JP2006040422A - Data read-out method, and semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は例えば強誘電体メモリ等の半導体記憶装置におけるデータ読出方法、及びそのデータ読出方法を実行する半導体記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a data reading method in a semiconductor memory device such as a ferroelectric memory, and a semiconductor memory device that executes the data reading method.
近年新規なメモリ材料を用いた、さまざまな半導体メモリが提案されている。これらのメモリの多くは不揮発性でありながらDRAM並の高速動作が可能であり、「次世代メモリ」として今後の応用が有望視されている。
その代表的な例としては、強誘電体メモリが挙げられる。現在主流となっている強誘電体メモリのセル構造と動作については、上記特許文献1に開示されている。
In recent years, various semiconductor memories using new memory materials have been proposed. Many of these memories are non-volatile and capable of high-speed operation similar to DRAMs, and future applications are promising as “next-generation memories”.
A typical example is a ferroelectric memory. The cell structure and operation of a ferroelectric memory which is currently mainstream are disclosed in the above-mentioned
その実現方法の一例を図6に示す。
図6に示す構造は、メモリセルを一つのアクセストランジスタTaと一つの強誘電体キャパシタCで構成するものであり、強誘電体キャパシタCの分極方向に従って2値、即ち1ビットを記憶する。
ワード線WL(WL1、WL2・・・)には、ワード線デコーダ/ドライバ1によって、アクセスするアドレスに応じた電圧印加が行われる。各メモリセルにおけるアクセストランジスタTaのゲート電極には、それぞれ所定のワード線WLによって電圧印加が行われるため、ワード線WLの駆動によってメモリセルが選択されることになる。
ワード線WLと直交する方向にはビット線BL(BL1,BL2・・・)が配されている。
ビット線BL1,BL2はセンスアンプ3−1によって電位検出される一対のビット線となる。またビット線BL3,BL4はセンスアンプ3−2によって電位検出される一対のビット線となる。
各メモリセルにおいては、ワード線WLによってアクセストランジスタTaがオンとされることで、それぞれ対応するビット線BLに接続されることになる。
プレート線PL(PL1、PL2・・・)には、プレート線デコーダ/ドライバ2によって所定の電圧印加が行われる。
各メモリセルのキャパシタCの一端は、それぞれ所定のプレート線PLが接続される。
An example of the realization method is shown in FIG.
In the structure shown in FIG. 6, a memory cell is composed of one access transistor Ta and one ferroelectric capacitor C, and a binary value, that is, one bit is stored according to the polarization direction of the ferroelectric capacitor C.
The word line WL (WL1, WL2,...) Is applied with a voltage according to the address to be accessed by the word line decoder /
Bit lines BL (BL1, BL2,...) Are arranged in a direction orthogonal to the word lines WL.
The bit lines BL1 and BL2 are a pair of bit lines whose potential is detected by the sense amplifier 3-1. The bit lines BL3 and BL4 are a pair of bit lines whose potential is detected by the sense amplifier 3-2.
In each memory cell, the access transistor Ta is turned on by the word line WL, so that each memory cell is connected to the corresponding bit line BL.
A predetermined voltage is applied to the plate lines PL (PL1, PL2,...) By the plate line decoder /
A predetermined plate line PL is connected to one end of the capacitor C of each memory cell.
このような構成において、例えば図中(*)を付したキャパシタC(*)、アクセストランジスタTa(*)によるメモリセルからのデータ読出を例に挙げ、また図7を参照しながら、データ読出動作を説明する。
キャパシタC(*)からのデータ読出の際には、ワード線WL3を選択し、さらにプレート線PL2にパルスを印加する。すると、当該メモリセルのアクセストランジスタTa(*)はオンとなっているため、強誘電体キャパシタC(*)の対向電極に接続されたビット線BL1に、強誘電体キャパシタC(*)からの読出信号が現れる。
In such a configuration, for example, data reading from a memory cell by a capacitor C (*) marked with (*) and an access transistor Ta (*) in the figure is taken as an example, and a data reading operation is performed with reference to FIG. Will be explained.
When reading data from the capacitor C (*), the word line WL3 is selected and a pulse is applied to the plate line PL2. Then, since the access transistor Ta (*) of the memory cell is on, the bit line BL1 connected to the counter electrode of the ferroelectric capacitor C (*) is connected to the bit line BL1 from the ferroelectric capacitor C (*). A read signal appears.
強誘電体キャパシタの性質を図7(a)のヒステリシスカーブで説明する。横軸は強誘電体キャパシタに印加される電圧、縦軸はキャパシタに誘起される電荷量を示す。
常誘電体キャパシタであれば、これは原点を通る直線となるが、強誘電体キャパシタでは図のようにヒステリシスを持つ。
例えば出発点(H0)では印加電圧は0Vだが、電極には分極分を相殺する負電荷が誘起されている(図7(b))。
そこから正方向に電圧を印加していくと、常誘電成分による誘起電荷に加えて、中途から分極反転がおこり、それ伴う大きな電荷が誘起されて(H1)に到る(図7(c))。
そこで電圧印加を0Vに戻すと、(H2)に状態が推移する(図7(d))。
さらに今度は負電圧を印加すると、中途から再度分極反転が起こり、それ伴う大きな負電荷が誘起されて(H3)に到る(図7(e))。そこで電圧印加を0Vに戻すと、元の(H0)に状態が推移する。
The properties of the ferroelectric capacitor will be described with reference to the hysteresis curve of FIG. The horizontal axis represents the voltage applied to the ferroelectric capacitor, and the vertical axis represents the amount of charge induced in the capacitor.
In the case of a paraelectric capacitor, this is a straight line passing through the origin, but the ferroelectric capacitor has hysteresis as shown in the figure.
For example, although the applied voltage is 0 V at the starting point (H0), a negative charge that cancels the polarization component is induced in the electrode (FIG. 7B).
When a voltage is applied in the positive direction from there, in addition to the induced charge due to the paraelectric component, polarization inversion occurs in the middle, and a large charge accompanying it is induced to reach (H1) (FIG. 7 (c)). ).
Therefore, when the voltage application is returned to 0 V, the state changes to (H2) (FIG. 7D).
Further, when a negative voltage is applied this time, polarization inversion occurs again halfway, and a large negative charge is induced (H3) (FIG. 7 (e)). Therefore, when the voltage application is returned to 0 V, the state changes to the original (H0).
図6の構成においては、読み出しの初期状態ではプレート線PL2及びビット線BL1が0Vにイコライズされており、かつビット線BL1は浮遊状態となっている。
強誘電体キャパシタC(*)は記憶されたデータに従って異なる方向に分極しており、例えばデータ”0”の場合は図7の(H0)、データ”1”の場合は(H2)の状態にある。
ここでプレート線PL2に電圧Vccのパルスを印加することで、キャパシタC(*)には略Vccが印加される。すると、上記いずれの場合でも、分極量は(H1)の状態に移行する。これに伴ってプレート線PL2の対向電極であるビット線BL1には、初期状態からの分極変異量の差に対応する信号差が”0”と”1”の読み出し信号差として顕れる。
In the configuration of FIG. 6, the plate line PL2 and the bit line BL1 are equalized to 0V in the initial state of reading, and the bit line BL1 is in a floating state.
The ferroelectric capacitor C (*) is polarized in different directions according to the stored data. For example, when the data is “0”, the state is (H0) in FIG. 7, and when the data is “1”, the state is (H2). is there.
Here, by applying a pulse of voltage Vcc to the plate line PL2, approximately Vcc is applied to the capacitor C (*). Then, in any of the above cases, the polarization amount shifts to the state of (H1). Accordingly, a signal difference corresponding to the difference in polarization variation from the initial state appears as a read signal difference of “0” and “1” on the bit line BL1 which is the counter electrode of the plate line PL2.
つまり、”1”データが保存され、状態が(H0)にあった場合のみ、強誘電キャパシタC(*)が分極反転し、その反転に相応した信号差がビット線BL1に顕れる。具体的にはビット線BL1の電位は、分極反転した”1”データ読出時の方が、分極反転しない”0”データ読出時より高くなる。 That is, only when the “1” data is stored and the state is (H0), the ferroelectric capacitor C (*) undergoes polarization inversion, and a signal difference corresponding to the inversion appears on the bit line BL1. Specifically, the potential of the bit line BL1 is higher when reading the “1” data with the polarization inverted than when reading “0” data without the polarization inversion.
ここで例えば”1”データ保存時の読出信号と”0”データ保存時の読出信号の中間的電位を参照信号として、対となるビット線BL2に供給し、記憶データに応じた読出信号と参照信号とを差動型センスアンプ3−1で比較することで、上記読出信号が”1”であるか”0”であるかを判定することが出来る。
このような強誘電体キャパシタの分極反転は1ナノ秒程度で高速に実行できる。従って強誘電体メモリは不揮発性でありながらDRAM並のアクセス速度を実現することが可能である。
なお、上述の例は所謂折り返しビット線構成について述べたが、他の構成として開放ビット線構成、または対となるビット線を使用せずセンスアンプに直接参照電圧を供給する構成が知られている。これらの場合も、上記動作及びデータ判定の原理は同様である。
Here, for example, an intermediate potential between the read signal for storing “1” data and the read signal for storing “0” data is supplied as a reference signal to the paired bit line BL2, and the read signal and reference corresponding to the stored data are supplied. It is possible to determine whether the read signal is “1” or “0” by comparing the signal with the differential sense amplifier 3-1.
Such polarization reversal of the ferroelectric capacitor can be performed at a high speed in about 1 nanosecond. Accordingly, the ferroelectric memory can achieve an access speed comparable to that of a DRAM while being nonvolatile.
In the above example, a so-called folded bit line configuration has been described. However, as another configuration, an open bit line configuration or a configuration in which a reference voltage is directly supplied to a sense amplifier without using a pair of bit lines is known. . In these cases, the principle of the operation and data determination is the same.
さらに上記特許文献2,3では、上記強誘電体メモリの集積度をより向上させる手段としてクロスポイント型強誘電体メモリが提案されている。
図8にクロスポイント型メモリセルの回路例を示す。
図示するように、セルストリングSS(SS1,SS2・・・)が、共通ノード電極NE(NE1、NE2・・・)に接続された複数(n個)のキャパシタC1〜Cnで構成される。
各セルストリングは、ワード線WL(WL1・・・)で制御されるFETによるアクセストランジスタTa(Ta1,Ta2・・・)を介してビット線BL(BL1,BL2・・・)に接続している 。
セルストリングSSを構成する各キャパシタはそれぞれ別個のデータを記憶するものとされ、それぞれ独立したプレート線PL1〜PLnで制御される。
この回路例の場合は、ビット線BL1の電位検出はセンスアンプ3−1によって行われ、ビット線BL2の電位検出はセンスアンプ3−2によって行われる。
Further, in
FIG. 8 shows a circuit example of a cross-point type memory cell.
As shown in the figure, the cell string SS (SS1, SS2,...) Includes a plurality (n) of capacitors C1 to Cn connected to the common node electrode NE (NE1, NE2,...).
Each cell string is connected to a bit line BL (BL1, BL2...) Via an access transistor Ta (Ta1, Ta2...) That is an FET controlled by a word line WL (WL1...). .
Each capacitor constituting the cell string SS stores separate data and is controlled by independent plate lines PL1 to PLn.
In the case of this circuit example, the potential detection of the bit line BL1 is performed by the sense amplifier 3-1, and the potential detection of the bit line BL2 is performed by the sense amplifier 3-2.
セルストリングSS1のキャパシタC1からのデータ読出を例に挙げる。
この場合、ワード線WL1を選択し、プレート線PL2〜PLnを0Vに固定した状態でプレート線PL1にパルスを印加すると、前述と同様の原理で、強誘電体キャパシタC1の分極方向に応じてビット線BL1に異なる信号が発生する。センスアンプ3−1は、このようにビット線BL1発生した記憶信号と、別途供給される参照信号を比較することで、読み出された記憶信号について”1”、”0”の判定を行う。
As an example, data reading from the capacitor C1 of the cell string SS1 will be described.
In this case, if the pulse is applied to the plate line PL1 while the word line WL1 is selected and the plate lines PL2 to PLn are fixed at 0V, the bit is set according to the polarization direction of the ferroelectric capacitor C1 according to the same principle as described above. Different signals are generated on the line BL1. The sense amplifier 3-1 determines “1” or “0” for the read memory signal by comparing the memory signal generated in this manner with the
このクロスポイント型セル構成の場合は、一つのアクセストランジスタTaを複数のキャパシタC1〜Cnが共有するため、実効的にビット当たりの素子数が減少し、コスト低減に有効である。
なお、このクロスポイント型にも、折り返しビット線や開放ビット線等さまざまな構成のバリエーションが存在するのは言うまでも無い。
In the case of this cross-point type cell configuration, since the plurality of capacitors C1 to Cn share one access transistor Ta, the number of elements per bit is effectively reduced, which is effective for cost reduction.
Needless to say, this cross-point type also has various configuration variations such as folded bit lines and open bit lines.
さらに上記特許文献2には、上記クロスポイント型を発展させ、読出信号を増幅させる機構を持たせたメモリ構成が提案されている。図9にその一例を示す。
セルストリングSSは共通ノードNEに接続された複数(n個)の強誘電体キャパシタC1〜Cnで構成されており、各キャパシタC1〜Cnはそれぞれ別個のデータを記憶し、独立したプレート線PL1〜PLnで制御される。
Further,
The cell string SS is composed of a plurality (n) of ferroelectric capacitors C1 to Cn connected to the common node NE, and each capacitor C1 to Cn stores separate data, and has independent plate lines PL1 to PL1. Controlled by PLn.
また、それぞれFETによる、読出用アクセストランジスタTr、書込用アクセストランジスタTw、センストランジスタTsが設けられる。
センストランジスタTsはディプレッション型のNチャンネルMOS−FETであり、そのゲートは共通ノードNEに接続されている。さらにそのソース/ドレインは、一方が例えばグランド電位に接続され、他方が読出用アクセストランジスタTrを介してビット線BLに接続されている。
読出用アクセストランジスタTrは、ソース/ドレインの一方がセンストランジスタTsに接続され、他方がビット線BLに接続される。またゲートは読出ワード線WLrに接続され、従って読出用アクセストランジスタTrは、読出ワード線WLrによってオン/オフ制御される。
書込用アクセストランジスタTwは、ソース/ドレインの一方が共通ノードNEに接続され、他方がビット線BLに接続される。またゲートは書込ワード線WLwに接続され、従って書込用アクセストランジスタTwは、書込ワード線WLwによってオン/オフ制御される。
Further, a read access transistor Tr, a write access transistor Tw, and a sense transistor Ts, each of which is formed of an FET, are provided.
The sense transistor Ts is a depletion type N-channel MOS-FET, and its gate is connected to the common node NE. Further, one of the sources / drains is connected to, for example, the ground potential, and the other is connected to the bit line BL via the read access transistor Tr.
Read access transistor Tr has one of its source / drain connected to sense transistor Ts and the other connected to bit line BL. The gate is connected to read word line WLr, and therefore read access transistor Tr is on / off controlled by read word line WLr.
Write access transistor Tw has one of its source / drain connected to common node NE and the other connected to bit line BL. The gate is connected to write word line WLw, and therefore write access transistor Tw is on / off controlled by write word line WLw.
データ読出時、例えばキャパシタC1からのデータ読出時を例に挙げると、その場合は、読出ワード線WLrを選択し、またプレート線PL2〜PLnを0Vに固定した状態でプレート線PL1にパルスを印加する。
これによって強誘電体キャパシタC1の分極方向に応じて共通ノードNEに信号が顕れるが、このとき書込ワード線WLwは閉じており(書込用アクセストランジスタTwはオフ)、共通ノードNEはビット線BLから切断されている。
即ちセルキャパシタC1からの電荷は直接ビット線BLを駆動するのではなく、センストランジスタTsのゲート電極のみを駆動する。例えばディプリーション型のNMOSであるセンストランジスタTsは、そのゲートの印加電圧に応じてビット線BLを駆動する。即ちこの場合、ビット線BLには共通ノードNEに顕れた信号を変換した増幅信号が顕れる。
For example, when reading data, for example, when reading data from the capacitor C1, in this case, the read word line WLr is selected, and a pulse is applied to the plate line PL1 while the plate lines PL2 to PLn are fixed at 0V. To do.
As a result, a signal appears at the common node NE in accordance with the polarization direction of the ferroelectric capacitor C1, but at this time, the write word line WLw is closed (the write access transistor Tw is off), and the common node NE is the bit line. Disconnected from BL.
That is, the charge from the cell capacitor C1 does not directly drive the bit line BL, but drives only the gate electrode of the sense transistor Ts. For example, the sense transistor Ts, which is a depletion type NMOS, drives the bit line BL according to the voltage applied to its gate. That is, in this case, an amplified signal obtained by converting a signal appearing on the common node NE appears on the bit line BL.
一方、データ書込時においては、書込ワード線WLwが選択され、書込用アクセストランジスタTwがオンとされる。読出用アクセストランジスタTrはオフとなる。すると、共通ノードNEはビット線BLと接続されるため、ビット線BLとプレート線をそれぞれ所要の状態に駆動することで、選択された或るキャパシタC(x)に、ビット線BLとプレート線PL(x)の電位差としての適切な電圧が印加され、データが書き込まれる。 On the other hand, at the time of data writing, write word line WLw is selected and write access transistor Tw is turned on. The read access transistor Tr is turned off. Then, since the common node NE is connected to the bit line BL, the bit line BL and the plate line are transferred to the selected capacitor C (x) by driving the bit line BL and the plate line to a required state, respectively. An appropriate voltage as a potential difference of PL (x) is applied, and data is written.
このような増幅型のメモリは、その信号増幅作用によって、微少な強誘電体キャパシタからも有効に信号をとり出すことが出来、高集積化には極めて有利である。また増幅用の追加回路としてのセンストランジスタTs等は、セルストリングSSの下層の空きシリコン領域に形成できるので、セル面積の増加は無い。 Such an amplification type memory can effectively take out a signal from a minute ferroelectric capacitor by its signal amplification effect, and is extremely advantageous for high integration. Further, the sense transistor Ts or the like as an additional circuit for amplification can be formed in an empty silicon region below the cell string SS, so that the cell area does not increase.
上述の如く、強誘電体メモリは不揮発でありながら、高速な書き換え動作が実現でき、かつDRAMを凌ぐ大容量も実現できるポテンシャルを持つ。特に図9のように信号増幅機能を持つクロスポイント型では、微細なキャパシタでも大きな信号に増幅されるので、微細化にも有利である。 As described above, although the ferroelectric memory is non-volatile, it has a potential to realize a high-speed rewrite operation and to realize a large capacity that surpasses DRAM. In particular, the cross-point type having a signal amplification function as shown in FIG. 9 is advantageous for miniaturization because even a minute capacitor can be amplified to a large signal.
しかしながら、強誘電体キャパシタを微細化していくと、信号ばらつきにより、エラー率が増えるという問題があった。
強誘電体膜は、その結晶の不完全性から、結晶配向や分極量に少なからぬばらつきを持っている。そのようなばらつきは、大きなキャパシタでは平均化されてさしたる問題にならないが、微細化に伴って顕著化する。例えばキャパシタ面積と負荷容量が共に(1/4)になると、信号の平均値はそのままスケーリングされて変わらないが、統計的なばらつきは2倍になる。
このような問題は単に信号を増幅しても、ばらつきも同様に増幅されるため、解決することが出来ない。
なお、このようなばらつきは強誘電成分のばらつきに負うところが大きく、通常ハイレベル側(ここでは”1”データに相当するとする)で特に顕著である。
However, when the ferroelectric capacitor is miniaturized, there is a problem that the error rate increases due to signal variation.
Ferroelectric films have considerable variations in crystal orientation and polarization due to their crystal imperfections. Such a variation is not a problem that is averaged with a large capacitor, but becomes more prominent with miniaturization. For example, when the capacitor area and the load capacitance are both (1/4), the average value of the signal is scaled as it is and does not change, but the statistical variation is doubled.
Such a problem cannot be solved simply by amplifying a signal because variations are similarly amplified.
Such variations are largely due to variations in the ferroelectric component, and are particularly noticeable on the high level side (here, corresponding to “1” data).
このような信号ばらつきが、データ判定に及ぼす影響を図10の概念図に示す。図においてセル信号CS1、CS2,CS3として各メモリセルの信号レベルを示しているが、●、○で示すように、”0”、”1”ともにばらついている。しかもそれらの信号はデータ保持劣化やディスターブ劣化等により、”0”データと”1”データが接近する方向に×、△として示すように変化していく。例えばセル信号CS1の場合では、状態(α)から状態(β)に経時的に変化していく。即ち”0”信号は上昇し、”1”信号は下降して、信号差は小さくなっていく。 The influence of such signal variations on data determination is shown in the conceptual diagram of FIG. In the figure, the signal levels of the respective memory cells are shown as cell signals CS1, CS2 and CS3, but both “0” and “1” vary as indicated by ● and ○. In addition, these signals change as indicated by “x” and “Δ” in the direction in which “0” data and “1” data approach each other due to data retention degradation, disturbance degradation, and the like. For example, in the case of the cell signal CS1, the state (α) changes over time from the state (α). That is, the “0” signal rises, the “1” signal falls, and the signal difference becomes smaller.
ここで、メモリセルに記憶されたデータの判定は、”0”と”1”の中間レベルに相当する一つの参照信号を複数のキャパシタの判定に使用する。その一手法としては、例えばビット線上に参照電位発生用のダミーキャパシタを一つ設け、隣接するビット線上のすべてメモリセルの判定を、そのダミーキャパシタを用いて行う等が提案されている。
しかし図10(a)における参照信号rfを見ると、例えばセル信号CS1の判定には適切なレベルであったとしても、セル信号CS2ではエラーを発生させてしまう。さらに上述のような信号の経時劣化従って、動作マージンはますます悪化する。
Here, in the determination of the data stored in the memory cell, one reference signal corresponding to an intermediate level between “0” and “1” is used for determining a plurality of capacitors. As one technique, for example, one dummy capacitor for generating a reference potential is provided on a bit line, and determination of all memory cells on adjacent bit lines is performed using the dummy capacitor.
However, looking at the reference signal rf in FIG. 10A, an error occurs in the cell signal CS2, even if the level is appropriate for the determination of the cell signal CS1, for example. Further, the operation margin is further deteriorated due to the deterioration of the signal over time as described above.
このような問題を解決すべく、アクセスしたキャパシタ自体に参照信号を発生させる自己参照と言われる手法が提案されている。これは以下の手順で行われる。
1.まず一回目の読み出しで初期データからの第一の信号を取得した後、一度そのセルにローレベルの信号に相当するデータを書き込む。
2.二回目の読み出しを行って第二の信号を取得する。
3.上記第二の信号に一定のオフセット信号を追加したものを参照信号として、第一の信号と比較し、初期データを判定する。
In order to solve such a problem, a method called self-reference has been proposed in which a reference signal is generated in the accessed capacitor itself. This is done in the following procedure.
1. First, the first signal from the initial data is acquired by the first reading, and then data corresponding to the low level signal is once written in the cell.
2. A second read is performed to obtain a second signal.
3. The second signal is added with a certain offset signal as a reference signal and compared with the first signal to determine initial data.
このような判定方法では、図10(b)に示すように、各メモリセルごとに、そのローレベル(ここでは”0”データに相当する)の信号から一定のオフセットOFを追加した信号が参照信号rf1,rf2,rf3として与えられる。従って”0”側のばらつきは常に相殺される。
しかし最も問題となる”1”側のばらつきは相殺されない。しかも上記オフセットOFの値がどのメモリセルに対しても一定となので、各メモリセルごとに最適の信号を与えることはできない。
従って例えば図のようにセル信号CS1に対する参照信号rf1は適切であっても、セル信号CS2に対する参照信号rf2は”1”に近すぎ、一方でセル信号CS3に対する参照信号rf3は”0”側に偏ったレベルとなっている。
In such a determination method, as shown in FIG. 10B, for each memory cell, a signal obtained by adding a certain offset OF from the low level signal (corresponding to “0” data here) is referred to. It is given as signals rf1, rf2, and rf3. Therefore, the variation on the “0” side is always canceled out.
However, the most problematic variation on the “1” side is not offset. Moreover, since the value of the offset OF is constant for any memory cell, an optimal signal cannot be given to each memory cell.
Therefore, for example, as shown in the figure, even if the reference signal rf1 for the cell signal CS1 is appropriate, the reference signal rf2 for the cell signal CS2 is too close to “1”, while the reference signal rf3 for the cell signal CS3 is on the “0” side. It is a biased level.
読出データ判定を行うセンスアンプは、各セル信号と参照信号との差分を感知して判定するため、上述のような不均衡があると特定のセルの特定の状態において十分な差分を獲得で出来ず、判定の感度を低下させてしまう。
さらにデータ保持等の経時劣化があった場合、参照として書き込んだ”0”信号は新鮮なものであるため、保持されていた”0”信号より小さくなる。従って小さすぎるオフセットは”0”読み出しでエラーを発生させ、大きすぎるオフセットは”1”読み出しでエラーを発生させる。そのため適切なオフセットOFの値の設定自体が非常に困難なものになってしまう。
Since the sense amplifier that performs read data determination senses and determines the difference between each cell signal and the reference signal, if there is an imbalance as described above, a sufficient difference can be obtained in a specific state of a specific cell. Therefore, the sensitivity of determination is reduced.
Further, when there is a deterioration with time such as data retention, the “0” signal written as a reference is fresh and becomes smaller than the retained “0” signal. Therefore, an offset that is too small causes an error in reading “0”, and an offset that is too large causes an error in reading “1”. Therefore, setting an appropriate offset OF value itself becomes very difficult.
本発明はこのような問題に鑑みて、強誘電体メモリを用いた半導体記憶装置において、その読み出しにおける動作マージンを飛躍的に拡大させ、誤読み出しを防止することを目的とする。 In view of such a problem, an object of the present invention is to dramatically increase an operation margin in reading in a semiconductor memory device using a ferroelectric memory and prevent erroneous reading.
本発明のデータ読出方法は、強誘電体キャパシタの分極方向によって2値のデータを記憶するメモリセルを有する半導体記憶装置において、上記メモリセルから読み出される上記強誘電体キャパシタの分極方向に応じた記憶信号に対して、上記強誘電体キャパシタの略無分極状態に相当する信号値を参照信号として使用して、上記メモリセルの記憶状態を判定する。
特には、選択した上記メモリセルから上記記憶信号を読み出した後、該選択したメモリセルを用いて略無分極状態に相当する上記参照信号を生成し、該記憶信号と該参照信号を比較することで上記選択したメモリセルの記憶状態を判定する。
そして、上記略無分極状態に相当する上記参照信号は、分極反転に伴う発生信号を略二分の一にすることで生成する。
或いは上記略無分極状態に相当する上記参照信号は、選択した上記メモリセルの上記強誘電体キャパシタを略無分極状態にした状態で、そのメモリセルから信号を読み出すことによって生成する。
According to the data reading method of the present invention, in a semiconductor memory device having a memory cell that stores binary data according to the polarization direction of the ferroelectric capacitor, the memory according to the polarization direction of the ferroelectric capacitor read from the memory cell is stored. With respect to the signal, a signal value corresponding to the substantially non-polarized state of the ferroelectric capacitor is used as a reference signal to determine the storage state of the memory cell.
In particular, after reading the storage signal from the selected memory cell, generating the reference signal corresponding to a substantially non-polarized state using the selected memory cell, and comparing the storage signal with the reference signal To determine the storage state of the selected memory cell.
The reference signal corresponding to the substantially non-polarized state is generated by halving the generated signal accompanying polarization inversion.
Alternatively, the reference signal corresponding to the substantially non-polarized state is generated by reading a signal from the memory cell in a state where the ferroelectric capacitor of the selected memory cell is substantially non-polarized.
本発明の半導体記憶装置は、強誘電体キャパシタの分極方向によって2値のデータを記憶するメモリセルと、選択した上記メモリセルに対して読出パルスを印加して、該メモリセルの上記強誘電体キャパシタの分極方向に応じた記憶信号を発生させるとともに、上記選択したメモリセル用いて上記強誘電体キャパシタの略無分極状態に相当する参照信号を発生させるメモリセル読出手段と、上記メモリセル読出手段によって読み出された上記記憶信号と上記参照信号を比較することで上記選択したメモリセルの記憶状態を判定する判定手段とを備える。
上記メモリセル読出手段は、上記略無分極状態に相当する上記参照信号を、分極反転に伴う発生信号を略二分の一にすることで生成する。
又は上記メモリセル読出手段は、上記略無分極状態に相当する上記参照信号を、選択した上記メモリセルの上記強誘電体キャパシタを略無分極状態にした状態で、そのメモリセルから信号を読み出すことによって生成する。
The semiconductor memory device according to the present invention includes a memory cell that stores binary data according to a polarization direction of a ferroelectric capacitor, and a read pulse applied to the selected memory cell, so that the ferroelectric of the memory cell Memory cell reading means for generating a memory signal corresponding to the polarization direction of the capacitor and generating a reference signal corresponding to a substantially non-polarized state of the ferroelectric capacitor using the selected memory cell, and the memory cell reading means Determination means for determining the storage state of the selected memory cell by comparing the storage signal read out by the reference signal with the reference signal.
The memory cell reading means generates the reference signal corresponding to the substantially non-polarized state by making the generated signal accompanying the polarization inversion approximately one half.
Alternatively, the memory cell reading means reads the reference signal corresponding to the substantially non-polarized state from the memory cell in a state where the ferroelectric capacitor of the selected memory cell is substantially non-polarized. Generate by.
即ち本発明は、上述のような所謂強誘電体メモリにおいて、アクセス時に選択される個々のメモリセルに対して、キャパシタの略無分極状態に相当する信号値を生成し、それをセンシング時の参照信号として使用するものである。
選択したメモリセル自身の無分極状態に相当する信号を参照信号とすることで、アクセスしたメモリセルに僅かな分極の偏りさえ残っていれば正しいデータ読み出しが可能となる。
That is, according to the present invention, in the so-called ferroelectric memory as described above, a signal value corresponding to a substantially non-polarized state of a capacitor is generated for each memory cell selected at the time of access, and this is referred to at the time of sensing. It is used as a signal.
By using a signal corresponding to the non-polarized state of the selected memory cell as a reference signal, correct data can be read out even if a slight polarization deviation remains in the accessed memory cell.
本発明は、アクセス時に選択される個々のメモリセルに対して、キャパシタの略無分極状態に相当する信号値を生成し、それをセンシング時の参照信号として使用するものであり、選択メモリセル自身の無分極状態に相当する信号を参照信号とするため、アクセスしたセルに僅かな分極の偏りさえ残っていれば正しくデータ読み出しが可能である。従ってメモリセル間の信号ばらつきの影響を受けにくく、かつ経時劣化にも非常に強いセンシングが可能である。そして半導体記憶装置の読み出しにおける動作マージンを飛躍的に拡大させることができ、誤読み出しを防止できる。
またこのような参照信号は、実際にアクセスしたメモリセルの強誘電体キャパシタから等価的に生成されるか、または実際に無分極信号そのものが生成される。従ってアクセスしたメモリセルのキャパシタ以外の系から人為的に参照電位やオフセットを生成する必要性が殆ど無いので、製造ばらつき等による特性変動の影響を極限まで小さく抑えることができる。
従って非常に微細なキャパシタからの微量の信号も正しくセンシングすることが可能になり、メモリセルの微細化に貢献し、大容量、低コストの強誘電体メモリが実現できる。
The present invention generates a signal value corresponding to a substantially non-polarized state of a capacitor for each memory cell selected at the time of access and uses it as a reference signal at the time of sensing. The selected memory cell itself Since a signal corresponding to the non-polarized state is used as a reference signal, data can be correctly read out even if a slight polarization deviation remains in the accessed cell. Therefore, it is possible to perform sensing that is hardly affected by signal variations between memory cells and that is extremely resistant to deterioration over time. In addition, the operation margin in reading of the semiconductor memory device can be dramatically increased, and erroneous reading can be prevented.
Also, such a reference signal is equivalently generated from the ferroelectric capacitor of the memory cell that is actually accessed, or an unpolarized signal itself is actually generated. Therefore, there is almost no need to artificially generate a reference potential or offset from a system other than the capacitor of the accessed memory cell, so that the influence of characteristic fluctuations due to manufacturing variations can be minimized.
Therefore, it is possible to correctly sense a very small amount of signal from a very fine capacitor, contributing to the miniaturization of the memory cell and realizing a large capacity and low cost ferroelectric memory.
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1に第1の実施の形態の半導体記憶装置の構成を示す。
図1に示す構造は、メモリセルを一つのアクセストランジスタTaと一つの強誘電体キャパシタCFで構成するものであり、強誘電体キャパシタCFの分極方向に従って2値、即ち1ビットを記憶する。そして折り返しビット線構成が採られている。
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 shows the configuration of the semiconductor memory device according to the first embodiment.
In the structure shown in FIG. 1, a memory cell is composed of one access transistor Ta and one ferroelectric capacitor CF, and stores a binary value, that is, one bit according to the polarization direction of the ferroelectric capacitor CF. A folded bit line configuration is adopted.
ワード線WL(WL1、WL2・・・)には、ワード線デコーダ/ドライバ1によって、アクセスするアドレスに応じた電圧印加が行われる。各メモリセルにおけるアクセストランジスタTaのゲート電極には、それぞれ所定のワード線WLによって電圧印加が行われるため、ワード線WLの駆動によってメモリセルが選択されることになる。
ワード線WLと直交する方向にはビット線BL(BL1,BL2・・・)が配されている。対となるビット線BL1,BL2は、それぞれ接続トランジスタT4,T5を介してレベルコンバータ7に接続される。
The word line WL (WL1, WL2,...) Is applied with a voltage according to the address to be accessed by the word line decoder /
Bit lines BL (BL1, BL2,...) Are arranged in a direction orthogonal to the word lines WL. The paired bit lines BL1 and BL2 are connected to the level converter 7 via connection transistors T4 and T5, respectively.
各メモリセルにおいては、ワード線WLによってアクセストランジスタTrがオンとされることで、それぞれ対応するビット線BLに接続されることになる。
プレート線PL(PL1、及び図示しないPL2、PL3・・・)には、プレート線デコーダ/ドライバ2によって所定の電圧印加が行われる。
各メモリセルのキャパシタCFの一端は、それぞれ所定のプレート線PLが接続される。
In each memory cell, the access transistor Tr is turned on by the word line WL, so that each memory cell is connected to the corresponding bit line BL.
A predetermined voltage is applied by the plate line decoder /
A predetermined plate line PL is connected to one end of the capacitor CF of each memory cell.
また制御線SL1,SL2,SL3,SL4,SL5が設けられ、各制御線SLはそれぞれ所定のタイミングで駆動される。
例えばPチャンネルMOSFETによるトランジスタTp1のゲートには制御線SL1が接続される。トランジスタTp1のソース/ドレインの一端は固定電圧Vccに、他端はビット線BL1に接続されており、トランジスタTp1が制御線SL1によってオンとされることで、ビット線BL1に電圧Vccを印加する。
また、例えばPチャンネルMOSFETによるトランジスタTp2のゲートには制御線SL2が接続される。トランジスタTp2のソース/ドレインの一端は固定電圧Vccに、他端はビット線BL2に接続されており、トランジスタTp2が制御線SL2によってオンとされることで、ビット線BL2に電圧Vccを印加する。
例えばNチャンネルMOSFETによるトランジスタTp3a、Tp3bの各ゲートには制御線SL3が接続される。トランジスタTp3a、Tp3bのソース/ドレインの各一端は接地ノードに接続される。またトランジスタTp3aの他端はビット線BL1に、トランジスタTp3bの他端はビット線BL2に、それぞれ接続されている。トランジスタTp3a、Tp3bが制御線SL3によってオンとされることで、ビット線BL1、BL2は接地される。
Control lines SL1, SL2, SL3, SL4, and SL5 are provided, and each control line SL is driven at a predetermined timing.
For example, the control line SL1 is connected to the gate of the transistor Tp1 formed of a P-channel MOSFET. One end of the source / drain of the transistor Tp1 is connected to the fixed voltage Vcc, and the other end is connected to the bit line BL1, and when the transistor Tp1 is turned on by the control line SL1, the voltage Vcc is applied to the bit line BL1.
For example, the control line SL2 is connected to the gate of the transistor Tp2 formed of a P-channel MOSFET. One end of the source / drain of the transistor Tp2 is connected to the fixed voltage Vcc, and the other end is connected to the bit line BL2. When the transistor Tp2 is turned on by the control line SL2, the voltage Vcc is applied to the bit line BL2.
For example, the control line SL3 is connected to the gates of transistors Tp3a and Tp3b formed of N-channel MOSFETs. One ends of the sources / drains of the transistors Tp3a and Tp3b are connected to the ground node. The other end of the transistor Tp3a is connected to the bit line BL1, and the other end of the transistor Tp3b is connected to the bit line BL2. Since the transistors Tp3a and Tp3b are turned on by the control line SL3, the bit lines BL1 and BL2 are grounded.
例えばNチャンネルMOSFETによる接続トランジスタT4のゲートには制御線SL4が接続される。接続トランジスタT4のソース/ドレインは、それぞれビット線BL1とレベルコンバータ7側のノードに接続されており、接続トランジスタT4が制御線SL4によってオンとされることで、ビット線BL1の電位がレベルコンバータ7に入力される。
またNチャンネルMOSFETによる接続トランジスタT5のゲートには制御線SL5が接続される。接続トランジスタT5のソース/ドレインは、それぞれビット線BL2とレベルコンバータ7側のノードに接続されており、接続トランジスタT5が制御線SL5によってオンとされることで、ビット線BL2の電位がレベルコンバータ7に入力される。
For example, the control line SL4 is connected to the gate of the connection transistor T4 formed of an N-channel MOSFET. The source / drain of the connection transistor T4 is connected to the bit line BL1 and a node on the level converter 7 side, and the connection transistor T4 is turned on by the control line SL4, so that the potential of the bit line BL1 is changed to the level converter 7. Is input.
A control line SL5 is connected to the gate of the connection transistor T5 formed of an N-channel MOSFET. The source / drain of the connection transistor T5 is connected to the node on the bit line BL2 and the level converter 7 side, and the connection transistor T5 is turned on by the control line SL5, so that the potential of the bit line BL2 is changed to the level converter 7. Is input.
レベルコンバータ7からのグローバルビット線GBLには、カップリングキャパシタCcpが接続され、カップリングキャパシタCcpの他端側はインバータ5,6、スイッチ4、トランジスタT1,T2,T3が配された判定回路部とされている。
強誘電体キャパシタCFから読み出される記憶信号は、この判定回路部で”0””1”が判定され、データバスDBに出力される。
The global bit line GBL from the level converter 7 is connected to a coupling capacitor Ccp, and the other end side of the coupling capacitor Ccp is a determination circuit unit in which inverters 5 and 6, a switch 4, and
The storage circuit read from the ferroelectric capacitor CF is determined to be “0” or “1” by this determination circuit unit, and is output to the data bus DB.
この図1の構成において、例えばキャパシタCF(*)を選択してデータを読み出す場合を例に挙げる。
まずイコライズのための制御線SL3をオンすることで、ビット線BL1をグランド電位に固定し、さらに制御線SL3をオフしてビット線BL1を浮遊状態とする。その後プレート線PL1にパルスを与えてビット線BL1に信号電位を発生させる。
従来は、このビット線BL1にあらわれる電位を、外部で発生させた参照電位と比較してデータ値を判定していた。しかし本例では、このビット線BL1に発生した信号を適当な手段で保存し、同じ選択したキャパシタCF(*)から今度は無分極状態に相当する信号を発生させて、それを参照電位として両者を比較する。具体的には以下の通りである。
In the configuration of FIG. 1, for example, a case where data is read by selecting the capacitor CF (*) will be described.
First, the control line SL3 for equalization is turned on to fix the bit line BL1 to the ground potential, and further the control line SL3 is turned off to place the bit line BL1 in a floating state. Thereafter, a pulse is applied to the plate line PL1 to generate a signal potential on the bit line BL1.
Conventionally, the data value is determined by comparing the potential appearing on the bit line BL1 with an externally generated reference potential. However, in this example, the signal generated on the bit line BL1 is stored by an appropriate means, and a signal corresponding to the non-polarized state is generated from the same selected capacitor CF (*), which is used as a reference potential. Compare Specifically, it is as follows.
まず制御線SL4により接続トランジスタT4のゲートをオンすることで、ビット線BL1に発生した信号電位を、レベルコンバータ7を介してグローバルビット線GBLに伝達させ、そこに読出信号(分極方向に応じた記憶信号)VS1を発生させる。
ここで制御線S1によりトランジスタT1をオンすると、インバータ6の入出力が短絡し、ノードN1の電位は、その閾値VTに固定される。
さらにトランジスタT1をオフして、ノードN1を浮遊状態にすれば、グローバルビット線GBLに伝達された記憶信号VS1は、カップリングキャパシタCcpを介したノードN1の電荷として保存されることになる。
First, by turning on the gate of the connection transistor T4 by the control line SL4, the signal potential generated in the bit line BL1 is transmitted to the global bit line GBL via the level converter 7, and there is a read signal (corresponding to the polarization direction). A memory signal VS1 is generated.
Here, when the transistor T1 is turned on by the control line S1, the input / output of the inverter 6 is short-circuited, and the potential of the node N1 is fixed to the threshold value VT.
Further, when the transistor T1 is turned off and the node N1 is brought into a floating state, the storage signal VS1 transmitted to the global bit line GBL is stored as the charge of the node N1 via the coupling capacitor Ccp.
即ちこの系ではグローバルビット線GBLの電位が記憶信号VS1より小さくなると、ノードN1の電位も閾値VTより小さくなり、従ってインバータ6の出力(N2)はハイになる。逆にグローバルビット線GBLの電位が記憶信号VS1より大きくなると、ノードN1の電位も閾値VTより大きくなり、従ってインバータ6の出力(N2)はローになる。
ここで今度は選択したキャパシタCF(*)を用いて、その無分極状態に相当する読出信号をビット線BL1に発生させる(その手法は後述)。この信号は”1”信号と”0”信号の中間にあり、接続トランジスタT4からレベルコンバータ7を介してグローバルビット線GBLに伝達され、そこに参照信号VREFを発生させる。
これによってノードN1に電荷として保存されていた記憶信号VS1と、参照信号VREFとの比較判定が行われることになる。即ち先に読み出した記憶信号がハイであればVREF<VS1なので、インバータ6の出力(N2)はハイになる。同様に先に読み出した記憶信号がローであればVREF>VS1なので、インバータ6の出力(N2)はローになる。ここでスイッチ4をオンしてラッチを活性化させれば、データが確定する。
確定されたデータは制御線S2によりトランジスタT2,T3がオンされることでデータバスDBに出力されるとともに、図示されない経路を介してビット線BL1に伝達され、キャパシタCF(*)に再書き込みされる。
That is, in this system, when the potential of the global bit line GBL becomes smaller than the storage signal VS1, the potential of the node N1 also becomes smaller than the threshold value VT, so that the output (N2) of the inverter 6 becomes high. Conversely, when the potential of the global bit line GBL becomes higher than the storage signal VS1, the potential of the node N1 also becomes higher than the threshold value VT, and therefore the output (N2) of the inverter 6 becomes low.
Here, a read signal corresponding to the non-polarized state is generated on the bit line BL1 by using the selected capacitor CF (*) (the method will be described later). This signal is intermediate between the “1” signal and the “0” signal, and is transmitted from the connection transistor T4 to the global bit line GBL via the level converter 7, thereby generating the reference signal VREF.
As a result, the comparison determination between the storage signal VS1 stored as the charge in the node N1 and the reference signal VREF is performed. That is, if the previously read storage signal is high, since VREF <VS1, the output (N2) of the inverter 6 becomes high. Similarly, if the previously read storage signal is low, since VREF> VS1, the output (N2) of the inverter 6 becomes low. If the switch 4 is turned on to activate the latch, the data is determined.
The determined data is output to the data bus DB when the transistors T2 and T3 are turned on by the control line S2, and transmitted to the bit line BL1 through a path (not shown), and rewritten to the capacitor CF (*). The
尚、この回路構成では、レベルコンバータ7とビット線対BL1,BL2でメモリユニットを構成し、複数のメモリユニットをグローバルビット線GBLに接続しても良い。その場合レベルコンバータ7とグローバルビット線GBLとの間に選択トランジスタを設置し、所望のメモリユニットのみを選択してグローバルビット線GBLに接続するようにする。このような階層構造を採用すれば、カップリングキャパシタCcpやラッチ回路(判定回路部)等を複数のメモリユニットで共有でき、回路規模を削減することが可能である。 In this circuit configuration, the level converter 7 and the bit line pair BL1 and BL2 may constitute a memory unit, and a plurality of memory units may be connected to the global bit line GBL. In that case, a selection transistor is provided between the level converter 7 and the global bit line GBL, and only a desired memory unit is selected and connected to the global bit line GBL. If such a hierarchical structure is adopted, the coupling capacitor Ccp, the latch circuit (determination circuit unit), etc. can be shared by a plurality of memory units, and the circuit scale can be reduced.
ところで上記無分極状態に相当する信号をキャパシタCFから発生させる具体的手法としては、等価的に近似した信号を発生させる手法と、実際にキャパシタCFを無分極状態にしてアクセスする手法が挙げられる。 By the way, as a specific method for generating a signal corresponding to the non-polarized state from the capacitor CF, there are a method for generating an equivalent signal and a method for actually accessing the capacitor CF in the non-polarized state.
まず等価的に近似した信号を発生させる手法を述べる。
等価的な無分極信号は、例えばプレート線PLにパルスを与え、それを元に戻した後に信号を読み出すセンス方法を採用し、ハイレベルの信号を略2分割することで発生させることが可能である。
実際のメモリ構成上において、プレート線PLにパルスを与え、それを元に戻した際のヒステリシスカーブ上の状態推移と、それに対応する信号ノードの挙動を図2に示す。
図2(b)に示すように、強誘電体キャパシタCFにはビット線BLによる負荷容量CBが接続されており、プレート線PLへの印加電位が強誘電体キャパシタCFと負荷容量CBとに分配される。ここで信号の顕れるノードNBに着目すると、強誘電体キャパシタCFにおいてノードNB側に誘起される電荷は、図2(a)のヒステリシスカーブで示されたプレート線PL側への誘起電荷の反転電荷である。
First, a method for generating an equivalent signal will be described.
An equivalent non-polarized signal can be generated by applying a pulse to the plate line PL, reading the signal after returning it to the original, and dividing the high level signal into approximately two parts. is there.
FIG. 2 shows the state transition on the hysteresis curve and the behavior of the corresponding signal node when a pulse is applied to the plate line PL and returned to its original state in the actual memory configuration.
As shown in FIG. 2B, the ferroelectric capacitor CF is connected to the load capacitor CB by the bit line BL, and the potential applied to the plate line PL is distributed to the ferroelectric capacitor CF and the load capacitor CB. Is done. When attention is paid to the node NB where the signal appears, the charge induced on the node NB side in the ferroelectric capacitor CF is the inversion charge of the induced charge toward the plate line PL shown by the hysteresis curve in FIG. It is.
初期状態ではプレート線PLへの印加電位は0であり、さらにノードNBも接地状態にイコライズされる。そのときキャパシタCFの状態が図2(a)の(H0)であれば、ノードNBにはプレート線PL側へ誘起される負電荷の反転電荷である正電荷が誘起されている。またキャパシタCFの状態が(H2)であれば、ノードNBにはプレート線PL側へ誘起される正電荷の反転電荷である負電荷が誘起されている。
その後ノードNBは浮遊状態となるので、その電荷量は読み出し動作の間保存される。そしてプレート線PLへのパルス印加に伴って、その保存された電荷が両キャパシタCF,CB間に再分配されて、残存信号ΔVとなる。
In the initial state, the potential applied to the plate line PL is 0, and the node NB is also equalized to the ground state. At that time, if the state of the capacitor CF is (H0) in FIG. 2A, a positive charge which is an inversion of the negative charge induced toward the plate line PL is induced at the node NB. Further, if the state of the capacitor CF is (H2), a negative charge that is an inverted charge of the positive charge induced toward the plate line PL is induced at the node NB.
After that, since the node NB is in a floating state, the charge amount is stored during the read operation. As the pulse is applied to the plate line PL, the stored charge is redistributed between the capacitors CF and CB to become a residual signal ΔV.
プレート線PLに正のパルスが印加され、再度0V状態に戻った場合を想定する。そのとき出発点が(H2)であれば、分極状態は変化しない。従ってキャパシタCFは再び(H2)の状態に戻り、残存信号も0である。
一方出発点が(H0)の場合、強誘電体キャパシタCFは分極反転し、(H1)を経て(H2)の側に戻ろうとする。このとき状態変化に応じた残存信号が発生してノードNBの電位が上昇するので、キャパシタCFには負バイアス(−ΔV)が印加され、その状態は(H4)に到る。
ここで(H0)から容量負荷CBの負荷容量値の負数を傾きとする直線L1を引いた場合、(H4)は、その直線L1とヒステリシスカーブとの交点に位置することになる。
即ち強誘電体キャパシタCFの状態が(H0)から(H4)に変化するのに応じて、容量負荷CBにはΔVが印加され、(H4)と(H0)の差分に相当する電荷が誘起される。一方キャパシタCFのノードNB側に誘起される電荷は(H4)の反転電荷である。即ち負荷容量CBに誘起される電荷の総和は、初期状態の電荷、即ち(H0)の反転電荷に等しい。
Assume that a positive pulse is applied to the plate line PL and the state returns to the 0 V state again. At that time, if the starting point is (H2), the polarization state does not change. Therefore, the capacitor CF returns to the (H2) state, and the remaining signal is also zero.
On the other hand, when the starting point is (H0), the ferroelectric capacitor CF reverses its polarization and tries to return to the (H2) side via (H1). At this time, since a residual signal corresponding to the state change is generated and the potential of the node NB rises, a negative bias (−ΔV) is applied to the capacitor CF, and the state reaches (H4).
Here, when a straight line L1 having a slope of the negative value of the load capacity value of the capacitive load CB is subtracted from (H0), (H4) is located at the intersection of the straight line L1 and the hysteresis curve.
That is, as the state of the ferroelectric capacitor CF changes from (H0) to (H4), ΔV is applied to the capacitive load CB, and a charge corresponding to the difference between (H4) and (H0) is induced. The On the other hand, the charge induced on the node NB side of the capacitor CF is an inverted charge of (H4). That is, the sum of the charges induced in the load capacitor CB is equal to the initial charge, that is, the inversion charge of (H0).
同様に初期に、キャパシタCFが無分極状態にある場合、上記パルス印加での状態推移と残存信号は次のようになる。
初期状態ではノードNBは0Vであり、無分極状態は原点(H5)に相当する。プレート線PLに正のパルスを印加すると、状態は(H5)から(H1)に移り、さらにパルスを元に戻すと(H2)を通過して(H6)に移行する。(H6)は(H5)から容量負荷CBの負荷容量値の負数を傾きとする直線L2を引いた場合、ヒステリシスカーブとの交点に位置する。
Similarly, in the initial stage, when the capacitor CF is in a non-polarized state, the state transition and the remaining signal upon application of the pulse are as follows.
In the initial state, the node NB is 0 V, and the unpolarized state corresponds to the origin (H5). When a positive pulse is applied to the plate line PL, the state changes from (H5) to (H1), and when the pulse is returned to its original state, it passes through (H2) and goes to (H6). (H6) is located at the intersection with the hysteresis curve when a straight line L2 having a slope of a negative value of the load capacity value of the capacitive load CB is subtracted from (H5).
ここで強誘電体キャパシタCFは、理想的には抗電界以下で分極変化は発生しないので、印加電圧が0V近傍ではヒステリシスカーブは直線と近似できる。即ち(H2)から(H4)への推移はほぼ直線とみなすことができ、その場合(H6)の電位はほぼ(−1/2)ΔVである。従ってノードNBへの残存信号は(1/2)ΔV、即ちハイレベル側の残存信号を1/2に分割した信号と等価となる。 Here, since the ferroelectric capacitor CF ideally has no polarization change below the coercive electric field, the hysteresis curve can be approximated as a straight line when the applied voltage is around 0V. That is, the transition from (H2) to (H4) can be regarded as a substantially straight line. In this case, the potential of (H6) is approximately (−1/2) ΔV. Therefore, the remaining signal to the node NB is equivalent to (1/2) ΔV, that is, a signal obtained by dividing the remaining signal on the high level side into ½.
以上の手法に沿った無分極信号の等価的な作成手順を図1の回路上で示す。
選択したメモリセル(キャパシタCF(*))のワード線WL2がONの状態で、まずプルアップ用のPMOSによるトランジスタTp1のゲート(制御線SL1)を0Vのオン状態にして、ビット線BL1をVccにチャージする。
さらにプレート線PL1を0Vとすれば、選択キャパシタCF(*)にはハイレベルの信号が書き込まれる。
次にトランジスタTp1をオフして、プルダウン用のNMOSによるトランジスタTp3a、Tp3bのゲート(制御線SL3)をONにすると、ビット線BL1及びBL2は0Vにイコライズされる。
さらにトランジスタTp3a、Tp3bをオフにして、ビット線BL1,BL2を浮遊状態にした後、プレート線PL1に読み出しパルスを印加する。
その後プレート線PL1を0Vに戻しても、ビット線BL1にはハイレベルに相当する残存信号ΔVが残っている。一方ペアとなるビット線BL2は0Vのまま変わらない。
ここで各々のビット線BL1,BL2に対応した接続トランジスタT4,T5のゲート(制御線SL4,SL5)を共にオンすると、ビット線BL1に発生した残存信号はビット線BL2との間で分割され、(1/2)ΔVとなって、レベルコンバータ7に入力される。このようにして発生した参照信号VREFは、キャパシタCF(*)が無分極状態にあるときに発生する読出信号とほぼ等価である。
An equivalent procedure for creating a non-polarized signal according to the above method is shown on the circuit of FIG.
In a state where the word line WL2 of the selected memory cell (capacitor CF (*)) is ON, first, the gate of the transistor Tp1 (control line SL1) by the pull-up PMOS is turned ON to 0V, and the bit line BL1 is set to Vcc. To charge.
Further, if the plate line PL1 is set to 0V, a high level signal is written to the selection capacitor CF (*).
Next, when the transistor Tp1 is turned off and the gates (control lines SL3) of the transistors Tp3a and Tp3b by the pull-down NMOS are turned on, the bit lines BL1 and BL2 are equalized to 0V.
Further, the transistors Tp3a and Tp3b are turned off to make the bit lines BL1 and BL2 floating, and then a read pulse is applied to the plate line PL1.
Thereafter, even if the plate line PL1 is returned to 0V, the residual signal ΔV corresponding to the high level remains on the bit line BL1. On the other hand, the paired bit line BL2 remains at 0V.
Here, when the gates (control lines SL4 and SL5) of the connection transistors T4 and T5 corresponding to the respective bit lines BL1 and BL2 are turned on, the residual signal generated on the bit line BL1 is divided between the bit lines BL2 and (1/2) ΔV is input to the level converter 7. The reference signal VREF generated in this way is substantially equivalent to a read signal generated when the capacitor CF (*) is in a non-polarized state.
このような手法による信号判定の概念図を、図10の従来例と同様の形式で図3に示す。
上述の如く、パルスがハイからローに戻った状態で残存する信号の読み出しを行うと、分極反転を伴わないローレベルの信号は、新鮮であればパルス印加前の状態に戻る。一方、分極反転がなされたハイレベル側では、その反転分に対応した信号が発生する。
そのときの互いに異なるメモリセルの残存信号の状態を図3(a)においてセル信号CS11、CS12,CS13として示す。
前述した図10と同様に、セル信号CS11、CS12,CS13として示す各メモリセルの信号レベルは、●、○で示すように、”0”、”1”ともにばらついている。またそれらの信号はデータ保持劣化やディスターブ劣化等により、”0”データと”1”データが接近する方向に×、△として示すように変化していく。不揮発性メモリにおいて特に問題となるデータ保持中の高温放置による経時劣化は、最終的には無分極状態に到る。
FIG. 3 shows a conceptual diagram of signal determination by such a method in the same format as the conventional example of FIG.
As described above, when the remaining signal is read in a state where the pulse returns from high to low, a low level signal without polarization inversion returns to the state before the pulse application if it is fresh. On the other hand, on the high level side where polarization inversion is performed, a signal corresponding to the inversion is generated.
The remaining signal states of the different memory cells at that time are shown as cell signals CS11, CS12, and CS13 in FIG.
Similar to FIG. 10 described above, the signal levels of the memory cells shown as the cell signals CS11, CS12, and CS13 vary as shown by ● and ○. These signals change as indicated by “x” and “Δ” in the direction in which “0” data and “1” data approach each other due to data retention degradation, disturbance degradation, and the like. Deterioration with time due to standing at high temperature during data retention, which is a particular problem in the nonvolatile memory, finally reaches a non-polarized state.
ここで改めてハイレベルの書き込みを行い、それを略1/2に変換した参照レベルが図3(b)の各破線VREF11,VREF12,VREF13として示されている。
このように生成した参照レベルは、前述の如く、ほぼ各々のキャパシタにおける無分極状態からの信号に等しい。従って各キャパシタごとに、最適な参照電位が設定されたことになる。
Here, reference levels obtained by performing high-level writing again and converting it to approximately ½ are shown as broken lines VREF11, VREF12, and VREF13 in FIG.
The reference level generated in this way is substantially equal to the signal from the unpolarized state in each capacitor, as described above. Therefore, the optimum reference potential is set for each capacitor.
次に、実際にキャパシタCFを無分極状態にしてアクセスすることで、無分極状態に相当する信号をキャパシタCFから発生させる手法を述べる。
例えば図1において、パストランジスタTp3aをオンしてビット線BL1を0Vにイコライズした状態でワード線WL2を開き、選択キャパシタCF(*)のビット線側を0Vに固定する。
ここでプレート線PL1に正と負のパルスを減衰させつつ交互に与えることで、無分極状態を生成することができる。
Next, a method for generating a signal corresponding to the non-polarized state from the capacitor CF by actually accessing the capacitor CF in the non-polarized state will be described.
For example, in FIG. 1, the pass line Tp3a is turned on and the bit line BL1 is equalized to 0V, the word line WL2 is opened, and the bit line side of the selection capacitor CF (*) is fixed to 0V.
Here, the non-polarized state can be generated by alternately applying positive and negative pulses to the plate line PL1 while attenuating them.
図4(a)のヒステリシスカーブにその様子を示す。
プレート線PL1に対して、図4(b)に示すように正と負のパルスを減衰させつつ交互に与えることによって、強誘電体キャパシタCF(*)の状態は図4(a)の(HP0)(HP1)(HP2)(HP3)・・・と順に推移し、原点の無分極状態に収束していく。
このようにして無分極状態を生成したら、通常のようにキャパシタCF(*)からの信号読み出しを行って、それを参照信号VREFとし、その前に読み出した記憶信号VS1のデータ値の判定を行えばよい。
This is shown in the hysteresis curve of FIG.
By alternately applying positive and negative pulses to the plate line PL1 while attenuating as shown in FIG. 4B, the state of the ferroelectric capacitor CF (*) is changed to (HP0) in FIG. ) (HP1) (HP2) (HP3)... In order and converge to the non-polarized state at the origin.
When the non-polarized state is generated in this way, the signal is read from the capacitor CF (*) as usual, and this is used as the reference signal VREF, and the data value of the storage signal VS1 read before that is determined. Just do it.
以上のようなセンス方法は、データの記憶に強誘電体キャパシタを用いた他のメモリにも応用が可能である。
図5には第2の実施の形態として、クロスポイント型強誘電体メモリ構成の半導体記憶装置の例を示す。本例では等価的に無分極信号を生成するため、隣接ユニット間で信号を分配させる機構が内臓されている。
The sensing method as described above can be applied to other memories using ferroelectric capacitors for data storage.
FIG. 5 shows an example of a semiconductor memory device having a cross-point type ferroelectric memory configuration as a second embodiment. In this example, in order to generate an unpolarized signal equivalently, a mechanism for distributing the signal between adjacent units is incorporated.
図5では、或る1つのメモリユニットと、それに隣接するメモリユニットの部分を示している。1つのメモリユニットにおけるセルストリングSS1(他のメモリユニットのセルストリングSS2・・・も同様)は、共通ノードNE1に接続された複数(n個)のキャパシタCF1〜CFnで構成される。
セルストリングSS1を構成する各キャパシタCFはそれぞれ別個のデータを記憶するものとされ、それぞれ独立したプレート線PL1〜PLnで制御される。
FIG. 5 shows a certain memory unit and a portion of the memory unit adjacent thereto. The cell string SS1 in one memory unit (the same applies to the cell strings SS2... In other memory units) includes a plurality (n) of capacitors CF1 to CFn connected to the common node NE1.
Each capacitor CF constituting the cell string SS1 stores separate data, and is controlled by independent plate lines PL1 to PLn.
また、それぞれFETによる、読出用アクセストランジスタTr、書込用アクセストランジスタTw、センストランジスタTsが設けられる。
センストランジスタTsはディプレッション型のNチャンネルMOS−FETであり、そのゲートは共通ノードNE1に接続されている。さらにそのソース/ドレインは、一方が例えばグランド電位に接続され、他方が読出用アクセストランジスタTrを介してビット線BLに接続されている。
読出用アクセストランジスタTrは、ソース/ドレインの一方がセンストランジスタTsに接続され、他方がビット線BLに接続される。またゲートは読出ワード線WLrに接続され、従って読出用アクセストランジスタTrは、読出ワード線WLrによってオン/オフ制御される。
書込用アクセストランジスタTwは、ソース/ドレインの一方が共通ノードNE1に接続され、他方がビット線BLに接続される。またゲートは書込ワード線WLwに接続され、従って書込用アクセストランジスタTwは、書込ワード線WLwによってオン/オフ制御される。
Further, a read access transistor Tr, a write access transistor Tw, and a sense transistor Ts, each of which is formed of an FET, are provided.
The sense transistor Ts is a depletion type N-channel MOS-FET, and its gate is connected to the common node NE1. Further, one of the sources / drains is connected to, for example, the ground potential, and the other is connected to the bit line BL via the read access transistor Tr.
Read access transistor Tr has one of its source / drain connected to sense transistor Ts and the other connected to bit line BL. The gate is connected to read word line WLr, and therefore read access transistor Tr is on / off controlled by read word line WLr.
In the write access transistor Tw, one of the source / drain is connected to the common node NE1, and the other is connected to the bit line BL. The gate is connected to write word line WLw, and therefore write access transistor Tw is on / off controlled by write word line WLw.
さらにメモリユニット内には、リセット用トランジスタTrstと、信号分配用トランジスタTdが設置されている。
リセット用トランジスタTrstは、ソース/ドレインの一方が共通ノードNE1に接続され、他方が接地される。またゲートはリセット制御線SLrstに接続され、従ってリセット用トランジスタTrstは、リセット制御線SLrstによってオン/オフ制御される。
このリセット用トランジスタTrstは、キャパシタCFから信号を受け取るノードである共通ノードNE1を、ビット線BLを介さずに接地することを可能にする。
Further, in the memory unit, a reset transistor Trst and a signal distribution transistor Td are provided.
In the reset transistor Trst, one of the source / drain is connected to the common node NE1, and the other is grounded. The gate is connected to the reset control line SLrst, and therefore the reset transistor Trst is on / off controlled by the reset control line SLrst.
This resetting transistor Trst makes it possible to ground the common node NE1, which is a node that receives a signal from the capacitor CF, without going through the bit line BL.
信号分配用トランジスタTdは、ソース/ドレインの一方が共通ノードNE1に接続され、他方が隣接するメモリユニットの共通ノードNE2に接続される。またゲートは信号分配制御線SLdに接続され、従って信号分配用トランジスタTdは、信号分配制御線SLdによってオン/オフ制御される。
この信号分配用トランジスタTdは、共通ノードNE1を、隣接するメモリユニットの共通ノードNE2とショートすることを可能とする。
In the signal distribution transistor Td, one of the source / drain is connected to the common node NE1, and the other is connected to the common node NE2 of the adjacent memory unit. The gate is connected to the signal distribution control line SLd. Therefore, the signal distribution transistor Td is controlled to be turned on / off by the signal distribution control line SLd.
This signal distribution transistor Td makes it possible to short-circuit the common node NE1 with the common node NE2 of the adjacent memory unit.
なお、これらの諸回路は全てセルストリングSS1の下層に配置することができるので、余分な占有面積を必要としない。
ビット線BLにはこのような構成のメモリユニットが複数接続されており、さらにビット線BLは、カップリングキャパシタCcpに接続されている。
またビット線BLにはPMOSトランジスタT4が接続されている。
カップリングキャパシタCcpの他端側は、図1の例と同様にインバータ5,6、スイッチ4、トランジスタT1,T2,T3が配された判定回路部とされている。
強誘電体キャパシタCFから読み出される記憶信号は、この判定回路部で”0””1”が判定され、データバスDBに出力される。
Note that all these circuits can be arranged in the lower layer of the cell string SS1, so that no extra occupied area is required.
A plurality of memory units having such a configuration are connected to the bit line BL, and the bit line BL is further connected to a coupling capacitor Ccp.
A PMOS transistor T4 is connected to the bit line BL.
The other end side of the coupling capacitor Ccp is a determination circuit unit in which inverters 5 and 6, a switch 4, and
The storage circuit read from the ferroelectric capacitor CF is determined to be “0” or “1” by this determination circuit unit, and is output to the data bus DB.
この図5の構成において、キャパシタCF1からデータを読み出す場合を例に挙げる。
メモリユニット内のセンストランジスタTsは、セルキャパシタCF1からの読み出し信号が乗った共通ノードNE1の電位をゲートに受けて、ビット線BLをグランド電位に向けて駆動する。
一方、ビット線BLに接続されたPMOSトランジスタT4はプルアップ抵抗として動作し、両者がバランスしたところにビット線BLの電位が固定される。即ちセンストランジスタTsとPMOSトランジスタT4は、ノードNE1の電位をビット線電位に変換する。
このようにして読み出した信号(記憶信号)をビット線BLの電位に変換した後、トランジスタT1をオンすると、インバータ6の入出力が短絡し、ノードN1の電位はその閾値VTに固定される。
さらにトランジスタT1をオフして、ノードN1を浮遊状態にすれば、ビット線BLにあらわれた記憶信号VS1(ビット線電位)は、カップリングキャパシタCcpを介したノードN1の電荷として保存されることになる。
即ちこの系ではビット線電位が記憶信号VS1より小さくなると、ノードN1の電位も閾値VTより小さくなり、従ってインバータ6の出力(N2)はハイになる。
逆にビット線電位が記憶信号VS1より大きくなると、ノードN1の電位も閾値VTより大きくなり、従ってインバータ6の出力(N2)はローになる。
ここで、今度は選択されているキャパシタCF1を用いて、その無分極状態に相当する読み出し信号を、共通ノードNE1に発生させる。この信号は”1”信号と”0”信号の中間にあり、センストランジスタTsが駆動されて、ビット線BLに変換信号が顕れる。つまり参照信号VREFである。
これによってノードN1に電荷として保存されていた記憶信号VS1と、参照信号VREFとの比較判定が行われることになる。
即ち先に読み出した記憶信号VS1がハイであればVREF<VS1なので、インバータ6の出力(N2)ハイになる。同様に先に読み出した記憶信号VS1がローであればVREF>VS1なので、インバータ6の出力(N2)はローになる。ここでスイッチ4をオンしてラッチを活性化させれば、データが確定する。
確定されたデータはトランジスタT2、T3がオンとされることでデータバスDBに出力されるとともに、図示されない経路を介してビット線BLに伝達され、さらには選択ユニットSS1の書込用トランジスタTwを介して共通ノードNE1に伝達される。この値に従って、キャパシタCFC1にはデータの再書き込みが行われる。
In the configuration of FIG. 5, a case where data is read from the capacitor CF1 is taken as an example.
The sense transistor Ts in the memory unit receives the potential of the common node NE1 carrying the read signal from the cell capacitor CF1 at the gate, and drives the bit line BL toward the ground potential.
On the other hand, the PMOS transistor T4 connected to the bit line BL operates as a pull-up resistor, and the potential of the bit line BL is fixed where both are balanced. That is, the sense transistor Ts and the PMOS transistor T4 convert the potential of the node NE1 into a bit line potential.
After the signal (memory signal) read in this way is converted into the potential of the bit line BL, when the transistor T1 is turned on, the input / output of the inverter 6 is short-circuited, and the potential of the node N1 is fixed to the threshold value VT.
Further, by turning off the transistor T1 and bringing the node N1 into a floating state, the storage signal VS1 (bit line potential) appearing on the bit line BL is stored as the charge of the node N1 via the coupling capacitor Ccp. Become.
That is, in this system, when the bit line potential becomes smaller than the storage signal VS1, the potential of the node N1 becomes smaller than the threshold value VT, and therefore the output (N2) of the inverter 6 becomes high.
Conversely, when the bit line potential becomes higher than the storage signal VS1, the potential of the node N1 also becomes higher than the threshold value VT, and therefore the output (N2) of the inverter 6 becomes low.
Here, a read signal corresponding to the non-polarized state is generated at the common node NE1 using the selected capacitor CF1. This signal is in the middle between the “1” signal and the “0” signal, and the sense transistor Ts is driven, and a conversion signal appears on the bit line BL. That is, the reference signal VREF.
As a result, the comparison determination between the storage signal VS1 stored as the charge in the node N1 and the reference signal VREF is performed.
That is, if the previously read storage signal VS1 is high, the output (N2) of the inverter 6 becomes high because VREF <VS1. Similarly, if the previously read storage signal VS1 is low, since VREF> VS1, the output (N2) of the inverter 6 becomes low. If the switch 4 is turned on to activate the latch, the data is determined.
The determined data is output to the data bus DB when the transistors T2 and T3 are turned on, and is transmitted to the bit line BL via a path (not shown), and further, the write transistor Tw of the selection unit SS1 is transmitted. Via the common node NE1. According to this value, data is rewritten in the capacitor CFC1.
この図5の構成においても、上記無分極状態に相当する信号(参照信号VREF)の発生手法は、上述した第1の実施の形態の場合と同様に、等価的な無分極信号を発生させるか、或いは実際にメモリセルに無分極状態を発生させ、それを読み出して参照電位とすればよい。 In the configuration of FIG. 5 as well, the generation method of the signal corresponding to the non-polarized state (reference signal VREF) generates an equivalent non-polarized signal as in the case of the first embodiment described above. Alternatively, a non-polarized state may be actually generated in the memory cell, and this may be read and used as a reference potential.
等価的な無分極信号を発生させる場合は、例えばプレート線PLにパルスを与え、それを元に戻した後に信号を読み出すセンス方法を採用し、ハイレベルの信号を略2分割することで発生させることが可能である。
以下、図5の構成において、無分極信号の等価的発生手順を具体的に説明する。
まず選択したメモリユニットの共通ノードNE1及びプレート線PL1〜PLnを全て接地した後、トランジスタTw、Tr、Trst、Tdを全てオフし、共通ノードNE1を浮遊状態にする。
次に選択セルキャパシタCF1に接続されたプレート線PL1を0Vに留めたまま、残りの全プレート線PL2〜PLnをVccに駆動する。これによって共通ノードNE1は、各非選択キャパシタ(CF2〜CFn)からのカップリングを受けてVcc付近にまで上昇する。従って選択キャパシタCF1には選択的にハイレベルのデータが書き込まれる。
このような書き込み手法では、共通ノードNE1に接続した非選択キャパシタ数が多いほどカップリング比が上がり、よりVccに近い電圧を選択キャパシタCF1に印加することができる。従って、信号分配用トランジスタTdをオンして、共通ノードNE1を隣接ユニットの共通ノードNE2と接続し、隣接ユニットの非選択キャパシタも使いながら同様の書き込みを行っても良い。
以上のような手法を用いれば、負荷の大きいビット線BLを駆動することなく、所望のプレート線に接続されたキャパシタ群に、簡便にハイレベルのデータを書き込むことが可能である。
In order to generate an equivalent non-polarized signal, for example, a pulse is applied to the plate line PL, a sensing method is used to read the signal after returning it to the original, and a high level signal is generated by substantially dividing it into two. It is possible.
Hereinafter, an equivalent generation procedure of a non-polarized signal in the configuration of FIG. 5 will be specifically described.
First, after all the common node NE1 and the plate lines PL1 to PLn of the selected memory unit are grounded, all the transistors Tw, Tr, Trst, and Td are turned off, and the common node NE1 is brought into a floating state.
Next, the remaining plate lines PL2 to PLn are driven to Vcc while the plate line PL1 connected to the selected cell capacitor CF1 is kept at 0V. As a result, the common node NE1 rises to near Vcc in response to coupling from each non-selected capacitor (CF2 to CFn). Therefore, high level data is selectively written into the selection capacitor CF1.
In such a writing method, the coupling ratio increases as the number of unselected capacitors connected to the common node NE1 increases, and a voltage closer to Vcc can be applied to the selected capacitor CF1. Therefore, the signal distribution transistor Td is turned on, the common node NE1 is connected to the common node NE2 of the adjacent unit, and the same writing may be performed using the non-selected capacitor of the adjacent unit.
By using the method as described above, it is possible to easily write high-level data to a capacitor group connected to a desired plate line without driving a heavily loaded bit line BL.
次に再度選択ユニットの共通ノードNE1及びプレート線PL1〜PLnを全て接地し、トランジスタTw、Tr、Trst、Tdを全てオフして、共通ノードNE1を浮遊状態にする。
ここでプレート線PL1に読み出しパルスを印加する。その後プレート線PL1を0Vに戻しても、共通ノードNE1にはハイレベルに相当する残存信号ΔVが残っている。
一方ペアとなる隣接ユニットの共通ノードNE2とプレート線も接地し、ノードNE2は浮遊状態にしておく。
ここで信号分配用トランジスタTdをオンすると、共通ノードNE1に発生した残存信号ΔVは、共通ノードNE2との間で分割され、(1/2)ΔVとなる。
さらにこの信号電位でセンストランジスタTsが駆動されて、ビット線BLに変換信号、即ち参照信号VREFが顕れる。このようにして発生した参照信号VREFは、キャパシタCF1が無分極状態にあるときに発生する読み出し信号とほぼ等価である。
Next, the common node NE1 and the plate lines PL1 to PLn of the selected unit are all grounded again, all the transistors Tw, Tr, Trst, and Td are turned off, and the common node NE1 is brought into a floating state.
Here, a read pulse is applied to the plate line PL1. Thereafter, even if the plate line PL1 is returned to 0V, the residual signal ΔV corresponding to the high level remains at the common node NE1.
On the other hand, the common node NE2 and the plate line of the adjacent unit that is paired are also grounded, and the node NE2 is left floating.
Here, when the signal distribution transistor Td is turned on, the residual signal ΔV generated at the common node NE1 is divided between the common node NE2 and becomes (½) ΔV.
Further, the sense transistor Ts is driven by this signal potential, and the conversion signal, that is, the reference signal VREF appears on the bit line BL. The reference signal VREF generated in this way is substantially equivalent to a read signal generated when the capacitor CF1 is in a non-polarized state.
また、実際にメモリセルに無分極状態を発生させ、それを読み出して参照電位とするには、次のようにすればよい。
例えば図5において、リセット用トランジスタTrstをオンして共通ノードNE1を0Vに接地する。
ここでプレート線PL1に対して、図4で説明したように正と負のパルスを減衰させつつ交互に与える。これにより選択キャパシタCF1において無分極状態を生成することができる。
無分極状態を生成したら、通常のようにキャパシタCF1からの信号読み出しを行って、それを参照信号VREFとし、その前に読み出した記憶信号VS1のデータ値の判定を行えばよい。
Further, in order to actually generate a non-polarized state in the memory cell and read it as a reference potential, the following may be performed.
For example, in FIG. 5, the reset transistor Trst is turned on to ground the common node NE1 to 0V.
Here, as described with reference to FIG. 4, positive and negative pulses are alternately applied to the plate line PL1 while being attenuated. As a result, a non-polarized state can be generated in the selection capacitor CF1.
When the non-polarized state is generated, signal reading from the capacitor CF1 is performed as usual, which is used as the reference signal VREF, and the data value of the storage signal VS1 read before that is determined.
以上説明したように、上記第1,第2の実施の形態では、アクセス時に選択される個々のメモリセル(強誘電体キャパシタ)に対して、キャパシタの略無分極状態に相当する信号値を生成し、それをセンシング時の参照信号として使用する。
より具体的には、まず選択したメモリセルの記憶信号を読み出し、次に該メモリセルを用いて略無分極状態に相当する参照信号を生成し、該記憶信号と該参照信号を比較することで記憶状態を判定する。
そして略無分極状態に相当する信号値は、分極反転に伴う発生信号を略二分の一にすることで、等価的に生成するか、又は、選択キャパシタを略無分極状態にし、それをアクセスすることによって生成する。
このように選択キャパシタ自身の無分極状態に相当する信号を参照信号とすることで、アクセスしたキャパシタに僅かな分極の偏りさえ残っていれば正しくデータ読み出しが可能である。従ってセル間の信号ばらつきの影響を受けにくく、かつ経時劣化にも非常に強いセンシングが可能となる。従って、読出時のマージンの拡大や、誤読出の防止が実現される。
また、この場合の参照信号は、実際にアクセスしたセルキャパシタから等価的に生成されるか、または実際に無分極信号そのものが生成されるため、アクセスしたセルキャパシタ以外の系から人為的に参照電位やオフセットを生成する必要性が殆ど無いので、製造ばらつき等による特性変動の影響を極限まで小さく抑えることができる。
従って非常に微細なキャパシタからの微量の信号も正しくセンシングすることが可能になり、メモリセルの微細化に貢献し、大容量、低コストの強誘電体メモリが実現できる。
As described above, in the first and second embodiments, a signal value corresponding to a substantially non-polarized state of a capacitor is generated for each memory cell (ferroelectric capacitor) selected at the time of access. It is used as a reference signal for sensing.
More specifically, first, a memory signal of a selected memory cell is read, and then a reference signal corresponding to a substantially non-polarized state is generated using the memory cell, and the memory signal is compared with the reference signal. The memory state is determined.
The signal value corresponding to the substantially non-polarized state is generated equivalently by making the generated signal accompanying the polarization inversion approximately one half, or the selected capacitor is made substantially non-polarized and accessed. Generate by.
Thus, by using a signal corresponding to the non-polarized state of the selected capacitor itself as a reference signal, data can be read correctly as long as a slight polarization deviation remains in the accessed capacitor. Therefore, it is possible to perform sensing that is hardly affected by signal variations between cells and that is extremely resistant to deterioration over time. Therefore, it is possible to increase the margin during reading and prevent erroneous reading.
In addition, the reference signal in this case is generated equivalently from the cell capacitor that is actually accessed, or the non-polarized signal itself is actually generated, so that the reference potential is artificially generated from a system other than the accessed cell capacitor. Since there is almost no need to generate an offset, it is possible to minimize the influence of characteristic fluctuations due to manufacturing variations and the like.
Therefore, it is possible to correctly sense a very small amount of signal from a very fine capacitor, contributing to the miniaturization of the memory cell and realizing a large capacity and low cost ferroelectric memory.
なお、本発明は上記実施の形態の構成及び動作に限定されない。例えば第2の実施の形態としては増幅型クロスポイントメモリと呼ばれる構成をもとにした例であるが、増幅型ではないクロスポイントメモリにおいても本発明が適用できることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the configuration and operation of the above embodiment. For example, the second embodiment is an example based on a configuration called an amplification type cross-point memory, but it goes without saying that the present invention can be applied to a cross-point memory that is not an amplification type.
1 ワード線デコーダ/ドライバ、2 プレート線デコーダ/ドライバ、4 スイッチ、5,6 インバータ、7 レベルコンバータ、WL ワード線、BL ビット線、GBL グローバルビット線、PL プレート線、CF キャパシタ、Ccp カップリングキャパシタ 1 Word line decoder / driver, 2 plate line decoder / driver, 4 switches, 5, 6 inverter, 7 level converter, WL word line, BL bit line, GBL global bit line, PL plate line, CF capacitor, Ccp coupling capacitor
Claims (7)
上記メモリセルから読み出される、上記強誘電体キャパシタの分極方向に応じた記憶信号に対して、上記強誘電体キャパシタの略無分極状態に相当する信号値を参照信号として使用して、上記メモリセルの記憶状態を判定することを特徴とするデータ読出方法。 In a semiconductor memory device having a memory cell for storing binary data according to the polarization direction of a ferroelectric capacitor,
A memory signal read from the memory cell according to the polarization direction of the ferroelectric capacitor is used as a reference signal using a signal value corresponding to a substantially non-polarized state of the ferroelectric capacitor as a reference signal. A data reading method characterized by determining a storage state of the data.
選択した上記メモリセルに対して読出パルスを印加して、該メモリセルの上記強誘電体キャパシタの分極方向に応じた記憶信号を発生させるとともに、上記選択したメモリセルを用いて上記強誘電体キャパシタの略無分極状態に相当する参照信号を発生させるメモリセル読出手段と、
上記メモリセル読出手段によって読み出された上記記憶信号と上記参照信号を比較することで上記選択したメモリセルの記憶状態を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする半導体記憶装置。 A memory cell for storing binary data according to the polarization direction of the ferroelectric capacitor;
A read pulse is applied to the selected memory cell to generate a memory signal corresponding to the polarization direction of the ferroelectric capacitor of the memory cell, and the ferroelectric capacitor is used using the selected memory cell. Memory cell reading means for generating a reference signal corresponding to the substantially non-polarized state of
Determining means for determining the storage state of the selected memory cell by comparing the reference signal with the storage signal read by the memory cell reading means;
A semiconductor memory device comprising:
The memory cell reading means reads the signal from the memory cell in a state in which the ferroelectric capacitor of the selected memory cell is in a substantially non-polarized state, thereby obtaining the reference signal corresponding to the substantially non-polarized state. The semiconductor memory device according to claim 5, wherein the semiconductor memory device is generated.
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