上記目的を達成するために、この発明の一の局面におけるメモリは、複数のサブアレイを含むメモリセルアレイと、メモリセルアレイに配置されたワード線と、ワード線と交差するように配置されたメインビット線と、各々のサブアレイに配置され、メインビット線に接続可能に設けられたサブビット線と、ワード線とサブビット線との間に接続された記憶手段と、サブビット線にゲートが接続されるとともに、メインビット線にソース/ドレインの一方が接続され、読み出し動作時において、サブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御する第1トランジスタとを備える。
この一の局面によるメモリでは、上記のように、サブビット線にゲートが接続されるとともに、メインビット線にソース/ドレインの一方が接続され、読み出し動作時において、サブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御する第1トランジスタを設けることによって、1つの第1トランジスタにより、読み出し動作時にサブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御することができるので、その分、トランジスタの数が増加するのを抑制することができる。これにより、メモリのチップ面積の増加を抑制することができる。また、ワード線と交差するように配置されたメインビット線と、各々のサブアレイに配置され、メインビット線に接続可能に設けられたサブビット線とを設けることによって、ビット線がメインビット線とサブビット線とに分割されていることにより、ビット線寄生容量に寄与するキャパシタ容量をサブビット線に接続される記憶手段のキャパシタ容量に限定することができる。これにより、ビット線全体の寄生容量の値を小さくすることができるので、読み出し電圧を大きくすることができる。
上記一の局面によるメモリにおいて、好ましくは、第1トランジスタは、記憶手段に記憶されたデータが第1データの場合に読み出し動作時にサブビット線に現れる第1電位によりオン状態になるとともに、記憶手段に記憶されたデータが第2データの場合に読み出し動作時にサブビット線に現れる第2電位によりオフ状態または第1データの場合よりも弱いオン状態になるような、しきい値電圧を有する。このように構成すれば、読み出し動作時において、第1トランジスタのゲートに入力されるサブビット線の電位(第1電位または第2電位)に応じて、第1トランジスタのオン/オフ状態またはオン状態の強弱を変化させることができるので、容易に、メインビット線に接続された第1トランジスタのソース/ドレインの一方を介してメインビット線の電位を制御することができる。これにより、メインビット線の電位を検出することにより、容易に、記憶手段に記憶されたデータの読み出しを行うことができる。
この場合、好ましくは、第1トランジスタのソース/ドレインの他方に接続される信号線をさらに備え、読み出し動作時において、信号線の電位とメインビット線の電位との電位差が、サブビット線の第1電位とサブビット線の第2電位との電位差よりも大きくなるように、信号線の電位を設定する。このように構成すれば、サブビット線の電位が第1データに対応する第1電位の場合に、第1トランジスタがオン状態になることにより、メインビット線と信号線とが接続されて、メインビット線の電位は、メインビット線との電位差がサブビット線の第1電位と第2電位との電位差よりも大きい信号線の電位に引っ張られるので、メインビット線の電位の変化量を第1電位と第2電位との電位差よりも大きくすることができる。また、サブビット線の電位が第2データに対応する第2電位の場合には、第1トランジスタがオフ状態または第1データの場合よりも弱いオン状態になることにより、メインビット線の電位は、信号線の電位の影響を受けるのが抑制されるので、メインビット線の電位の変化を抑制することができる。これらにより、第1データの場合のメインビット線の電位と、第2データの場合のメインビット線の電位との電位差を、サブビット線の第1電位と第2電位との電位差よりも大きくすることができる。その結果、サブビット線の第1電位と第2電位との電位差を増幅してメインビット線に伝達することができる。
上記第1トランジスタのソース/ドレインの他方に接続される信号線を備える構成において、好ましくは、書き込み動作時において、信号線の電位を、第1トランジスタがオフ状態になるような電位に設定する。なお、本発明における書き込み動作は、通常のデータの書き込み動作のみならず、読み出し動作後の再書き込み動作を含む広い概念である。このように構成すれば、書き込み動作時において、第1トランジスタがオン状態になるのを抑制することができるので、メインビット線と信号線とが電気的に接続されるのを抑制することができる。これにより、書き込み動作時に、メインビット線の電位が信号線の電位の影響を受けるのを抑制することができる。
上記一の局面によるメモリにおいて、好ましくは、ソース/ドレインの一方がサブビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方がメインビット線に接続される第2トランジスタをさらに備え、第2トランジスタは、読み出し動作時にオフ状態であるとともに、書き込み動作時にオン状態である。このように構成すれば、第2トランジスタにより、書き込み動作時にメインビット線とサブビット線とを電気的に接続してデータの書き込みを行うことができる。
上記一の局面によるメモリにおいて、好ましくは、各々のサブビット線間に配置され、各々のサブビット線を互いに接続するための第3トランジスタをさらに備え、少なくとも読み出し動作時に、選択されていないサブアレイのサブビット線を第3トランジスタを介して固定電位に接続する。このように構成すれば、第3トランジスタにより、選択されていないサブビット線がフローティング状態になることを防止することができる。その結果、選択されていないサブビット線にノイズが伝播するのを防止することができるので、サブビット線に伝播したノイズの電圧に起因して選択されていないサブビット線に接続された記憶手段の分極量が劣化してデータが消失する、いわゆるディスターブ現象が発生するのを抑制することができる。
上記一の局面によるメモリにおいて、好ましくは、メインビット線にゲートが接続されるとともに、センスアンプのノードにソース/ドレインの一方が接続され、読み出し動作時において、メインビット線の電位に基づいてセンスアンプのノードの電位を制御する第4トランジスタをさらに備える。このように構成すれば、たとえば第1トランジスタまたは第4トランジスタが読み出し時動作時にサブビット線からメインビット線に読み出された電位(読み出し電圧)を増幅するように制御する場合、読み出し時動作時にサブビット線からメインビット線に読み出された電位(読み出し電圧)は、第1トランジスタまたは第4トランジスタによって増幅されるので、読み出し時動作時にサブビット線からメインビット線に読み出された電位(読み出し電圧)をセンスアンプで差動増幅するのに必要な電位まで駆動するための時間を短くすることができる。これにより、メモリの読み出し動作に必要な時間を短くすることができる。
この場合、好ましくは、第1トランジスタと第4トランジスタとの少なくとも一方は、電位を増幅する機能を有する。このように構成すれば、容易に第1トランジスタと第4トランジスタとの少なくとも一方により読み出し時動作時にサブビット線からメインビット線に読み出された電位(読み出し電圧)を増幅することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による単純マトリックス型の強誘電体メモリの全体構成を説明するためのブロック図である。図2は、図1に示した第1実施形態による強誘電体メモリのメモリセルアレイの構成を示した概略図である。図3は、図1に示した第1実施形態による強誘電体メモリのセンスアンプおよびセンスアンプに隣接するサブアレイの内部構成の詳細を示した回路図である。図1〜図3を参照して、第1実施形態による強誘電体メモリの構成について説明する。なお、この第1実施形態では、メモリの一例である単純マトリックス型の強誘電体メモリに本発明を適用した場合について説明する。
第1実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリは、図1に示すように、メモリセルアレイ1と、センスアンプ2と、カラムデコーダ3と、ロウデコーダ4と、ビット線ソースドライバ5と、ワード線ソースドライバ6と、電圧生成回路7と、カラムアドレスバッファ8と、ロウアドレスバッファ9と、ライトアンプ10と、リードアンプ11と、入力バッファ12と、出力バッファ13と、動作制御回路14とを備えている。
また、ビット線ソースドライバ5およびワード線ソースドライバ6は、それぞれ、センスアンプ2およびロウデコーダ4に接続されている。また、ビット線ソースドライバ5およびワード線ソースドライバ6には、電圧生成回路7で生成される所定の電位を有する信号が供給されている。また、カラムアドレスバッファ8およびロウアドレスバッファ9は、それぞれ、カラムデコーダ3およびロウデコーダ4に接続されている。また、ライトアンプ10およびリードアンプ11は、センスアンプ2に接続されているとともに、入力バッファ12および出力バッファ13は、それぞれ、ライトアンプ10およびリードアンプ11に接続されている。また、動作制御回路14は、カラムデコーダ3、ビット線ソースドライバ5、ワード線ソースドライバ6、カラムアドレスバッファ8、ロウアドレスバッファ9、ライトアンプ10およびリードアンプ11に接続されている。
メモリセルアレイ1は、図2に示すように、6つのサブアレイに分割されている。各々のサブアレイには、複数のワード線(たとえば256本)と複数の階層ビット線とが交差するように配置されている。階層ビット線は、共通のメインビット線と、各々のサブアレイ毎に配置されたサブビット線とからなる。階層ビット線のうち、メインビット線はセンスアンプ2を介してカラムデコーダ3に接続されているとともに、ワード線は、ロウデコーダ4に接続されている。
また、サブアレイには、それぞれ、複数(たとえば256本)のワード線WLがサブビット線と交差するように配置されている。サブビット線とワード線WLとが交差する領域には、強誘電体キャパシタ33が接続されている。これにより、1つのメモリセルが1つの強誘電体キャパシタ33により構成される単純マトリックス型の強誘電体メモリが構成されている。なお、強誘電体キャパシタ33は、本発明の「記憶手段」の一例である。
ここで、第1実施形態では、図3に示すように、メモリセルアレイ1には、反転手段15と、プリチャージ手段16と、センスアンプ2とが順に接続されている。メモリセルアレイ1のサブアレイには、サブビット線が配置されている。サブビット線には、それぞれ、メインビット線とサブビット線とを接続するためのnチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ31と、サブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御するためのnチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ32とが設けられている。
このトランスファゲートトランジスタ31は、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方がサブビット線に接続されている。トランスファゲートトランジスタ31のゲートには、信号線ASSが接続されている。また、このトランスファゲートトランジスタ31は、再書き込み動作時にオン状態になるとともに、読み出し動作時にオフ状態になる。なお、このトランスファゲートトランジスタ31は、本発明の「第2トランジスタ」の一例である。
また、第1実施形態では、電位増幅トランジスタ32は、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方が信号線PASに接続され、かつ、ゲートがサブビット線に接続されている。また、電位増幅トランジスタ32のゲートには、サブビット線を介してトランスファゲートトランジスタ31のソース/ゲートの他方が接続されている。この電位増幅トランジスタ32のしきい値電圧は、強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータが「H」データの場合にサブビット線に現れる電位(約0.15V)でオン状態になるとともに、強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータが「L」データの場合にサブビット線に現れる電位(約0.05V)でオフ状態になるような値(たとえば、約0.1V)に設定されている。なお、電位増幅トランジスタ32は、本発明の「第1トランジスタ」の一例である。また、「H」データおよび「L」データは、それぞれ、本発明の「第1データ」および」「第2データ」の一例である。
反転手段15は、メインビット線とSNT側ビット線とを接続するためのnチャネルトランジスタ15aと、メインビット線とSNB側ビット線とを接続するためのnチャネルトランジスタ15bとを含んでいる。nチャネルトランジスタ15aは、ソース/ドレインの一方がSNT側ビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方がメインビット線に接続され、かつ、ゲートが信号線TGWに接続されている。nチャネルトランジスタ15bは、ソース/ドレインの一方がSNB側ビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方がメインビット線に接続され、かつ、ゲートが信号線TGRに接続されている。
プリチャージ手段16は、接地電位にプリチャージするためのプリチャージ部16aと、電源電位(Vcc)にプリチャージするためのプリチャージ部16bとを含んでいる。プリチャージ部16aは、SNT側ビット線と接地電位との間に接続されたnチャネルトランジスタ16cと、SNB側ビット線と接地電位との間に接続されたnチャネルトランジスタ16dとから構成されている。nチャネルトランジスタ16cおよび16dのゲートには、信号線PC1が接続されている。プリチャージ部16bは、SNT側ビット線と電源電位(Vcc)との間に接続されたpチャネルトランジスタ16eと、SNB側ビット線と電源電位(Vcc)との間に接続されたpチャネルトランジスタ16fとから構成されている。pチャネルトランジスタ16eおよび16fのゲートには、信号線/PC2が接続されている。
センスアンプ2は、2つのCMOSインバータ回路21および22の入出力が互いにクロスカップル接続することにより構成されている。CMOSインバータ回路21は、pチャネルトランジスタ21aおよびnチャネルトランジスタ21bによって構成されているとともに、CMOSインバータ回路22は、pチャネルトランジスタ22aおよびnチャネルトランジスタ22bによって構成されている。また、pチャネルトランジスタ21aおよび22aの一方のソース/ドレインには、pチャネルトランジスタ23を介して、電源電位(Vcc)が接続されている。nチャネルトランジスタ21bおよび22bの一方のソース/ドレインは、nチャネルトランジスタ24を介して接地されている。pチャネルトランジスタ23のゲートおよびnチャネルトランジスタ24のゲートには、それぞれ、信号線/SEおよびSEが接続されている。また、pチャネルトランジスタ21aおよびnチャネルトランジスタ21bのゲートは、ノードSNBに接続されているとともに、pチャネルトランジスタ22aおよびnチャネルトランジスタ22bのゲートは、ノードSNTに接続されている。また、ノードSNBには、SNB側ビット線が接続されているとともに、ノードSNTには、SNT側ビット線が接続されている。
図4は、本発明の第1実施形態の強誘電体メモリの動作を説明するためのタイミングチャートである。次に、図4を参照して、第1実施形態による強誘電体メモリのスタンバイ時、読み出し動作の前準備、読み出し動作および再書き込み動作について説明する。なお、以下の動作説明では、6つのサブアレイのうちセンスアンプ2に隣接するサブアレイが選択されているとする。
(スタンバイ時)
まず、図4に示すように、スタンバイ時では、選択されているサブアレイの信号線ASSおよび選択されていないサブアレイの信号線ASS(図示せず)は、全てVcc+α(α>トランスファゲートトランジスタ31のしきい値電圧Vth)の昇圧電位に保持されている。なお、信号線に、Vcc+αの昇圧電位を印加するのは、後述する再書き込み動作時におけるトランジスタによるしきい値電圧落ち(しきい値電圧Vth分の電位低下)を防止するためである。これにより、各サブビット線とメインビット線とを接続するトランスファゲートトランジスタ31がオン状態になるので、各サブビット線とメインビット線とが接続された状態になっている。
また、信号線TGRおよびTGWも、Vcc+α(α>nチャネルトランジスタ15aおよび15bのしきい値電圧Vth)の昇圧電位に保持されている。これにより、SNB側ビット線とメインビット線とが接続されるとともに、SNT側ビット線とメインビット線とが接続された状態になっている。
そして、信号線PC1および/PC2は、Vccに保持されている。これにより、プリチャージ手段16のnチャネルトランジスタ16cおよび16dがオン状態になるとともに、pチャネルトランジスタ16eおよび16fがオフ状態になるので、SNT側ビット線、SNB側ビット線、メインビット線およびサブビット線が接地電位(0V)にプリチャージされる。
(読み出し前準備)
メモリへのアクセスが発生すると、まず、信号線PC1がVccから0Vに立ち下げられるとともに、選択されているサブアレイの信号線ASSおよび選択されていないサブアレイの信号線ASS(図示せず)がVccから0Vに立ち下げられる。これにより、トランスファゲートトランジスタ31がオフ状態になるので、全てのサブビット線がメインビット線から切り離される。したがって、全てのサブビット線がメインビット線から電気的に分離される。このため、サブビット線は、0Vでフローティング状態になる。
次に、信号線/PC2がVccから0Vに立ち下げられる。これにより、pチャネルトランジスタ16eおよび16fがオン状態になるので、SNT側ビット線およびSNB側ビット線を介して、メインビット線が0VからVccにプリチャージされる。そして、メインビット線が十分にVccにプリチャージされた後、信号線/PC2が0VからVccに立ち上げられる。次に、信号線TGWがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、nチャネルトランジスタ15aがオフ状態になるので、SNT側ビット線とメインビット線とが電気的に分離される。したがって、メインビット線は、Vcc(約1.8V)でフローティング状態になる。また、図示しない参照電位生成回路を用いて生成された参照電位がSNT側ビット線に印加されることによって、センスアンプ2のノードSNTは参照電位になる。なお、参照電位は、後述する「L」データ読み出し動作時にメインビット線に出力される電位(約1.8V)と、「H」データ読み出し動作時にメインビット線に出力される電位(約1.3V)との中間の電位(たとえば、約1.55V)に設定される。
(読み出し動作)
読み出し動作では、まず、選択されたサブアレイの選択ワード線WLが0VからVccに立ち上げられる。これにより、選択された強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータ(「L」データまたは「H」データ)に対応する電位(読み出し電圧)が、選択されたサブアレイのサブビット線に現れる。具体的には、たとえば、強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータが「L」データの場合には、約0.05Vがサブビット線に現れるとともに、強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータが「H」データの場合には、約0.15Vがサブビット線に現れる。
ここで、上述したように、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ32のしきい値電圧は約0.1Vに設定されている。このとき、信号線PASの電位が0Vであるので、サブビット線に「L」データに対応する約0.05Vの電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ32のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約0.05Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ32は、オフ状態のままであるので、メインビット線の電位がVcc(約1.8V)のまま維持される。その一方、サブビット線に「H」データに対応する約0.15Vの電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ32のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約0.15Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ32は、オン状態になるので、メインビット線の電位が信号線PASの電位(0V)に引っ張られることにより約1.3Vに減少する。つまり、第1実施形態では、「L」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約1.8V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約1.3V)との電位差(約0.5V)が、「L」データが読み出された場合のサブビット線の電位(約0.05V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約0.15V)との電位差(約0.1V)よりも大きくなるので、電位差が増幅されるといえる。ただし、この第1実施形態では、メインビット線に現れる電位は、「L」データの場合(約1.8V)よりも「H」データの場合(約1.3V)の方が低くなるため、メインビット線のデータはサブビット線のデータと逆になる。
そして、メインビット線に伝達された読み出し電圧がSNB側ビット線を介してセンスアンプ2のノードSNBまで伝達されるのを見計らって、信号線TGRがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、nチャネルトランジスタ15bがオフ状態になるので、SNB側ビット線とメインビット線とが電気的に分離される。さらに、信号線SEが0VからVccに立ち上げられるとともに、信号線/SEがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、センスアンプ2のpチャネルトランジスタ23はオン状態になるので、Vccの電圧が供給される。また、nチャネルトランジスタ24もオン状態となるので、接地電位(0V)が供給される。これにより、センスアンプ2は活性化される。そして、メインビット線の電位(約1.8Vまたは約1.3V)が伝達されるノードSNBの電位と、参照電位(約1.55V)が伝達されるノードSNTの電位との差動増幅が行われ、強誘電体キャパシタ33からのデータの読み出しが行われる。なお、第1実施形態では、読み出し動作時にセンスアンプ2の逆極性側のノードSNBに接続することにより、メインビット線のデータと、センスアンプ2のデータとが逆になるように構成している。これにより、メインビット線のデータがサブビット線のデータと逆になっている場合にも、センスアンプ2では、サブビット線のデータ(選択された強誘電体キャパシタ33からなるメモリセルに書き込まれていたデータ)と同じデータを読み出すことが可能になる。
具体的には、たとえば、「L」データが読み出された場合には、ノードSNTの電位が約1.55V、ノードSNBの電位が約1.8Vとなるので、センスアンプ2での増幅後には、ノードSNTの電位が0V、ノードSNBの電位がVccとなる。その一方、「H」データが読み出された場合には、ノードSNTの電位が約1.55V、ノードSNBの電位が約1.3Vとなるので、センスアンプ2での増幅後には、ノードSNTの電位がVcc、ノードSNBの電位が0Vとなる。
(読み出しデータの再書き込み)
その後、強誘電体キャパシタ33からなるメモリセルへの読み出しデータの再書き込みが行われる。まず、信号線TGWを0VからVcc+αの昇圧電位に立ち上げる。これにより、nチャネルトランジスタ15aがオン状態になるので、SNT側ビット線とメインビット線とが電気的に接続される。そして、選択されたサブアレイの信号線ASSを0VからVcc+αの昇圧電位に立ち上げる。これにより、トランスファゲートトランジスタ31がオン状態になるので、メインビット線と選択されたサブビット線とが電気的に接続される。したがって、ノードSNTの電位(再書き込み電位)がメインビット線を介してサブビット線に伝達される。ここで、第1実施形態の再書き込み動作時には、読み出し動作時とは異なり、メインビット線を同一極性側のノードSNTに接続している。これにより、読み出されたデータと同じデータがサブビット線を介して強誘電体キャパシタ33からなるメモリセルに再書き込みされる。
なお、このとき、信号線PASの電位を0VからVccに立ち上げておく。これにより、電位増幅トランジスタ32のゲートに接続されるサブビット線の電位がVccにされた場合にも、電位増幅トランジスタ32のソース−ゲート間にしきい値電圧を超える電位差が発生するのを抑制することができるので、再書き込み動作時に電位増幅トランジスタ32がオン状態になるのが抑制される。
そして、「L」データを再書き込みする場合には、選択されたサブビット線にノードSNTから0Vが伝達されるとともに、ワード線WLはVccにされる。これにより、強誘電体キャパシタ33には、「L」データが再書き込みされる。その後、ワード線がVccから0Vに立ち下げられる。「H」データを再書き込みする場合には、選択されたサブビット線にノードSNTからVccが伝達されるとともに、ワード線WLが0Vにされる。これにより、強誘電体キャパシタ33には、「H」データが再書き込みされる。その後、信号線SEがVccから0Vに立ち下げられるとともに、信号線/SEが0VからVccに立ち上げられる。また、信号線PASがVccから0Vに立ち下げられるとともに、信号線PC1が0VからVccに立ち上げられる。さらに、信号線TGRを0VからVcc+αの昇圧電位に立ち上げる。これらの動作により、スタンバイ状態に戻る。
第1実施形態では、上記のように、サブビット線にゲートが接続されるとともに、メインビット線にソース/ドレインの一方が接続され、読み出し動作時において、サブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御するnチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ32を設けることによって、1つのnチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ32により、読み出し動作時にサブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御することができるので、その分、トランジスタの数が増加するのを抑制することができる。これにより、強誘電体メモリのチップ面積の増加を抑制することができる。また、ワード線WLと交差するように配置されたメインビット線と、各々のサブアレイに配置され、メインビット線に接続可能に設けられたサブビット線とを設けることによって、ビット線がメインビット線とサブビット線とに分割されていることにより、ビット線寄生容量に寄与するキャパシタ容量をサブビット線に接続される記憶手段のキャパシタ容量に限定することができる。これにより、ビット線全体の寄生容量の値を小さくすることができるので、読み出し電圧を大きくすることができる。
また、第1実施形態では、電位増幅トランジスタ32を、「H」データの読み出し動作時にオン状態になるとともに、「L」データ読み出し動作時にオフ状態になるような、しきい値電圧(約0.1V)を有するように構成することによって、読み出し動作時において、電位増幅トランジスタ32のゲートに入力されるサブビット線の電位に応じて、電位増幅トランジスタ32のオン/オフ状態を切換えることができるので、容易に、メインビット線に接続された電位増幅トランジスタ32のソース/ドレインの一方を介してメインビット線の電位を制御することができる。これにより、メインビット線の電位を検出することにより、容易に、強誘電体キャパシタ33に書き込まれた「H」データおよび「L」データの読み出しを行うことができる。
また、第1実施形態では、電位増幅トランジスタ32のソース/ドレインの他方に接続される信号線PASを設け、かつ、読み出し動作時において、メインビット線をVcc(約1.8V)でフローティング状態にするとともに、信号線PASを0Vで保持するように構成することによって、サブビット線に「H」データに対応する電位(約0.15V)が現れた場合には、電位増幅トランジスタ32がオン状態になることにより、メインビット線と信号線PASとが接続されて、メインビット線の電位は、信号線PASの電位に引っ張られることにより約1.3Vに減少する。また、サブビット線に「L」データに対応する電位(約0.05V)が現れた場合には、電位増幅トランジスタ32がオフ状態のままであることにより、メインビット線の電位がVcc(約1.8V)のまま維持される。これらにより、サブビット線に現れる約0.1Vの電位差を約0.5Vに増幅してメインビット線に伝達することができる。
また、第1実施形態では、再書き込み動作時において、信号線PASの電位を0VからVccに立ち上げることによって、再書き込み動作時において、電位増幅トランジスタ32がオン状態になるのを抑制することができる。これにより、メインビット線と信号線PASとが電気的に接続されるのを抑制することができるので、メインビット線の電位がPASの電位に引っ張られることにより低下するのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、ソース/ドレインの他方がサブビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるnチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ31を設けるとともに、トランスファゲートトランジスタ31を、読み出し動作時にオフ状態にするとともに、再書き込み動作時にオン状態にすることによって、再書き込み動作時にメインビット線とサブビット線とを電気的に接続してデータの書き込みを行うことができる。
(第2実施形態)
図5は、本発明の第2実施形態による強誘電体メモリのセンスアンプおよびセンスアンプに隣接するサブアレイの内部構成の詳細を示した回路図である。図5を参照して、この第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、トランスファゲートトランジスタ41および電位増幅トランジスタ42をpチャネルトランジスタにより構成した場合について説明する。
この第2実施形態では、図5に示すように、メモリセルアレイ40には、プリチャージ手段16と、センスアンプ2とが順に接続されている。メモリセルアレイ40のサブアレイには、サブビット線が配置されている。サブビット線には、メインビット線とサブビット線とを接続するためのpチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ41と、サブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御するためのpチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ42と、データを保持するための複数の強誘電体キャパシタ33とが設けられている。
このトランスファゲートトランジスタ41は、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方がサブビット線に接続されている。トランスファゲートトランジスタ41のゲートには、信号線ASSが接続されている。また、このトランスファゲートトランジスタ41は、再書き込み動作時にオン状態になるとともに、読み出し動作時にオフ状態になる。なお、このトランスファゲートトランジスタ41は、本発明の「第2トランジスタ」の一例である。
また、第2実施形態では、電位増幅トランジスタ42は、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方が信号線PASに接続され、かつ、ゲートがサブビット線に接続されている。また、電位増幅トランジスタ42のゲートには、サブビット線を介してトランスファゲートトランジスタ41のソース/ゲートの他方が接続されている。この電位増幅トランジスタ42のしきい値電圧は、強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータが「L」データの場合にサブビット線に現れる電位(約1.75V)でオフ状態になるとともに、強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータが「H」データの場合にサブビット線に現れる電位(約1.65V)でオン状態になるような値(たとえば、約−0.1V)に設定されている。なお、電位増幅トランジスタ42は、本発明の「第1トランジスタ」の一例である。また、「H」データおよび「L」データは、それぞれ、本発明の「第1データ」および」「第2データ」の一例である。
また、第2実施形態では、センスアンプ2のノードSNTには、メインビット線が接続されている。また、センスアンプ2のノードSNBには、メインビット線と電気的に分離された参照ビット線が接続されている。
図6は、本発明の第2実施形態の強誘電体メモリの動作を説明するためのタイミングチャートである。次に、図5および図6を参照して、第2実施形態による強誘電体メモリのスタンバイ時、読み出し動作の前準備、読み出し動作および再書き込み動作について説明する。なお、以下の動作説明では、6つのサブアレイのうちセンスアンプ2に隣接するサブアレイが選択されているとする。
(スタンバイ時)
まず、図6に示すように、スタンバイ時では、選択されているサブアレイの信号線ASSおよび選択されていないサブアレイの信号線ASS(図示せず)は、全て0V−α(α>トランスファゲートトランジスタ41のしきい値電圧Vth)の降圧電位に保持されている。これにより、各サブビット線とメインビット線とを接続するpチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ41がオン状態になるので、各サブビット線とメインビット線とが接続された状態になっている。
そして、信号線PC1および/PC2は、0Vに保持されている。これにより、プリチャージ手段16のnチャネルトランジスタ16cおよび16dがオフ状態になるとともに、pチャネルトランジスタ16eおよび16fがオン状態になるので、メインビット線およびサブビット線がVccにプリチャージされる。
(読み出し前準備)
メモリへのアクセスが発生すると、まず、信号線/PC2が0VからVccに立ち上げられるとともに、選択されているサブアレイの信号線ASSおよび選択されていないサブアレイの信号線ASS(図示せず)が0VからVccに立ち上げられる。これにより、pチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ41がオフ状態になるので、全てのサブビット線がメインビット線から切り離される。したがって、全てのサブビット線がメインビット線から電気的に分離される。このため、サブビット線は、Vccでフローティング状態になる。
次に、信号線PC1が0VからVccに立ち上げられる。これにより、nチャネルトランジスタ16cおよび16dがオン状態になるので、メインビット線がVccから0Vにプリチャージされる。そして、メインビット線が十分に0Vにプリチャージされた後、信号線PC1がVccから0Vに立ち下げられる。したがって、メインビット線は、0Vでフローティング状態になる。また、図示しない参照電位生成回路を用いて生成された参照電位が参照ビット線に印加されることによって、センスアンプ2のノードSNBは参照電位になる。なお、参照電位は、後述する「L」データ読み出し動作時にメインビット線に出力される電位(0V)と、「H」データ読み出し動作時にメインビット線に出力される電位(約0.5V)との中間の電位(たとえば、約0.25V)に設定される。
(読み出し動作)
読み出し動作では、まず、選択されたサブアレイの選択ワード線WLがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、選択された強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータ(「L」データまたは「H」データ)に対応する電位(読み出し電圧)が、選択されているサブアレイのサブビット線に現れる。具体的には、たとえば、強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータが「L」データの場合には、Vcc(約1.8V)−約0.05Vがサブビット線に現れるとともに、強誘電体キャパシタ33に書き込まれたデータが「H」データの場合には、Vcc(約1.8V)−約0.15Vがサブビット線に現れる。
ここで、上述したように、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ42のしきい値電圧は約−0.1Vに設定されている。このとき、信号線PASの電位がVcc(約1.8V)であるので、サブビット線に「L」データに対応する約1.75Vの電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ42のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約−0.05Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ42は、オフ状態のままであるので、メインビット線の電位が0Vのまま維持される。その一方、サブビット線に「H」データに対応する約1.65Vの電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ42のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約−0.15Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ42は、オン状態になるので、メインビット線の電位が信号線PASの電位(Vcc)に引っ張られることによりの約0.5Vに増加する。つまり、第2実施形態では、「L」データが読み出された場合のメインビット線の電位(0V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約0.5V)との電位差(約0.5V)が、「L」データが読み出された場合のサブビット線の電位(約1.75V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約1.65V)との電位差(約0.1V)よりも大きくなるので、電位差が増幅されるといえる。なお、この第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、メインビット線に現れる電位は、「L」データの場合(0V)よりも「H」データの場合(約0.5V)の方が高くなるため、メインビット線のデータはサブビット線のデータと逆にならずに同じになる。
そして、メインビット線に伝達された読み出し電圧がセンスアンプ2のノードSNTまで伝達されるのを見計らって、信号線SEが0VからVccに立ち上げられるとともに、信号線/SEがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、センスアンプ2のpチャネルトランジスタ23はオン状態になるので、Vccの電圧が供給される。また、nチャネルトランジスタ24もオン状態となるので、接地電位(0V)が供給される。これにより、センスアンプ2は活性化される。そして、メインビット線の電位(0Vまたは約0.5V)が伝達されるノードSNTの電位と、参照電位(約0.25V)が伝達されるノードSNBの電位との差動増幅が行われ、強誘電体キャパシタ33からのデータの読み出しが行われる。なお、第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、読み出し動作時にセンスアンプ2の同一極性側のノードSNTに接続することにより、メインビット線のデータと、センスアンプ2のデータとが逆にならないように構成している。これにより、センスアンプ2では、サブビット線のデータ(選択された強誘電体キャパシタ33からなるメモリセルに書き込まれていたデータ)と同じデータを読み出すことが可能になる。
具体的には、たとえば、「L」データが読み出された場合には、ノードSNBの電位が約0.25V、ノードSNTの電位が約0Vとなるので、センスアンプ2での増幅後には、ノードSNBの電位がVcc、ノードSNTの電位が0Vとなる。その一方、「H」データが読み出された場合には、ノードSNBの電位が約0.25V、ノードSNTの電位が約0.5Vとなるので、センスアンプ2での増幅後には、ノードSNBの電位が0V、ノードSNTの電位がVccとなる。
(読み出しデータの再書き込み)
その後、強誘電体キャパシタ33からなるメモリセルへの読み出しデータの再書き込みが行われる。まず、選択されたサブアレイの信号線ASSをVccから0V−αの降圧電位に立ち下げる。これにより、トランスファゲートトランジスタ41がオン状態になるので、メインビット線と選択されたサブビット線とが電気的に接続される。したがって、ノードSNTの電位(再書き込み電位)がメインビット線を介してサブビット線に伝達される。ここで、第2実施形態の再書き込み動作時には、読み出し動作時と同様に、メインビット線を同一極性側のノードSNTに接続している。これにより、読み出されたデータと同じデータがサブビット線を介して強誘電体キャパシタ33からなるメモリセルに再書き込みされる。
なお、このとき、信号線PASの電位をVccから0Vに立ち下げておく。これにより、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ42のゲートに接続されるサブビット線の電位が0Vにされた場合にも、電位増幅トランジスタ42のソース−ゲート間にしきい値電圧を超える電位差が発生するのを抑制することができるので、再書き込み時に電位増幅トランジスタ42がオン状態になるのが抑制される。
そして、「H」データを再書き込みする場合には、選択されたサブビット線にノードSNTからVccが伝達されるとともに、ワード線WLは0Vにされる。これにより、強誘電体キャパシタ33には、「H」データが再書き込みされる。その後、ワード線が0VからVccに立ち上げられる。「L」データを再書き込みする場合には、選択されたサブビット線にノードSNTから0Vが伝達されるとともに、ワード線WLがVccにされる。これにより、強誘電体キャパシタ33には、「L」データが再書き込みされる。その後、信号線SEがVccから0Vに立ち下げられるとともに、信号線/SEが0VからVccに立ち上げられる。また、信号線PASが0VからVccに立ち上げられるとともに、信号線/PC2がVccから0Vに立ち下げられる。これらの動作により、スタンバイ状態に戻る。
第2実施形態では、上記のように、サブビット線にゲートが接続されるとともに、メインビット線にソース/ドレインの一方が接続され、読み出し動作時において、サブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御するpチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ42を設けることによって、1つのpチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ42により、読み出し動作時にサブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御することができるので、その分、トランジスタの数が増加するのを抑制することができる。これにより、強誘電体メモリのチップ面積の増加を抑制することができる。また、第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、メインビット線に現れる電位は、「L」データの場合(0V)よりも「H」データの場合(約0.5V)の方が高くなるため、メインビット線のデータはサブビット線のデータと逆にならずに同じになる。このため、第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、反転手段15のnチャネルトランジスタ15aおよび15bを設ける必要がないので、その分、強誘電体メモリのチップ面積の増加をより抑制することができる。
なお、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
(第3実施形態)
図7は、本発明の第3実施形態による強誘電体メモリのメモリセルアレイの選択および非選択のサブアレイを示した概略図である。図8は、図7に示した第3実施形態による強誘電体メモリのセンスアンプおよびメモリセルアレイの内部構成の詳細を示した回路図である。図7および図8を参照して、上記第1実施形態と異なり、複数のサブアレイのサブビット線がnチャネルトランジスタ51a〜51eにより接続されるとともに、非選択のサブアレイを接地電位(固定電位)に接続するためのnチャネルトランジスタ52aおよび52bを含むメモリセルアレイ50について説明する。
この第3実施形態では、図7および図8に示すように、メモリセルアレイ50は、6つのサブアレイ1〜6に分割されている。そして、サブアレイ1〜6には、それぞれ、サブビット線1〜6が配置されている。
ここで、第3実施形態では、各々のサブビット線1〜6間に、それぞれ、各々のサブビット線1〜6を接続するためのnチャネルトランジスタ51a〜51eが設けられている。また、nチャネルトランジスタ51a〜51eのゲートには、それぞれ、信号線SB1〜SB5が設けられている。また、サブアレイ1〜6により構成されるメモリセルアレイ50の両端には、サブビット線1〜6のうちの非選択のサブビット線1、2、4〜6を接地電位(固定電位)に接続するためのnチャネルトランジスタ52aおよび52bが配置されている。nチャネルトランジスタ52aおよび52bのゲートには、それぞれ、信号線SB0およびSB6が接続されている。またnチャネルトランジスタ52aのソース/ドレインの一方は、サブビット線1に接続されており、nチャネルトランジスタ52aのソース/ドレインの他方は、接地配線(GND配線)53aに接続されている。また、nチャネルトランジスタ52bのソース/ドレインの一方は、サブビット線6に接続されており、nチャネルトランジスタ52bのソース/ドレインの他方は、接地配線(GND配線)53bに接続されている。なお、nチャネルトランジスタ51a〜51eは、本発明の「第3トランジスタ」の一例である。
図9は、本発明の第3実施形態の強誘電体メモリの動作を説明するためのタイミングチャートである。次に、図8および図9を参照して、第3実施形態による強誘電体メモリのスタンバイ時および読み出し動作の前準備について説明する。なお、以下の動作説明では、サブアレイ1〜6のうちサブアレイ3が選択されているとする。また、読み出し動作および読み出しデータの再書き込みについては、上記第1実施形態と同様であるので省略する。
(スタンバイ時)
まず、図9に示すように、スタンバイ時では、信号線ASS1〜ASS6は、全てVcc+α(α>トランスファゲートトランジスタ31のしきい値電圧Vth)の昇圧電位に保持されている。これにより、各サブビット線1〜6とメインビット線とを接続するトランスファゲートトランジスタ31がオン状態になるので、各サブビット線1〜6とメインビット線とが接続された状態になっている。
また、信号線SB1〜SB5も、全てVccに保持されている。これにより、各サブビット線1〜6の間に配置されたnチャネルトランジスタ51a〜51eがオン状態になるので、全てのサブビット線1〜6が接続された状態になっている。
また、信号線TGRおよびTGWも、全てVcc+α(α>nチャネルトランジスタ15aおよび15bのしきい値電圧Vth)の昇圧電位に保持されている。これにより、SNB側ビット線とメインビット線とが接続されるとともに、SNT側ビット線とメインビット線とが接続された状態になっている。
そして、信号線PC1、/PC2、SB0およびSB6とがVccに保持されている。これにより、プリチャージ手段16のnチャネルトランジスタ16cおよび16dがオン状態になるとともに、pチャネルトランジスタ16eおよび16fがオフ状態になり、かつ、接地配線53aおよび53bと接続するためのnチャネルトランジスタ52aおよび52bもオン状態になるので、SNT側ビット線、SNB側ビット線、メインビット線およびサブビット線1〜6が接地電位(0V)にプリチャージされる。
(読み出し動作の前準備)
メモリへのアクセスが発生すると、まず、信号線PC1がVccから0Vに立ち下げられるとともに、サブアレイ1〜6の信号線ASS1〜6がVccから0Vに立ち下げられる。これにより、サブビット線1〜6のトランスファゲートトランジスタ31がオフ状態になるので、サブビット線1〜6とメインビット線とが切り離される。
また、選択されたサブビット線3の両端のnチャネルトランジスタ51bおよび51cの信号線SB2およびSB3が、それぞれ、Vccから0Vに立ち下げられる。これにより、サブビット線2と3とを接続するnチャネルトランジスタ51bと、サブビット線3と4とを接続するnチャネルトランジスタ51cとがオフ状態にされる。したがって、選択されたサブビット線3は選択されていない他のサブビット線1、2、4〜6と電気的に分離される。このため、選択されたサブビット線3は、0Vでフローティング状態になる。その一方、信号線SB0、1、4〜6は、Vccのまま維持される。これにより、選択されていないサブアレイ1、2のサブビット線1、2は、接地配線53aを介して接地電位(0V)に接続されるとともに、選択されていないサブアレイ4〜6のサブビット線4〜6は、接地配線53bを介して接地電位(0V)に接続される。
次に、信号線/PC2がVccから0Vに立ち下げられる。これにより、pチャネルトランジスタ16eおよび16fがオン状態になるので、SNT側ビット線およびSNB側ビット線を介して、メインビット線が0VからVccにプリチャージされる。そして、メインビット線が十分にVccにプリチャージされた後、信号線/PC2が0VからVccに立ち上げられる。次に、信号線TGWがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、nチャネルトランジスタ15aがオフ状態になるので、SNT側ビット線とメインビット線とが電気的に分離される。したがって、メインビット線は、Vcc(約1.8V)でフローティング状態になる。また、図示しない参照電位生成回路を用いて生成された参照電位がSNT側ビット線に印加されることによって、センスアンプ2のノードSNTは参照電位になる。なお、参照電位は、後述する「L」データ読み出し動作時にメインビット線に出力される電位と、「H」データ読み出し動作時にメインビット線に出力される電位との中間の電位に設定される。
第3実施形態では、上記のように、サブビット線1〜6を互いに接続するnチャネルトランジスタ51a〜51eを設け、かつ、読み出し動作時に、nチャネルトランジスタ51aを介して非選択のサブアレイ1、2のサブビット線1、2を接続するとともに、nチャネルトランジスタ51dおよび51eを介して非選択のサブアレイ4〜6のサブビット線4〜6を接続するように構成することによって、選択されていないサブビット線1、2および4〜6をメモリセルアレイ50の両端の接地電位に接続することができる。これにより、選択されていないサブビット線1、2および4〜6が、フローティング状態になることを防止することができる。その結果、サブビット線にノイズが伝播するのを防止することができるため、ディスターブ現象を抑制することができる。また、接地配線53aおよび53bを、メモリセルアレイ50の両端に配置することによって、サブアレイの数が増加した場合にも、固定電位(接地配線53aおよび53b)の数は2つでよいので、複数のサブアレイを含むメモリセルアレイ50のチップ面積の増加を抑制することができる。
また、第3実施形態では、上記のように、メモリセルアレイ50の両端に配置され、接地配線53aおよび53bに接続するnチャネルトランジスタ52aおよび52bを設けるとともに、読み出し動作時に、nチャネルトランジスタ51a、51dおよび51eにより接続された非選択のサブアレイ1、2、4〜6のサブビット線1、2、4〜6を、nチャネルトランジスタ52aおよび52bを介して接地配線53aおよび53bに接続することによって、容易に、複数の非選択のサブアレイ1、2、4〜6のサブビット線1、2、4〜6をメモリセルアレイ50の両端に接地することができる。
また、第3実施形態では、上記のように、読み出し動作時に、選択されたサブアレイ3のサブビット線3の両端に位置するnチャネルトランジスタ51bおよび51cをオフ状態にするとともに、選択されていないサブビット線1、2、4〜6間に位置するnチャネルトランジスタ51a、51dおよび51eをオン状態にすることによって、選択されたサブビット線3を選択されていないサブビット線1、2および4〜6と電気的に分離しながら、選択されていないサブビット線1、2、4〜6をnチャネルトランジスタ51a、51dおよび51eを介してメモリセルアレイ50の両端の接地配線53aおよび53bに接続することができる。
なお、第3実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
(第4実施形態)
図10は、本発明の第4実施形態による強誘電体メモリのセンスアンプおよびセンスアンプに隣接するサブアレイの内部構成の詳細を示した回路図である。図1、図2および図10を参照して、第4実施形態による強誘電体メモリの構成について説明する。なお、この第4実施形態では、本発明のメモリの一例として、単純マトリックス型の強誘電体メモリについて説明する。
第4実施形態の単純マトリックス型の強誘電体メモリの全体構成およびメモリセルアレイ100の構成は、図1および図2に示す上記第1実施形態と同様である。
ここで第4実施形態では、図10に示すように、メモリセルアレイ100には、プリチャージ手段115と、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ116と、トランスファゲートトランジスタ117と、センスアンプ102とが順に接続されている。なお、電位増幅トランジスタ116は、本発明の「第4トランジスタ」の一例である。メモリセルアレイ100のサブアレイには、サブビット線が配置されている。サブビット線には、それぞれ、メインビット線とサブビット線とを接続するためのnチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ131と、サブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御するためのnチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ132とが設けられている。なお、電位増幅トランジスタ132は、本発明の「第1トランジスタ」の一例である。
このトランスファゲートトランジスタ131は、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方がサブビット線に接続されている。トランスファゲートトランジスタ131のゲートには、信号線ASS1が接続されている。また、このトランスファゲートトランジスタ131は、読み出し動作時にオフ状態になる。なお、このトランスファゲートトランジスタ131は、本発明の「第2トランジスタ」の一例である。
また、第4実施形態では、電位増幅トランジスタ132は、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方が信号線PAS1に接続され、かつ、ゲートがサブビット線に接続されている。また、電位増幅トランジスタ132のゲートには、サブビット線を介してトランスファゲートトランジスタ131のソース/ゲートの他方が接続されている。この電位増幅トランジスタ132のしきい値電圧は、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「H」データの場合にサブビット線に現れる電位(約0.15V)でオン状態になるとともに、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「L」データの場合にサブビット線に現れる電位(約0.05V)でオフ状態になるような値(たとえば、約0.1V)に設定されている。なお、強誘電体キャパシタ133は、本発明の「記憶手段」の一例である。また、「H」データおよび「L」データは、それぞれ、本発明の「第1データ」および「第2データ」の一例である。
プリチャージ手段115は、接地電位にプリチャージするためのプリチャージ部115aと、電源電位(Vcc)にプリチャージするためのプリチャージ部115bとを含んでいる。プリチャージ部115aは、メインビット線と接地電位との間に接続されたnチャネルトランジスタ115cと、SNB側ビット線と接地電位との間に接続されたnチャネルトランジスタ115dとから構成されている。nチャネルトランジスタ115cおよび115dのゲートには、信号線PC1が接続されている。プリチャージ部115bは、メインビット線と電源電位(Vcc)との間に接続されたpチャネルトランジスタ115eと、SNB側ビット線と電源電位(Vcc)との間に接続されたpチャネルトランジスタ115fとから構成されている。pチャネルトランジスタ115eおよび115fのゲートには、信号線/PC2が接続されている。
また、第4実施形態では、電位増幅トランジスタ116は、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ132と逆極性のpチャネルトランジスタからなるとともに、メインビット線の電位に基づいてSNT側ビット線の電位を制御するために設けられている。この電位増幅トランジスタ116は、ソース/ドレインの一方が信号線PAS2に接続されているとともに、ソース/ドレインの他方がSNT側ビット線に接続され、かつ、ゲートがメインビット線に接続されている。この電位増幅トランジスタ116のしきい値電圧は、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「H」データの場合にメインビット線に現れる電位(約1.3V)でオン状態になるとともに、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「L」データの場合にメインビット線に現れる電位(約1.8V)でオフ状態になるような値(たとえば、約−0.25V)に設定されている。センスアンプ102は、2つのCMOSインバータ回路121および122の入出力が互いにクロスカップル接続することにより構成されている。CMOSインバータ回路121は、pチャネルトランジスタ121aおよびnチャネルトランジスタ121bによって構成されているとともに、CMOSインバータ回路122は、pチャネルトランジスタ122aおよびnチャネルトランジスタ122bによって構成されている。また、pチャネルトランジスタ121aおよび122aの一方のソース/ドレインには、pチャネルトランジスタ123を介して、電源電位(Vcc)が接続されている。nチャネルトランジスタ121bおよび122bの一方のソース/ドレインは、nチャネルトランジスタ124を介して接地されている。pチャネルトランジスタ123のゲートおよびnチャネルトランジスタ124のゲートには、それぞれ、信号線/SEおよびSEが接続されている。また、pチャネルトランジスタ122aおよびnチャネルトランジスタ122bのゲートは、ノードSNBに接続されているとともに、pチャネルトランジスタ121aおよびnチャネルトランジスタ121bのゲートは、ノードSNTに接続されている。また、ノードSNBには、SNB側ビット線が接続されているとともに、ノードSNTには、SNT側ビット線が接続されている。
図11は、本発明の第4実施形態の強誘電体メモリの動作を説明するためのタイミングチャートである。次に、図11を参照して、第4実施形態による強誘電体メモリのスタンバイ時、読み出し動作の前準備、読み出し動作および読み出しデータの再書き込みについて説明する。なお、以下の動作説明では、4つのサブアレイのうちセンスアンプ102に隣接するサブアレイが選択されているとする。
(スタンバイ時)
まず、図11に示すように、スタンバイ時では、選択されているサブアレイの信号線ASS1および選択されていないサブアレイの信号線ASS1(図示せず)は、全てVcc+α(α>トランスファゲートトランジスタ131のしきい値電圧Vth)の昇圧電位に保持されている。これにより、各サブビット線とメインビット線とを接続するトランスファゲートトランジスタ131がオン状態になるので、各サブビット線とメインビット線とが接続された状態になっている。
また、信号線ASS2も同様にVcc+αの昇圧電位に保持されている。これにより、センスアンプ102のノードSNTとメインビット線とを接続するトランスファゲートトランジスタ117がオン状態になるので、センスアンプ102のノードSNTとメインビット線とが接続された状態になっている。
そして、信号線PC1および/PC2は、Vccに保持されている。これにより、プリチャージ手段115のnチャネルトランジスタ115cおよび115dがオン状態になるとともに、pチャネルトランジスタ115eおよび115fがオフ状態になるので、SNB側ビット線、メインビット線およびサブビット線が接地電位(0V)にプリチャージされる。
(読み出し前準備)
強誘電体メモリへのアクセスが発生すると、まず、信号線PC1がVccから0Vに立ち下げられるとともに、選択されているサブアレイの信号線ASS1および選択されていないサブアレイの信号線ASS1(図示せず)がVccから0Vに立ち下げられる。これにより、トランスファゲートトランジスタ131がオフ状態になるので、全てのサブビット線がメインビット線から切り離される。したがって、全てのサブビット線がメインビット線から電気的に分離される。このため、サブビット線は、0Vでフローティング状態になる。
また、同時に信号線ASS2がVccから0Vに立ち下げられる。これにより、トランスファゲートトランジスタ117がオフ状態になるので、センスアンプ102のノードSNTがメインビット線から切り離される。このため、メインビット線は、0Vでフローティング状態になる。
次に、信号線/PC2がVccから0Vに立ち下げられる。これにより、pチャネルトランジスタ115eおよび115fがオン状態になるので、SNB側ビット線およびメインビット線が0VからVccにプリチャージされる。そして、メインビット線が十分にVccにプリチャージされた後、信号線/PC2が0VからVccに立ち上げられる。したがって、メインビット線は、Vcc(約1.8V)でフローティング状態になる。そして、信号線PAS2が0VからVccに立ち上げられる。また、図示しない参照電位生成回路を用いて生成された参照電位がSNB側ビット線に印加されることによって、センスアンプ102のノードSNBは参照電位になる。なお、参照電位は、後述する「L」データ読み出し動作時にSNT側ビット線に出力される電位(約0V)と、「H」データ読み出し動作時にSNT側ビット線に出力される電位(約1.0V)との中間の電位(たとえば、約0.5V)に設定される。一方、SNT側ビット線が接地電位(0V)に接続されることによって、センスアンプ102のノードSNTは接地電位(0V)に設定される。その後、SNT側ビット線は、約0Vでフローティング状態にされる。
(読み出し動作)
読み出し動作では、まず、選択されたサブアレイの選択ワード線WLが0VからVccに立ち上げられる。これにより、選択された強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータ(「L」データまたは「H」データ)に対応する電位(読み出し電圧)が、選択されたサブアレイのサブビット線に現れる。具体的には、たとえば、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「L」データの場合には、約0.05Vがサブビット線に現れるとともに、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「H」データの場合には、約0.15Vがサブビット線に現れる。
ここで、上述したように、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ132のしきい値電圧は約0.1Vに設定されている。このとき、信号線PAS1の電位が0Vであるので、サブビット線に「L」データに対応する約0.05Vの電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ132のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約0.05Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ132は、オフ状態のままであるので、メインビット線の電位がVcc(約1.8V)のまま維持される。その一方、サブビット線に「H」データに対応する約0.15Vの電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ132のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約0.15Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ132は、オン状態になるので、メインビット線の電位が信号線PAS1の電位(0V)に引っ張られることにより約1.3Vに減少する。つまり、第4実施形態では、「L」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約1.8V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約1.3V)との電位差(約0.5V)が、「L」データが読み出された場合のサブビット線の電位(約0.05V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約0.15V)との電位差(約0.1V)よりも大きくなるので、電位差が増幅されるといえる。
また、第4実施形態では、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ116のしきい値電圧は約−0.25Vに設定されている。そして、信号線PAS2の電位がVcc(約1.8V)であるので、メインビット線の電位が「L」データに対応する約1.8Vに維持される場合には、電位増幅トランジスタ116のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約0Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ116は、オフ状態のままであるので、SNT側ビット線の電位が約0Vのまま維持される。その一方、メインビット線に「H」データに対応する約1.3Vの電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ116のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約−0.5Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ116は、オン状態になるので、SNT側ビット線の電位が信号線PAS2の電位(1.8V)に引っ張られることにより0Vから約1.0Vに増加する。つまり、第4実施形態では、「L」データが読み出された場合のSNT側ビット線の電位(約0V)と、「H」データが読み出された場合のSNT側ビット線の電位(約1.0V)との電位差(約1.0V)が、「L」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約1.8V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約1.3V)との電位差(約0.5V)よりも大きくなるので、電位差が増幅されたといえる。
そして、SNT側ビット線に伝達された読み出し電圧がセンスアンプ102のノードSNTまで伝達されるのを見計らって、信号線SEが0VからVccに立ち上げられるとともに、信号線/SEがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、センスアンプ102のpチャネルトランジスタ123はオン状態になるので、Vccの電圧が供給される。また、nチャネルトランジスタ124もオン状態となるので、接地電位(0V)が供給される。これにより、センスアンプ102は活性化される。そして、SNT側ビット線の電位(約0Vまたは約1.8V)が伝達されるノードSNTの電位と、参照電位(約0.9V)が伝達されるノードSNBの電位との差動増幅が行われ、強誘電体キャパシタ133からのデータの読み出しが行われる。
具体的には、たとえば、「L」データが読み出された場合には、ノードSNTの電位が約0V、ノードSNBの電位が約0.5Vとなるので、センスアンプ102での増幅後には、ノードSNTの電位が0V、ノードSNBの電位がVccとなる。その一方、「H」データが読み出された場合には、ノードSNTの電位が約1.0V、ノードSNBの電位が約0.5Vとなるので、センスアンプ102での増幅後には、ノードSNTの電位がVcc、ノードSNBの電位が0Vとなる。
(読み出しデータの再書き込み)
その後、強誘電体キャパシタ133からなるメモリセルへの読み出しデータの再書き込みが行われる。まず、信号線ASS2を0VからVcc+αの昇圧電位に立ち上げる。これにより、トランスファゲートトランジスタ117がオン状態になるので、センスアンプ102のノードSNTとメインビット線とが電気的に接続される。そして、選択されたサブアレイの信号線ASS1を0VからVcc+αの昇圧電位に立ち上げる。これにより、トランスファゲートトランジスタ131がオン状態になるので、メインビット線と選択されたサブビット線とが電気的に接続される。したがって、ノードSNTの電位(再書き込み電位)がメインビット線を介してサブビット線に伝達される。
なお、このとき、信号線PAS1の電位を0VからVccに立ち上げておく。これにより、電位増幅トランジスタ132のゲートに接続されるサブビット線の電位がVccにされた場合にも、電位増幅トランジスタ132のソース−ゲート間にしきい値電圧を超える電位差が発生するのを抑制することが可能になるので、再書き込み動作時に電位増幅トランジスタ132がオン状態になるのが抑制される。
また、同様に、信号線PAS2の電位をVccから0Vに立ち下げておく。これにより、電位増幅トランジスタ116のゲートに接続されるメインビット線の電位が0Vにされた場合にも、電位増幅トランジスタ116のソース−ゲート間にしきい値電圧を超える電位差が発生するのを抑制することが可能になるので、再書き込み動作時に電位増幅トランジスタ116がオン状態になることが抑制される。
そして、「L」データを再書き込みする場合には、選択されたサブビット線にノードSNTから0Vが伝達されるとともに、ワード線WLは、Vccにされる。これにより、強誘電体キャパシタ133には、「L」データが再書き込みされる。その後、ワード線WLがVccから0Vに立ち下げられる。「H」データを再書き込みする場合には、選択されたサブビット線にノードSNTからVccが伝達されるとともに、ワード線WLが0Vにされる。これにより、強誘電体キャパシタ133には、「H」データが再書き込みされる。その後、信号線SEがVccから0Vに立ち下げられるとともに、信号線/SEが0VからVccに立ち上げられる。また、信号線PAS1がVccから0Vに立ち下げられるとともに、信号線PC1が0VからVccに立ち上げられる。これらの動作により、スタンバイ状態に戻る。
第4実施形態では、上記のように、メインビット線にゲートが接続されるとともに、SNT側ビット線にソース/ドレインの一方が接続され、読み出し動作時において、メインビット線の電位に基づいてSNT側ビット線の電位を制御するnチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ132と逆極性のpチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ116を設けることによって、読み出し動作時にサブビット線からメインビット線に読出された電位がnチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ132に増幅された後に、さらに逆極性のpチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ116によっても増幅されるので、メインビット線の電位をセンスアンプ102で差動増幅するのに必要な電位まで駆動するための時間を短くすることができる。これにより、単純マトリックス型の強誘電体メモリの読み出し動作に必要な時間を短くすることができる。
また、第4実施形態では、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ132およびpチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ116を設けることによって、サブビット線に「H」データに対応する電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ132によりメインビット線に「L」データに対応する電位が現れることに起因して、電位増幅トランジスタ116によりSNT側ビット線に「H」データに対応する電位が現れるとともに、サブビット線に「L」データに対応する電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ132によりメインビット線に「H」データに対応する電位が現れることに起因して、電位増幅トランジスタ116によりSNT側ビット線に「L」データに対応する電位が現れる。これにより、電位増幅トランジスタ132および116を用いて増幅を行った場合にも、サブビット線に現れるデータと、センスアンプ102に伝達されるSNT側ビット線に現れるデータとが逆になるのを抑制することができる。
また、第4実施形態では、電位増幅トランジスタ132を、「H」データの読み出し動作時にオン状態になるとともに、「L」データ読み出し動作時にオフ状態になるような、しきい値電圧(約0.1V)を有するように構成することによって、読み出し動作時において、電位増幅トランジスタ132のゲートに入力されるサブビット線の電位に応じて、電位増幅トランジスタ132のオン/オフ状態を切換えることができるので、容易に、メインビット線に接続された電位増幅トランジスタ132のソース/ドレインの一方を介してメインビット線の電位を制御することができる。これにより、メインビット線の電位を検出することにより、容易に、強誘電体キャパシタ133に書き込まれた「H」データおよび「L」データの読み出しを行うことができる。
また、第4実施形態では、電位増幅トランジスタ132のソース/ドレインの他方に接続される信号線PAS1を設け、かつ、読み出し動作時において、メインビット線をVcc(約1.8V)でフローティング状態にするとともに、信号線PAS1を0Vで保持するように構成することによって、サブビット線に「H」データに対応する電位(約0.15V)が現れた場合には、電位増幅トランジスタ132がオン状態になることにより、メインビット線と信号線PAS1とが接続されて、メインビット線の電位は、信号線PAS1の電位に引っ張られることにより約1.3Vに減少する。また、サブビット線に「L」データに対応する電位(約0.05V)が現れた場合には、電位増幅トランジスタ132がオフ状態のままであることにより、メインビット線の電位がVcc(約1.8V)のまま維持される。これらにより、サブビット線に現れる約0.1Vの電位差を約0.5Vに増幅してメインビット線に伝達することができる。
また、第4実施形態では、再書き込み動作時において、信号線PAS1の電位を0VからVccに立ち上げることによって、再書き込み動作時において、電位増幅トランジスタ132がオン状態になるのを抑制することができる。これにより、メインビット線と信号線PAS1とが電気的に接続されるのを抑制することができるので、メインビット線の電位がPAS1の電位に引っ張られることにより低下するのを抑制することができる。
また、第4実施形態では、ソース/ドレインの他方がサブビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるnチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ131を設けるとともに、トランスファゲートトランジスタ131を、読み出し動作時にオフ状態にするとともに、再書き込み動作時にオン状態にすることによって、再書き込み動作時にメインビット線とサブビット線とを電気的に接続してデータの書き込みを行うことができる。
(第5実施形態)
図12は、本発明の第5実施形態による強誘電体メモリのセンスアンプおよびセンスアンプに隣接するサブアレイの内部構成の詳細を示した回路図である。図12を参照して、この第5実施形態では、上記第4実施形態と異なり、トランスファゲートトランジスタ119、トランスファゲートトランジスタ141、電位増幅トランジスタ142をpチャネルトランジスタにより構成し、電位増幅トランジスタ118をnチャネルトランジスタにより構成した場合について説明する。
この第5実施形態による強誘電体メモリでは、図12に示すように、メモリセルアレイ101には、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ118と、pチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ119と、プリチャージ手段115と、センスアンプ102とが順に接続されている。なお、電位増幅トランジスタ118は、本発明の「第4トランジスタ」の一例である。メモリセルアレイ101のサブアレイには、サブビット線が配置されている。サブビット線には、それぞれ、メインビット線とサブビット線とを接続するためのpチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ141と、サブビット線の電位に基づいてメインビット線の電位を制御するためのpチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ142とが設けられている。なお、電位増幅トランジスタ142は、本発明の「第1トランジスタ」の一例である。
このトランスファゲートトランジスタ141は、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方がサブビット線に接続されている。トランスファゲートトランジスタ141のゲートには、信号線ASS1が接続されている。また、このトランスファゲートトランジスタ141は、読み出し動作時にオフ状態になる。なお、このトランスファゲートトランジスタ141は、本発明の「第2トランジスタ」の一例である。
また、第5実施形態では、電位増幅トランジスタ142は、ソース/ドレインの一方がメインビット線に接続されるとともに、ソース/ドレインの他方が信号線PAS1に接続され、かつ、ゲートがサブビット線に接続されている。また、電位増幅トランジスタ142のゲートには、サブビット線を介してトランスファゲートトランジスタ141のソース/ゲートの他方が接続されている。この電位増幅トランジスタ142のしきい値電圧は、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「L」データの場合にサブビット線に現れる電位(約1.75V)でオフ状態になるとともに、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「H」データの場合にサブビット線に現れる電位(約1.65V)でオン状態になるような値(たとえば、約−0.1V)に設定されている。また、「H」データおよび「L」データは、それぞれ、本発明の「第1データ」および「第2データ」の一例である。
また、第5実施形態では、電位増幅トランジスタ118は、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ142と逆極性のnチャネルトランジスタからなるとともに、メインビット線の電位に基づいてSNB側ビット線の電位を制御するために設けられている。この電位増幅トランジスタ118は、ソース/ドレインの一方が信号線PAS2に接続されているとともに、ソース/ドレインの他方がSNB側ビット線に接続され、かつ、ゲートがメインビット線に接続されている。この電位増幅トランジスタ118のしきい値電圧は、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「H」データの場合にメインビット線に現れる電位(約0.5V)でオン状態になるとともに、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「L」データの場合にメインビット線に現れる電位(約0V)でオフ状態になるような値(たとえば、約0.25V)に設定されている。
なお、第5実施形態のその他の構成は、上記第4実施形態と同様である。
図13は、本発明の第5実施形態の強誘電体メモリの動作を説明するためのタイミングチャートである。次に、図13を参照して、第5実施形態による強誘電体メモリのスタンバイ時、読み出し動作の前準備、読み出し動作および読み出しデータの再書き込みについて説明する。なお、以下の動作説明では、4つのサブアレイのうちセンスアンプ102に隣接するサブアレイが選択されているとする。
(スタンバイ時)
まず、図13に示すように、スタンバイ時では、選択されているサブアレイの信号線ASS1および選択されていないサブアレイの信号線ASS1(図示せず)は、全て0V−α(α>トランスファゲートトランジスタ141のしきい値電圧Vthの絶対値)の降圧電位に保持されている。これにより、各サブビット線とメインビット線とを接続するpチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ141がオン状態になるので、各サブビット線とメインビット線とが接続された状態になっている。
また、信号線ASS2も同様に0V−αの降圧電位に保持されている。これにより、センスアンプ102のノードSNTとメインビット線とを接続するトランスファゲートトランジスタ119がオン状態になるので、センスアンプ102のノードSNTとメインビット線とが接続された状態になっている。
そして、信号線PC1および/PC2は、Vss(0V)に保持されている。これにより、プリチャージ手段115のnチャネルトランジスタ115cおよび115dがオフ状態になるとともに、pチャネルトランジスタ115eおよび115fがオン状態になるので、SNB側ビット線、メインビット線およびサブビット線がVcc(1.8V)にプリチャージされる。
(読み出し前準備)
メモリへのアクセスが発生すると、まず、信号線/PC2が0VからVccに立ち上げられるとともに、選択されているサブアレイの信号線ASS1および選択されていないサブアレイの信号線ASS1(図示せず)が0V−αからVccに立ち上げられる。これにより、pチャネルトランジスタからなるトランスファゲートトランジスタ141がオフ状態になるので、全てのサブビット線がメインビット線から切り離される。したがって、全てのサブビット線がメインビット線から電気的に分離される。このため、サブビット線は、Vccでフローティング状態になる。
また、同時に信号線ASS2が0V−αからVccに立ち上げられる。これにより、トランスファゲートトランジスタ119がオフ状態となるので、センスアンプ102のノードSNTがメインビット線から切り離される。このため、メインビット線は、Vccでフローティング状態になる。
次に、信号線PC1が0VからVccに立ち上げられる。これにより、nチャネルトランジスタ115cおよび115dがオン状態になるので、SNB側ビット線およびメインビット線がVccから0Vにプリチャージされる。そして、メインビット線が十分に0Vにプリチャージされた後、信号線PC1がVccから0Vに立ち下げられる。したがって、メインビット線は、0Vでフローティング状態になる。そして、信号線PAS2がVccから0Vに立ち下げられる。また、図示しない参照電位生成回路を用いて生成された参照電位がSNT側ビット線に印加されることによって、センスアンプ102のノードSNTは参照電位になる。なお、参照電位は、後述する「L」データ読み出し動作時にSNB側ビット線に出力される電位(約1.8V)と、「H」データ読み出し動作時にSNB側ビット線に出力される電位(約0.8V)との中間の電位(たとえば、約1.3V)に設定される。一方、SNB側ビット線がVccに接続されることによって、センスアンプ102のノードSNBは、Vccに設定される。その後、SNB側ビット線は、Vccでフローティング状態にされる。
(読み出し動作)
読み出し動作では、まず、選択されたサブアレイの選択ワード線WLがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、選択された強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータ(「L」データまたは「H」データ)に対応する電位(読み出し電圧)が、選択されているサブアレイのサブビット線に現れる。具体的には、たとえば、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「L」データの場合には、Vcc−約0.05V(約1.75V)がサブビット線に現れるとともに、強誘電体キャパシタ133に書き込まれたデータが「H」データの場合には、Vcc−約0.15V(約1.65V)がサブビット線に現れる。
ここで、上述したように、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ142のしきい値電圧は約−0.1Vに設定されている。このとき、信号線PAS1の電位がVccであるので、サブビット線に「L」データに対応するVcc−約0.05V(約1.75V)の電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ142のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約−0.05Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ142は、オフ状態のままであるので、メインビット線の電位が0Vのまま維持される。その一方、サブビット線に「H」データに対応するVcc−約0.15V(約1.65V)の電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ142のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約−0.15Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ142は、オン状態になるので、メインビット線の電位が信号線PAS1の電位(Vcc)に引っ張られることによりの約0.5Vに増加する。つまり、第5実施形態では、「L」データが読み出された場合のメインビット線の電位(0V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約0.5V)との電位差(約0.5V)が、「L」データが読み出された場合のサブビット線の電位、Vcc−約0.05V(約1.75V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位、Vcc−約0.15V(約1.65V)との電位差(約0.1V)よりも大きくなるので、電位差が増幅されるといえる。
また、第5実施形態では、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ118のしきい値電圧は約0.25Vに設定されている。そして、信号線PAS2の電位が0Vであるので、メインビット線の電位が「L」データに対応する約0Vに維持される場合には、電位増幅トランジスタ118のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約0Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ118は、オフ状態のままであるので、SNB側ビット線の電位が約1.8Vのまま維持される。その一方、メインビット線に「H」データに対応する約0.5Vの電位が現れた場合には、電位増幅トランジスタ118のソース−ゲート間の電位差Vgsは、約0.5Vになる。したがって、電位増幅トランジスタ118は、オン状態になるので、SNB側ビット線の電位が信号線PAS2の電位(0V)に引っ張られることによりVccから約0.8Vに減少する。つまり、第5実施形態では、「L」データが読み出された場合のSNB側ビット線の電位(約1.8V)と、「H」データが読み出された場合のSNB側ビット線の電位(約0.8V)との電位差(約1.0V)が、「L」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約0V)と、「H」データが読み出された場合のメインビット線の電位(約0.5V)との電位差(約0.5V)よりも大きくなるので、電位差が増幅されたといえる。
そして、SNB側ビット線に伝達された読み出し電圧がセンスアンプ102のノードSNBまで伝達されるのを見計らって、信号線SEが0VからVccに立ち上げられるとともに、信号線/SEがVccから0Vに立ち下げられる。これにより、センスアンプ102のpチャネルトランジスタ123はオン状態になるので、Vccの電圧が供給される。また、nチャネルトランジスタ124もオン状態となるので、接地電位(0V)が供給される。これにより、センスアンプ102は活性化される。そして、SNB側ビット線の電位(約1.8Vまたは約0.8V)が伝達されるノードSNBの電位と、参照電位(約1.3V)が伝達されるノードSNTの電位との差動増幅が行われ、強誘電体キャパシタ133からのデータの読み出しが行われる。
なお、第5実施形態では、上記第4実施形態と異なり、読み出し動作時に、ゲートにメインビット線が接続される電位増幅トランジスタ118のソース/ドレインの一方にセンスアンプ102の逆極性側のノードSNBを接続することにより、メインビット線のデータと、センスアンプ102のデータとが逆になるように構成している。これにより、メインビット線のデータがサブビット線のデータと逆になっている場合にも、センスアンプ102では、サブビット線のデータ(選択された強誘電体キャパシタ133からなるメモリセルに書き込まれていたデータ)と同じデータを読み出すことが可能になる。
具体的には、たとえば、「L」データが読み出された場合には、ノードSNBの電位が約1.8V、ノードSNTの電位が約1.3Vとなるので、センスアンプ102での増幅後には、ノードSNBの電位が約1.8V、ノードSNTの電位が0Vとなる。その一方、「H」データが読み出された場合には、ノードSNBの電位が約0.8V、ノードSNTの電位が約1.3Vとなるので、センスアンプ102での増幅後には、ノードSNBの電位が0V、ノードSNTの電位が約1.8Vとなる。
(読み出しデータの再書き込み)
その後、強誘電体キャパシタ133からなるメモリセルへの読み出しデータの再書き込みが行われる。まず、信号線ASS2をVccから0V−αの降圧電位に立ち下げる。これにより、トランスファゲートトランジスタ119がオン状態になるので、センスアンプ102のノードSNTとメインビット線とが電気的に接続される。そして、選択されたサブアレイの信号線ASS1をVccから0V−αの降圧電位に立ち下げる。これにより、トランスファゲートトランジスタ141がオン状態となるので、メインビット線と選択されたサブビット線とが電気的に接続される。したがって、ノードSNTの電位(再書き込み電位)がメインビット線を介してサブビット線に伝達される。
ここで、第5実施形態の再書き込み動作時には、読み出し動作時とは異なり、メインビット線を同一極性側のノードSNTに接続している。これにより、読み出されたデータと同じデータがサブビット線を介して強誘電体キャパシタ133からなるメモリセルに再書き込みされる。
なお、このとき、信号線PAS1の電位をVccから0Vに立ち下げておく。これにより、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ142のゲートに接続されるサブビット線の電位が0Vにされた場合にも、電位増幅トランジスタ142のソース−ゲート間にしきい値電圧を超える電位差が発生するのを抑制することが可能になるので、再書き込み動作時に電位増幅トランジスタ142がオン状態になるのが抑制される。
また、同様に信号線PAS2の電位を0VからVccに立ち上げておく。これにより、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ118のゲートに接続されるメインビット線の電位がVccにされた場合にも、電位増幅トランジスタ118のソース−ゲート間にしきい値電圧を超える電位差が発生するのを抑制することができるので、再書き込み動作時に電位増幅トランジスタ118がオン状態になるのが抑制される。
そして、「H」データを再書き込みする場合には、選択されたサブビット線にノードSNTからVccが伝達されるとともに、ワード線WLは0Vにされる。これにより、強誘電体キャパシタ133には、「H」データが再書き込みされる。その後、ワード線が0VからVccに立ち上げられる。「L」データを再書き込みする場合には、選択されたサブビット線にノードSNTから0Vが伝達されるとともに、ワード線WLがVccにされる。これにより、強誘電体キャパシタ133には、「L」データが再書き込みされる。その後、信号線SEがVccから0Vに立ち下げられるとともに、信号線/SEが0VからVccに立ち上げられる。また、信号線PAS1が0VからVccに立ち上げられるとともに、信号線/PC2がVccから0Vに立ち下げられる。これらの動作により、スタンバイ状態に戻る。
なお、第5実施形態の効果は、上記第4実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、本発明を単純マトリックス型の強誘電体メモリに適用する例を示したが、本発明はこれに限らず、単純マトリックス型の強誘電体メモリ以外のその他のビット線階層構造を有するメモリにも適用可能である。
また、上記実施形態では、6個のサブアレイに分割されたメモリセルアレイを用いて構成したが、本発明はこれに限らず、2個以上の複数に分割されたメモリセルアレイを用いてもよい。
なお、上記第1および第2実施形態では、データの読み出し動作および再書き込み動作について説明したが、データの書き込みは、再書き込み動作と同様の方法によりに行われる。
また、上記第1実施形態では、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ32のしきい値電圧を約0.1Vに設定するとともに、上記第2実施形態では、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタ42のしきい値電圧を約−0.1Vに設定することにより、「L」データが読み出された場合に電位増幅トランジスタ32および42が完全にオフ状態になるようにした例を示したが、本発明はこれに限らず、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタのしきい値電圧を下げるか、または、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタのしきい値電圧を上げることにより、オン状態での(「H」データ読み出し時の)駆動能力を向上させてもよい。なお、この場合、「L」データが読み出された場合に電位増幅トランジスタは弱いオン状態になる。このように構成すれば、「H」データの読み出し時のメインビット線の電位を変化させる速度を向上させることが可能である。その一方、電位増幅トランジスタのしきい値電圧を下げすぎる(nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタの場合)か、または、上げすぎる(pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタの場合)と、「L」データを読み出した際の電位増幅トランジスタのオン状態が強くなり、「H」データを読み出した際の電位増幅トランジスタのオン状態との差がなくなるため、電位の増幅が困難になる。この点を考慮して本願発明者がシミュレーションにより計算した結果、nチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタのしきい値電圧は、約0.1V〜約−0.2Vに設定するのが好ましく、pチャネルトランジスタからなる電位増幅トランジスタのしきい値電圧は、約−0.1V〜約0.2Vに設定するのが好ましいことが判明した。
また、上記第3実施形態では、メインビット線とサブビット線とを接続するためのトランジスタ、サブビット線同士を接続するためのトランジスタ、およびサブビット線を接地配線に接続するためのトランジスタとして、nチャネルトランジスタを用いたが、本発明はこれに限らず、これらのトランジスタとして、pチャネルトランジスタを用いてもよい。