DE10056546C1

DE10056546C1 - Anordnung und Verfahren zur Erhöhung der Speicherdauer und der Speichersicherheit in einem ferroelektrischen oder ferromagnetischen Halbleiterspeicher

Info

Publication number: DE10056546C1
Application number: DE10056546A
Authority: DE
Inventors: Michael Kund; Reinhard Salchner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: US6661694B2; US20020071303A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erhöhung der Speicherdauer und der Speichersicherheit in einem ferroelektrischen oder ferromagnetischen Halbleiterspeicher, bei der bzw. dem zur Erhöhung der remanenten Polarisation bzw. Magnetisierung unter Ausnutzung des Imprint-Effektes der Speicherinhalt in die jeweils gleichen Speicherzellen mehrmals eingeschrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erhöhung der Speicherdauer und der Speichersi cherheit in einem ferroelektrischen oder ferromagnetischen Halbleiterspeicher (FeRAM bzw. MRAM) nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 4.

Die Speicherdauer - auch Retention- oder Rückhaltezeit ge nannt - und die Speichersicherheit eines in einem Speicher chip realisierten ferroelektrischen oder ferromagnetischen Halbleiterspeichers sind für eine große Anzahl von Anwendun gen dieser Halbleiterspeicher kritische Parameter. Denn die Speicherdauer und letztlich auch die Speichersicherheit wer den in allen bisher eingesetzten Technologien durch die "Un zulänglichkeit" des jeweils verwendeten Materials bestimmt. Als Beispiel hierfür soll ein DRAM (Dynamischer RAM) ange führt werden, bei dem der begrenzende Faktor für die Spei cherdauer durch den Ladungsverlust des Speicherkondensators infolge verschiedener materialabhängiger Leckmechanismen ge geben ist. Zum Ausgleich dieses Ladungsverlustes sind bei DRAMs Refreshzyklen erforderlich.

Bei DRAMs ist dieser Ladungsverlust so groß, dass sie als flüchtige Halbleiterspeicher bezeichnet werden. Ohne die Re freshzyklen wäre die Speicherdauer in DRAMs für praktische Anwendungen nicht ausreichend.

Die Speicherdauer spielt aber auch bei den sogenannten nicht flüchtigen Halbleiterspeichern, wie den ferroelektrischen Halbleiterspeichern (FeRAMs) und den ferromagnetischen Halb leiterspeichern (MRAMs) eine nicht zu unterschätzende Rolle.

Denn auch bei FeRAMs und bei MRAMs sind über längere Zeiten Verluste an Polarisation (FeRAM) bzw. Magnetisierung (MRAM) zu beobachten.

Ferroelektrische und ferromagnetische Materialien haben die Eigenschaft, dass sich ihre Hystereseschleife, in der die Ab hängigkeit der Polarisation bzw. Magnetisierung vom elektri schen bzw. magnetischen Feld aufgetragen ist, bei häufig wie derholtem Durchfahren abhängig von der Richtung des angeleg ten elektrischen bzw. magnetischen Feldes verschiebt. Dies ist ein den ferroelektrischen und ferromagnetischen Materia lien intrinsischer Effekt (Imprint).

In der US 5,912,835 ist ein nichtflüchtiger ferroelek trischer Speicher der eingangs genannten Art beschrie ben, bei dem eine Refresh-Schaltung einen Zähler hat, der die seit einem vorangehenden Daten-Refresh abgelau fene Zeit zählt. Überschreitet der Zählwert eine vorbe stimmte Zeitdauer, so wird eine erneute Daten-Refresh- Sequenz eingeleitet.

Weiterhin ist aus der US 5,953,245 eine Halbleiterspei chervorrichtung bekannt, bei der eine Steuereinrichtung Wärme oder gepulste Spannung für eine bestimmte Zeitdau er an Speicherzellen anlegt, um so einen Einschreibvor gang zu beschleunigen.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur Erhöhung der Speicherdauer und der Speichersicherheit in einem ferroelektrischen oder ferroma gnetischen Halbleiterspeicher zu schaffen, bei der bzw. dem die Speicherdauer und die Speichersicherheit mittels einfa cher Maßnahmen erheblich gesteigert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Ver fahren nutzen in vorteilhafter Weise den oben erwähnten in trinsischen Effekt der ferroelektrischen und ferromagneti schen Materialien aus: da durch häufig wiederholtes Durchfah ren der jeweiligen Hystereseschleife sich diese abhängig von der Richtung des angelegten elektrischen oder magnetischen Feldes verschiebt, können auf diese Weise die remanente Pola risation bzw. die remanente Magnetisierung, d. h. die Größe des gespeicherten digitalen Signales, und damit auch die Speicherdauer erhöht werden. Wird beispielsweise an ein fer roelektrisches Material häufig ein positives elektrisches Feld angelegt, so verschiebt sich dessen Hystereseschleife in der Richtung dieses elektrischen Feldes, wodurch sich die ne gative remanente Polarisation infolge des intrinsischen Ef fektes vergrößert, was eine Steigerung der Speicherdauer be deutet.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann ohne weiteres in die Speicherchips von FeRAMs bzw. MRAMs integriert werden. Beson ders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung dann, wenn von einem Speicherchip mit einem FeRAM oder MRAM eine hohe Speicherdauer bzw. Speichersicherheit eingehalten werden muss, was beispielsweise dann gilt, wenn die Speicherchips in Karten für Zugangskontrollen eingesetzt werden oder die Spei cherchips allgemein personenbezogene Informationen enthalten.

Die erfindungsgemäße Anordnung bzw. das erfindungsgemäße Ver fahren ermöglicht so eine Kombination der Vorteile eines schnellen Schreibens, einer niedrigen verwendeten Spannung und einer hohen Wiederbeschreibbarkeit von FeRAMs oder MRAMs mit einer langen Speicherdauer und damit Speichersicherheit eines FLASH-Speichers.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist relativ einfach aufgebaut, da sie im wesentlichen lediglich ein Rückschreibregister und einen Rückschreib-Controller benötigt: in das Rückschreibre gister wird der Inhalt von Speicherzellen eines Speicherzel lenfeldes n-fach (n ≧ 1) rückgeschrieben. Vorzugsweise gilt dabei n << 1, wobei n beispielsweise zwischen 100 und 1000 liegen oder aber auch größer als 1000 sein kann. Der Rück schreib-Controller lässt den in das Rückschreibregister rück geschriebenen Inhalt von Speicherzellen des Speicherzellen feldes über den ohnehin vorhandenen Zeilendecodierer bzw. Spaltendecodierer erneut in das Speicherzellenfeld einschrei ben.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in wenigen Verfah rensschritten ausführen:
Zunächst wird ein Speicherzellenfeld mit der zu speichernden Information beschrieben. Sodann wird ein spezieller Rück schreibemodus eingeleitet, wobei festgelegt wird, wie oft das jeweilige Datum der einzelnen Speicherzellen zurückgeschrie ben werden soll, was beispielsweise n-fach geschehen kann (n . 1). Mittels des Rückschreib-Controllers wird dann in das Rückschreibregister jede Speicherzelle ausgelesen, ihr Inhalt bewertet und dieselbe Speicherzelle wieder n-fach nach n-ma ligem Bewerten beschrieben. Die Anzahl n des Auslesens und Wiederbeschreibens kann in einem Rückschreibzähler gesetzt werden. Die für das Zurückschreiben erforderliche Zeit kann reduziert werden, indem mehrere Speicherzellen gleichzeitig beschrieben werden.

Durch Angabe von Start- und Stoppadressen eines zu schreiben den Bereiches des Speicherzellenfeldes ist es möglich, nur einen Teil des jeweiligen Speicherchips mit der erfindungsge mäßen Anordnung zu versehen bzw. dem erfindungsgemäßen Ver fahren zu unterwerfen, so dass ausschließlich in diesem Teil die Polarisation bzw. Magnetisierung und damit sowohl die Speicherdauer als auch die Speichersicherheit, beispielsweise gegenüber einer erhöhten Temperatur, gesteigert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Normalzustandes einer Hysterese bei einer ferroelektrischen Spei cherzelle,

Fig. 2 den Zustand einer Hysterese nach häufigem Anlegen eines positiven elektrischen Feldes an eine fer roelektrische Speicherzelle,

Fig. 3 den Zustand einer Hysterese nachhäufigem Anlegen eines negativen elektrischen Feldes an eine fer roelektrische Speicherzelle und

Fig. 4 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anord nung.

In den Fig. 1 bis 3 sind Hysteresekurven für ein ferroelek trisches Material gezeigt. Dabei ist jeweils die Polarisation P in Abhängigkeit von dem angelegten elektrischen Feld E auf getragen.

Entsprechende Hysteresekurven werden für magnetisches Mate rial erhalten, wenn deren Magnetisierung M in Abhängigkeit von einem angelegten Magnetfeld H ausgewertet wird. Demgemäß sind auf den Achsen der Hysteresekurven der Fig. 1 bis 3 zu sätzlich zu der Polarisation P und dem elektrischen Feld E noch die Magnetisierung M und das Magnetfeld H in Klammern eingetragen.

Fig. 1 zeigt den Normalzustand der Hysterese P(E), also den Verlauf der Polarisation P in Abhängigkeit von dem angelegten elektrischen Feld E. Die remanente Polarisation Pr ist dabei unabhängig von der Richtung des angelegten elektrischen Fel des E gleich groß, d. h. |P_r| = |-P_r|.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Hystereseschleife P(E) darge stellt, wie dieser nach häufigem Anlegen eines positiven elektrischen Feldes +E auftritt. Ein solches positives elek trisches Feld +E wird beispielsweise zum Schreiben einer "1" benötigt. In diesem Fall ist aber |-P_r| erheblich größer als |P_r|, was auf den eingangs erläuterten intrinsischen Effekt (Imprint) zurückzuführen ist. Mit anderen Worten, die Polari sation ist nach häufigem Anlegen eines positiven elektrischen Feldes +E erheblich größer, was eine Steigerung der Speicher dauer und zusätzlich eine Vergrößerung der Speichersicherheit bedeutet.

Fig. 3 zeigt die aus dem Normalzustand von Fig. 1 nach links verschobene Hystereseschleife P(E), wie diese nach häufigem Anlegen eines negativen elektrischen Feldes -E erhalten wird. Ein solches negatives elektrisches Feld -E kann dem Schreiben einer "0" zugeordnet werden. In diesem Fall ist die positive Polarisation |P_r| erheblich größer als die negative Polarisa tion |-P_r|. Mit anderen Worten, durch mehrfaches Anlegen des negativen elektrischen Feldes lässt sich die Polarisation zum Schreiben beispielsweise eines "0"-Signales verstärken und damit die Speicherdauer und Speichersicherheit erhöhen.

Der Vollständigkeit halber sind in den Fig. 1 bis 3 auch die Sättigungspolarisation P_sat und -P_sat sowie das Koerzitivfeld E_c und -E_c für den Fall eines ferroelektrischen Materials eingetragen.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anord nung. Ein Speicherzellenfeld 1 ist mit einem Zeilendecoder 2 und über einen Bewerter 3 mit einem Spaltendecoder 4 verbun den. Der Zeilendecoder 2 und der Spaltendecoder 4 sind jeweils an einen Rückschreib-Controller 6 angeschlossen, der über ein Rückschreibregister 5 mit dem Bewerter 3 in Verbin dung steht. Der Rückschreib-Controller 6 ist mit einem Rück schreibzähler 7 verbunden. Außerdem sind noch ein Start-/Stopp-Adress-Puffer 8 und ein Rückschreibzähler-Puffer 9 vorgesehen, die zwischen Eingängen In und dem Rückschreib- Controller 6 bzw. dem Rückschreibzähler 7 liegen.

Der Bewerter 3 kann anstelle mit dem Spaltendecoder 4 auch mit dem Zeilendecoder 2 verbunden sein, wie dies durch ein Bezugszeichen 3 ¹ angedeutet ist.

Über den Start-/Stopp-Adress-Puffer 8 werden Adressen in den Rückschreib-Controller 6 eingegeben, welche einen bestimmten Bereich im Speicherzellenfeld festlegen, in welchem die Spei cherzellen einem mehrmaligen Rückschreiben zur Erhöhung ihrer Polarisation unterworfen werden sollen. Dieser Bereich kann gegebenenfalls auch das gesamte Speicherzellenfeld 1 umfas sen.

Der Rückschreibzähler-Puffer 9 dient zur Eingabe einer Zahl n, mit welcher die einzelnen Speicherzellen zurückgeschrieben werden sollen.

Wenn das Speicherzellenfeld 1 in normaler Weise mit der zu speichernden Information beschrieben ist und zur Steigerung der Speicherzeit bzw. Speichersicherheit die remanente Pola risation erhöht werden soll, wird der Speicherchip in den Rückschreibmodus versetzt, indem in den Rückschreibzähler- Puffer 9 die Anzahl n für das Rückschreiben und in den Start-/Stopp-Adress-Puffer 8 die Adressen der rückzuschrei benden Speicherzellen des Speicherzellenfeldes 1 eingegeben werden. Der Rückschreib-Controller 6 liest dann über die De coder 2 und 4 sowie den Bewerter 3 jede Speicherzelle - gege benenfalls mehrere Speicherzellen gleichzeitig - aus, bewer tet deren Inhalt und übernimmt den Inhalt in das Rückschreibregister 5. Nach jedem Auslesen des Inhaltes der jeweiligen Speicherzellen des Speicherzellenfeldes 1 in das Rück schreibregister 5 wird dieser Inhalt wieder in die entspre chenden Speicherzellen eingeschrieben. Mit anderen Worten, in die mehrmals zu beschreibenden Speicherzellen wird jeweils ein Speicherinhalt "0" oder "1" eingegeben, so dass in dieser Speicherzelle der Hysteresezustand der Fig. 2 bzw. 3 mit ei ner jeweils erhöhten Polarisation vorliegt.

Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Ver fahren nutzen so in vorteilhafter Weise den intrinsischen Ef fekt "Imprint" aus, um in dem Speicherchip mit ferroelektri schen oder ferromagnetischen Materialien, also einem FeRAM bzw. einem MRAM, die Speicherdauer und damit auch die Spei chersicherheit zu erhöhen.

Der Aufwand für die erfindungsgemäße Anordnung ist äußerst gering, wie sich aus dem Beispiel von Fig. 4 ergibt. Da das Rückschreiben der Speicherzellen über den Rückschreib-Con troller 6 und das Rückschreibregister 5 sehr rasch vorgenom men werden kann, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in kurzer Zeit ausführen, so dass insgesamt der schaltungstech nische und zeitliche Aufwand zur Realisierung der erhöhten Polarisation bzw. Magnetisierung für einen FeRAM bzw. MRAM äußerst gering sind.

Die Erfindung kann bei allen Speichermaterialien angewandt werden, die Hystereseeigenschaften haben. Sie ist also inso weit nicht auf FeRAMs und MRAMs beschränkt.

Claims

1. Anordnung zur Erhöhung der Speicherdauer und der Speicher sicherheit in einem ferromagnetischen oder ferroelektrischen Halbleiterspeicher, umfassend:
ein Speicherzellenfeld (1) mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Speicherzellen (10),
einen Zeilendecoder (2) und einen Spaltendecoder (4) zum Beschreiben der Speicherzellen (10),
einen Bewerter (3) zum Bewerten der Inhalte der Speicher zellen (10),
ein Rückschreibregister (5), in das der Inhalt des Spei cherzellenfeldes (1) wenigstens teilweise n-fach (n ≧ 1) rückschreibbar ist und
einen Rückschreib-Controller (6), der den in das Rück schreibregister (5) rückgeschriebenen Inhalt des Speicher zellenfeldes (1) über den Zeilendecoder (2) und den Spal tendecoder (4) erneut in das Speicherzellenfeld (1) ein schreiben lässt,
gekennzeichnet durch
einen mit dem Rückschreib-Controller (6) verbundenen Rück schreibzähler (7), der die Anzahl des Rückschreibens des In halts des Speicherzellenfeldes (1) in das Rückschreibregister (5) zählt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Start-/Stopp-Adress-Puffer (8) zum Festlegen ei nes Bereiches des Speicherzellenfeldes (10) in welchem ein n- faches Rückschreiben der Speicherzellen (10) in das Rück schreibregister (5) erfolgen soll.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekenn zeichnet durch einen Rückschreibzähler-Puffer (9) zur Eingabe der Anzahl (n), in welcher das Rückschreiben des Speicherzellenfeldes (1) in das Rückschreibregister (5) vor zunehmen ist.

4. Verfahren zur Erhöhung der Speicherdauer und der Speicher sicherheit in einem ferroelektrischen oder ferromagnetischen Halbleiterspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der remanenten Polarisation (P_r, -P_r) bzw. der remanenten Magnetisierung der Speicherinhalt n-fach (n ≧ 1) in den Halbleiterspeicher eingeschrieben, bewertet, zwi schengespeichert und erneut in die jeweils gleichen Speicher zellen eingeschrieben und dabei gezahlt wird.