构成的电容膜的电容器的情形中，如众所周知的那样，根据记录的极化状态改变电容值。又，因为复位晶体管控制线RE0的电位迁移到高电位，所以使从位线SBL00、SBLX00复位到接地电位(图4中的定时tt3)。

[公式3]

q00＝Cf00·(VRD1-VT00)

[公式4]

qx00＝Cfx00·(VRD1-VTX00)

其次，通过在使复位晶体管控制线RE0迁移到高电位同时使电流截断晶体管控制线GC0处于低电位，使电流截断晶体管QC00、GCX00处于截断状态(断开状态)，使位线BL0、BLX0预充电到高电压，此后，使复位晶体管控制线RE0迁移到低电位。接着，通过使预充电起动线PCE处于高电位的非活性状态，使预充电晶体管QQ0、QQX0迁移到断开状态。与此同时，起动读出放大器SA0，并且在字线WL0上加上高电压，使传递晶体管QP00、QPX00处于接通状态，接着，在单元屏极线CP0上加上持有读出用的第3电压值VRD3的正极性的脉冲电压。因此，电荷从电容器C00、CX00移动到增益晶体管QG00、QGX00的栅极，从位线SBL00、SBLX00的电位上升(图4中的定时tt3、tt5)。

可是，通过在单元屏极线CP0上加上正极性的脉冲电压(第3电压值VRD3)，当使从位线SBL00、SBLX00的电容值(即传递晶体管QP00、QPX00、复位晶体管QR00、QRX00、充电晶体管QS00、QSX00的各耦合电容、增益晶体管QG00、QGX00的各栅极电容、和配线间电容)为CSBL时，在2条从位线SBL00、SBLX00上发生的电位VSBL00和VSBLX00由下列[公式5]和[公式6]表示。

[公式5]

VSBL00＝Cf00·(VRD3-VRD1-VT00)

/(CSBL+Cf00)

[公式6]

VSBLX00＝Cfx00·(VRD3-VRD1-VTX00)

/(CSBL+Cfx00)

从而，2个增益晶体管QG00、QGX00的漏极源极电流IDS00、IDSX00之比由下列[公式7]表示。

[公式7]

IDS00/IDSX00＝(VSBL00-VT00)²

/(VSBLX00-VTX00)²

又，分子和分母的刮号内的因子分别由下列[公式8]和[公式9]表示。

[公式8]

VSBL00-VT00＝Cf00·(VRD3-VRD1)/(CSBL+Cf00)-CSBL·VT00/(CSBL+Cf00)

[公式9]

VSBLX00-VTX00＝Cfx00·(VRD3-VRD1)/(CSBL+Cfx00)-CSBL·VTX00/(CSBL+Cfx00)

此外，在阈值电压上乘以系数CSBL/(CSBL+Cf00)或CSBL/(CSBL+Cfx00)。即，阈值电压的零散减轻CSBL/(CSBL+Cf00)或CSBL/(CSBL+Cfx00)倍。

又，在第2实施形态中，使从位线SBL00、SBLX00和电容器C00、CX00的各存储节点SN00、SNX00充电到增益晶体管QG00、QGX00的阈值电压后，因为只在从位线SBL00作为接地电位的复位状态进行读出，所以能够使漏极源极电流之比的值具有与已有的同等的电平。

从而，因为IDS00/IDSX00的值比1大，所以增益晶体管QG00的沟道电阻变得比QGX00的沟道电阻小，因此位线BL0的电位变化变得比位相补线BLX0的电位变化大。该位线对BL0、BLX0的电位差由读出放大器SA0倍增。结果，位线BL0处于低电位，而位相补线BLX0处于高电位，判定数据“0”。从数据输出线DL0、DLX0输出该判定结果。

又，这样，当从用强电介质作为电容膜的电容器C00、CX00读出数据时，通过分别调整为了使加在电容膜的电压不超过矫顽电压而设定的对于单元屏极线CP0的读出电压(第3电压值VRD3)、电容器的电容值、和从位线SBL00、SBLX00的电容值，能够减轻当读出工作时加在电容膜上的应力。结果，能够使已有技术的可以进行10⁸～10¹⁰次左右的读出的工作次数，一直增加到在与第2实施形态有关的半导体存储装置中的10¹⁵次以上。

其次，为了使复位线RST0等与数据写入电路WR0等连接而切换开关SW。接着，当读出数据时，从数据写入电路WR0，将电压值为VRSTr的再写入用的脉冲电压加到与在位线BL0、BLX0中变化到低电位一侧对应的复位线，这里是，变化到低电位的位线BL0上。这时，从数据写入电路WRX0将接地电位供给具有与复位线RST0相补关系的复位线RSTX0。

其次，通过使预充电起动线PCE处于低电位，使预充电晶体管QQ0、QQX0活性化，并且使复位晶体管控制线RE0处于高电位，使复位晶体管QR00、QRX00处于接通状态，在电容器C00的存储节点SN00上加上作为再写入用的电压VRSTr的脉冲电压，对电容器C00的向下的极化方向进行补偿。另一方面，通过向电容器CX00的存储节点SNX00和单元屏极线CP0供给接地电位，使在电容器CX00的两个电极之间的电压为0(图4中的定时tt7)。

此后，通过从数据写入电路WR0输出低电位，也使电容器C00的存储节点SN00处于接地电位，使在电容器C00的两个电极之间的电压为0，接着，使字线WL0的电位处于低电位，完成读出工作(图4中的定时tt8)。

此外，也可以使加到复位线RST0上的再写入用的脉冲电压VRSTr比图2所示的写入用的电压电平VRSTw小，作为使由于读出工作引起变化的极化状态恢复的电压是足够的，即达到矫顽电压程度。

又，在本发明的各实施形态中，我们说明了1个存储单元包含2个电容器的构成，所谓的2T2C型存储单元，但是，即便是1个存储单元包含1个电容器的所谓的1T1C型存储单元，如果是使增益晶体管与产生参照电压的参照电压单元和存储单元双方连接，检测增益晶体管的沟道电阻的不同的方式，则本发明的构成也是有效的。

当根据与本发明有关的第1半导体存储装置及其驱动方法时，因为使增益晶体管的阈值电压反馈到栅极电位，所以能够补偿由于阈值电压的零散引起的偏置电压，结果，能够进行稳定的读出工作。

当根据与本发明有关的第2半导体存储装置及其驱动方法时，因为可以在栅极电位稳定后通过漏极源极电流，所以即便当在增益晶体管上存在偏置电压，工作界限小时和产生噪声、保留或印记时，也能够进行稳定的读出工作。

Claims

1.一种半导体存储装置，其特征是：备有

包含持有由强电介质构成的电容膜的电容器和与该电容器的存储节点连接的传递晶体管的存储单元、

与上述传递晶体管连接的从位线、

栅极与上述从位线连接，漏极与位线连接、源极与源极线连接的增益晶体管、和

将上述增益晶体管的阈值电压值反馈加载给上述从位线的充电元件。

2.根据权利要求1的半导体存储装置，其特征是：进一步备有在上述从位线上加上所定的复位电压的复位电压加上元件。

3.根据权利要求1的半导体存储装置，其特征是：还备有

连接在上述漏极与上述位线之间，截断上述增益晶体管中的漏极源极电流的电流截断元件。

4.一种半导体存储装置的驱动方法，其特征是：它是

具有包含持有由强电介质构成的电容膜的电容器和与该电容器的一个电极连接的传递晶体管的存储单元、与上述传递晶体管连接的从位线、栅极与上述从位线连接，漏极与位线连接、源极与源极线连接的增益晶体管、和将上述增益晶体管的阈值电压值反馈加载给上述从位线的充电元件的半导体存储装置的驱动方法，备有

通过上述充电元件，将上述阈值电压值反馈加载给上述从位线和上述电容器的上述一个电极的第1工序、和

通过在上述电容器的另一个电极上加上读出电压，检测在上述增益晶体管的中的沟道电阻的变化，读出上述电容器保持的数据的第2工序。

5.根据权利要求4的半导体存储装置的驱动方法，其特征是：

具有在上述从位线上加上所定的复位电压的复位电压加上元件，

上述第1工序包含：使上述复位电压加上元件处于接通状态，在上述从位线上加上上述复位电压，此后，使上述复位电压加上元件处于断开状态的工序。

6.根据权利要求4或5的半导体存储装置的驱动方法，其特征是：

上述第1工序包含对于上述电容器的另一个电极，加上上述读出电压和上述阈值电压的中间电压的工序，并且在上述第1工序中加在上述电容器的两个电极上的电压不超过上述电容膜的矫顽电压。

7.根据权利要求4或5的半导体存储装置的驱动方法，其特征是：进一步备有

上述存储单元具有多个电容器，

在上述第2工序后，

对于由于读出工作引起极化量变化的电容器，加上比只使上述极化量饱和的通常的写入电压的电压值小的再写入电压的第3工序。

8.一种半导体存储装置的驱动方法，驱动权利要求3的半导体存储装置，其特征是：备有

在上述电容器的另一个电极上加上读出电压，在上述从位线的电位变化期间，由上述电流截断元件截断上述漏极源极电流的第1工序。

9.根据权利要求8的半导体存储装置的驱动方法，其特征是：进一步备有

在上述第1工序后，

对于由于读出工作引起极化量变化的电容器，加上比只使上述极化量饱和的通常的写入电压的电压值小的再写入电压的第2工序。