DE60202312T2

DE60202312T2 - Speicherzelle, nichtflüchtige Speicheranordnung und Steuerungsverfahren dafür, Zulässigkeitsverbesserung bei niedriger Speisespannung

Info

Publication number: DE60202312T2
Application number: DE60202312T
Authority: DE
Inventors: Tohru Minato-ku Miwa; Hideo Minato-ku Toyoshima
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: JP2002269969A; CN1214392C; EP1239492A3; US20020126522A1; KR100508836B1; EP1239492A2; US6646909B2; DE60202312D1; EP1239492B1; KR20030009077A; CN1374663A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speicherzelle eines Schatten-RAM (Random Access Memory) unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren, eine diese Speicherzellen verwendende, nicht flüchtige Speichereinrichtung und ein Steuerungsverfahren für die Speicherzelle, und insbesondere ein Schatten-RAM, bei dem bei angelegter Energieversorgung das Lesen/Schreiben aus den/in die SRAM-Zellen mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird und bei nicht angelegter Energieversorgung ein nichtflüchtiger Speicher unter Verwendung von ferroelektrischen Kondensatoren gebildet ist, und das auch bei niedriger Stromversorgungsspannung zuverlässig arbeitet.
Beschreibung des Standes der Technik
Bislang sind viele verschiedene Schatten-RAMs, in denen ferroelektrische Kondensatoren mit SRAM-Zellen kombiniert sind, vorgeschlagen worden. Bei angelegter Energieversorgung speichert das Schatten-RAM Informationen in seinen SRAM-Zellen, wobei schnelles Schreiben/Lesen auf dem Niveau eines üblichen SRAM möglich ist. Ferner bildet das Schatten-RAM bei nicht angelegter Energieversorgung einen nichtflüchtigen Speicher, indem es die in den SRAM-Zellen gespeicherten Daten auf die ferroelektrischen Kondensatoren (als Polarisationsrichtungen der ferroelektrischen Kondensatoren) überträgt, bevor die Energieversorgung abgeschaltet wird (Speichervorgang). Kurz zusammengefasst ist das Schatten-RAM unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren also eine Speichereinrichtung, die zwei Vorteile aufweist: Nichtflüchtigkeit des ferroelektrischen Speichers und Hochgeschwindigkeitsbetrieb des SRAM.
1 ist ein Schaltbild, das den Aufbau einer Speicherzelle eines Schatten-RAM unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren zeigt, die in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-293 989 offenbart wurde. In der Speicherzelle nach 1 ist durch Verbinden von zwei Invertern 1 und 2 in einer Ringschaltung (der Eingangs-/Ausgangsanschluss eines Inverters ist mit dem Ausgangs-/Eingangsanschluss des anderen Inverters verbunden) ein Flip-Flop 3 ausgebildet. Zwei Speicherknoten Q0 und Q1 des Flip-Flops 3 sind über NMOS-Transistoren M0 und M1, die als Transfergatter fungieren, mit einer negativen Bitleitung BLN bzw. einer positiven Bitleitung BLP verbunden. Die positiven/negativen Bitleitungen BLP und BLN werden als Paar verwendet, und ein Leseverstärker (nicht dargestellt) zum Vergleich der Spannungen auf den positiven/negativen Bitleitungen BLP und BLN ist mit den Bitleitungen verbunden.
Mit den Bitleitungen BLP und BLN sind auch eine Schreibschaltung (nicht dargestellt) zum Verbinden ausgewählter Bitleitungen mit Massepotenzial, wenn Daten geschrieben werden, und eine Vorladungsschaltung (nicht dargestellt) zum Vorladen der Bitleitungen mit einer Stromversorgungsspannung oder Massepotenzial verbunden. Die Gates der NMOS-Transistoren M0 und M1 sind mit einer gemeinsamen Wortleitung WL verbunden. Die Wortleitungen WL sind mit einer Dekodierschaltung (nicht gezeigt) verbunden. Die Dekodierschaltung treibt gemäß einem Adresssignal als Zugriffsziel eine Wortleitung selektiv an. Ferroelektrische Kondensatoren F0 und F1, deren in 1 dargestellten unteren Anschlüsse an eine gemeinsame Plattenleitung PL angeschlossen sind, sind mit den Speicherknoten Q0 bzw. Q1 verbunden. Die Plattenleitungen PL sind mit einem Plattenleitungstreiberschaltkreis 4 verbunden. Bei an das Schatten-RAM angelegter Energieversorgung hält der Plattenleitungstreiberschaltkreis 4 außer beim Speichervorgang und dem Abrufvorgang des Schatten-RAM die Spannungen der Plattenleitungen PL auf Vcc/2.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des konventionellen Schatten-RAM unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren im Einzelnen erläutert. Selbstverständlich wird das Lesen/Schreiben von Daten aus den/in die Flip-Flops 3 des Schatten-RAM auf die gleiche Weise ausgeführt wie in einem herkömmlichen SRAM. Im Ruhezustand des Schatten-RAM (in dem kein Schreiben/Lesen ausgeführt wird) bleiben die in den Flip-Flops 3 gespeicherten Daten durch Entladen (Absenken der Spannungen) aller Wortleitungen WL, Vorladen der Bitleitungen mit einer geeigneten Spannung und Stoppen des Schreibschaltkreises erhalten und werden bewahrt.
Wenn Daten in einen Flip-Flop 3 geschrieben werden, treibt der Adressdekodierschaltkreis eine zum Flip-Flop gehörende, geeignete Wortleitung WL (durch Erhöhen ihrer Spannung) an und gleichzeitig setzt der Schreibschaltkreis in Abhängigkeit von den in den Flip-Flop 3 zu schreibenden Daten die positive Bitleitung BLP oder die negative Bitleitung BLN (zum Flip-Flop 3 gehörend) auf ein niedriges Niveau. Durch Erhöhen der Spannung auf der angetriebenen Wortleitung WL schalten die MOS-Transistoren M0 und M1 an. Da die Antriebsleistung des Schreibschaltkreises weitaus größer ist als die der Inverter 1 und 2, wird die Spannung eines mit der Bitleitung (die durch den Schreibschaltkreis auf ein niedriges Niveau gesetzt ist) verbundenen Speicherknotens (Q0 oder Q1) über einen MOS-Transistor auf Massepotenzial abgesenkt. Die Spannung des anderen Speicherknotens (Q1 oder Q0) wird gleichzeitig auf die Stromversorgungsspannung erhöht, und der Flip-Flop 3 wird dadurch stabilisiert.
Das Auslesen von Daten aus einem Flip-Flop 3 erfolgt durch Vorladen des zum Flip-Flop 3 gehörenden Bitleitungspaars (BLP und BLN) auf ein hohes Niveau, Auswählen und Antreiben einer zum Flip-Flop 3 gehörenden, geeigneten Wortleitung und Verstärken der zwischen dem Bitleitungspaar auftretenden Spannungsdifferenz durch einen Leseverstärker. Wenn die Spannung der Wortleitung WL erhöht wird, so schaltet ein MOS-Transistor (M0 oder M1), der den sich auf niedrigem Niveau befindenden Speicherknoten (Q0 oder Q1) und die Bitleitung (BLN oder BLP) verbindet, an, wodurch die Spannung auf der Bitleitung (BLN oder BLP) zu fallen beginnt. Die andere Bitleitung (BLP oder BLN) bleibt auf ihrem hohen Niveau, da der MOS-Transistor (M1 oder M0) nicht anschaltet. Im Flip-Flop 3 gespeicherte Daten können durch Erfassen der Spannungsdifferenz zwischen dem Bitleitungspaar unter Verwendung eines Leseverstärkers ausgelesen werden.
Im Folgenden wird der Speichervorgang der Schatten-RAM-Speicherzelle von 1 mit Bezug auf die 2 und 17 erläutert. 17 zeigt die Hysteresekennlinie der ferroelektrischen Kondensatoren F0 und F1 in der Q-V Ebene. 2 ist ein Zeitdiagramm, das die Spannungsänderungen einer jeden Komponente der Speicherzelle nach 1 während des Speichervorgangs zeigt. Wenn die Energieversorgung abgeschaltet wird, werden die im Flip-Flop 3 gespeicherten Daten zu den ferroelektrischen Kondensatoren F0 und F1 übertragen und als Polarisationsrichtungen der ferroelektrischen Kondensatoren gespeichert. Dieser Vorgang wird "Speichern" genannt. Das Speichern wird durch einen Trigger initiiert, beispielsweise durch einen Abfall der Stromversorgungsspannung oder ein Speichersignal, das angelegt wird, bevor Energieversorgung abgeschaltet wird. Das Speichern wird wie folgt durchgeführt.
Wenn der Speichervorgang startet, beträgt die Spannung der Plattenleitung PL Vcc/2. Daher liegt in Abhängigkeit von den im Flip-Flop 3 gespeicherten Daten an dem ferroelektrischen Kondensator, der mit einem 0 V führenden Speicherknoten verbunden ist, eine Spannung von –Vcc/2 an, wogegen an dem ferroelektrischen Kondensator, der mit einem die Stromversorgungsspannung (Vcc) führenden Speicherknoten verbunden ist, eine Spannung von Vcc/2 anliegt.
Im Übrigen ist die oben genannte "Spannung", die an jeden ferroelektrischen Kondensator (F0, F1) angelegt wird, als die Spannungsdifferenz zwischen dem in 1 gezeigten oberen Anschluss (der mit dem Speicherknoten Q0 oder Q1 verbunden ist) und dem unteren Anschluss (der mit der Plattenleitung PL verbunden ist) definiert, d. h. als die Spannung des oberen Anschlusses relativ zu dem unteren Anschluss.
Anschließend wird die Spannung der Plattenleitung PL auf Vcc erhöht. Durch Anheben der Plattenleitungsspannung erhalten die Anschlüsse des zuletzt genannten ferroelektrischen Kondensators (an den die Spannung Vcc/2 angelegt wurde) dieselbe Spannung Vcc, wodurch sich die an den ferroelektrischen Kondensator angelegte Spannung auf 0 V ändert. An den anderen ferroelektrischen Kondensator wird eine Spannung –Vcc angelegt und dadurch erreicht der Zustand des ferroelektrischen Kondensators in der Hystereseschleife der 17 den Punkt C.
Anschließend wird die Spannung der Plattenleitung auf 0 V abgesenkt, wodurch an den ferroelektrischen Kondensator, der mit dem Vcc führenden Speicherknoten verbunden ist, eine Spannung Vcc angelegt wird, und wodurch der Zustand des ferroelektrischen Kondensators den Punkt A in der Hystereseschleife der 17 erreicht. Zur gleichen Zeit wandert der ferroelektrische Kondensator von Punkt C zu Punkt D und weist eine negative remanente Polarisation auf.
Dann wird die Energieversorgung abgeschaltet. Nach dem Abschalten der Energieversorgung nähert sich die Spannung eines jeden Speicherknotens dem Massepotenzial. Folglich bewegt sich der ferroelektrische Kondensator, der sich am Punkt A befunden hat, zu Punkt B und weist eine positive remanente Polarisation auf. Die remanente Polarisation des ferroelektrischen Kondensators hält ohne angelegte Spannung mehr als zehn Jahre an, wodurch im herkömmlichen Schatten-RAM unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren ein nichtflüchtiger Speicher verwirklicht ist.
Im Folgenden wird der Abrufvorgang der Schatten-RAM-Speicherzelle von 1 mit Bezug auf 3 erläutert. 3 ist ein Zeitdiagramm, das die Spannungsänderung eines jeden Teils der Speicherzelle von 1 während des Abrufvorgangs zeigt. Beim Anschalten der Energieversorgung werden die Daten, die in den ferroelektrischen Kondensatoren gespeichert sind, zum Flip-Flop 3 transferiert. Der Vorgang wird als "Abruf" bezeichnet. Beim Einschalten der Energieversorgung können die Daten, die als remanente Polarisation der ferroelektrischen Kondensatoren gespeichert wurden, in den Flip-Flop abgerufen werden, indem der Flip-Flop 3 einfach mit Energie versorgt wird, während die Wortleitung WL und die Plattenleitung PL auf einem niedrigen Niveau belassen werden. Wenn die Versorgungsspannung am Flip-Flop 3 ansteigt, erhöhen sich auf Grund der Kopplung der MOS-Transistoren der Inverter 1 und 2 auch die Spannungen an den Speicherknoten, und die an den ferroelektrischen Kondensatoren anliegenden Spannungen steigen ausgehend von 0 V an.
Der ferroelektrische Kondensator, der die positive remanente Polarisation an Punkt B von 17 aufweist, fungiert als kleinere Kapazität als der ferroelektrischen Kondensator mit der negativen remanenten Polarisation an Punkt D. Dies geht aus der Steigung der Strecke von Punkt B nach Punkt A in der Q-V-Ebene (gekennzeichnet durch den Pfeil Y1) hervor, die im Vergleich mit der Steigung der Strecke von Punkt D zu Punkt A (gekennzeichnet durch den Pfeil Y2) geringer ist. In einem der Speicherknoten, mit dem der zuerst genannte ferroelektrische Kondensator (kleinere Kapazität) verbunden ist, steigt daher die Spannung schneller an als in dem anderen Speicherknoten.
Die Versorgungsspannung des Flip-Flops 3 nimmt weiterhin zu, und wenn die Spannung eines der beiden Speicherknoten die Schwellwertspannung der Transistoren der Inverter 1 und 2 übersteigt, erfährt der Flip-Flop eine positive Rückkopplung, und die Spannungsdifferenz zwischen den Speicherknoten wird dadurch erhöht oder verstärkt. Folglich wird die Spannung des Speicherknotens, der zu dem sich an Punkt B befindenden ferroelektrischen Kondensator gehört (mit ihm verbundenen ist), Vcc, wogegen die Spannung des anderen Speicherknotens, der zu dem ferroelektrischen Kondensator gehört, der bei Punkt D geblieben ist, Massepotenzial (GND) annimmt. Schließlich wird die Spannung der Plattenleitung PL auf Vcc/2 gesetzt und der Ruhezustand beginnt. Daher hält der ferroelektrische Kondensator, der vor dem Abschalten der Versorgung die Spannung Vcc aufwies, seine Daten am Punkt B und hält die Spannung Vcc wieder, nachdem die Versorgung wieder angeschaltet ist. Ähnlich hält der ferroelektrische Kondensator, der vor dem Abschalten der Versorgung die Spannung 0 V aufwies, seine Daten am Punkt D und hält auch 0 V, nachdem die Versorgung wieder angeschaltet ist.
Wie oben ausgeführt wurde, sind in einem herkömmlichen Schatten-RAM unter Verwendung von ferroelektrischen Kondensatoren nach dem Ausschalten und Wiedereinschalten der Versorgung die im Flip-Flop 3 gespeicherten Daten erhalten und bewahrt geblieben, so dass ein nichtflüchtiger Speicher verwirklicht ist. Das Lesen/Schreiben der Daten kann außerdem in der gleichen Weise erfolgen wie bei einem gewöhnlichen SRAM, da der Flip-Flop 3 und die MOS-Transistoren M0 und M1 ähnlich wie eine gewöhnliche SRAM-Zelle arbeiten.
Bei einigen bekannten nichtflüchtigen Speichern, die ferroelektrische Kondensatoren verwenden, werden Speicherzellen wie die in dem japanischen Patent Nr. 2674775 offenbarten Speicherzellen verwendet, wobei jede Speicherzelle aus einer Kombination von einem Transistor und einem ferroelektrischen Kondensator oder einer Kombination von zwei Transistoren und zwei ferroelektrischen Kondensatoren zusammengesetzt ist. In einem nichtflüchtigen Speicher dieses Typs werden die Daten als Polarisationsrichtung des ferroelektrischen Kondensators (oder als die Polarisationsrichtungen der ferroelektrischen Kondensatoren) gespeichert, unabhängig davon, ob Strom zugeführt wird oder nicht. Das Auslesen der Daten ist in einem solchen nichtflüchtigen Speicher zudem zerstörend, so dass die Daten nach dem Auslesen wieder geschrieben werden müssen. Da die Daten wiederholt geschrieben werden, wird sehr häufig auf jeden ferroelektrischen Kondensator zugegriffen, und daher ist es bei der gegenwärtigen Technologie der Herstellung kaum möglich, eine ausreichende Zuverlässigkeit des Bauelements nach längerem Gebrauch sicherzustellen. In dem Schatten-RAM unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren wird auf den ferroelektrischen Kondensator dagegen nur beim Speicher- und Abrufvorgang zugegriffen, so dass eine ausreichende Zuverlässigkeit des Produkts sogar dann gewährleistet werden kann, wenn der ferroelektrische Kondensator eine relativ geringe Qualität aufweist.
4 ist ein Schaltplan, der den Aufbau eines herkömmlichen Halbleiterspeichers gemäß der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. HEI9-17965 zeigt, in der ein RAM mit der nichtflüchtigen Speicherfunktion offenbart ist. Die Speicherzelle MC von 4 ist aus den Transfer-MISFETs Qt₁ und Qt₂, einer SRAM-Speicherzelle, die aus einer Flip-Flop-Schaltung besteht, und den ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ aufgebaut. Die Flip-Flop-Schaltung der Speicherzelle ist, wie in 4 gezeigt ist, aus zwei N-Kanal MISFETSs (Treiber-MISFETs) Qd₁ und Qd₂ und zwei P-Kanal MISFETs (Last-MISFETs) Qp₁ und Qp₂ aufgebaut.
Der Transfer-MISFET Qt₁ verbindet einen Speicherknoten N₁ der Flip-Flop-Schaltung mit einer Datenleitung DL₁, und der andere Transfer-MISFET Qt₂ verbindet einen anderen Speicherknoten N₂ der Flip-Flop-Schaltung mit einer anderen Datenleitung DL₂. Die Gates der Transfer-MISFETs Qt₁ und Qt₂ sind mit einer Wortleitung WL verbunden.
Jeder Speicherknoten (N₁, N₂) ist mit einer Elektrode eines zugehörigen ferroelektrischen Kondensators (Cf₁, Cf₂) verbunden, und die weiteren Elektroden des ferroelektrischen Kondensators Cf₁ und Cf₂ sind elektrisch an einem Knoten N₃ untereinander verbunden. An den Knoten N₃ ist eine Plattenspannung (V_p) angelegt.
Im Folgenden wird das Auslesen von Daten aus der Flip-Flop-Schaltung in die ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ mit Bezug auf die 5 und 6 erläutert. 7 zeigt ferner die Änderung der Stromversorgungsspannung V_L der Flip-Flop-Schaltung und der Plattenspannung V_P, und 8 zeigt die Änderung der Spannungen an den Speicherknoten N₁ und N₂.
Wenn die in der Flip-Flop-Schaltung gespeicherten Daten zum Zeitpunkt t₁ auf die ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ übertragen werden sollen, wird die Stromversorgungsspannung V_L der Flip-Flop-Schaltung, wie in 5 und 7 dargestellt, von Vcc auf Vcc' erhöht, während die Plattenspannung V_P auf Vss (niedriges Niveau) belassen wird. Hierbei wird nun angenommen, dass die zum Zeitpunkt t₁ in der Flip-Flop-Schaltung gespeicherten Daten sind: (Speicherknoten N₁, Speicherknoten N₂) = (hohes Niveau, niedriges Niveau) = (Vcc', Vss).
Es wird angenommen, dass die Spannung Vcc' hoch genug ist, um die Polarisation der ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ umzukehren. Da sich der Knoten N₃ auf dem niedrigen Niveau (Vss) befindet, wird durch Erhöhen der Spannung am Speicherknoten N₁ ein positiver Polarisierungszustand in den ferroelektrischen Kondensator Cf₁ geschrieben, der, wie in 5 gezeigt, mit dem Speicherknoten N₁ verbunden ist.
Als nächstes hat die Datenübertragung an den mit dem Speicherknoten N₂ verbundenen ferroelektrischen Kondensator Cf₂ zu erfolgen. Zum Zeitpunkt t₂ wird die Plattenspannung von Vss auf Vcc' erhöht, wodurch der Knoten N₃ auf das hohe Niveau (Vcc') angehoben wird, während die Versorgungsspannung der Flip-Flop-Schaltung auf Vcc' bleibt. Da sich der Speicherknoten N₂ auf einem niedrigen Niveau (Vss) befindet, wird ein negativer Polarisationszustand in den ferroelektrischen Kondensator Cf₂ geschrieben, der, wie in 6 dargestellt, mit dem Speicherknoten N₂ verbunden ist.
Selbst wenn alle Spannungen zum Zeitpunkt t₃ den Wert 0 V annehmen und dadurch die Daten der Speicherknoten N₁ und N₂ verschwinden, bleibt die Polarisation der ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ erhalten, und daher können die Daten der Flip-Flop-Schaltung bleiben in den ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ erhalten und bewahrt werden.
Im Folgenden wird das Schreiben der Daten von den ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ auf die Flip-Flop-Schaltung mit Bezug auf die 9 bis 13 erläutert.
Wenn die in den ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ gespeicherten Daten zum Zeitpunkt t₄ in die Flip-Flop-Schaltung übertragen werden sollen, wird die Plattenspannung V_P von Vcc auf Vcc' erhöht, während die Versorgungsspannung der Flip-Flop-Schaltung auf Vss belassen wird. Die Last-MISFETs Qp₁ und Qp₂ verbleiben in den Aus-Zuständen, da die Versorgungsspannung auf Vss gesetzt ist.
Zum Zeitpunkt t₄ fließt jedoch vom Last-MISFET Qp₁ und dem Treiber-MISFET Qd₁ ein Strom zum Speicherknoten N₁, wodurch die Spannung am Speicherknoten N₁ sofort auf V_N1 ansteigt. Der Spannungspegel V_N1 wird von den Kapazitäten der ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ und den parasitären Kapazitäten der Last-MISFETs Qp₁ und Qp₂ sowie der Treiber-MISFETs Qd₁ und Qd₂ bestimmt.
Wenn die Spannungen an den Speicherknoten N₁ und N₂ auf V_N1 anwachsen und der Spannungspegel V_N1 die Schwellenspannung der Treiber-MISFETs Qd₁ und Qd₂ überschreitet, so schalten die Treiber-MISFETs Qd₁ und Qd₂ durch, wodurch ein Strom vom Speicherknoten N₁ zum Treiber-MISFET Qd₁ fließt und wodurch die Spannung am Speicherknoten N₁ auf nahezu 0 V abfällt. In ähnlicher Weise fließt ein Strom vom Speicherknoten N₂ zum Treiber-MISFET Qd₂, wodurch die Spannung am Speicherknoten N₂ auf nahezu 0 V abfällt.
Somit wechselt der Zustand des ferroelektrischen Kondensators Cf₁, der zum Zeitpunkt t₄ im positiven Polarisationszustand war, in den negativen Polarisationszustand. Der ferroelektrische Kondensator Cf₂, der sich zum Zeitpunkt t₄ im negativen Polarisationszustand befunden hat, verbleibt dagegen im negativen Polarisationszustand.
Wenn sich die Polarisation des ferroelektrischen Kondensators Cf₁ umkehrt, fließt ein Polarisationsumkehrstrom, wodurch die Spannung am Speicherknoten N₁ (V_N2) höher wird als die am Speicherknoten N₂ (V_N3), d. h., zwischen den Speicherknoten N₁ und N₂ tritt eine Spannungsdifferenz auf. Falls in diesem Zustand die Versorgungsspannung der Flip-Flop-Schaltung zu einem Zeitpunkt t₆ auf Vcc' erhöht wird, erfährt die Flip-Flop-Schaltung eine positive Rückkopplung, wodurch die Speicherknoten N₁ und N₂ auf das hohe Niveau (Vcc') bzw. niedrige Niveau (Vss) gesetzt werden.
Anschließend fällt die Plattenspannung zum Zeitpunkt t₇ auf Vss, wodurch der Zustand des ferroelektrischen Kondensators Cf₁, der sich zur Zeit t₆ im Zustand negativer Polarisation befunden hat, in den positiven Polarisationszustand überwechselt. Danach fällt die Versorgungsspannung der Flip-Flop-Schaltung zum Zeitpunkt t₈ auf Vcc ab, wodurch sich die Spannung am Speicherknoten N₁ von Vcc' auf Vcc ändert und die Flip-Flop-Schaltung in seinen normalen Betriebszustand zurückkehrt.
Der Normalbetrieb der Flip-Flop-Schaltung, wie das Auslesen von Daten aus der Flip-Flop-Schaltung in die ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ und das Schreiben von Daten aus den ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ in die Flip-Flop-Schaltung, erfolgt wie oben ausgeführt.
Das herkömmliche Schatten-RAM und der Halbleiterspeicher unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren, welche oben erläutert wurden, weisen jedoch folgende Probleme oder Nachteile auf.
Im herkömmlichen Schatten-RAM unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren wechselt die Spannung der Plattenleitung im Speicherbetrieb zwischen dem Massepotential und der Stromversorgungsspannung (Vcc), wodurch entsprechend den zu speichernden Daten Spannungen (Vcc oder –Vcc) an die ferroelektrischen Kondensatoren angelegt werden und wodurch eine positive/negative remanente Polarisation bewirkt wird. Um den nichtflüchtigen Speicher in dem herkömmlichen Schatten-RAM zu realisieren, muss die Stromversorgungsspannung (Vcc) an die ferroelektrischen Kondensatoren angelegt werden, wodurch das Anlegen einer ausreichenden Spannung an die ferroelektrischen Kondensatoren schwierig wird, wenn die Stromversorgungsspannung in Folge der Miniaturisierung des integrierten Schaltkreises abnimmt. Die Zuverlässigkeit der nichtflüchtig gespeicherten Daten nimmt dadurch notwendigerweise ab.
In dem herkömmlichen Halbleiterspeicher gemäß der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. HEI9-17965 wird mittlerweile die Stromversorgungsspannung der Speicherzelle von der üblichen Stromversorgungsspannung Vcc auf eine höhere Stromversorgungsspannung Vcc' heraufgesetzt, um wie oben beschrieben die in der Flip-Flop-Schaltung gespeicherten Daten in die ferroelektrischen Kondensatoren zu schreiben und um die in den ferroelektrischen Kondensatoren gespeicherten Daten in die Flip-Flop-Schaltung zu schreiben. Aufgrund des Erfordernisses der Erhöhung der Stromversorgungsspannung der Speicherzelle auf eine Spannung, die höher als die übliche Stromversorgungsspannung Vcc ist, wird die Verwendung allgemeingebräuchlicher hochleistungsfähiger Einrichtungen schwierig oder unmöglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Speicherzelle eines Schatten-RAMs unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren anzugeben, wodurch der Speicher- und Abrufvorgang auch bei niedrigerer Stromversorgungsspannung zuverlässig ausgeführt wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 25 gelöst. Bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Hinsichtlich der nachstehend als "erste Speicheroperation" und "zweite Speicheroperation" bezeichneten Alternativen (A) und (B) von Anspruch 1 und 25 kann bei Bringen der Plattenleitung auf eine erste Spannung, die höher als die Stromversorgungsspannung bei der Speicheroperation ist, eine negative Vorspannung (Massepotenzial – erste Spannung) an einen ferroelektrischen Kondensator, der mit einem Speicherknoten verbundenen ist, welcher Daten auf Massepotenzial enthält, angelegt werden, die niedriger (höher bezüglich des Absolutbetrags) ist als der Kehrwert der Stromversorgungsspannung (–Stromversorgungsspannung). Durch Erhöhen der negativen Vorspannung kann ein sehr zuverlässiger nichtflüchtiger Speicher geschaffen werden, selbst wenn die Stromversorgungsspannung infolge der Miniaturisierung des integrierten Schaltkreises oder dergleichen verringert wird. Durch Bringen der Plattenleitung auf eine zweite Spannung, die geringer als das Massepotenzial bei der Speicheroperation ist, kann eine positive Vorspannung (Stromversorgungsspannung – zweite Spannung), die höher als die Stromversorgungsspannung ist, an einen ferroelektrischen Kondensator angelegt werden, der mit einem Speicherknoten verbundenen ist, welcher Daten bei der Stromversorgungsspannung enthält. Durch Erhöhen der positiven Vorspannung kann ein sehr zuverlässiger nichtflüchtiger Speicher realisiert werden, selbst wenn die Stromversorgungsspannung infolge der Miniaturisierung des integrierten Schaltkreises oder dergleichen verringert wird.
Mit Bezug auf Alternative (C) von Anspruch 1 und 25, im Folgenden als "erster Abrufvorgang" bezeichnet, werden durch Bringen der Plattenleitung auf eine dritte Spannung (höher als die Stromversorgungsspannung), wobei die Versorgungsspannung der Speicherzelle (Flip-Flop) im Abrufvorgang auf Massepotential gehalten wird (die Schaltelemente verbleiben in den Aus-Zuständen), negative Spannungen an die ferroelektrischen Kondensatoren angelegt, wodurch eine Spannungsdifferenz an dem Speicherknotenpaar auftritt. Die Spannungsdifferenz zwischen den Speicherknoten wird dann durch Erhöhen der Versorgungsspannung der Speicherzelle (Flip-Flop) vergrößert, wodurch die Daten abgerufen und wiederhergestellt werden. Durch Erhöhen der Plattenleitungsspannung auf die hohe Spannung (dritte Spannung) können im Vergleich mit einem herkömmlichen Schatten-RAM, bei dem die Plattenleitungsspannung auf die Stromversorgungsspannung angehoben wird (z. B. japanisches Patent Nr. 2693967), höhere Vorspannungen an die ferroelektrischen Kondensatoren angelegt werden, so dass ein sehr zuverlässiger nichtflüchtiger Speicher geschaffen werden kann, selbst wenn die Stromversorgungsspannung infolge der Miniaturisierung des integrierten Schaltkreises oder dergleichen verringert wird.
In Bezug auf Anspruch 4 werden durch Bringen der Plattenleitung auf eine vierte Spannung (niedriger als das Massepotenzial) gleichzeitig mit dem Anheben der Versorgungsspannung der Speicherzelle (Flip-Flop) positive Spannungen an die ferroelektrischen Kondensatoren angelegt, wodurch eine Spannungsdifferenz an dem Speicherknotenpaar bewirkt wird, was im Weiteren als "zweiter Abrufvorgang" bezeichnet wird. Die Spannungsdifferenz zwischen den Speicherknoten wird danach durch Erhöhen der Versorgungsspannung der Speicherzelle (Flip-Flop) verstärkt, wodurch die Daten abgerufen und wiederhergestellt werden. Durch Absenken der Plattenleitungsspannung auf die negative Spannung (vierte Spannung) lassen sich im Vergleich mit einem herkömmlichen Schatten-RAM, bei dem die Plattenleitungsspannung auf Massepotenzial gehalten wird (z. B. offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2000-293989), höhere Vorspannungen an die ferroelektrischen Kondensatoren anlegen, wodurch ein sehr zuverlässiger nichtflüchtiger Speicher erzielt werden kann, selbst wenn die Stromversorgungsspannung infolge der Miniaturisierung des integrierten Schaltkreises oder dergleichen verringert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Gegenstände und Merkmale der Erfindung werden durch die Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei
1 ein Schaltbild darstellt, das den Aufbau einer in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-293989 offenbarten Speicherzelle eines Schatten-RAM unter Verwendung von ferroelektrischen Kondensatoren zeigt,
2 ein Zeitdiagramm ist, das die Spannungsänderung jedes Teils der Speicherzelle von 1 während der Speicheroperation darstellt,
3 ein Zeitdiagramm ist, das die Spannungsänderung jedes Teils der Speicherzelle von 1 während des Abrufvorgangs darstellt,
4 ein Schaltbild ist, das den Aufbau eines in der offengelegten japanischen Patent anmeldung Nr. HEI9-17965 offenbarten herkömmlichen Halbleiterspeichers darstellt,
5 und 6 Schaltbilder zur Erläuterung des Auslesens von Daten aus einer Flip-Flop-Schaltung in ferroelektrische Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ bei dem herkömmlichen Halbleiterspeicher gemäß 4 sind,
7 ein Zeitdiagramm ist, das die Änderung der Versorgungsspannung V_L der Flip-Flop-Schaltung und der Plattenspannung V_P bei dem herkömmlichen Halbleiterspeicher nach 4 zeigt,
8 ein Zeitdiagramm ist, das die Änderung der Spannungen an den Speicherknoten N₁ und N₂ eines herkömmlichen Halbleiterspeichers nach 4 zeigt,
9 bis 13 Schaltbilder zur Erläuterung des Schreibens von Daten aus den ferroelektrischen Kondensatoren Cf₁ und Cf₂ in die Flip-Flop-Schaltung bei dem herkömmlichen Halbleiterspeicher gemäß 4 sind,
14 ein Schaltbild ist, das eine Speicherzelle eines Schatten-RAM unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
15 ein Schaltbild ist, das einen Hochwiderstands-Belastungs-4-Transistor-Flip-Flop zeigt, der als Flip-Flop 3 der Speicherzelle gemäß 14 verwendet werden kann,
16 ein Schaltbild ist, das einen belastungsfreien 4-Transistor-Flip-Flop zeigt, der als Flip-Flop 3 der Speicherzelle nach 14 verwendet werden kann,
17 ein Diagramm ist, das die Hysteresekennlinie der ferroelektrischen Kondensatoren der Speicherzelle von 14 in einer Q-V Ebene zeigt,
18 ein Zeitdiagramm ist, das die Spannungsänderung jedes Teils der Speicherzelle von 14 während der Speicheroperation darstellt,
19 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der ersten Abrufoperation ist, die bei der Ausführung der Erfindung durchgeführt werden kann, und
20 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der zweiten Abrufoperation ist, die bei der Ausführung der Erfindung durchgeführt werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen wird nun eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen gemäß der Erfindung gegeben.
In 14 bezeichnen die Bezugszeichen wie die in 1 gleiche oder gleichwertige Teile wie die in 1. Die Schatten-RAM-Speicherzelle dieser Ausführungsform umfasst einen Flip-Flop 3 und ein Paar ferroelektrischer Kondensatoren F0 und F1. Jeweils ein Ende jedes ferroelektrischen Kondensators (F0, F1) ist mit einem entsprechenden Speicherknoten (Q1, Q2) verbunden, und die anderen Enden der ferroelektrischen Kondensatoren F0 und F1 sind mit einer Plattenleitung PL verbunden. Es können verschiedene Arten von Flip-Flops, wie beispielsweise ein 6-Transistor-CMOS-Flip-Flop (in 4 dargestellt), ein Hochwiderstands-Belastungs-4-Transistor-Flip-Flop (in 15 dargestellt), ein belastungsfreier 4-Transistor-Flip-Flop (in 16 dargestellt), etc., die allgemein als SRAM-Zellen verwendet werden, als Flip-Flop 3 eingesetzt werden. In dieser Ausführungen wird als Beispiel ein Fall beschrieben, in dem der 6-Transistor-CMOS-Flip-Flop verwendet wird.
Der Unterschied zwischen der Ausführungsform nach 14 und dem Stand der Technik nach 1 besteht in der Betriebsweise des Plattenleitungstreiberschaltkreises 4. Der Plattenleitungstreiberschaltkreis 4 von 1 treibt die Plattenleitung PL nur zwischen Massepotenzial und der Stromversorgungsspannung Vcc, während der Plattenleitungstreiberschaltkreis 4 von 14 die Plattenleitung PL auf eine negative Spannung oder auf eine Spannung bringt, die höher als die Stromversorgungsspannung Vcc ist. Der Plattenleitungstreiberschaltkreis 4 dieser Ausführungsform ist daher mit einem Hochspannung-Erzeugungsschaltkreis 5, der eine Spannung erzeugt, die größer ist als die Stromversorgungsspannung, und der den Plattenleitungstreiberschaltkreis 4 mit der Hochspannung versorgt, und einem Negativspannungs-Erzeugungsschaltkreis 6 versehen, der eine negative Spannung erzeugt und den Plattenleitungstreiberschaltkreis 4 mit der negativen Spannung versorgt.
Die Wirkungsweise des Schatten-RAM unter Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung wird nachstehend ausführlich erläutert. Bei einem mit Energie versorgten Schatten-RAM wird das Lesen/Schreiben von Daten aus dem/in das Schatten-RAM in gleicher Weise wie bei einem herkömmlichen Schatten-RAM ausgeführt, so dass zugunsten der Kürze auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird.
Mit Bezug auf die 15 und 16 wird zunächst die erste Speicheroperation, die in diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden kann, erläutert. Im Übrigen ist 17 ein Diagramm, das die Hysteresekennlinie der ferroelektrischen Kondensatoren F0 und F1 der Speicherzelle von 14 in einer Q-V-Ebene zeigt. Das Zeitdiagramm der 18 zeigt die Spannungsänderung jedes Teils der Speicherzelle von 14 während der Speicheroperation. Das "Speichern" zum Übertragen von im Flip-Flop 3 (Speicherknoten Q0 und Q1) gespeicherten Daten auf die ferroelektrischen Kondensatoren F0 und F1 (als remanente Polarisation) bei abgeschalteter Energieversorgung erfolgt beim erfindungsgemäßen Schatten-RAM ähnlich zu einem herkömmlichen Schatten-RAM. Die Speicheroperation wird bei dieser Ausführungsform ausgeführt, indem die Plattenleitung PL von Vcc/2 auf eine erste Spannung gebracht wird, welche höher als die Stromversorgungsspannung Vcc ist, und danach auf eine zweite Spannung, die niedriger als Massepotenzial (0 V) ist, während die Wortleitung WL auf dem niedrigen Niveau belassen wird. Bei der ersten Speicheroperation ist es im Übrigen, wie in der untersten Zeile von 18 dargestellt ist, auch möglich, die Plattenleitung PL von Vcc/2 auf die zweite Spannung (welche niedriger als 0 V ist) zu bringen und danach auf die erste Spannung (welche höher als Vcc ist).
Durch Erhöhen der Plattenleitungsspannung von Vcc/2 auf die erste Spannung wird an einen ferroelektrischen Kondensator, der mit einem auf Stromversorgungsspannung liegenden Speicherknoten verbundenen ist, eine Spannungsdifferenz (erste Spannung – Stromversorgungsspannung) und an einen ferroelektrischen Kondensator, der mit einem auf Massepotenzial liegenden Speicherknoten verbundenen ist, eine Spannungsdifferenz – V1 (Massepotenzial – erste Spannung) angelegt. Der ferroelektrische Kondensator, an dem die Spannungsdifferenz – V1 anliegt, bewegt sich zu Punkt C' der 17. Danach wird die Plattenleitungsspannung auf die zweite Spannung abgesenkt, wodurch an den mit dem auf Stromversorgungsspannung liegenden Speicherknoten verbundenen ferroelektrischen Kondensator eine Spannungsdifferenz V2 (Stromversorgungsspannung – zweite Spannung) und an den mit dem auf Massepotenzial liegenden Speicherknoten verbundenen ferroelektrischen Kondensator eine Spannungsdifferenz V3 (Massepotenzial – zweite Spannung) angelegt wird. Der ferroelektrische Kondensator, an dem die Spannungsdifferenz V2 anliegt, bewegt sich zu Punkt A' der 17.
Wenn die Energieversorgung abgeschaltet ist und alle Speicherknoten auf Massepotenzial entladen sind, weist der ferroelektrische Kondensator, der mit dem auf Stromversorgungsspannung liegenden Speicherknoten verbunden ist, schließlich eine remanente Polarisation Pr (B') auf, die größer als Pr (B) an dem Punkt B der 17 ist, und der ferroelektrische Kondensator, der mit dem auf Massepotenzial liegenden Speicherknoten verbunden ist, weist eine remanente Polarisation Pr (D') auf, die kleiner (größer im Absolutbetrag) als Pr (D) an Punkt D der 17 ist. Ähnlich wie im Stand der Technik hält jeder ferroelektrische Kondensator das Gespeicherte als remanente Polarisation, wenn keine Energieversorgung anliegt, wodurch das Schatten-RAM dieser Ausführungsform als nichtflüchtiger Speicher fungiert.
In dieser Ausführungsform wird die Plattenleitungsspannung auf die höhere Spannung (erste Spannung) und die negative Spannung (zweite Spannung) gebracht. Durch eine solche Plattenleitungsspannungssteuerung wird die remanente Polarisation des ferroelektrischen Kondensators, der die positive remanente Polarisation hält, größer gemacht als die des Standes der Technik (in dem die Plattenleitung PL auf die Stromversorgungsspannung und das Massepotenzial gebracht wird), und gleichzeitig wird die remanente Polarisation des ferroelektrischen Kondensators, der die negative remanente Polarisation hält, kleiner gemacht als die im Stand der Technik. Durch die Steigerung der positiven/negativen remanenten Polarisation wird der effektive Kapazitätsunterschied zwischen den beiden ferroelektrischen Kondensatoren größer, wodurch die beim Abrufvorgang (bei dem die Plattenleitung angetrieben wird) zwischen dem Speicherknotenpaar auftretende Spannungsdifferenz vergrößert wird. Bei der Abrufoperation ist eine größere Betriebsspanne verwirklichbar, wodurch eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Zuverlässigkeit des Schatten-RAM erreicht werden kann.
In dieser Ausführungsform sind weiterhin noch andere als die erste Speicheroperation möglich. Bei der zweiten Speicheroperation gemäß der Erfindung wird der nichtflüchtige Speicher durch Anheben der Plattenleitungsspannung von Vcc/2 auf die Stromversorgungsspannung und anschließendes Absenken der Plattenleitungsspannung auf die negative Spannung (zweite Spannung) verwirklicht. Durch eine solche Plattenleitungsspannungssteuerung kann verglichen mit dem Stand der Technik (bei dem die Plattenleitungsspannung beim Speichervorgang auf Massepotenzial abgesenkt wird) eine größere Spannungsdifferenz an den ferroelektrischen Kondensator angelegt werden, der mit dem auf Stromversorgungsspannung liegenden Speicherknoten verbunden ist. Daher bewirkt die zweite Speicheroperation eine Verbesserung der Zuverlässigkeit eines mit geringer Stromversorgungsspannung betriebenen Schatten-RAM.
Bei der dritten erfindungsgemäßen Speicheroperation wird der nichtflüchtige Speicher durch Anheben der Plattenleitungsspannung von Vcc/2 auf die erste Spannung (die höher als die Stromversorgungsspannung Vcc ist) und anschließendes Absenken der Plattenleitungsspannung auf Massepotenzial realisiert. Durch eine solche Plattenleitungsspannungssteuerung kann verglichen mit dem Stand der Technik (bei dem die Plattenleitungsspannung bei der Speicheroperation auf die Stromversorgungsspannung angehoben wird) eine kleinere Spannung (größerer Spannungsunterschied) an den ferroelektrischen Kondensator angelegt werden, der mit dem Massepotenzial führenden Speicherknoten verbunden ist. Daher bewirkt auch die dritte Speicheroperation eine Verbesserung der Zuverlässigkeit eines mit geringer Stromversorgungsspannung betriebenen Schatten-RAM.
Im Folgenden wird die erste Abrufoperation, die in einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden kann, mit Bezug auf das Zeitdiagramm der 19 erläutert. Während die Spannung auf der Wortleitung WL auf einem niedrigen Niveau (bei dem die Transfergatter-Transistoren (Zugriffstransistoren) M0 und M1 im Aus-Zustand gehalten werden) bleibt und die Versorgungsspannung des Flip-Flops auf Massepotenzial gehalten wird, wird die Plattenleitungsspannung auf eine dritte Spannung (die höher als die Stromversorgungsspannung ist) angehoben, wenn die Energieversorgung angeschaltet wird, wodurch wegen der durch die ferroelektrischen Kondensatoren F0 und F1 zwischen der Plattenleitung PL und den Speicherknoten bedingten kapazitiven Kopplung spezielle Spannungen an den Speicherknoten Q0 und Q1 auftreten. Im Anschluss wird die Versorgungsspannung des Flip-Flops angehoben, um die Spannungsdifferenz zwischen den Speicherknoten zu verstärken und zu verriegeln, wodurch die in den ferroelektrischen Kondensatoren als remanente Polarisation gespeicherten Daten in Form der Spannungen der Speicherknoten Q0 und Q1 abgerufen werden können.
Die an jedem Speicherknoten (Q0, Q1) auftretende Spannung wird durch das Verhältnis zwischen der zuvor erwähnten kapazitiven Kopplung (bedingt durch den ferroelektrischen Kondensator zwischen der Plattenleitung PL und dem Speicherknoten) und einer kapazitiven Kopplung des Speicherknotens mit anderen festen Potentialen bestimmt, wenn die Plattenleitungsspannung auf die dritte Spannung angehoben wird. Wenn die Plattenleitung PL auf eine positive Spannung gebracht wird, so liegt am Kondensator eine negative Spannung (Spannungsdifferenz) an. Zu diesem Zeitpunkt fungiert der ferroelektrische Kondensator, der die positive remanente Polarisation am Punkt B' der 17 hält, als größere Kapazität als der ferroelektrische Kondensator, der die negative Polarisation am Punkt D' hält. Das ist aus der im Vergleich mit der Steigung der Strecke von Punkt D' nach Punkt C' (gekennzeichnet durch den Pfeil Y4) größeren Steigung der Strecke von Punkt B' nach Punkt C' in der Q-V-Ebene (gekennzeichnet durch den Pfeil Y3) ersichtlich. Daher ist die kapazitive Kopplung zur Plattenleitung PL (die auf die hohe Spannung (dritte Spannung) gebracht ist) für den einen der Speicherknoten Q0 und Q1, der mit dem ferroelektrischen Kondensator, der die positive remanente Polarisation hält, verbunden ist, größer, und somit weist der Speicherknoten eine höhere Spannung auf als der andere Speicherknoten.
Die Flip-Flop-Versorgungsspannung wird dann angehoben, wodurch die Spannungsdifferenz zwischen den Speicherknoten verstärkt wird. Die Spannung des Speicherknotens, der sich an Punkt B' der 17 befunden hat, wird schließlich Vcc und die Spannung des Speicherknotens, der sich an Punkt D' befunden hat, wird Masse (GND). Für den vor dem Abschalten der Energieversorgung Vcc führenden Speicherknoten hält daher der mit dem Speicherknoten verbundene ferroelektrische Kondensator das Gespeicherte am Punkt B' der 17, und nach dem Einschalten der Energieversorgung nimmt der Speicherknoten wieder Vcc an. Für den vor dem Abschalten der Energieversorgung 0 V führenden Speicherknoten hält der mit dem Speicherknoten verbundene ferroelektrische Kondensator in ähnlicher Weise das Gespeicherte am Punkt D' der 17, und nach dem erneuten Einschalten der Energieversorgung nimmt der Speicherknoten wieder 0 V an.
Bei der ersten erfindungsgemäßen Abrufoperation wird die Plattenleitung PL auf eine Spannung gebracht, die größer ist als die Stromversorgungsspannung in der Abrufoperation, wodurch verglichen mit dem Stand der Technik (bei dem die Plattenleitung auf die Versorgungsspannung gebracht wird) eine höhere Spannungsdifferenz an den ferroelektrischen Kondensator angelegt wird. Im Vergleich mit dem Stand der Technik kann dadurch die Spannungsdifferenz zwischen dem Speicherknotenpaar gesteigert werden.
Eine andere Abrufoperation als die erste Abrufoperation ist ebenfalls möglich. Bei der zweiten erfindungsgemäßen Abrufoperation wird eine hohe Zuverlässigkeit erzielt, indem die Plattenleitung auf eine negative Spannung gebracht wird. Die nach dem Einschalten der Energieversorgung erfolgende zweite Abrufoperation wird unter Bezugnahme auf ein Zeitdiagramm der 20 erläutert. Bei der zweiten Abrufoperation wird die Plattenleitungsspannung auf eine negative Spannung abgesenkt (vierte Spannung) und (nahezu zeitgleich) wird die Versorgungsspannung des Flip-Flops angehoben, während die Wortleitung auf einem niedrigen Niveau (bei dem die Transfergatter in den Aus-Zuständen gehalten sind) bleibt, wenn die Energieversorgung angeschaltet wird. Das Absenken der Plattenleitungsspannung auf die vierte Spannung kann im Übrigen sowohl vor als auch nach dem Anheben der Flip-Flop-Versorgungsspannung erfolgen. Durch diese Steuerung treten wegen der durch die ferroelektrischen Kondensatoren F0 und F1 zwischen der Plattenleitung PL und den Speicherknoten bedingten kapazitiven Kopplung spezielle Spannungen an den Speicherknoten Q0 und Q1 auf. Die an den Speicherknoten auftretenden Spannungen werden schließlich durch den Flip-Flop 3 verstärkt und verriegelt, wodurch die in den ferroelektrischen Kondensatoren F0 und F1 als remanente Polarisation gespeicherten Daten als Spannungen der Speicherknoten Q0 und Q1 abgerufen werden können.
Dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß wird, wie oben ausgeführt wurde, die Spannungssteuerung der Plattenleitung PL für den Speichervorgang und den Abrufvorgang gegenüber der Steuerung des herkömmlichen Schatten-RAM abgeändert, wodurch die zwischen den Speicherknoten auftretende Spannungsdifferenz vergrößert werden kann, wenn die Plattenleitung für die Abrufoperation getrieben wird, und wodurch ein nichtflüchtiger Speicherbetrieb mit höherer Zuverlässigkeit realisiert werden kann als im Stand der Technik, bei dem sich die Betriebssicherheit des nichtflüchtigen Speichers insbesondere dann verschlechtert, wenn infolge der Miniaturisierung der integrierten Halbleiterschaltkreise die Stromversorgungsspannung abnimmt. Wenn die Stromversorgungsspannung abnimmt und dadurch die Spannung, die an die ferroelektrischen Kondensatoren angelegt werden kann (die im Stand der Technik mit der Stromversorgungsspannung identisch ist), abnimmt, nehmen auch die remanente Polarisation der ferroelektrischen Kondensatoren und die bei der Abrufoperation zwischen den Speicherknoten auftretende Spannungsdifferenz ab, wodurch sich die Zuverlässigkeit des nichtflüchtigen Speichers verschlechtern muss. In der oben angegebenen Ausführungsform der Erfindung kann dagegen eine ausreichende Spannung an den ferroelektrischen Kondensator angelegt werden, indem die Plattenleitung PL auf eine höhere Spannung oder eine negative Spannung gebracht wird, selbst wenn die Stromversorgungsspannung verringert ist. Die Ausführungsform kann also wirksam eine hohe Zuverlässigkeit sicherstellen, während die Anforderungen an den Schaltkreisentwurf geringer sind.
Während drei Speicheroperationen und zwei Abrufoperationen als Speicher- und Abrufoperationen gemäß der Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurden, haben alle Operationen das gemeinsame Merkmal, dass der nichtflüchtige Speicher durch die Verwendung der remanenten Polarisation der ferroelektrischen Kondensatoren verwirklicht wird. Dieses Merkmal stimmt auch mit der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-293989 des Standes der Technik überein. Es ist daher möglich, ein Schatten-RAM zu realisieren, indem eine Speicheroperation und eine Abrufoperation gemäß dem Stand der Technik oder der erfindungsgemäßen Ausführungsform in beliebiger Weise kombiniert werden. Bei geringer Stromversorgungsspannung kann eine hohe Zuverlässigkeit erzielt werden, indem eine Speicheroperation und eine Abrufoperation gemäß der Erfindung, wie oben erläutert, kombiniert werden. Aber auch durch die Kombination einer erfindungsgemäßen Speicheroperation mit der Abrufoperation des Stands der Technik oder durch die Kombination der Speicheroperation des Stands der Technik mit einer erfindungsgemäßen Abrufoperation kann eine im Vergleich mit dem Stand der Technik höhere Zuverlässigkeit erreicht werden.
Wenn eine Kombination aus der ersten Speicheroperation und der ersten Abrufoperation oder aus einer Kombination aus der dritten Speicheroperation und der ersten Abrufoperation gemäß der Erfindung (unter Verwendung von Spannungen, die höher als die Stromversorgungsspannung Vcc sind) verwendet wird, ist es zur Vereinfachung des Hochspannung-Erzeugungsschaltkreises 5 im Übrigen auch möglich, die erste Spannung der Speicheroperation gleich der dritten Spannung der Abrufoperation zu setzen. In ähnlicher Weise ist es zur Vereinfachung des Negativspannung-Erzeugungsschaltkreises 6 auch möglich, die zweite Spannung der Speicheroperation gleich der vierten Spannung der Abrufoperation zu setzen, wenn eine Kombination der ersten Speicheroperation und der zweiten Abrufoperation oder eine Kombination der zweiten Speicheroperation und der zweiten Abrufoperation gemäß der Erfindung (unter Verwendung negativer Spannungen) verwendet wird.
Wenn eine Kombination aus der dritten Speicheroperation und der ersten Abrufoperation, eine Kombination aus der dritten Speicheroperation und der Abrufoperation nach dem Stand der Technik oder eine Kombination der Speicheroperation nach dem Stand der Technik und der ersten Abrufoperation verwendet wird, besteht keine Notwendigkeit, die Plattenleitung auf eine negative Spannung zu bringen, und somit kann der Negativspannung-Erzeugungsschaltkreis 6 entfallen. In ähnlicher Weise besteht bei der Verwendung einer Kombination der zweiten Speicheroperation und der zweiten Abrufoperation, einer Kombination der zweiten Speicheroperation mit der Abrufoperation nach dem Stand der Technik oder einer Kombination der Speicheroperation nach dem Stand der Technik und der zweiten Abrufoperation keine Notwendigkeit, die Plattenleitung mit einer Spannung zu betreiben, die größer als die Stromversorgungsspannung ist, so dass der Hochspannung-Erzeugungsschaltkreis 5 entfallen kann.
In den obigen Ausführungen wird die Plattenleitungsspannung entsprechend dem Stand der Technik (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2000-293989) im Normalbetrieb auf Vcc/2 eingestellt. Diese Spannungseinstellung wird verwendet, um die an die ferroelektrischen Kondensatoren angelegte Spannung im Normalbetrieb auf Vcc/2 oder –Vcc/2 zu beschränken. Eine solche Einstellung der Plattenleitungsspannung ist für eine Verringerung der zeitlichen Änderung der ferroelektrischen Kondensatoren wirksam. Für das durch die Erfindung verbesserte Standzeitverhalten des nichtflüchtigen Speichers ist die zeitliche Änderung der ferroelektrischen Kondensatoren jedoch vollkommen unerheblich, wodurch die erfindungsgemäßen Wirkungen auch dann nicht beeinträchtigt werden, wenn die Plattenleitungsspannung bei Normalbetrieb auf Massepotenzial oder die Stromversorgungsspannung gesetzt wird.
Bei der Speicherzelle und dem Schatten-RAM (nichtflüchtige Speichervorrichtung) gemäß der Erfindung kann eine hohe Zuverlässigkeit realisiert werden, indem lediglich die Plattenleitung PL auf die höhere Spannung (erste Spannung, dritte Spannung) oder die negative Spannung (zweite Spannung, vierte Spannung) gebracht wird, wobei dieselbe Speicherzellen-Energieversorgung und Speicherzellen-Stromversorgungsspannung Vcc wie bei einem herkömmlichen Schatten-RAM verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Speicherzellen können daher mit den üblichen Verfahren und hoher Packungsdichte gefertigt werden, und Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Speicherzellen kann in gleicher Weise wie bei einem herkömmlichen Schatten-RAM realisiert werden. Einzig der Plattenleitungstreiberschaltkreis 4, der Hochspannung-Erzeugungsschaltkreis 5 und der Negativspannung-Erzeugungsschaltkreis 6 werden unter Verwendung von Bauelementen mit hoher Spannungsfestigkeit oder von für den Betrieb bei negativen Spannungen geeigneten Bauelementen erstellt.
Bei der Speicherzelle, der nichtflüchtigen Speichervorrichtung und dem Steuerverfahren für die Speicherzelle gemäß der Erfindung werden, wie vorstehend dargelegt, der Hochspannung-Erzeugungsschaltkreis 5 und/oder der Negativspannung-Erzeugungsschaltkreis 6 dem herkömmlichen Schatten-RAM hinzugefügt, wodurch die Plattenleitung PL bei der Speicher- und/oder der Abrufoperation auf der Spannung über der Stromversorgungsspannung Vcc (erste Spannung, dritte Spannung) oder der negativen Spannung (zweite Spannung, vierte Spannung) betrieben werden kann, wodurch die Standfestigkeit des nichtflüchtigen Speichers insbesondere bei niedriger Stromversorgungsspannung Vcc zuverlässig verbessert werden kann.
Die Erfindung wurde in Bezug auf die zur Erläuterung dienenden speziellen Ausführungsformen beschrieben, sie ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern wird nur durch die beigefügten Ansprüche festgelegt. Der Fachmann kann natürlich die Ausführungsformen ändern oder abwandeln ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Speicherzelle umfassend: ein Paar Speicherknoten (Q0, Q1) zum Halten eines Paares komplementärer Spannungen; ein Paar Schaltelemente (M0, M1) zum Steuern der Verbindung zwischen jedem Speicherknoten (Q0, Q1) und einer Bitleitung (BLN, BLP) entsprechend dem Speicherknoten (Q0, Q1) gemäß einer ON/OFF-Steuerung durch eine gemeinsame Wortleitung (WL); ein Paar ferroelektrischer Kondensatoren (F0, F1), von denen jeder mit einer Plattenleitung (PL) und einem entsprechenden der Speicherknoten (Q0, Q1) verbunden ist und einen Flip-Flop (3), das zwischen den ferroelektrischen Kondensatoren (F0, F1) gebildet ist, wobei sich eine Speicheroperation der Speicherzelle auf die Übermittlung von in dem Flip-Flop (3) gespeicherten Daten an die ferroelektrischen Kondensatoren (F0, F1) und sich eine Abrufoperation der Speicherzelle auf die Übermittlung von in den ferroelektrischen Kondensatoren (F0, F1) gespeicherten Daten an das Flip-Flop (3) bezieht, gekennzeichnet durch einen Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) zum Durchführen (A) der Speicheroperation durch Schwingen der Spannung der Plattenleitung (PL) zwischen einer ersten Spannung, die höher als die Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle ist, und einer zweiten Spannung, die niedriger als Massepotential ist, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) im ausgeschalteten Zustand hält, oder (B) die Speicheroperation durch Schwingen der Spannung der Plattenleitung (PL) zwischen der Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle und einer zweiten Spannung, die niedriger als Massepotential ist, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) im ausgeschalteten Zustand hält, oder (C) der Abrufoperation durch Antreiben der Plattenleitung (PL) auf eine vierte Spannung, die niedriger als Massepotential ist, und Anheben der Versorgungsspannung der Speicherzelle vom Massepotential auf die Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) im ausgeschalteten Zustand hält.
Speicherzelle nach Anspruch 1, bei der die Abrufoperation der Speicherzelle durch Treiben der Plattenleitung (PL) auf eine dritte Spannung ausgeführt wird, die höher als die Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle ist, und danach durch Anheben der Versorgungsspannung der Speicherzelle von Massepotential auf die Energieversorgung (Vcc) der Speicherzelle, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) im ausgeschalteten Zustand hält.
Speicherzelle nach Anspruch 2, bei der die dritte Spannung gleich der ersten Spannung gesetzt ist.
Speicherzelle nach einer der Optionen (A) oder (B) des Anspruches 1, bei der die Abrufoperation der Speicherzelle ausgeführt wird durch Antreiben der Plattenleitung (PL) auf eine vierte Spannung, die niedriger als Massepotential ist, und durch Anheben der Versorgungsspannung der Speicherzelle von Massepotential auf die Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) in ausgeschalteten Zustand hält.
Speicherzelle nach Anspruch 4, bei der die vierte Spannung gleich der zweiten Spannung gesetzt ist.
Speicherzelle nach Anspruch 1, bei der die Speicherzelle ein Paar Logik-Inversionselemente (1, 2) einschließt, die zusammen in Ringverbindung verbunden sind, so daß jeder der Speicherknoten (Q0, Q1) zwischen dem Ausgangsanschluß eines Logik-Inversionselements (2, 1) und dem Eingangsanschluß des anderen Logik-Inversionselements (1, 2) gebildet ist.
Speicherzelle nach Anspruch 1, bei der die Schaltelemente (M0, M1) durch MOS-Transistoren (M0, M1) verwirklicht sind.
Speicherzelle nach Anspruch 1, bei der die Schaltelemente (M0, M1) und die Logik-Inversionselemente (1, 2) durch ein 6-Transistor-CMOS-Flip-Flop realisiert sind.
Speicherzelle nach Anspruch 1, bei der die Schaltelemente (M0, M1) und die Logik-Inversionselemente (1, 2) durch ein Belastungs-4-Transistor-Flip-Flop hohen Widerstands realisiert sind.
Speicherzelle nach Anspruch 1, bei der die Schaltelemente (M0, M1) und die Logik-Inversionselemente (1, 2) durch ein belastungsfreies 4-Transistor-Flip-Flop realisiert sind.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung umfassend Speicherzellen, die in einer Matrix angeordnet sind, bei der: eine Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 11, bei der alle Speicherzellen mit einer gemeinsamen Plattenleitung (PL) verbunden sind.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 12, die weiter einen Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) zum Treiben der gemeinsamen Plattenleitung (PL) umfaßt.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, die weiterhin einen Hochspannung-Erzeugungsschaltkreis (5) zur Erzeugung einer Spannung, die höher als die Energieversorgungsspannung (Vcc) ist, und zum Zuführen der hohen Spannung an den Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) umfaßt.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Ansprüchen 13 oder 14, umfassend einen Negativspannung-Erzeugungsschaltkreis (6) zum Erzeugen einer negativen Spannung und zum Zuführen der negativen Spannung an den Plattenleitungstreiberschaltkreis (4).
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 14, bei der die Speicherzellen durch Einrichtungen normaler Spannungsfestigkeit realisiert sind, und der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) und der Hochspannung-Erzeugungsschaltkreis (5) durch Einrichtungen hoher Spannungsfestigkeiten realisiert sind.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 15, bei der: die Speicherzellen durch Einrichtungen normaler Spannungsfestigkeit realisiert sind und der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) und der Negativspannung-Erzeugungsschaltkreis (6) durch Einrichtungen realisiert sind, die unter negativen Spannungen zu arbeiten in der Lage sind.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, bei der der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) die Spannung der gemeinsamen Plattenleitung (PL) von einer voreingestellten Spannung, die zwischen Massepotential und der Energieversorgungsspannung (Vcc) liegt, auf die erste Spannung anhebt und danach in der Speicheroperation die Spannung auf die zweite Spannung fallen läßt.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, bei der der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) die Spannung der gemeinsamen Plattenleitung (PL) von einer voreingestellten Spannung, die zwischen Massepotential und der Energieversorgungsspannung (Vcc) liegt, auf die zweite Spannung absenkt und danach in der Speicheroperation die Spannung auf die erste Spannung anhebt.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, bei der der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) die Spannung der gemeinsamen Plattenleitung (PL) von einer voreingestellten Spannung, die zwischen Massepotential und der Energieversorgungsspannung (Vcc) liegt, auf die Energieversorgungsspannung (Vcc) anhebt und danach in der Speicheroperation die Spannung auf die zweite Spannung abfallen läßt.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, bei der der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) die Spannung der gemeinsamen Plattenleitung (PL) von einer voreingestellten Spannung, die zwischen Massepotential und der Energieversorgungsspannung (Vcc) liegt, auf die zweite Spannung absenkt und danach in der Speicheroperation die Spannung auf die Energieversorgungsspannung (Vcc) anhebt.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, bei der der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) die Spannung der gemeinsamen Plattenleitung (PL) von einer voreingestellten Spannung, die zwischen Massepotential und der Energieversorgungsspannung (Vcc) liegt, auf die erste Spannung anhebt und danach in der Speicheroperation die Spannung auf Massepotential abfallen läßt.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, bei der der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) die Spannung der gemeinsamen Plattenleitung (PL) von einer voreingestellten Spannung, die zwischen Massepotential und der Energieversorgungsleitung (Vcc) liegt, auf Massepotential absenkt und danach die Spannung in der Speicheroperation auf die erste Spannung anhebt.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, bei der der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) die Spannung der gemeinsamen Plattenleitung (PL) auf die dritte Spannung anhebt, bevor die Versorgungsspannung der Speicherzellen in der Rückrufoperation angehoben wird.
Nichtflüchtige Speichereinrichtung nach Anspruch 13, bei der der Plattenleitungstreiberschaltkreis (4) die Spannung der gemeinsamen Plattenleitung (PL) fast gleichzeitig mit dem Anheben der Versorgungsspannung der Speicherzelle in der Abrufoperation auf die vierte Spannung absenkt.
Steuerungsverfahren für eine Speicherzelle, das umfaßt: ein Paar Speicherknoten (Q0, Q1) zum Halten ein Paar komplementärer Spannungen; ein Paar Schaltelemente (M0, M1) zum Steuern der Verbindung zwischen jedem Speicherknoten (Q0, Q1) und einer Bitleitung (BLN, BLP) entsprechend dem Speicherknoten (Q0, Q1) gemäß einer ON/OFF-Steuerung durch eine gemeinsame Wortleitung (WL); ein Paar ferroelektrischer Kondensatoren (F0, F1), von denen jeder mit einer Plattenleitung (PL) und einem ent sprechenden der Speicherknoten (Q0, Q1) verbunden ist, und ein Flip-Flop (3), das zwischen den ferroelektrischen Kondensatoren (F0, F1) gebildet ist, wobei sich eine Speicheroperation der Speicherzelle auf die Übermittlung von in dem Flip-Flop (3) gespeicherten Daten an die ferroelektrischen Kondensatoren (F0, F1) und sich eine Abrufoperation der Speicherzelle auf die Übermittlung von in den ferroelektrischen Kondensatoren (F0, F1) gespeicherten Daten an den Flip-Flop (3) bezieht, dadurch gekennzeichnet, daß (A) die Speicheroperation durch Schwingen der Spannung der Plattenleitung (PL) zwischen einer ersten Spannung, die höher als die Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle ist, und einer zweiten Spannung, die niedriger als Massepotential ist, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) im ausgeschalteten Zustand hält, ausgeführt wird, oder (B) die Speicheroperation durch Schwingen der Spannung der Plattenleitung (PL) zwischen der Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle und einer zweiten Spannung, die niedriger als Massepotential ist, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) im ausgeschalteten Zustand hält, ausgeführt wird, oder (C) die Abrufoperation durch Antreiben der Plattenleitung (PL) auf eine vierte Spannung, die niedriger als Massepotential ist, und Anheben der Versorgungsspannung der Speicherzelle von Massepotential auf die Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle ausgeführt wird, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) im ausgeschalteten Zustand hält.
Speicherverfahren nach Anspruch 25, bei der die Abrufoperation der Speicherzelle durch Antreiben der Plattenleitung (PL) auf eine dritte Spannung ausgeführt wird, die höher als die Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle ist, und man danach die Versorgungsspannung der Speicherzelle von Massepotential auf die Energieversorgung (Vcc) der Speicherzelle anhebt, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) im ausgeschalteten Zustand hält.
Steuerverfahren nach Anspruch 27, bei der die dritte Spannung gleich der ersten Spannung gesetzt wird.
Steuerverfahren nach einer der Optionen (A) oder (B) des Anspruches 26, bei der die Abrufoperation der Speicherzelle durch Antreiben der Plattenleitung (PL) auf eine vierte Spannung ausgeführt wird, die niedriger als Massepotential ist, und die Versorgungsspannung der Speicherzelle von Massepotential auf die Energieversorgungsspannung (Vcc) der Speicherzelle angehoben wird, während man das Paar Schaltelemente (M0, M1) in ausgeschalteten Zustand hält.
Steuerverfahren nach Anspruch 29, bei der die vierte Spannung gleich der zweiten Spannung gesetzt wird.