CN1311554C - 强电介质存储装置的数据读出方法及强电介质存储装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种强电介质存储装置的数据读出方法,具有:在强电介质电容器上施加读出电压的工序;施加了读出电压后的强电介质电容器的电容值动态变化,且检测出反映其动态变化大小的电压的工序。在时刻T,存储有第1数据的存储单元分极非反相时和存储有第2数据的存储单元分极反相时,产生电压差ΔV,读出余量变大。
Description
技术领域
本发明涉及一种强电介质存储装置。
背景技术
作为强电介质存储装置,公知有在多个存储单元的每一个中配置晶体管及强电介质电容器各一个的1T/1C单元、或者其各存储单元的每一个中进一步配置参考单元的2T/2C单元的有源型强电介质存储装置。作为更加适合大容量化的非易失性存储装置,有以一个强电介质电容器作为各存储单元的强电介质存储装置(参考特开平9-116107号公报)。
在现有技术的强电介质存储装置中,数据读出为检测在强电介质电容器上施加读出电压时的电荷量的变化。在该数据读出中,由于数据读出余量比较小,存在着容易受到各个存储单元内的强电介质电容器的特性的分散偏差的影响等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过扩大数据的读出余量,能够稳定动作的强电介质存储装置的数据读出方法及强电介质存储装置。
有关本发明一方式的强电介质存储装置的数据读出方法,其特征在于,包括:在强电介质电容器上施加读出电压的工序;和施加了上述读出电压值后的上述强电介质电容器的电容值动态变化,且检测出反映其动态变化的大小的工序;在上述强电介质电容器中存储第1数据或第2数据中的任意一个,上述第1数据根据从第1极性的写入电压返回到0V时的第1极性自发分极存储向强电介质电容器的施加电压,上述第2数据根据从第2极性的写入电压恢复至0V时的第2极性自发分极存储强电介质电容器的施加电压;作为上述读出电压,将上述第1极性的电压施加到上述强电介质电容器上时,存储着上述第1数据的上述强电介质电容器的分极值的极性不反相,存储着上述第2数据的上述强电介质电容器的分极值的极性反相。
这样,在本发明一方式中,不是象现有技术那样,检测施加了读出电压时强电介质电容器电荷量的变化,而是检测其电容值反映强电介质电容器电容值动态变化的电压。
有关本发明的其它方式的强电介质记忆装置可以实施上述强电介质存储装置的数据读出方法。
在这里,强电介质电容器存储第1数据或第2数据中的任意一个,第1数据(例如“0”数据)是根据从第1极性的写入电压恢复至0V时的第1极性自发分极强(比如图1的B点)来存储向电介质电容器的施加电压,第2数据(例如“1”数据)是根据从第2极性的写入电压恢复至0V时的第2极性自发分极(比如图1的D点)来存储强电介质电容器的施加电压。
所谓读出电压,第1极性的电压(例如图1的+Vs)施加到强电介质电容器时,存储着第1数据的强电介质电容器的分极值的极性不反相,存储着第2数据的强电介质电容器的分极值的极性反相(在图1中从负反相至正)。因此,分极反相的一方的强电介质电容器的容量变化大。
更具体地说,强电介质电容器施加读出电压时,根据强电介质电容器分极反相的与否,连接在强电介质存储器的读出线的电压上升坡度不同的期间内(例如图3的T时刻或图6的t3-t4期间),可以检测出上述电压。
作为该读出时序,根据强电介质电容器的分极值-负加电压的迟滞特性,在存储着第2数据(例如图1的D点)的强电介质电容器上施加读出电压时,优选强电介质电容器的分极值在0附近的时刻。
有关本发明的强电介质存储装置,包括:多个存储单元,其分别具有强电介质电容器和开关元件;多条字线,其将沿第1方向排列配置的存储单元的所述开关元件的控制端共通连接,并沿所述第1方向延伸;多条位线,其将沿与所述第1方向交差的第2方向排列配置的存储单位的所述开关元件的一端共通连接,并沿所述第2方向延伸;多条读出线,所述读出线将沿所述第2方向排列配置的存储单元的所述强电介质电容器的一端以及所述开关元件的另一端分别共通连接,并沿所述第2方向延伸;多条板线,其将沿所述第1方向排列配置的存储单元的所述强电介质电容器的另一端共通连接,并沿所述第1方向延伸;驱动所述多条字线的字线驱动部;驱动所述多条位线的位线驱动部;驱动所述多条读出线的读出线驱动部;驱动所述多条板线的板线驱动部;和读出时序发生装置,其产生设定检测所述读出线的电压的时期的时序信号;所述读出线驱动部具有与所述多条读出线连接的多个读出放大部,所述读出时序发生装置,在所述多个读出放大器中,通过输出所述时序信号,激活所述多个读出放大器,所述字线驱动部、所述位线驱动部、及所述板线驱动部在所述多个存储单元中的至少一个所选择的存储单元的所述强电介质电容器上施加所述读出电压时的与所述所选择的存储单元的所述强电介质电容器连接的读出线的表示电压上升的电压上升曲线中,包括所述强电介质电容器的分极值为第1值的情况时和第2值的情况时电压上升坡度不同的部分,所述读出线驱动部,在根据所述电压上升坡度不同的部分特定的期间内检测所述电压。
在本发明的另一方式中,在数据读出或数据写入中,所述字线驱动部向选择选择存储单元的选择字线施加选择字线电压,让选择存储单元内的开关元件处于接通状态,向选择字线以外的非选择字线施加非选择字线电压,让非选择存储单元内的开关元件处于关断状态;向与选择存储单元连接的选择板线施加读出用板电压或者写入用板电压,让选择板线以外的非选择板线处于浮接状态。
所述位线驱动部,在数据读出中,向与选择存储单元连接的选择位线施加读出用位电压,向选择位线以外的非选择位线施加非选择位线电压。
所述位线驱动部,在写入“1”数据时,向与选择存储单元连接的选择位线施加“1”数据写入用位电压,向选择位线以外的非选择位线施加非选择位线电压,所述板线驱动部向选择板线施加“1”数据写入用板电压。
所述位线驱动部,在写入“0”数据时,向与选择存储单元连接的选择位线施加“0”数据写入用位电压,向选择位线以外的非选择位线施加非选择位线电压,所述板线驱动部向选择板线施加“0”数据写入用板电压。
由上述时序信号在一定时间被激活的上述多个读出放大器的每一个,将从读出线的单元电压与基准电压进行比较。
附图说明
图1表示强电介质的迟滞特性图。
图2表示在强电介质电容器上施加电压的电路的等效电路图。
图3表示在图2所示强电介质电容器上施加的分极反相时及分极非反相时的电压上升特性图。
图4表示在强电介质电容器上施加的分极反相时的电压上升特性与迟滞特性的角型性之间的相关的图。
图5表示有关本发明实施方式的强电介质存储装置的框图。
图6表示图5所示存储装置中的数据读出动作的时序图。
图7表示图5所示存储装置中的“0”数据写入动作的时序图。
图8表示图5所示存储装置中的“1”数据写入动作的时序图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。
1、一般动作
强电介质存储装置(以下也称FeRAM),是利用强电介质的迟滞现象的非易失性存储装置。关于迟滞现象,在强电介质上施加的电压和强电介质的分极值之间的相关图如图1所示。图1的纵轴P(Q)表示强电介质的分极值(电荷量),横轴V表示在强电介质上施加的电压。以如图1所示迟滞曲线为特征的强电介质,即使在强电介质上施加的电压为0V,也具有保持分极状态的性质(也称自发分极)。此自发分极,在施加到强电介质的电压为正和为负时,各自有两种分极状态。通过让这两个分极状态中的一方对应“0”,而另一方对应“1”,能够利用强电介质为存储装置的存储介质。此外,“1”数据写入及“0”数据写入按如图1所示定义。因此,在本实施方式中,图1的B点成为“0”数据的存储状态,图1的D点成为“1”数据的存储状态。
写入“0”数据时,在强电介质电容器上施加写入电压(例如电压Vs)。于是强电介质电容器的分极值从图1的B点或D点移动至A点。写入后,在强电介质电容器上施加的电压设定为0V,强电介质电容器的分极值移动至图1的B点。
写入“1”数据时,在强电介质电容器上施加写入电压(例如电压-Vs)。则强电介质电容器的分极值从图1的B点或D点移动至C点。写入后,在强电介质电容器上施加的电压设定为0V,强电介质电容器的分极值移动至图1的D点。以上是,强电介质存储装置的基本原理。
2,本发明的原理
本发明的特征在于数据读出动作。对于数据读出,在强电介质电容器上施加读出电压(例如电压Vs)进行的方法如同现有技术。这时,强电介质电容器的分极值从图1的B点或D点移动至A点。
以往,数据读出时,基于图1的B点或D点移动至A点时的电荷量的变化,判定是“0”数据还是“1”数据。
本发明中,着眼于施加了读出电压后的强电介质电容器的容量值动态变化,利用检测反映其动态变化的大小的电压,来判定是“0”数据还是“1”数据。
在这里,强电介质电容器存储下面两种数据中的任意一种。一种为,基于在强电介质电容器上施加的电压从第1极性的输入电压(例如+Vs)恢复至0V时的第1极性的自发分极存储的第1数据(图1的B点的“0”数据);另一种为,基于在强电介质电容器上施加的电压从第2极性的输入电压(例如-Vs)恢复至0V时的第2极性的自发分极存储的第2数据(图1的D点的“1”数据)。
但是,作为读出电压把第1极性的电压(图1的+Vs)施加到强电介质电容器上时,存储着第1数据(图1的B点的“0”数据)的强电介质电容器的分极值从图1的B点移动至A点。因此,强电介质电容器的分极值极性依旧为正极性,不反相(以下简称为分极非反相)。
另外,作为读出电压把第1极性的电压(图1的+Vs)施加到强电介质电容器时,存储着第2数据(图1的D点的“1”数据)的强电介质电容器的分极值从图1的D点移动至A点。因此,强电介质电容器的分极值极性为从负极性(点D)反相为正极性(点A)(以下简称为分极反相)。
在这里参照图2所示的等效回路,对在强电介质电容器C上施加的电压V(t)进行考察。如图2所示,假设输出电压为Vout、输出电阻为Rout、电流为i(t),则
Vout=Rout×i(t)+V(t) ……(1)
假设强电介质电容器C的动态电容为C(V(t))、积蓄在强电介质电容器的电荷量为Q(t),则i(t)可由以下式(2)表示。
根据式(1)及式(2),可得
对该式(3)进行变形,则最终得到以下式(4)所示微分方程式。
因此,通过假设相对于在强电介质电容器C上施加的电压V的强电介质电容器C的动态电容C(V),可用数值解析方法解得在强电介质电容器C上施加的电压V(t),能够准确计算出V(t)的时间变化。
以下的计算例中,为了简便,作为强电介质电容器的C(V)假设了以下简易模型。另外为了简便只考察0V以上的电压范围。
分极非反相时
分极反相时
式中,S是强电介质电容器C的面积、d是强电介质电容器的膜厚、ε0是真空的介电常数、εnsw是强电介质电容器C的分极非反相时的动态相对介电常数、εsw是强电介质电容器C的分极反相时的动态相对介电常数的最大值、Vc是强电介质电容器C的抗电压、Δ是表示分极反相时的分散偏差的指标。另外在以下的计算中,假设εnsw=500,Psw=2Pr=ε0×εsw×Δ/d=50μC/cm2,Vc=1.5V。在此,虽然有关2Pr值εsw×Δ为恒定值,εsw越大Δ越小,则迟滞曲线的角型性才会好,εsw越小Δ越大,则迟滞曲线的角型性差。
图3表示利用上述公式计算出的、在分极反相时及分极非反相时在强电介质电容器C上的施加电压V(t)的波形。此外,在图3中图1所示的读出电压定为Vs=3V。
如图3所示,强电介质电容器C的施加电压V(t)在分极非反相时迅速上升至Vs=3V的同时,在分极非反相时抗电压Vc(=1.5V)的附近施加电压V(t)的上升停滞。如上所述,强电介质电容器C的施加电压V(t)在分极反相时和分极非反相时,其电压上升坡度大大不同。
这是因为,强电介质电容器C的动态电容,在分极非反相时小,而在分极反相时以抗电压为界限因正负转换显著变大。
强电介质电容器C的施加电压V(t)的上升坡度不同的期间,例如若着眼于图3时刻T,强电介质电容器C的施加电压V(t),分极非反相时大致达到读出电压Vs(=3V),而在分极反相时抗电压Vs(=1.5V)左右。
因而,若在图3的例如时刻T的附近检测出强电介质电容器C的施加电压V(t),就能够判定出它是分极非反相(即图1的B点的“0”数据)还是分极反相(即图1的D点的“1”数据)。而且,此检测电压差ΔV只能确保读出电压Vs和抗电压Vc之间的差数,能够大大确保读出安全系数。
3、强电介质电容器C的迟滞特性与角型性之间的关系
图1所示强电介质电容器C的迟滞特性是,越逼近角型,能够确保上述读出安全系数的读出时间能够确保变长。在这里,定义图1所示的上下2边的水平度越高、左右2边的垂直度越高,角型性良好。
图4表示分极反相时的强电介质电容器C的施加电压V(t)特性和角型性之间关系的特性图。从图4中能够看出,越是角型性良好,能够大大确保读出余量的检测时间的幅度就长。
4、一实施方式
以下,就按照上述基本原理动作的强电介质存储装置的实施方式进行说明。此外,虽然以下实施方式是关于所谓的1T1C型强电介质存储装置,显然本发明也适用其他类型,例如2T2C型或交叉点型。
图5表示一实施方式的存储装置的概略说明图。在存储单元阵列400中,多条字线50及多条板线80互相平行排列配置。而且,在存储单元阵列400中,与多条字线50及多条板线80交叉,多条位线60及多条读出线70互相平行排列配置。另外,在存储单元阵列400中,多个存储单元410以矩阵状态排列着。多个存储单元410的每一个分别与多条字线50、位线60、读出线70、及板线80的各一根分别连接。沿着行方向X排列的多个存储单元410中,共同连接着一根字线50及一根板线80。沿着纵方向Y排列的多个存储单元410中,共同连接着一根位线60及一根读出线70。
多个字线50连接在字线驱动部10。多个位线60连接在位线驱动部20。多个读出线70连接在读出线驱动部30。多个板线80连接在板线驱动部40。另外,读出线驱动部30连接在读出时序发生装置100,接收来自读出时序发生装置100的信号的同时,把后述读出放大器0活化。
各存储单元410,由一个强电介质电容器411和一个存取晶体管412构成。各个存取晶体管412的栅极G与对应的字线50连接,各个存取晶体管412的源极S与对应的位线60连接。另外,各个存取晶体管412的漏极D与对应的读出线70及强电介质电容器411的一端连接。强电介质电容器411的另一端连接对应的板线80。
图6表示从图5中的多个存储单元410中任意一个选择存储单元410读出数据时的各种电压波形。图5中例如从左上角的存储元件410读出数据时,图5中从上第1行的字线50及板线80成为选择字线及选择板线,其他成为非选择字线及非选择板线。另外,位置在图5从左第1列的位线60成为选择位线。
在这里,给第1行的选择字线50上施加图5所示的选择字电压时位于第1行的存储元件410中的全开关412元件接通。这时,第1行以外的非选择字线上施加图5所示的非选择字电压时,位置在第1行以外的非存储元件410中的全开关元件412断开。
给第1列的选择位线上施加图5所示的选择位电压(例如0V),给第1列的选择板线上附加选择板电压(例如Vs)。则通过开关元件412,选择存储单元中的强电介质电容器411上施加如图2所示的电压V(t)。
向选择存储单元中的强电介质电容器的施加电压V(t),如图3所示,分极反相和分极非反相间的电压上升特性不同。因而,在选择存储单元连接读出线70中,如图6所示,产生与图3同样的电压。
多条读出线70,连接在如图5所示的读出线驱动部30。读出线驱动部30,具有同时可以写入/读出的N个读出放大器。例如N=8,N=16,N=32等。连接在选择存储单元的读出线70切换至连接在N个读出放大器的点与过去的相同。
本实施方式中,设置了发生时序信号的读出时序发生装置100,其时序信号是设定读出线70的检测电压时期。此读出时序发生装置100,在N个读出放大器输出图6表示的读出时序脉冲。此脉冲高的图6中的时刻t3-t4的读出期间,N个读出放大器呈快速化。
各读出放大器,例如在图3中的时刻T的分极非反相时的电压作为基准电压输入。因而,选择存储单元上的单元电压与参考电压作比较,能够判定单元电压是分极非反相电压(即图1B点的“0”数据),还是分极反相时的电压(即图1D点的“1”数据)。
此外,图4的第1行内,包括选择存储单元以外的非选择存储单元。所以,第1列以外的非选择位线按照图6的非选择位电压(例如0V)设定。其结果,第1行的非选择存储单元中的强电介质电容器411上能够施加0V。
另外,第2行以下的非选择存储单元,虽然开关元件412全部断开状态,本实施状态中增加,由从板线驱动部40让非选择板线浮接。
图7表示“0”数据写入,图8表示“1”数据写入的动作。
即使在数据写入上,如同上述数据读出,第1行的选择字线上施加选择字电压,第1行的存储单元410内的开关元件412成接通状态。第2行以外的非选择字线上施加非选择字电压,第1行以外的非选择存储单元内的开关元件412成断开状态。另外,非选择位线施加非选择位电压,非选择板线浮接。
“0”数据写入动作,实质上与上述数据读出工作相同。从读出线驱动部30提供数据的点不同。因而,如图7,选择位线上施加“0”数据的写入用位电压(例如0V),选择板线上施加“0”数据的写入用板电压(例如Vs)。其结果,选择存储元件中的强电介质电容器上施加+Vs,如图1写入“0”数据。
“1”数据写入动作,基于“0”数据写入动作,只要替换选择位线和选择板线之间的电压即可。总之,如图8,选择位线上施加“1”数据的写入用位电压(例如Vs),选择板线上施加“1”数据的写入用板电压(例如0V)。其结果,选择存储元件中的强电介质电容器上施加-Vs,如图1写入“1”数据。
此外,本发明并不只局限于上述实施方式,在本发明的要点的范围内能够实现种种变形。
Claims (10)
1、一种强电介质存储装置的数据读出方法,其特征在于,包括:
在强电介质电容器上施加读出电压的工序;和
施加了所述读出电压值后的所述强电介质电容器的电容值动态变化,且检测出反映其动态变化的大小的工序;
在所述强电介质电容器中存储第1数据或第2数据中的任意一个,所述第1数据根据从第1极性的写入电压返回到0V时的第1极性自发分极存储向强电介质电容器的施加电压,所述第2数据根据从第2极性的写入电压恢复至0V时的第2极性自发分极存储强电介质电容器的施加电压;
作为所述读出电压,将所述第1极性的电压施加到所述强电介质电容器上时,存储着所述第1数据的所述强电介质电容器的分极值的极性不反相,存储着所述第2数据的所述强电介质电容器的分极值的极性反相。
2、根据权利要求1所述的强电介质存储装置的数据读出方法,其特征在于,作为所述读出电压,将所述第1极性的电压施加到所述强电介质电容器上时,与存储着所述第1数据的所述强电介质电容器的电容值的动态变化相比,存储着所述第2数据的所述强电介质电容器的电容值的动态变化大。
3、根据权利要求1或2所述的强电介质存储装置的数据读出方法,其特征在于,在所述强电介质电容器上施加所述读出电压时的与所述强电介质电容器连接的读出线的表示电压上升的电压上升曲线中,包括所述强电介质电容器的分极值为第1值的情况时和第2值的情况时电压上升坡度不同的部分,检测所述电压的时刻设定在根据所述电压上升坡度不同的部分特定的期间内。
4、根据权利要求1或2所述的强电介质存储装置的数据读出方法,其特征在于,在所述强电介质电容器的分极值—施加电压的迟滞特性中,对存储有所述第2数据的所述强电介质电容器施加所述读出电压时,在所述强电介质电容器的分极值变为0附近的时刻,检测所述电压。
5、一种强电介质存储装置,其特征在于,包括:多个存储单元,其分别具有强电介质电容器和开关元件;多条字线,其将沿第1方向排列配置的存储单元的所述开关元件的控制端共通连接,并沿所述第1方向延伸;多条位线,其将沿与所述第1方向交差的第2方向排列配置的存储单位的所述开关元件的一端共通连接,并沿所述第2方向延伸;多条读出线,所述读出线将沿所述第2方向排列配置的存储单元的所述强电介质电容器的一端以及所述开关元件的另一端分别共通连接,并沿所述第2方向延伸;多条板线,其将沿所述第1方向排列配置的存储单元的所述强电介质电容器的另一端共通连接,并沿所述第1方向延伸;驱动所述多条字线的字线驱动部;驱动所述多条位线的位线驱动部;驱动所述多条读出线的读出线驱动部;驱动所述多条板线的板线驱动部;和读出时序发生装置,其产生设定检测所述读出线的电压的时期的时序信号;所述读出线驱动部具有与所述多条读出线连接的多个读出放大器,所述读出时序发生装置,在所述多个读出放大器中,通过输出所述时序信号,激活所述多个读出放大器,所述字线驱动部、所述位线驱动部、及所述板线驱动部在所述多个存储单元中的至少一个所选择的存储单元的所述强电介质电容器上施加所述读出电压时的与所述所选择的存储单元的所述强电介质电容器连接的读出线的表示电压上升的电压上升曲线中,包括所述强电介质电容器的分极值为第1值的情况时和第2值的情况时电压上升坡度不同的部分,所述读出线驱动部,在根据所述电压上升坡度不同的部分特定的期间内检测所述电压。
6、根据权利要求5所述的强电介质存储装置,其特征在于,
所述字线驱动部在数据读出或数据写入中,向选择所述选择存储单元的选择字线施加选择字线电压,让所述选择存储单元内的所述开关元件处于接通状态,向所述选择字线以外的非选择字线施加非选择字线电压,让非选择存储单元内的所述开关元件处于关断状态;
所述板线驱动部向与所述选择存储单元连接的选择板线施加读出用板电压或者写入用板电压,让所述选择板线以外的非选择板线处于浮接状态。
7、根据权利要求5所述的强电介质存储装置,其特征在于,所述位线驱动部,在数据读出中,向与所述选择存储单元连接的选择位线施加读出用位电压,向所述选择位线以外的非选择位线施加非选择位线电压。
8、根据权利要求5所述的强电介质存储装置,其特征在于,所述位线驱动部,在写入“1”数据时,向与所述选择存储单元连接的选择位线施加“1”数据写入用位电压,向所述选择位线以外的非选择位线施加非选择位线电压,所述板线驱动部向所述选择板线施加“1”数据写入用板电压。
9、根据权利要求8所述的强电介质存储装置,其特征在于,所述位线驱动部,在写入“0”数据时,向与所述选择存储单元连接的选择位线施加“0”数据写入用位电压,向所述选择位线以外的非选择位线施加非选择位线电压,所述板线驱动部向所述选择板线施加“0”数据写入用板电压。
10、根据权利要求5~9中任一项所述的强电介质存储装置,其特征在于,由所述时序信号在一定时间被激活的所述多个读出放大器的每一个,将从所述读出线的单元电压与基准电压进行比较。
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