JP2000011665A - 強誘電体メモリ - Google Patents
強誘電体メモリInfo
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Abstract
作を導入することにより、FRAMセルのインプリント
を抑制し、ソフトエラーの発生を防止する。 【解決手段】FRAMにおいて、外部制御信号(/WE
ビフォア/CE)に基づいたタイミングで、メモリセル
アレイ10における任意のメモリセルを選択して当該選
択セルから二値データを読み出すデータ読み出し動作、
読み出された二値データとは論理レベルが反対のデータ
を選択セルに書き込む反対データ書き込み動作、読み出
されたデータと同じ論理レベルの二値データを選択セル
に再び書き込む同一データ書き込み動作を一連として行
うリフレッシュ動作を制御するリフレッシュ制御回路系
(23、24、25、26)を具備する。
Description
憶装置に係り、特に強誘電体メモリセルのアレイを有す
る強誘電体メモリ(FRAM)のリフレッシュ制御回路
に関するものである。
二値データ記憶用のキャパシタに直列にスイッチ用のM
OSトランジスタが接続されてなるデータ破壊読み出し
型の強誘電体メモリセル(FRAMセル)を行列状に配
置してなるメモリセルアレイを有する。
体記憶装置として近年盛んに研究開発がなされており、
例えば米国特許4,873,664(Eaton,Jr.)や、S.S.Eaton,J
r. etal. "A Ferroelectric DRAM Cell for High Densi
ty NVRAMs", ISSCC Digest of Technical Papers, pp.1
30-131,Feb.1988 等に詳細に記載されている。
電力、高速動作、高書換え回数を実現できるメモリであ
ることから、汎用メモリの他、無電源ID装置用のカー
ド用メモリとしても期待されている。
極間には、チタン酸バリウムストロンチウム((Ba,Sr)T
iO3 )、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3 ;PZ
T)、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛( (Pb,La)
(Zr,Ti)O3 ;PLZT)、ニオブ酸リチウム( LiNbO
3 )、ビスマス層状化合物であるストロンチウムタンタ
レート(SrBi2 Ta2 O 9 ;SBT)、ビスマス層状化合
物であるストロンチウムタンタルナイオベート(SrBi2
(Ta,Nb) 2 O 9 ;SBNT)などから構成された強誘電
体膜が用いられている。
とによって分極が生じ、印加電圧と分極量との関係はい
わゆるヒステリシス特性を呈するものであり、その成膜
方法には、MOD法、ゾルゲル法、スパッタ法、CVD
法、反応性蒸着法などがある。
え回数、長時間記録保持、耐環境性などが挙げられる
が、改善が難しい点の一つにFRAMセルのインプリン
トという問題がある。このインプリントは、あるデータ
の書き込み後に、長時間にわたって放置され、または、
高温にさらされた場合に、前記データとは分極が反対方
向のデータの書き込みが正しく行われないというエラー
が生じる現象である。
にわたって放置され、または高温にさらされると、分極
ドメインの周りに分極を安定させる方向で可動性の電荷
が集まり、結果的に強誘電体膜に内部電界が発生したよ
うな状態になることにより起因する。
的に固定されたものであるので、インプリントは素子の
破壊や老朽化といったハードエラーに至る現象ではない
が、FRAM特有のソフトエラーとして大きな問題にな
っている。
FRAMは、強誘電体膜が長時間にわたって放置され、
または高温にさらされると、分極ドメインの周りに分極
を安定させる方向で可動性の電荷が集まり、結果的に強
誘電体膜に内部電界が発生したような状態になることに
より起因するインプリントによってソフトエラーが発生
するという問題があった。
たもので、メモリセルに対するリフレッシュ動作を導入
することにより、インプリントを抑制し、ソフトエラー
の発生を防止し得る強誘電体メモリを提供することを目
的とする。
は、強誘電体メモリセルを行列状に配置してなるメモリ
セルアレイを備えた強誘電体メモリにおいて、所定のタ
イミングに前記メモリセルアレイにおける任意のメモリ
セルを選択して、当該選択セルから二値データを読み出
すデータ読み出し動作、読み出された二値データとは論
理レベルが反対のデータを前記選択セルに書き込む反対
データ書き込み動作、前記読み出されたデータと同じ論
理レベルの二値データを前記選択セルに再び書き込む同
一データ書き込み動作を一連のリフレッシュ動作として
行うように制御するリフレッシュ制御回路を具備してい
る。
極間に用いた二値データ記憶用のキャパシタに直列にス
イッチ用トランジスタが接続されてなる強誘電体メモリ
セルを行列状に配置してなるメモリセルアレイと、前記
メモリセルアレイにおける同一行のメモリセルのスイッ
チ用トランジスタのゲートに共通接続されたワード線
と、前記メモリセルアレイにおける同一行のメモリセル
のキャパシタのプレート電極に共通接続されたプレート
線と、前記メモリセルアレイにおける同一列のメモリセ
ルのスイッチ用トランジスタの一端に共通接続されたビ
ット線と、前記ワード線を選択して駆動するロウデコー
ダと、前記プレート線を選択して駆動するプレート線駆
動回路と、前記メモリセルアレイの各カラムに対応して
設けられたセンスアンプと、前記ビット線に接続された
カラム選択ゲートと、カラムアドレス信号をデコードし
て前記カラム選択ゲートを選択して駆動するカラムデコ
ーダと、所定のタイミングに、前記メモリセルアレイに
おける任意のメモリセルを選択して当該選択セルから二
値データを読み出すデータ読み出し動作、読み出された
二値データとは論理レベルが反対のデータを前記選択セ
ルに書き込む反対データ書き込み動作、前記読み出され
たデータと同じ論理レベルの二値データを前記選択セル
に再び書き込む同一データ書き込み動作を一連として行
うリフレッシュ動作を選択列を変えて繰り返すように制
御するリフレッシュ制御回路とを具備している。
施の形態を詳細に説明する。まず、FRAMセルの基本
的な構成、特性、書き込み/読み出し原理について説明
しておく。
タの電極対間に挟まれたPZT膜等の強誘電体薄膜の印
加電界(印加電圧V)と分極量Pとの関係(ヒステリシ
ス曲線)を示す特性図である。
うに、FRAMセルの強誘電体キャパシタの強誘電体薄
膜に電界を印加しない状態、即ち、キャパシタ電極対間
の印加電圧V=0(V)の状態での強誘電体薄膜の残留
分極Prが「正」であるか「負」であるかによって、F
RAMセルは二値データを記憶することができ、このよ
うなFRAMセルのアレイを用いて不揮発性のFRAM
を実現している。
分極Prが「正」の状態にデータが書き込まれた後、長
時間にわたって放置され、または高温にさらされた場合
のヒステリシス特性、図2(b)は強誘電体キャパシタ
に残留分極Prが「負」の状態にデータが書き込まれた
後、長時間にわたって放置され、または高温にさらされ
た場合のヒステリシス特性をそれぞれ示している。
位がかかったかのように中心位置がずれ、かつ、分極方
向にもずれを生じている。これは、強誘電体キャパシタ
がインプリント状態に変化したためである。FRAMセ
ルの通常動作中は、このようなヒステリシス特性のシフ
トは見られない。
ャパシタからなる1T/1C型の構成と、2トランジス
タ・2キャパシタからなる2T/2C型の構成がある。
図15(a)は、1T/1C型のFRAMセルの等価回
路を示している。
のスイッチ用のMOSトランジスタQと1つのデータ記
憶用の強誘電体キャパシタCとからなり、上記MOSト
ランジスタQのゲートにワード線WLが接続され、上記
MOSトランジスタQの一端(ドレイン)にビット線B
Lが接続され、上記キャパシタCの一端(プレート)に
プレート線PLが接続されている。
セルの等価回路を示している。この2T/2C型のFR
AMセルは、図15(a)のメモリセルを2個用いたも
のであり、第1のセルのトランジスタQ1の一端に第1
のビット線BLが接続され、第2のセルのトランジスタ
Q2の一端に前記ビット線BLと対をなす第2のビット
線/BL(「/」は反転信号を表わす、以下同じ)が接
続される。そして、各トランジスタQ1、Q2のゲート
に共通にワード線WLが接続され、各キャパシタC1、
C2のプレート電極に共通にプレート線PLが接続され
る。
ット線電位センス増幅用のセンスアンプ(図示せず)、
プリチャージ・イコライズ回路(図示せず)などが接続
されている。
C型のFRAMセルに二値データの相異なるデータが書
き込まれている状態における強誘電体キャパシタの分極
の向きを示している。
ルに対する通常のデータ書き込み時/データ読み出し動
作時におけるプレート線印加電圧VPLの波形を示して
いる。
読み出しに際して、例えば0V→3V→0Vと変化する
ようなパルスを選択されたメモリセルのプレート線PL
に印加することにより誘電分極の向きを制御する。
(a)を参照しながら、前記2T/2C型のFRAMセ
ルのデータ書き込み動作の原理およびデータ読み出し動
作の原理について説明する。
シタC1に図中上向きの分極(プレート電極からビット
線に向かう方向の分極、以下、正分極と記す)、キャパ
シタC2に図中下向きの分極(ビット線からプレート電
極に向かう方向の分極、以下、負分極と記す)が現れて
いる状態をデータ“0”と定義する。
タC1に負分極、キャパシタC2に正分極が現れている
状態をデータ“1”と定義する。 <データの書き込み>2T/2C型のFRAMセルのデ
ータの書き込み動作に際しては、初期状態では、プレー
ト線PLを接地電位Vss(0V)に設定し、2本のビッ
ト線BL、/BLをそれぞれ0Vにプリチャージしてお
く。
BL、/BLのうちの第1のビット線BLを3Vに設定
し、ワード線WLに3Vを印加して2個のトランジスタ
Q1、Q2をオン状態にする。
端間に電位差が生じ、その分極は図1中a点の状態にな
り、図3(b)に示すように、図中下向きの分極(負分
極)が発生する。これに対して、第2のキャパシタC2
は、両端間に電位差が生じることがなく、その分極は図
1中b点の状態にある。
と、第1のキャパシタC1は、両端間の電位差が0Vに
なり、その分極は図1中b点の状態になる。これに対し
て、第2のキャパシタC2は、両端間に電位差が生じ、
その分極は図1中c点の状態になり、図3(b)に示す
ように、図中上向きの分極(正分極)が発生する。
と、第1のキャパシタC1は、両端間に電位差が生じ、
その分極は図1中a点の状態になり、第2のキャパシタ
C2は両端間に電位差が0Vになり、その分極は図1中
d点の状態になる。この後、ワード線WLを0Vにして
2個のトランジスタQ1、Q2をオフ状態にする。
1、C2に互いに逆向きの分極(C1に負分極、C2に
正分極)が発生した状態になり、“1”書き込みが実現
される。
は逆に、まず、2本のビット線BL、/BLのうちの第
2のビット線BLを3Vに設定し、ワード線WLに3V
を印加して2個のトランジスタQ1、Q2をオン状態に
する。
端間に電位差が生じ、その分極は図1中a点の状態にな
り、図3(a)に示すように、図中下向きの分極(負分
極)が発生する。これに対して、第1のキャパシタC1
は、両端間に電位差が生じることがなく、その分極は図
1中b点の状態にある。
と、第2のキャパシタC2は、両端間の電位差が0Vに
なり、その分極は図1中b点の状態になる。これに対し
て、第1のキャパシタC1は、両端間に電位差が生じ、
その分極は図1中c点の状態になり、図3(a)に示す
ように、図中上向きの分極(正分極)が発生する。
と、第2のキャパシタC2は、両端間に電位差が生じ、
その分極は図1中a点の状態になり、第1のキャパシタ
C1は両端間に電位差が0Vになり、その分極は図1中
d点の状態になる。この後、ワード線WLを0Vにして
2個のトランジスタQ1、Q2をオフ状態にする。
1、C2に互いに逆向きの分極(C1に正分極、C2に
負分極)が発生した状態になり、“0”書き込みが実現
される。
AMセルのデータの読み出し動作に際しては、2つの強
誘電体キャパシタC1、C2に互いに反対方向になった
状態で保持されている分極の向きを読み出し、両者の向
きの関係から読み出しデータの“1”、“0”を判別す
る。
Vに設定し、2本のビット線BL、/BLを0Vにプリ
チャージしておく。ここで、2個のキャパシタC1、C
2には例えば図3(a)に示すように互いに逆向きの分
極が発生した状態のデータが書き込まれている場合を想
定する。
ード線WLに例えば3Vを印加して2個のトランジスタ
Q1、Q2をオン状態にすると、第2のキャパシタC2
の両端間に電位差が生じてその分極の向きが反転する
が、第1のキャパシタC1の分極の向きは反転しない。
この2個のキャパシタC1、C2からの読み出し電位が
センスアンプによりセンス増幅されることによって2本
のビット線BL、/BLは対応して0V、3Vに設定さ
れ、上記センスアンプの出力に基づいて読み出しデータ
の“1”、“0”を判別する。
と、第2のキャパシタC2の両端間に電位差が生じてそ
の分極の向きが反転し、第1のキャパシタC1の分極の
向きは反転しないので、初期状態に戻る。
RAMセルのデータは破壊されたままになるので、読み
出しデータと同じデータを書き込む動作(再書込み)を
行う。
対する書き込み/読み出しは、前述した2T/2C型の
FRAMセルに対する書き込み/読み出しと基本的には
同様に行われる。1T/1C型のFRAMセルは、1つ
の強誘電体キャパシタC1の分極の向きに応じて読み出
された信号電圧を、例えばレファレンス用のセルから発
生される参照電圧と比較することによってデータを得る
ことができる。
RAMおよびそのリフレッシュ制御方法について説明す
る。図5および図6は、第1の実施の形態に係るFRA
Mのカラム系およびロウ系、リフレッシュ制御回路系を
概略的に示すブロック図である。
RAMリフレッシュ動作モードの設定動作を示すタイミ
ング波形図である。図7(b)は、図5および図6にお
けるFRAMリフレッシュ動作モード時の内部信号を示
すタイミング波形図である。
型のFRAMセルを行列状に配置してなるメモリセルア
レイ、11は前記メモリセルアレイの各カラムに対応し
て設けられたセンスアンプ(S/A)、12はカラムデ
コーダ(CD)、13は前記カラムデコーダ12からの
デコード信号により前記メモリセルアレイ10のカラム
選択を行うカラム選択ゲート(CG)、DQはデータ線
である。
ムアドレスバッファ、15は前記カラムアドレスバッフ
ァ14からのカラムアドレス信号をプリデコードして前
記カラムデコーダ12に入力するカラムプリデコーダ、
16は前記カラムアドレスバッファ14からのカラムア
ドレス信号の遷移を検知するためのカラムアドレス遷移
検知(ATD)回路、/CENBは前記ATD回路16
の動作の可否を制御する制御信号(カラムイネーブル信
号)、17は前記ATD回路16の検知出力信号により
動作の可否が制御され、前記データ線DQおよび前記カ
ラム選択ゲート13を介して前記センスアンプ11との
間でデータを授受するデータ線バッファ、RWDは前記
データ線バッファ17に接続されている読み出し・書込
みデータ線、18は前記読み出し・書込みデータ線RW
Dに接続された入出力(I/O)回路、19は前記読み
出し・書込みデータ線RWDに接続された逆データ転送
回路、20は前記読み出し・書込みデータ線RWDのう
ちの書込みデータ線に接続された元データ転送回路であ
る。
ュ制御信号FREFにより動作が制御され、前記メモリ
セルアレイ10から前記読み出し・書込みデータ線RW
Dのうちの読み出しデータ線に読み出されたセルデータ
を取り込み、その二値レベルとは逆レベルを持つ逆デー
タを前記読み出し・書込みデータ線RWDのうちの書込
みデータ線に転送するように構成されている。
逆データ転送回路19の動作に続いて動作が制御され、
前記逆データの二値レベルとは逆レベル(つまり、前記
読み出しデータ線に読み出されたセルデータと同じレベ
ル)を持つ元データを前記読み出し・書込みデータ線R
WDのうちの書込みデータ線に転送するように構成され
ている。
るための制御信号入力/WE(ライトイネーブル)を受
けて内部信号WINTを生成する/WE入力バッファ回
路である。
めの制御信号入力/CE(チップイネーブル)を受けて
内部信号CINTを生成する/CE入力バッファ回路で
ある。
記信号WINTおよびCINTを受け、それらが所定の
順序で活性化したことを検知すると、リフレッシュ動作
を開始させるためのリフレッシュ制御信号FREFを発
生(活性化)する。
REFが入力すると、短時間のパルス信号FTRSを生
成してアドレスカウンタ25に出力する。アドレスカウ
ンタ25は、FTRSを受けてカウント動作を開始し、
リフレッシュアドレス信号を発生する。
ウアドレス信号は、メモリセルアレイ(図5の10)の
行を選択するためのロウデコーダ26に入力し、前記リ
フレッシュアドレス信号のうちのカラムアドレス信号は
前記カラムアドレスバッファ(図5の14)に入力す
る。
ウデコーダ26の出力信号(ワード線駆動信号)により
行が順次指定され、ある行が選択されている期間(/C
Eが活性状態である限り選択される)に前記カラムデコ
ーダ(図5の12)により列(カラム)が高速に順次指
定されることになる。
2)は、前記メモリセルアレイ10における列方向のカ
ラムアドレスを高速にアクセスするためのカラムアクセ
ス制御回路としての機能を有する。
レッシュ制御信号発生回路23と、カウンタアドレス転
送回路24と、アドレスカウンタ25と、カラムアドレ
ス遷移検知回路16と、データ線バッファ17と、読み
出し・書込みデータ線RWDと、逆データ転送回路19
と、元データ転送回路20は、所定のタイミングに前記
セルアレイ10における任意行を選択して当該選択行の
メモリセルから二値データを読み出すデータ読み出し動
作、読み出された二値データとは論理レベルが反対のデ
ータを前記メモリセルに書き込む反対データ書き込み動
作、前記読み出されたデータと同じ論理レベルの二値デ
ータを再び書き込む同一データ書き込み動作を一連とし
て順次行うリフレッシュ動作を選択行を変えて繰り返す
リフレッシュ制御回路系を構成している。
て詳細に示す回路図である。メモリセルアレイは、例え
ば4個のセルアレイ31、32、33、34に区分さ
れ、これらは並列に配置されている。これらのセルアレ
イ31、32、33、34では、前述したように電極間
に強誘電体膜を用いた二値データ記憶用のキャパシタに
直列にスイッチ用のMOSトランジスタが接続されてな
るデータ破壊読み出し型のFRAMセルを行列状に配置
してなる。
34における同一行のメモリセルのスイッチ用トランジ
スタのゲートに共通接続されたワード線(例えばポリシ
リコン配線)であり、本例では代表的に1本のみ示して
いる。
3、34毎に分割して設けられており、同一行のメモリ
セルのキャパシタのプレート電極に共通接続されたプレ
ート線であり、本例では代表的に1本のみ示している。
2、33、34における同一列のメモリセルのスイッチ
用トランジスタの一端に共通接続されたビット線であ
り、本例では各セルアレイ31、32、33、34毎に
代表的に1本のみ示している。
応じて複数本のワード線WLのうちの一部を選択してワ
ード線電圧を供給(ワード線を駆動)するロウデコーダ
(RD)であり、前記4個のセルアレイ31、32、3
3、34に共用されている。
イ31、32、33、34毎に対応して行方向一端側に
配置され、前記各メモリセルアレイ31、32、33、
34毎に複数本のプレート線PLのうちの一部を選択駆
動するプレート線駆動回路(プレートデコーダPD)で
ある。
1、32、33、34毎に対応して列方向一端側に配置
され、各セルアレイ31、32、33、34毎にビット
線BLに接続され、読み出し時にビット線に現れた微小
電位差を増幅するセンスアンプ(SA)回路である。
イ31、32、33、34毎にビット線BLに接続さ
れ、カラム選択線CSLによりスイッチング制御され、
ビット線とデータ線55とを選択的に接続するカラム選
択ゲート(CG)回路である。
応じて前記カラム選択ゲート回路51、52、53、5
4を選択し、前記カラム選択線CSLを駆動するカラム
デコーダ(CD)である。
データ線センスアンプ回路である。図9は、図8中のセ
ルアレイ31、32、33、34と周辺回路の一部を取
り出して示す回路図である。
38は、二入力のナンド回路とインバータ回路から構成
され、各プレート線駆動回路35、36、37、38の
インバータ回路は対応するセルアレイ31、32、3
3、34のプレート線CPL1、CPL2、CPL3、
CPL4に電源電圧を供給する。
38にそれぞれ対応して列方向にプレート制御線PLC
1〜PLC4が配列されており、この各プレート制御線
PLC1〜PLC4は、それぞれ対応してプレート制御
線駆動回路62、63、64、65により駆動される。
36、37、38の二入力のナンド回路の一方の入力端
に前記プレート制御線駆動回路62、63、64、65
が対応して接続され、二入力のナンド回路の他方の入力
端にワード線WLが共通に接続されている。
64、65は、二入力のナンド回路とインバータ回路か
ら構成され、上記二入力のナンド回路の一方の入力端に
はプレート線駆動イネーブル制御信号PLCが入力し、
他方の入力端にはプレート線駆動タイミング信号φおよ
びそれが遅延ゲート66、67、68により所定の遅延
時間D1、D2、D3だけ遅延された信号が対応して入
力する。
62、63、64、65は、対応するプレート線駆動回
路35、36、37、38を順次駆動して前記セルアレ
イ31、32、33、34を順次駆動するようになって
いる。
発生回路23の一具体例を示す。図10において、10
1は前記/WE入力バッファ21から入力する信号WI
NTを反転させる第1のインバータ、102は前記/C
E入力バッファ22から入力する信号CINTを反転さ
せる第2のインバータ、103は上記第2のインバータ
102の出力を反転させる第3のインバータ、104は
前記第1のインバータ101の出力が一端に入力し、前
記第2のインバータ102、第3のインバータ103か
ら出力する相補信号によりスイッチ制御されるCMOS
トランスファゲート、105は上記CMOSトランスフ
ァゲート104の他端の信号をラッチするラッチ回路、
106は上記ラッチ回路105の出力および前記第3の
インバータ103の出力が入力するナンド回路、107
は上記ナンド回路106の出力を反転させて前記リフレ
ッシュ制御信号FREFを出力する第4のインバータで
ある。
回路24の一具体例を示す。図11において、111は
前記リフレッシュ制御信号発生回路23から入力する信
号FREFを遅延させるとともに反転させて反転遅延信
号を生成する奇数段の遅延回路、112は前記信号FR
EFおよび反転遅延信号が入力するナンド回路、113
は上記ナンド回路112の出力を反転させて前記パルス
信号FTRSを出力する第1のインバータ、114は前
記第1のインバータ113の出力を反転させて反転信号
/FTRSを出力する第2のインバータである。
25の1段分の一具体例を示す。図12において、12
1〜122は相補信号Cj-1 、/Cj-1 が対応して活性
/非活性状態のときに駆動されるクロックトインバー
タ、123〜124は前記相補信号Cj-1 、/Cj-1 お
よびクロック信号Cj-1 により動作が制御されるクロッ
クトインバータ、125〜127はインバータであり、
これらはマスタースレーブ型のフリップフロップ(F/
F)を構成しており、次段回路へ相補信号Cj 、/Cj
を出力する。
の一具体例を示す。図13において、131はビット線
BLの充放電などが終了したことを知らせる前記カラム
イネーブル信号/CENBを反転させる第1のインバー
タ、132は前記第1のインバータの出力および前記リ
フレッシュ制御信号発生回路23からの信号FREFが
入力する第1のナンド回路、133は上記第1のナンド
回路132の出力を反転させて信号DDWを出力する第
2のインバータ、134は前記第2のインバータ133
の出力を遅延させるとともに反転させて反転遅延信号を
生成する奇数段の遅延回路、135は前記第2のインバ
ータ133の出力および反転遅延信号が入力する第2の
ナンド回路、136は上記第2のナンド回路135の出
力を反転させて逆データ転送制御信号DWを出力する第
3のインバータ、137は前記第3のインバータ136
の出力を反転させて反転信号/DWを出力する第4のイ
ンバータである。
し・書込みデータ線RWDおよびそれと相補対をなす読
み出し・書込みデータ線/RWDにそれぞれ挿入された
逆データ転送ゲート用のクロックトインバータ138お
よび139をそれぞれスイッチ制御するために用いられ
る。
の一具体例を示す回路である。図14において、141
は前記逆データ転送回路19から入力する前記信号DD
Wを遅延させる偶数段の遅延回路、142は前記遅延回
路141の出力を遅延させるとともに反転させて反転遅
延信号を生成する奇数段の遅延回路、143は前記遅延
回路141の出力および反転遅延信号が入力するナンド
回路、144は上記ナンド回路143の出力を反転させ
て同一データ転送制御信号MWを出力する第1のインバ
ータ、145は前記第1のインバータ144の出力を反
転させて反転信号/MWを出力する第2のインバータで
ある。
し・書込みデータ線RWDおよびそれと相補対をなす読
み出し・書込みデータ線/RWDにそれぞれ挿入された
元データ転送ゲート用のクロックトインバータ146お
よび147をそれぞれスイッチ制御するために用いられ
る。
の形態に係るFRAMのリフレッシュ制御動作を図17
を参照して説明する。第1の実施の形態では、FRAM
外部から入力される制御信号に基づいたタイミングでリ
フレッシュ動作を開始するように制御を行なう。
状態(本例では“L”レベル)になった後に/CEが活
性状態(本例では“L”レベル)になる動作モード(/
WEビフォア/CE)に入ると、図10に示すリフレッ
シュ制御信号発生回路23がリフレッシュ制御信号FR
EFを出力することによってリフレッシュ動作を開始す
る。
ス転送回路24がパルス信号FTRSを出力し、図6中
のアドレスカウンタ回路25がカウント動作を開始す
る。そして、あるロウアドレスが指定された状態でメモ
リセルアレイ10の行選択が行われた状態でカラムアド
レスがC0 、C1 、C2 、C3 、…、Cn と遷移して選
択セルが切り替っていく。
値データの読み出し動作を行なう。この場合、ビット線
BLの充放電などが終了したことを知らせる前記カラム
イネーブル信号/CENBを図5中のATD回路16が
受けることにカラム系の回路が動作し、カラムアドレス
がラッチされる。
セルのデータがデータ線DQに読み出され、さらにデー
タ線バッファ17を経て読み出し・書込みデータ線RW
Dのうちの読み出しデータ線に転送される。
19は、前記ATD回路16からのカラムイネーブル信
号/CENBおよびリフレッシュ制御信号発生回路23
からの信号FREFに基づいて逆データ転送制御信号D
Wを出力し、前記読み出しデータ線に読み出された二値
データとは論理レベルが反対のデータを書込みデータ線
に送り出す。これにより、選択セルに対する書き込み動
作が行なわれる。この時点でデータのインプリント状
態、即ち、図2(a)または(b)の状態を、元に戻す
かまたは軽減する、即ち、図1の状態に戻すことができ
る。
20は、前記逆データ書込み回路19からの信号DDW
に基づいて同一データ転送制御信号MWを出力し、前記
読み出しデータ線に読み出されたデータと同じ論理レベ
ルの二値データを書込みデータ線に送り出す。これによ
り、選択セルに対する書き込み動作が行なわれる(前記
読み出し動作と同じ動作により再書き込みが行なわれ
る)。
作)を、前記カラムアドレスC0 、C1 、C2 、C3 、
…、Cn により選択列を変え、さらに、ロウアドレスに
より選択行を変えて繰り返す。
RAMのリフレッシュ制御方法の複数の実施例を説明す
る。 <第1実施例>第1実施例においては、選択されたメモ
リセルに対する通常のデータ書き込み動作毎に書き込み
動作の完了時点から所定の時間経過後にリフレッシュ動
作を行うようにリフレッシュ制御回路により制御を行
う。
に対して、まず、データの読み出し動作を行ない、元の
データの書き込み状況を調べる。その結果に基づいて、
反対データの書き込み動作を行なう。この時点でデータ
のインプリント状態、即ち、図2(a)または(b)の
状態を、元に戻すかまたは軽減する、即ち、図1の状態
に戻すことができる。さらに、元のデータの再書き込み
動作を行ない、一連の動作(リフレッシュ動作)を終了
する。
RAMを搭載している機器がバックアップ機能を持たな
い場合を想定し、機器の電源電圧の立ち上げ時(つま
り、FRAMの動作電源の立ち上げ時)に前記リフレッ
シュ動作を行うように前記リフレッシュ制御回路系によ
り制御を行なう。
そのまま放置される時間として最も長いのは、FRAM
を搭載している機器の電源がオフになっている時間であ
ることが多いことを考慮すると、第2実施例は有効であ
る。
RAMを搭載している機器がバックアップ機能を持たな
い場合を想定し、機器の電源電圧の立ち下げ時(つま
り、FRAMの動作電源の立ち下げ時)に前記一連の動
作(リフレッシュ動作)を行なうように前記リフレッシ
ュ制御回路により制御を行なう。
リント状態を元に戻すかまたは軽減することができ、F
RAMセルに対するデータ書き込み後にそのまま放置さ
れる時間を、次回の電源電圧の立ち上げ時までの時間以
内、即ち、最短にできるので、第3実施例は有効であ
る。
記第1実施例乃至第3実施例におけるリフレッシュ動作
に際して、前記リフレッシュ動作におけるデータ読み出
し動作と反対データ書き込み動作を、互いに相異なるパ
ルス幅のパルスをプレート線PLに印加して行なうよう
に前記リフレッシュ制御回路により制御を行なう。
記第1実施例乃至第3実施例におけるリフレッシュ動作
に際して、前記リフレッシュ動作におけるデータ読み出
し動作よりも反対データ書き込み動作を、パルス幅の長
いパルスをプレート線PLに印加して行なうように前記
リフレッシュ制御回路により制御を行なう。これによ
り、データのインプリント状態の軽減効果を高めること
ができる。
記第1実施例乃至第3実施例におけるリフレッシュ動作
に際して、前記リフレッシュ動作における反対データ書
き込み動作よりも同一データ書き込み動作を、パルス幅
の長いパルスをプレート線PLに印加して行なうように
前記リフレッシュ制御回路により制御を行なう。これに
より、データのインプリント状態の軽減効果を高めるこ
とができる。
記第1実施例乃至第3実施例におけるリフレッシュ動作
に際して、前記リフレッシュ動作におけるデータ読み出
し動作と反対データ書き込み動作を、通常のデータ書き
込み動作よりパルス幅が長いパルスをプレート線PLに
印加して行なうように前記リフレッシュ制御回路により
制御を行なう。
記第1実施例乃至第3実施例におけるリフレッシュ動作
に際して、前記リフレッシュ動作における反対データ書
き込み動作を複数回繰り返し行なうように前記リフレッ
シュ制御回路により制御を行なう。具体的には、上記し
たようなデータ読み出し後の反対データ書き込み動作に
より反対データが書き込まれた選択セルに対し通常のデ
ータ読み出し動作と同様にしてデータの読み出しおよび
再書き込み動作を行わせるように制御すればよい。これ
により、データのインプリント状態の軽減効果を高める
ことができる。
記第1実施例乃至第3実施例におけるリフレッシュ動作
に際して、前記リフレッシュ動作におけるデータ読み出
し動作と反対データ書き込み動作を、バイアス電位をか
けた状態で行なうように前記リフレッシュ制御回路によ
り制御を行なう。
み時のプレート線PLの電位VPLを、例えば図4
(b)、(c)、(d)に示すようにnV(n<0)と
3Vの間で変化させ、プレートPL線に印加されるパル
スの高さを実質的に大きくすることが望ましい。これに
より、データのインプリント状態の軽減効果を高めるこ
とができる。
実施例の形態のFRAMにおいては、前記したFRAM
セルのインプリント現象は素子のハードエラーではなく
ソフトエラーであることに着目し、リフレッシュ制御を
行うことによって、FRAMセルの動作上の問題(ソフ
トエラー)を起こさないようにしたものである。
パシタの内部電界の一時的な固定であるので、キャパシ
タの分極を反対に向けたり、何回か反転させることで消
滅させることが可能である。そのためにリフレッシュ動
作をFRAMセルに加えることにより、FRAMの長期
信頼性は飛躍的に向上する。
ックランダムアクセスメモリ(DRAM)のリフレッシ
ュ動作に比べて低くても、十分な効果が得られる。なぜ
なら、FRAMセルのインプリント状態への状態変化
は、DRAMのセルキャパシタにおけるリークによる電
荷の消失に比べて、時間にして104 倍以上のゆっくり
とした状態変化であるからである。
く、さらに、前記リフレッシュ動作による消費電力の増
大は、FRAMの通常動作時の消費電力と比較して高々
1%程度の増大にすぎず、FRAMの通常動作のみの消
費電力と比べて無視し得る程度の増大に過ぎないので、
DRAMのリフレッシュ動作のように消費電力を左右す
る動作ではない。
に適用しても十分な効果が得られる。換言すれば、本発
明を電源電圧の立ち上がり時や立ち下がり時に適用すれ
ば、バックアップ電源を持たない機器で、電源電圧がオ
フの時にリフレッシュ動作を行わなくともよい。
失われることがない。勿論、本発明をバックアップ電源
を持つ機器で、電源電圧がオフの時間にも、一定時間後
に適用すればより信頼性が高まり、FRAMの保証温
度、保証年数(通常85℃で10年保証)よりさらに向
上させることができる。
や立ち下がり時に適用する場合には、通常、パーソナル
コンピュータ等の機器のセットアップに必要な時間内に
リフレッシュ動作を行なうことができるので、機器の立
ち上げ・立ち下げ時間を左右することがない。
壊型のFRAMに限らず、以下に述べるようなデータ非
破壊型のFRAMに適用しても同様に有効である。次
に、本発明の第3の実施の形態として、データ非破壊読
み出し型のFRAMセルを行列状に配置してなるメモリ
セルアレイを備えたFRAMに本発明を適用する場合に
ついて説明する。
セル160の一例の構成と動作原理を説明するために示
す等価回路図および断面図である。このセルは、強誘電
体をゲート絶縁膜161に用いた強誘電体膜型のMFS
FET(電界効果トランジスタ)のゲート電極162と
基板163との間に電圧を印加することにより、ゲート
絶縁膜である強誘電体が分極反転し、その分極方向によ
りトランジスタのドレイン164・ソース165間のチ
ャネル領域に電子または正孔が誘起され、トランジスタ
の閾値電圧が変化する。この時、ある電圧でのドレイン
電流値(チャネル抵抗値)の大小として情報が読み出せ
る。
層が生成して、シリコン基板上でのトラップ準位を制御
できない場合があり、この場合には、図17(a)、
(b)に等価回路図および断面図を示すようなMF M
IS構造の非破壊型メモリセル170を用いることがで
きる。このセルは、基板171と強誘電体ゲート膜17
2の間にゲート酸化膜173と浮遊ゲート層174を設
けたものである。
ト電極175にワード線WLが接続され、そのドレイン
176にビット線BLが接続される。また、非破壊型メ
モリセルの基板電位を固定するウェル領域はビット線方
向に分離されるか、あるいはセルのソース177と共通
化される。
き込みは、そのゲート電極に接続されているワード線と
ウェル・ソース間に電界を印加することによって行なわ
れる。
タ読み出しは、そのゲート電極に接続されているワード
線を選択し、そのドレインに接続されているビット線に
接続された電流検出回路によりビット線に流れるセル電
流量をセンスする。
メモリセルを用いた強誘電体メモリについても、前記デ
ータ破壊読み出し型のメモリセルを用いた強誘電体メモ
リの第1実施例および第2実施例に準じてリフレッシュ
制御を行うことが可能である。
セルに対するリフレッシュ動作を導入することにより、
インプリントを抑制し、ソフトエラーの発生を防止し得
る強誘電体メモリを提供することができる。
ータ破壊型メモリセルの強誘電体キャパシタの印加電界
と分極量との関係(ヒステリシス特性)を示す図。
トした状態の一例を示す図。
明するために示す等価回路図。
し動作に際して強誘電体キャパシタのプレート電極に印
加されるプレート線印加電圧の波形を示す波形図。
ラム系を概略的に示すブロック図。
ウ系およびリフレッシュ制御回路系を概略的に示すブロ
ック図。
回路図。
して示す回路図。
具体例を示す回路図。
例を示す回路図。
示す回路図。
回路図。
回路図。
型FRAMセルを示す等価回路図。
データ非破壊型メモリセルの一例を示す回路図。
データ非破壊型メモリセルの他の例を示す回路図。
Claims (18)
- 【請求項1】 強誘電体メモリセルを行列状に配置して
なるメモリセルアレイを備えた強誘電体メモリにおい
て、 所定のタイミングに前記メモリセルアレイにおける任意
のメモリセルを選択して、当該選択セルから二値データ
を読み出すデータ読み出し動作、読み出された二値デー
タとは論理レベルが反対のデータを前記選択セルに書き
込む反対データ書き込み動作、前記読み出されたデータ
と同じ論理レベルの二値データを前記選択セルに再び書
き込む同一データ書き込み動作を一連のリフレッシュ動
作として行うように制御するリフレッシュ制御回路を具
備することを特徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項2】 請求項1記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御回路は、選択されたメモリセルに
対する通常のデータ書き込み動作毎に書き込み動作の完
了時点から所定の経過時間後に前記リフレッシュ動作を
行うように制御することを特徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項3】 請求項1記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御回路は、電源電圧の立ち上がり時
に前記リフレッシュ動作を行うように制御することを特
徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項4】 請求項1記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御回路は、電源電圧の立ち下がり時
に前記リフレッシュ動作を行うように制御することを特
徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項5】 強誘電体を電極間に用いた二値データ記
憶用のキャパシタに直列にスイッチ用トランジスタが接
続されてなる強誘電体メモリセルを行列状に配置してな
るメモリセルアレイと、 前記メモリセルアレイにおける同一行のメモリセルのス
イッチ用トランジスタのゲートに共通接続されたワード
線と、 前記メモリセルアレイにおける同一行のメモリセルのキ
ャパシタのプレート電極に共通接続されたプレート線
と、 前記メモリセルアレイにおける同一列のメモリセルのス
イッチ用トランジスタの一端に共通接続されたビット線
と、 前記ワード線を選択して駆動するロウデコーダと、 前記プレート線を選択して駆動するプレート線駆動回路
と、 前記メモリセルアレイの各カラムに対応して設けられた
センスアンプと、 前記ビット線に接続されたカラム選択ゲートと、 カラムアドレス信号をデコードして前記カラム選択ゲー
トを選択して駆動するカラムデコーダと、 所定のタイミングに、前記メモリセルアレイにおける任
意のメモリセルを選択して当該選択セルから二値データ
を読み出すデータ読み出し動作、読み出された二値デー
タとは論理レベルが反対のデータを前記選択セルに書き
込む反対データ書き込み動作、前記読み出されたデータ
と同じ論理レベルの二値データを前記選択セルに再び書
き込む同一データ書き込み動作を一連として行うリフレ
ッシュ動作を選択列を変えて繰り返すように制御するリ
フレッシュ制御回路とを具備することを特徴とする強誘
電体メモリ。 - 【請求項6】 請求項5記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御回路は、所定のタイミングに、前
記メモリセルアレイにおける任意の行および列を選択す
ることによって選択したメモリセルから二値データを読
み出すデータ読み出し動作、読み出された二値データと
は論理レベルが反対のデータを前記選択セルに書き込む
反対データ書き込み動作、前記読み出されたデータと同
じ論理レベルの二値データを前記選択セルに再び書き込
む同一データ書き込み動作を一連として順次行うリフレ
ッシュ動作を、選択列を変えて繰り返し、さらに選択行
を変えて繰り返すように制御することを特徴とする強誘
電体メモリ。 - 【請求項7】 請求項5または6記載の強誘電体メモリ
において、 前記リフレッシュ制御回路は、 外部から入力する制御信号に基づいてリフレッシュ制御
信号を発生するリフレッシュ制御信号発生回路と、 前記リフレッシュ制御信号を受けて所定のパルス信号を
生成するカウンタアドレス転送回路と、 前記パルス信号を受けてカウント動作を開始し、リフレ
ッシュアドレス信号を発生し、上記リフレッシュアドレ
ス信号のうちのロウアドレス信号を前記ロウデコーダに
供給するアドレスカウンタと、 前記カラムアドレス信号の遷移を検知するために設けら
れ、所定の制御信号により動作の可否が制御されるカラ
ムアドレス遷移検知回路と、 前記カラムアドレス遷移検知回路の検知出力信号により
動作の可否が制御され、前記カラム選択ゲートを介して
前記センスアンプとの間でデータを授受するデータ線バ
ッファと、 前記データ線バッファに接続されている読み出し・書込
みデータ線と、 前記読み出し・書込みデータ線に接続され、前記リフレ
ッシュ制御信号により動作が制御され、前記メモリセル
アレイから前記読み出し・書込みデータ線のうちの読み
出しデータ線に読み出されたセルデータを取り込み、そ
の二値レベルとは逆レベルを持つ逆データを前記読み出
し・書込みデータ線のうちの書込みデータ線に転送する
逆データ転送回路と、 前記読み出し・書込みデータ線に接続され、前記逆デー
タ転送回路の動作に続いて動作が制御され、前記逆デー
タの二値レベルとは逆レベルを持つ元データを前記読み
出し・書込みデータ線のうちの書込みデータ線に転送す
る元データ転送回路とを具備することを特徴とする強誘
電体メモリ。 - 【請求項8】 請求項7記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御信号発生回路は、書込み動作を許
可するための制御信号入力/WEに基づいて生成される
内部信号およびチップの動作を許可するための制御信号
入力/CEに基づいて生成される内部信号を受け、それ
らの内部信号が所定の順序で活性化した場合に前記リフ
レッシュ制御信号を発生することを特徴とする強誘電体
メモリ。 - 【請求項9】 請求項5記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御回路は、外部制御信号に基づいた
タイミングで前記リフレッシュ動作を行うように制御す
ることを特徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項10】 請求項5記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御回路は、選択されたメモリセルに
対する通常のデータ書き込み動作毎に書き込み動作の完
了時点から所定の経過時間後に前記リフレッシュ動作を
行うように制御することを特徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項11】 請求項5記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御回路は、電源電圧の立ち上がり時
に前記リフレッシュ動作を行うように制御することを特
徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項12】 請求項5記載の強誘電体メモリにおい
て、 前記リフレッシュ制御回路は、電源電圧の立ち下がり時
に前記リフレッシュ動作を行うように制御することを特
徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項13】 請求項9乃至12のいずれか1項に記
載の強誘電体メモリにおいて、 前記リフレッシュ動作におけるデータ読み出し動作と反
対データ書き込み動作を互いに相異なるパルス幅のパル
スを前記プレート線に印加して行なうことを特徴をする
強誘電体メモリ。 - 【請求項14】 請求項13記載の強誘電体メモリにお
いて、 前記リフレッシュ動作におけるデータ読み出し動作より
も反対データ書き込み動作を、パルス幅の長いパルスを
前記プレート線に印加して行なうことを特徴とする強誘
電体メモリ。 - 【請求項15】 請求項9乃至12のいずれか1項に記
載の強誘電体メモリにおいて、 前記リフレッシュ動作における反対データ書き込み動作
よりも同一データ書き込み動作を、パルス幅の長いパル
スを前記プレート線に印加して行なうことを特徴をする
強誘電体メモリ。 - 【請求項16】 請求項9乃至12のいずれか1項に記
載の強誘電体メモリにおいて、 前記リフレッシュ動作におけるデータ読み出し動作と反
対データ書き込み動作を、通常のデータ書き込み動作よ
りパルス幅の長いパルスを前記プレート線に印加して行
なうことを特徴をする強誘電体メモリ。 - 【請求項17】 請求項9乃至12のいずれか1項に記
載の強誘電体メモリにおいて、 前記リフレッシュ動作における反対データ書き込み動作
を複数回繰り返し行なうことを特徴とする強誘電体メモ
リ。 - 【請求項18】 請求項9乃至12のいずれか1項に記
載の強誘電体メモリにおいて、 前記リフレッシュ動作におけるデータ読み出し動作と反
対データ書き込み動作を、バイアス電位をかけた状態で
行なうことを特徴とする強誘電体メモリ。
Priority Applications (1)
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