JP2000293989A - 強誘電体容量を用いたシャドーramセル及び不揮発性メモリ装置並びにその制御方法 - Google Patents

強誘電体容量を用いたシャドーramセル及び不揮発性メモリ装置並びにその制御方法

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JP2000293989A
JP2000293989A JP11099534A JP9953499A JP2000293989A JP 2000293989 A JP2000293989 A JP 2000293989A JP 11099534 A JP11099534 A JP 11099534A JP 9953499 A JP9953499 A JP 9953499A JP 2000293989 A JP2000293989 A JP 2000293989A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強誘電体容量を用いたシャドーRAMにおい
て、メモリセル構成素子数を削減し大規模化を可能と
し、また強誘電体容量に、電圧降下のない電源電圧その
ままをかけて書き込みを行えるようにする。 【解決手段】 6つのトランジスタで構成する一般的な
SRAMセルの記憶ノードM0,M1の各々に直接強誘
電体F0,F1を接続する。これにより、1セル当たり
2つのトランジスタが削減でき、従来のSRAM並みの
大容量化が可能となる。また、トランジスタによる電圧
低下がなので電源電圧をそのまま強誘電体容量に印加し
書き込みが行える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は強誘電体容量を用い
たシャドーRAM(Random Access Memory)セル及び不
揮発性メモリ装置並びにその制御方法に関し、特にSR
AM(Static RAM)セルに強誘電体容量を付加したメモ
リセルを備え、給電時においてはSRAMセルで高速の
読み出し・書き込み動作を行い、非給電時においては強
誘電体容量で不揮発性の記憶を行うシャドーRAMに関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、強誘電体容量とSRAMセル
を組み合わせたシャドーRAMは数多く提案されてい
る。これらのシャドーRAMは、給電時はSRAMセル
で情報を記憶し、通常のSRAM並みの高速な読み出し
・書き込みを行うことができる。さらに、電源遮断前に
ストア動作にてSRAMセルで記憶する情報を強誘電体
容量の分極方向に移し替えることにより、非給電時には
不揮発性の記憶を実現する。つまり強誘電体容量を用い
たシャドーRAMは、強誘電体メモリの不揮発性と、S
RAMの高速動作の2つの特長をあわせ持つ記憶装置で
ある。
【0003】例えば、特開平4−57291号公報に記
載されている強誘電体容量を用いたシャドーRAMのメ
モリセルの構成は、図7に示すような構成である。2つ
のインバータ(論理反転素子)1,2は、互いの入力と
出力とが接続されることによりフリップフロップ(F/
F)3を構成する。このフリップフロップ3の2つの記
憶ノードQ0及びQ1は、夫々トランスファゲートとし
て機能するNMOSトランジスタM0及びM1を介して
負ビット線BLN及び正ビット線BLTの夫々に接続さ
れる。これ等2本の正負ビット線は対をなし、その一端
には正負のビット線の電圧を比較するセンスアンプ(図
示せず)が接続される。
【0004】更に、書き込み時にいずれかのビット線を
選択的に接地電位に接続する書き込み回路(図示せず)
と、ビット線を電源電位あるいは接地電位にプリチャー
ジするプリチャージ回路(図示せず)もビット線に接続
される。NMOSトランジスタM0及びM1のゲート電
極は共通のワード線WLに接続される。ワード線WL
は、アドレス信号に従ってアクセス対象となる1本のワ
ード線を選択的に駆動するデコーダ回路(図示せず)に
接続される。一端が共通のプレート線PLに接続された
強誘電体容量F0及びF1が設けられており、その他端
N0及びN1はトランスファゲートとして機能するNM
OSトランジスタM2及びM3を介して記憶ノードQ0
及びQ1に夫々接続される。
【0005】トランジスタM2及びM3のゲート電極は
共通にコントロールラインCLに接続される。コントロ
ールラインCLは、強誘電体容量F0及びF1に対して
アクセスするストア動作時及びリコール動作時にのみハ
イレベルとなり、フリップフロップ3と強誘電体容量F
0及びF1とを夫々接続する。それ以外の給電時には、
ローレベルとなりフリップフロップ3と強誘電体容量と
を電気的に切り離す。また、プレートラインPLはコン
トロールラインCLがローレベルの間、同じくローレベ
ルを保つ。
【0006】次に、この従来の強誘電体容量を用いたシ
ャドーRAMの動作を説明する。なお、フリップフロッ
プ3に対する情報の書き込み及び読み出しは、従来の一
般的なSRAMと同様であることは明白である。読み出
し・書き込み共に行わないアイドリング時には、ビット
線をハイレベルにプリチャージし、全てのワード線を立
ち下げ、書き込み回路を停止することにより、フリップ
フロップ3内の情報を保持する。
【0007】フリップフロップ3に情報を書き込むに
は、アドレスデコーダで適当なワード線WLを立ち上
げ、同時に書き込み回路を駆動し、書き込むデータに従
って対をなすビット線BLT及びBLNの一方をローレ
ベルとする。ワード線WLが立ち上がると、MOSトラ
ンジスタM0及びM1はオンとなる。書き込み回路の駆
動能力はインバータ1及び2のそれより十分大きいた
め、書き込み回路にてローレベルに引き降ろされるビッ
ト線にMOSトランジスタを介して接続される記憶ノー
ドは接地電位に引き下ろされる。同時にもう一方の記憶
ノードは電源電圧に引き上げられ、フリップフロップ3
が安定する。
【0008】また、フリップフロップ3からのデータの
読み出しは、ビット線対をハイレベルにプリチャージし
た後に、適当なワード線を選択しビット線対上に現れる
電位差をセンスアンプで増幅することにより行う。ワー
ド線WLを立ち上げることにより、ローレベルの記憶ノ
ードとビット線とを接続するMOSトランジスタがオン
し、このビット線の電圧が下がりはじめる。他方のビッ
ト線はMOSトランジスタがオンしないため、ハイレベ
ルを維持する。センスアンプにて対をなすビット線の電
位差を判定することによりフリップフロップで記憶する
情報が読み出せる。
【0009】次に、図8,9を用いてストア動作につい
て説明する。尚、図8は強誘電体容量F0及びF1のQ
−V平面上におけるヒステリシス特性を示し、図9はス
トア動作の各部波形のタイミングチャートである。電源
遮断時にはフリップフロップ3で記憶するデータを強誘
電体容量F0及びF1の分極方向に移し替える。この動
作をストアと呼ぶ。ストアは電源電圧の低下、または電
源遮断の前に入力されるストア信号をきっかけにして起
動される。ストアは以下の手順で行われる。
【0010】先ず、コントロールラインCLがハイレベ
ルとなり、フリップフロップ3と強誘電体容量F0及び
F1を電気的に接続する。この時プレートラインPLは
ローレベルであり、フリップフロップ3で記憶するデー
タに従い、0Vの記憶ノードに接続される強誘電体容量
の一方には0V、他方電源電圧(Vcc)の記憶ノードに
接続される側には(Vcc−Vt )の電圧が印加される。
ここで、Vt はMOSトランジスタM2及びM3のしき
い値電圧であり、コントロールラインCLにVccが印加
されたとき、容量にかかる電圧は(Vcc−Vt )とな
る。
【0011】強誘電体容量F0及びF1に夫々印加され
る電圧Vc0及びVc1は、プレート線PLに接続される端
子の電位を基準として、MOSトランジスタM2及びM
3に接続される側の端子との電位差と定義されるものと
する。電圧(Vcc−Vt )が印加された強誘電体容量は
図8に示すヒステリシスループの点A’に移動する。
【0012】次に、プレート線PLをVccに立ち上げ
る。このとき、先に電圧(Vcc−Vt)が印加された強
誘電体容量にかかる電圧は両端ともVccとなる。これは
トランジスタM2またはM3がオフし、強誘電体容量に
よる容量結合のため、プレート線PLの電位上昇と共に
トランジスタ側の電位も上昇するためである。よって、
この強誘電体容量にかかる電圧は0Vとなり、正の残留
分極を保持する(点B’)。他方の強誘電体容量は−V
ccが印加され、図8に示すヒステリシスループの点Cに
移動する。
【0013】最後に、コントロールラインCL及びプレ
ート線PLを立ち下げ、その後、電源を遮断する。電源
遮断後は各ノードが接地電位に収束する。よって最終的
に、点Cにいた強誘電体容量は点Dに移動し、負の残留
分極を保持する。強誘電体容量は電圧が印加されていな
い状態で残留分極を10年以上保持できるため、この従
来の強誘電体容量を用いたシャドーRAMは不揮発性の
記憶を行うことができる。
【0014】次に、リコール動作について図10の各部
タイミングチャートを用いて説明する。電源投入時に
は、強誘電体容量で保持するデータをフリップフロップ
3に移し替える。この動作をリコール動作という。電源
投入時には、コントロールラインCLをローレベルに固
定し、強誘電体容量の残留分極を保持する。電源が安定
した後、リコール動作を開始する。先ず、ビット線を接
地電位にプリチャージした後に、更にワード線WL、コ
ントロールラインCLを立ち上げる。その後、プレート
線PLを立ち上げ強誘電体容量に負の電圧を印加する。
このとき図8の点B’にあった一方の強誘電体容量は分
極反転に伴い電荷を放出し、他方点Dにあった強誘電体
容量は分極反転を起こさないため、より少ない電荷を放
出する。結果として、記憶ノードQ0及びQ1のうち、
分極反転を起こす強誘電体に接続された側は他方より高
い電圧を示す。
【0015】記憶ノードQ0及びQ1に現れた電位差は
ビット線端に接続されるセンスアンプで増幅され、書き
込み回路を通してフリップフロップ3に書き戻される。
最後にコントロールラインCL、ワード線WL、プレー
ト線PLを立ち下げ、更にプリチャージ回路をディセー
ブルして一連の動作を完了する。これをメモリセルアレ
イ内の全てのワード線に対して繰り返し行い、全てのメ
モリセルに対してリコールを行う。
【0016】また、第2の従来例である特開平1−66
899号公報の技術では、第1の従来例と同じ構成で、
異なったリコール動作を行うので、図11のタイミング
チャートを参照してこれを説明する。第2の従来例で
は、最初にフリップフロップ3の電源電位を接地電位に
落とし、更にワード線WLをハイレベルとしビット線に
つながるプリチャージ回路を利用して記憶ノードも接地
する。次に、コントロールラインCLをハイレベルとし
て強誘電体容量をフリップフロップ3に接続する。
【0017】次に、ワード線WLをローレベルとしビッ
ト線と記憶ノードとを切り離す。その後、プレート線P
Lをハイレベルに立ち上げる。すると、2つの強誘電体
容量の分極方向に従って記憶ノードに電位差が生じる。
この後、フリップフロップ3の電源電位を所定の動作電
位に引き上げ記憶ノードの電位差を増幅保持する。最後
に、コントロールラインCLとプレート線PLとを立ち
下げアイドリング状態とする。
【0018】以上に示した様に、第1及び第2の従来の
強誘電体容量を用いたシャドーRAMでは、フリップフ
ロップ3の記憶データが電源遮断・投入を経ても保存さ
れることになり、よって不揮発性メモリとして動作す
る。しかも、データの読み出し書き込みは、フリップフ
ロップ3とMOSトランジスタM0及びM1とが通常の
SRAMのセルと同様に機能するため、通常のSRAM
と同じ様に行うことが可能である。
【0019】強誘電体容量を用いた不揮発性メモリとし
て、特開昭63−201998号公報に見られる様なメ
モリセルを、1つのトランジスタと1つの強誘電体容
量、あるいは2つのトランジスタと2つの強誘電体容量
で構成するものが知られている。これらは給電時、非給
電時に関わらず強誘電体容量の分極方向によって情報を
記憶する。また読み出しが破壊読出しとなるため、読み
出しに引き続いて書き込みを行う。そのため強誘電体容
量のアクセス回数が非常に多く、現状の製造技術では長
時間使用後の信頼性は必ずしも十分に確保できていな
い。一方、強誘電体容量を用いたシャドーRAMでは、
強誘電体容量に対するアクセスはストア時とリコール時
にのみ行われ、比較的性能の劣る強誘電体容量であって
も、製品として十分な信頼性を確保できる。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】第1及び第2の従来例
の強誘電体容量を用いたシャドーRAMでは、二つの問
題点がある。第一の問題点は、1つのメモリセルを構成
するトランジスタ数が8個と通常のSRAMセル(トラ
ンジスタ6個)に比べ多くセルサイズの拡大が避けられ
ないため大容量化には適していない点である。
【0021】また、第二の問題点は、電源遮断時に強誘
電体容量に情報を書き込む際に、容量に電源電圧より低
い電圧しか印加できないということである。これは、強
誘電体容量に印加される電圧が(電源電圧−M2,M3
のしきい値電圧)に制限されるためである。ストア時に
強誘電体に印加する電圧が低くなると強誘電体を十分に
分極させることができず、電源再投入時に情報を復元で
きない可能性がでてくる。特に、近年のCMOSプロセ
スの微細化の傾向では、電源電圧(Vcc)の低下に比べ
しきい値電圧(Vt )の低下の程度が小さく、ストアの
電圧が(Vcc−Vt )となることは今後一層問題になる
と思われる。
【0022】また、電源電圧を電圧降下なしにそのまま
印加しようとすると、電源電圧よりVt 分だけ高い電圧
をコントロールラインCLにかける必要がある。高電圧
を用いるには第一にそれを発生する手段が必要であり、
第二に高電圧に耐える素子及び回路を用いることが必要
となる。特にこの高電圧に耐えるトランジスタの開発は
先端CMOSの微細化の阻害要因となり不都合が大き
い。
【0023】また、これら2つの問題点の他に第1の従
来例では、リコール動作が繰り返し動作となるため、動
作時間が長くなり、また、繰り返し動作を制御する比較
的大規模な制御回路が必要になるという問題がある。つ
まり、第1の従来例では、リコール動作においてセンス
アンプ及び書き込み回路を用いるため、一度にリコール
できるビット数がセンスアンプ及び書き込み回路の数の
みとなり、メモリセル全てにおいてリコールを行うには
少なくともワード線の本数分のリコール動作を繰り返す
こととなるためである。
【0024】本発明の目的は、メモリセルを構成するト
ランジスタ数を削減してSRAM並みの大容量化を実現
可能な強誘電体容量を用いたシャドーRAMセル及び不
揮発性メモリ装置並びにその制御方法を提供することで
ある。
【0025】本発明の他の目的は、高い信頼性を保ちつ
つ電源電圧より高い電圧を不要とすることにより、高電
圧が不要な論理回路とのプロセス親和性を高めることが
可能な強誘電体容量を用いたシャドーRAMセル及び不
揮発性メモリ装置並びにその制御方法を提供することで
ある。
【0026】本発明の更に他の目的は、全てのメモリセ
ルにて同時にリコール動作を行うことにより、動作時間
の短縮、制御回路の簡単化を図ることが可能な強誘電体
容量を用いたシャドーRAMセル及び不揮発性メモリ装
置並びにその制御方法を提供することである。
【0027】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、一対の
記憶ノードを有するフリップフロップと、共通ワード線
によりオンオフ制御されて前記一対の記憶ノードを一対
のビット線に接続制御する一対のスイッチング素子と、
前記一対の記憶ノードに一端が直接接続され他端がプレ
ート線に接続された一対の強誘電体容量素子とを含むこ
とを特徴とするメモリセルが得られる。
【0028】そして、前記フリップフロップは、互いの
入力と出力とが前記一対の記憶ノードにおいて夫々接続
された一対の論理反転素子からなることを特徴とし、ま
た前記一対の論理反転素子の各々は2つのトランジスタ
にて構成され、前記一対のスイッチング素子の各々は1
つのトランジスタにて構成され、計6つのトランジスタ
と前記一対の強誘電体容量素子とからなることを特徴と
する。また、前記一対の論理反転素子の各々は少なくと
も1つのトランジスタにて構成され、前記一対のスイッ
チング素子の各々は1つのトランジスタにて構成され、
計少なくとも4つのトランジスタと前記一対の強誘電体
容量素子とからなることを特徴とする。
【0029】更に、ストア動作時において、前記一対の
スイッチング素子をオフ状態に維持しつつ前記プレート
線を接地電位と電源電位との間でスイングするように
し、リコール動作時において、前記一対のスイッチング
素子をオフ状態に、また前記プレート線を接地電位に夫
々維持しつつ前記フリップフロップの電源を接地電位か
ら規定の動作電源電位まで引き上げることを特徴とす
る。
【0030】更にはまた、ストア動作時及びリコール動
作時以外の給電時において、前記プレート線の電位を接
地電位と電源電位との間の所定電位に設定し、この所定
電位は前記電源電位の約1/2であることを特徴とす
る。そして、前記ストア動作時において、前記プレート
線の電位を前記所定電位から前記電源電位、接地電位の
順に、または接地電位、前記電源電位の順に変化させる
ようにしたことを特徴とする。
【0031】更に、前記ストア動作時及びリコール動作
時以外の給電時において、前記一対の強誘電体容量素子
の各々の両端に印加される電位差(前記所定電位−接地
電位)及び(前記電源電位−前記所定電位)が、この強
誘電体容量素子の抗電圧より小であることを特徴とす
る。
【0032】本発明によれば、上述したメモリセルを、
前記一対のビット線と前記ワード線との各交点にマトリ
ックス状に配置してなることを特徴とする不揮発性半導
体メモリ装置が得られる。そして、前記メモリセルの全
てにおいて、前記プレート線を共通に接続したことを特
徴とし、またこの共通接続されたプレート線を駆動する
プレート線駆動回路を含むことを特徴とする。
【0033】そして、前記プレート線駆動回路は、スト
ア動作時において、前記共通接続されたプレート線を接
地電位と電源電位との間の所定電位から、前記電源電
位、接地電位の順に、または接地電位、前記電源電位の
順に変化させるようにし、また前記プレート線に接続さ
れる全てのメモリセルに対して前記ストア動作を一括し
て行うことを特徴とする。更に、前記プレート線駆動回
路は、ストア動作時及びリコール動作時以外の給電時に
おいて、前記共通接続されたプレート線の電位を接地電
位と電源電位との間の所定電位に設定することを特徴と
し、また、ストア動作時及びリコール動作時以外の給電
時において、前記一対の強誘電体容量素子の各々の両端
に印加される電位差(前記所定電位−接地電位)及び
(前記電源電位−前記所定電位)を、この強誘電体容量
素子の抗電圧より小に設定することを特徴とする。
【0034】本発明によれば、一対の記憶ノードを有す
るフリップフロップと、共通ワード線によりオンオフ制
御されて前記一対の記憶ノードを一対のビット線に接続
制御する一対のスイッチング素子と、前記一対の記憶ノ
ードに一端が直接接続され他端がプレート線に接続され
た一対の強誘電体容量素子とを含むメモリセルの制御方
法であって、ストア動作時において、前記一対のスイッ
チング素子をオフ状態に維持しつつ前記プレート線を接
地電位と電源電位との間でスイングするようにしたこと
を特徴とする制御方法が得られる。
【0035】そして、リコール動作時において、前記一
対のスイッチング素子をオフ状態に、また前記プレート
線を接地電位に夫々維持しつつ前記フリップフロップの
電源を接地電位から規定の動作電源電位まで引き上げ、
ストア動作時及びリコール動作時以外の給電時におい
て、前記プレート線の電位を接地電位と電源電位との間
の所定電位に設定することを特徴とする。
【0036】また、前記ストア動作時において、前記プ
レート線の電位を前記所定電位から前記電源電位、接地
電位の順に、または接地電位、前記電源電位の順に変化
させるようにし、前記ストア動作時及びリコール動作時
以外の給電時において、前記一対の強誘電体容量素子の
各々の両端に印加される電位差(前記所定電位−接地電
位)及び(前記電源電位−前記所定電位)を、この強誘
電体容量素子の抗電圧より小としたことを特徴とする。
【0037】本発明の作用を述べる。本発明のシャドー
RAMでは、トランスファゲートを介さずにフリップフ
ロップの記憶ノードに強誘電体容量を直接に接続する構
成とする。このために、本発明のシャドーRAMセル
は、第1及び第2の従来のシャドーRAMセルに比べ2
つ少ない6つのトランジスタで構成でき、従来の6トラ
ンジスタSRAM並みの大容量が実現可能となる。ま
た、このため従来例とは異なったリコール動作を行う。
【0038】本発明のシャドーRAMでは、ストア及び
リコール動作時以外の給電時には従来のものと同じく読
み出し、書き込みを行う。ストア動作時にはプレート線
を一旦電源電圧に引き上げその後0Vに引き降ろすこと
により、強誘電体容量に適当な書き込みパルスを印加す
る。リコール動作時にはプレート線を接地電位に固定し
たまま、電源電位を単に上昇することのみにより、強誘
電体容量に電圧をかけ、分極方向の違いに伴う容量特性
の変化をメモリセル内のフリップフロップで増幅しデー
タを復旧する。第1の従来例と異なりメモリセル外のセ
ンスアンプ、書き込み回路の助けを借りずにデータを復
旧するためプレート線は複数のワード線に接続するメモ
リセルで共有できる。
【0039】また、本発明のシャドーRAMでは、セン
スアンプ及び書き込み回路を用いずにリコール動作が行
える。このためすべてのメモリセルにおいて同時にリコ
ール動作が可能であり、全メモリセルがリコール動作に
要する時間の短縮や、制御回路の簡単化が可能である。
更に、強誘電体容量を接地電位あるいは電源電圧のどち
らかを示すフリップフロップの記憶ノードに直接接続す
るため、高電圧回路無しに強誘電体容量に電源電圧の書
き込みパルスを印加することが可能である。
【0040】更にはまた、本発明のシャドーRAMで
は、リコール、ストア動作以外の給電時にはプレート線
を電源電位と接地電位の中間の電位に設定して強誘電体
容量にかかる電圧を電源電圧の1/2に緩和し、容量の
劣化を防ぐことができる。
【0041】以上に述べた様に、本発明の強誘電体容量
を用いたシャドーRAMは、SRAMセルの内部ノード
に直接に強誘電体容量を接続したシャドーRAMセルを
用いることにより、従来のシャドーRAMに比べチップ
面積を削減することが可能となる。また、センスアンプ
及び書き込み回路を用いずにリコール動作及びストア動
作を行えるため、全メモリセル同時にリコール、ストア
を行うことができる。よって、シャドーRAM全体がリ
コール及びストアに要する時間を短縮できる。同時に、
これらの動作の制御を行う制御回路は、繰り返しを行う
必要がないため第1の従来例の制御回路に比べ小規模に
て実現可能である。
【0042】また、強誘電体容量に情報を書き込む際
に、電源電圧より高い電圧あるいは負電圧を用いること
なく強誘電体容量に電源電圧の書き込みパルスを印加す
ることが可能である。このため、高電圧あるいは負電圧
を用いて電源電圧を強誘電体容量に印加する従来のシャ
ドーRAMに比べると、回路規模の削減、チップ面積の
削減、更には1チップ中に混載する高電圧を用いない論
理回路等とのプロセス親和性の向上が見込める。
【0043】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照しつつ本発明
の実施の形態につき説明する。図1は本発明における強
誘電体容量を用いたシャドーRAMの実施例を示す図で
あり、図7と同等部分は同一符号にて示している。図7
に示した従来のシャドーRAMと同様に、2つのインバ
ータ(論理反転素子)1,2は互いの入力と出力とが接
続されてフリップフロップ3を構成する。フリップフロ
ップ3の2つの記憶ノードQ0及びQ1は、夫々トラン
スファゲートとして機能するNMOSトランジスタM0
及びM1を介して負ビット線BLN及び正ビット線BL
Tに夫々接続される。
【0044】正負のビット線は対をなし、その一端には
正負のビット線の電圧を比較するセンスアンプ(図示せ
ず)が接続される。更に、書き込み時にいずれかのビッ
ト線を選択的に接地電位に接続する書き込み回路(図示
せず)及びビット線を電源電圧にプリチャージするプリ
チャージ回路(図示せず)もビット線に接続される。N
MOSトランジスタM0及びM1のゲート電極は共通の
ワード線WLに接続される。ワード線WLは、アドレス
信号に従ってアクセス対象となる1本のワード線を選択
的に駆動するデコーダ回路(図示せず)に接続される。
【0045】一端が共通のプレート線PLに接続された
強誘電体容量F0及びF1は、直接に記憶ノードQ0及
びQ1に夫々接続される。プレート線PLはプレート
(PL)線駆動回路4に接続される。構成上、従来のS
RAMと異なる点は、メモリセル内に2つの強誘電体容
量F0及びF1が追加された点と、強誘電体容量の一端
に接続されるプレート線PL及びこれを駆動するPL線
駆動回路4とが追加された点のみである。すなわち、図
7の従来のシャドーRAMと比較すると、本発明のシャ
ドーRAMでは、記憶ノードQ0及びQ1と強誘電体容
量F0及びF1との間のMOSトランジスタM2及びM
3が省略された構成である。
【0046】次に、この発明の実施例の強誘電体容量を
用いたシャドーRAMの動作を説明する。ストア動作時
及びリコール動作時以外の給電時に、プレート線は電源
電圧(Vcc)の約2分の1に設定される。このため、強
誘電体容量にかかる電圧は約Vcc/2または−Vcc/2
となる。給電時に行われるデータの読み出し及び書き込
み動作は、従来のシャドーRAMと同じく、従来の一般
的なSRAMと同様に行われるで説明を省略する。
【0047】次に、ストア動作について図2、3を参照
して説明する。尚、図2は図1の強誘電体容量F0及び
F1のQ−V平面上におけるヒステリシス特性を示して
おり、図3はストア動作時の各部タイミングチャートで
ある。本発明のシャドーRAMでも、従来例と同様に、
電源遮断時にフリップフロップ3の記憶データを強誘電
体容量F0及びF1の残留分極の方向に移し替えるスト
アを行う。このストア動作はワード線WLをローレベル
に保ったまま、プレート線PLをVcc/2からVcc、更
に0Vへと駆動することにより行われる(尚、図3の最
下行に示す様に、プレート線PLをVcc/2から0V、
更にVccへと駆動しても良いものである)。
【0048】プレート線PLをVcc/2からVccに引き
上げることにより、電源電圧を保持する記憶ノードに接
続される強誘電体容量には0V、接地電位を保持する記
憶ノードに接続される強誘電体容量には−Vccが印加さ
れる。−Vccが印加された強誘電体容量は図2の点Cに
移動する。その後プレート線PLを0Vに引き下げる
と、電源電圧を保持する記憶ノードに接続される強誘電
体容量にはVcc、接地電位を保持する記憶ノードに接続
される強誘電体容量には0Vが印加される。Vccが印加
された強誘電体容量は図2の点Aに移動する。
【0049】最終的に電源を遮断し全てのノードが接地
電位にディスチャージされると、電源電圧を保持してい
た記憶ノードに接続される強誘電体容量は図2の点Bで
残留分極Pr を、他方、接地電位を保持していた記憶ノ
ード側の強誘電体容量は点Dで残留分極−Pr を夫々保
持する。従来例と同じく、強誘電体は電源が供給されな
い状態で記憶を残留分極として保持するため、本発明の
シャドーRAMは不揮発性メモリとして動作する。
【0050】次に、電源投入時のリコール動作につい
て、図4のタイミングチャートを参照して説明する。電
源投入時には、ワード線WL及びプレート線PLをロー
レベルに保ったまま、フリップフロップ3の電源を立ち
上げることのみにより、強誘電体容量が残留分極として
記憶するデータをフリップフロップ3に再生することが
可能である。フリップフロップ3の電源が上昇を始める
と、記憶ノードの電位もインバータ1,2を構成するM
OSトランジスタのカップリングにより上昇する。これ
により強誘電体容量にかかる電圧は0Vから正側に大き
くなっていく。
【0051】正の残留分極を図2の点Bで保持する強誘
電体容量は、負の残留分極を点Dで保持する容量に比
べ、小さい容量として働く。これはQ−V平面上に描く
軌跡の傾きがBからAに向かうとき(矢印Y1)と、D
からAに向かうとき(矢印Y2)とを比較すると、Bか
らAに向かうときの方が緩やかになることより明らかで
ある。すなわち、前者の容量(より小さい容量)が接続
される記憶ノードが他方に比べ比較的速く上昇すること
になる。
【0052】更に電源電圧が上昇を続け、記憶ノードの
一方がインバータ1,2を構成するトランジスタのしき
い値電圧を超えると、フリップフロップ3に正のフィー
ドバックがかかり記憶ノードの電圧の高低を増幅する。
最終的には、点Bで保持していた記憶ノードはVccとな
り、点Dで保持していた記憶ノードはGNDとなる。最
後にプレート線をVcc/2に設定しアイドル状態とな
る。結果として、電源遮断前にVccを保持する強誘電体
容量は点Bでデータを保持し、電源再投入後にVccを再
び保持する。同じ様に、電源遮断前に0Vを保持する強
誘電体容量は点Dでデータを保持し、電源再投入後も0
Vを保持する。
【0053】以上に示した様に、本発明の強誘電体容量
は、フリップフロップ3が記憶するデータが電源遮断・
再投入を経ても保存される不揮発性メモリとして動作す
る。しかも、データの読み出し書き込みは、従来のシャ
ドーRAMと同様に、通常のSRAMと同じように行う
ことができる。
【0054】以上に説明した様に、本発明のシャドーR
AMでは、リコール時にセンスアンプ、書き込み回路を
用いない。このため全メモリセル一括でのリコール動作
が可能であり、リコール時間の短縮、制御回路の簡単化
が可能である。同様の理由で本発明のシャドーRAMで
は、プレート線を全メモリセルで共通の配線とすること
が可能である。これにより、プレート線駆動回路の数を
減らし、回路面積を削減できる。
【0055】本発明のシャドーRAMでは、プレート線
PLを通常時にはVccと0Vとの間の所定電位(好まし
くは、約Vcc/2)にすることにより、強誘電体容量に
かかる電圧を約Vcc/2に緩和することができる。強誘
電体容量の組成、膜厚、構造を最適化することにより、
本発明では、図2のヒステリシス特性の様に、通常時に
強誘電体容量にかかる電圧であるVcc/2を抗電圧Vc
よりも低くすることができるので、ストア時、リコール
時以外の通常時には強誘電体容量の分極は変化せず、よ
って分極反転回数に伴う疲労劣化(図5にその疲労劣化
に起因するヒステリシス特性の劣化状態の例を示す)は
避けられることになり、特に問題はない。
【0056】尚、図1に示したSRAMセルを構成する
フリップフロップ3は、図6(A)に示す様に、CMO
Sインバータ構成とされた、NチャネルMOSトランジ
スタM00,M01とPチャネルMOSトランジスタM01,
M02とからなるものであり、トランスファゲート用MO
SトランジスタM0,M1と併せて、1セル当り合計6
トランジスタからなっている。しかしながら、図6
(B)に示した様に、高抵抗R1,R2をNチャネルM
OSトランジスタM00,M01の負荷として使用した、高
抵抗4トランジスタのメモリセル(1セル当り合計4ト
ランジスタのモメリセル)にも本発明は適用できるもの
である。また、本発明による図1の構成のメモリセル
は、いわゆるテンポラリメモリ(一時記憶メモリ)とし
ても使用できることは勿論である。
【0057】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
記憶ノードと強誘電体容量の間からMOSトランジスタ
を排除することにより、従来のシャドーRAMよりも少
ない6つ(または4つ)のトランジスタでメモリセルを
構成でき、かつMOSトランジスタによる電圧の低下が
なくなって強誘電体容量に電源電圧をそのまま印加で
き、これにより非給電時の記憶保持の信頼性を高められ
るという効果がある。また、本発明によれば、全メモリ
セルでストア動作やリコール動作を一括して行えるた
め、動作時間の短縮、制御回路の簡単化が可能になると
いう効果もある。
【0058】尚、通常の給電時においてプレート線を約
Vcc/2として、強誘電体容量にかかる電界を緩和して
いるので、強誘電体容量に電圧がかからない従来のシャ
ドーRAMに比較すると、容量の劣化が心配となるが、
上述した様に約Vcc/2が分極に影響を与えないところ
の、抗電圧より小さい値であれば、劣化はほとんど無視
できるレベルに抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す回路図である。
【図2】本発明における強誘電体容量のQ−V平面上の
ヒステリシス特性を示す図である。
【図3】本発明のストア動作時のタイミングチャートで
ある。
【図4】本発明のリコール動作時のタイミングチャート
である。
【図5】強誘電体容量の分極反転回数に伴う疲労劣化を
説明するための図である。
【図6】(A)はSRAMセルを構成するフリップフロ
ップの回路図一例を示し、(B)はその他の例を示す図
である。
【図7】従来の強誘電体容量を用いたシャドーRAMの
例を示す図である。
【図8】図7の強誘電体容量のQ−V平面上のヒステリ
シス特性を示す図である。
【図9】図7のストア動作時のタイミングチャートであ
る。
【図10】図7のリコール動作時のタイミングチャート
の一例を示す図である。
【図11】図7のリコール動作時のタイミングチャート
の他の例を示す図である。
【符号の説明】
1,2 インバータ 3 フリップフロップ 4 PL線駆動回路 BLN,BLT ビット線対 F0,F1 強誘電体容量 Q0,Q1 記憶ノード M0,M1 MOSトランジスタ PL プレート線 WL ワード線

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の記憶ノードを有するフリップフロ
    ップと、共通ワード線によりオンオフ制御されて前記一
    対の記憶ノードを一対のビット線に接続制御する一対の
    スイッチング素子と、前記一対の記憶ノードに一端が直
    接接続され他端がプレート線に接続された一対の強誘電
    体容量素子とを含むことを特徴とするメモリセル。
  2. 【請求項2】 前記フリップフロップは、互いの入力と
    出力とが前記一対の記憶ノードにおいて夫々接続された
    一対の論理反転素子からなることを特徴とする請求項1
    記載のメモリセル。
  3. 【請求項3】 前記一対の論理反転素子の各々は2つの
    トランジスタにて構成され、前記一対のスイッチング素
    子の各々は1つのトランジスタにて構成され、計6つの
    トランジスタと前記一対の強誘電体容量素子とからなる
    ことを特徴とする請求項2記載のメモリセル。
  4. 【請求項4】 前記一対の論理反転素子の各々は少なく
    とも1つのトランジスタにて構成され、前記一対のスイ
    ッチング素子の各々は1つのトランジスタにて構成さ
    れ、計少なくとも4つのトランジスタと前記一対の強誘
    電体容量素子とからなることを特徴とする請求項2記載
    のメモリセル。
  5. 【請求項5】 ストア動作時において、前記一対のスイ
    ッチング素子をオフ状態に維持しつつ前記プレート線を
    接地電位と電源電位との間でスイングするようにしたこ
    とを特徴とする請求項1〜4いずれか記載のメモリセ
    ル。
  6. 【請求項6】 リコール動作時において、前記一対のス
    イッチング素子をオフ状態に、また前記プレート線を接
    地電位に夫々維持しつつ前記フリップフロップの電源を
    接地電位から規定の動作電源電位まで引き上げることを
    特徴とする請求項1〜5いずれか記載のメモリセル。
  7. 【請求項7】 ストア動作時及びリコール動作時以外の
    給電時において、前記プレート線の電位を接地電位と電
    源電位との間の所定電位に設定することを特徴とする請
    求項1〜6いずれか記載のメモリセル。
  8. 【請求項8】 前記所定電位は前記電源電位の約1/2
    であることを特徴とする請求項7記載のメモリセル。
  9. 【請求項9】 前記ストア動作時において、前記プレー
    ト線の電位を前記所定電位から前記電源電位、接地電位
    の順に、または接地電位、前記電源電位の順に変化させ
    るようにしたことを特徴とする請求項7または8記載の
    メモリセル。
  10. 【請求項10】 前記ストア動作時及びリコール動作時
    以外の給電時において、前記一対の強誘電体容量素子の
    各々の両端に印加される電位差(前記所定電位−接地電
    位)及び(前記電源電位−前記所定電位)が、この強誘
    電体容量素子の抗電圧より小であることを特徴とする請
    求項7〜9いずれか記載のメモリセル。
  11. 【請求項11】 請求項1〜10記載のメモリセルを、
    前記一対のビット線と前記ワード線との各交点にマトリ
    ックス状に配置してなることを特徴とする不揮発性半導
    体メモリ装置。
  12. 【請求項12】 前記メモリセルの全てにおいて、前記
    プレート線を共通に接続したことを特徴とする請求項1
    1記載の不揮発性メモリ装置。
  13. 【請求項13】 この共通接続されたプレート線を駆動
    するプレート線駆動回路を含むことを特徴とする請求項
    12記載の不揮発性メモリ装置。
  14. 【請求項14】 前記プレート線駆動回路は、ストア動
    作時において、前記共通接続されたプレート線を接地電
    位と電源電位との間の所定電位から、前記電源電位、接
    地電位の順に、または接地電位、前記電源電位の順に変
    化させるようにしたことを特徴とする請求項13記載の
    不揮発性メモリ装置。
  15. 【請求項15】 前記プレート線駆動回路は、前記プレ
    ート線に接続される全てのメモリセルに対して前記スト
    ア動作を一括して行うことを特徴とする請求項14記載
    の不揮発性メモリ装置。
  16. 【請求項16】 前記プレート線駆動回路は、ストア動
    作時及びリコール動作時以外の給電時において、前記共
    通接続されたプレート線の電位を接地電位と電源電位と
    の間の所定電位に設定することを特徴とする請求項14
    または15記載の不揮発性メモリ装置。
  17. 【請求項17】 前記プレート線駆動回路は、ストア動
    作時及びリコール動作時以外の給電時において、前記一
    対の強誘電体容量素子の各々の両端に印加される電位差
    (前記所定電位−接地電位)及び(前記電源電位−前記
    所定電位)を、この強誘電体容量素子の抗電圧より小に
    設定することを特徴とする請求項14〜16いずれか記
    載の不揮発性メモリ装置。
  18. 【請求項18】 一対の記憶ノードを有するフリップフ
    ロップと、共通ワード線によりオンオフ制御されて前記
    一対の記憶ノードを一対のビット線に接続制御する一対
    のスイッチング素子と、前記一対の記憶ノードに一端が
    直接接続され他端がプレート線に接続された一対の強誘
    電体容量素子とを含むメモリセルの制御方法であって、
    ストア動作時において、前記一対のスイッチング素子を
    オフ状態に維持しつつ前記プレート線を接地電位と電源
    電位との間でスイングするようにしたことを特徴とする
    制御方法。
  19. 【請求項19】 リコール動作時において、前記一対の
    スイッチング素子をオフ状態に、また前記プレート線を
    接地電位に夫々維持しつつ前記フリップフロップの電源
    を接地電位から規定の動作電源電位まで引き上げること
    を特徴とする請求項18記載の制御方法。
  20. 【請求項20】 ストア動作時及びリコール動作時以外
    の給電時において、前記プレート線の電位を接地電位と
    電源電位との間の所定電位に設定することを特徴とする
    請求項18または19記載の制御方法。
  21. 【請求項21】 前記所定電位は前記電源電位の約1/
    2であることを特徴とする請求項20記載の制御方法。
  22. 【請求項22】 前記ストア動作時において、前記プレ
    ート線の電位を前記所定電位から前記電源電位、接地電
    位の順に、または接地電位、前記電源電位の順に変化さ
    せるようにしたことを特徴とする請求項20または21
    記載の制御方法。
  23. 【請求項23】 前記ストア動作時及びリコール動作時
    以外の給電時において、前記一対の強誘電体容量素子の
    各々の両端に印加される電位差(前記所定電位−接地電
    位)及び(前記電源電位−前記所定電位)を、この強誘
    電体容量素子の抗電圧より小としたことを特徴とする請
    求項20〜22いずれか記載の制御方法。
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