JP3360418B2 - Ferroelectric semiconductor memory device - Google Patents

Ferroelectric semiconductor memory device

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JP3360418B2
JP3360418B2 JP12489194A JP12489194A JP3360418B2 JP 3360418 B2 JP3360418 B2 JP 3360418B2 JP 12489194 A JP12489194 A JP 12489194A JP 12489194 A JP12489194 A JP 12489194A JP 3360418 B2 JP3360418 B2 JP 3360418B2
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fram
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【産業上の利用分野】本発明は、メモリセルの電荷蓄積
手段として強誘電体膜を用いた強誘電体半導体記憶装置
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ferroelectric semiconductor memory device using a ferroelectric film as a charge storage means for a memory cell.

【0001】[0001]

【従来の技術】半導体記憶装置は、一般的な汎用メモリ
として大型計算機やミニコンクラスのメインフレームを
はじめ、パーソナルコンピュータなどの多くの情報機器
に用いられており、特にDRAM(Dynamic Random Acce
ss Memory)は、高集積化、高歩留り、低消費電力である
という特徴を有し、また低価格ということからその需要
は大きい。DRAMは、SiO2 などの絶縁膜で構成さ
れるキャパシタに電荷を蓄積してデータを記憶するた
め、リークなどによりデータが短時間で失われやすい揮
発性のメモリである。その結果、一定時間ごとにデータ
をビット線BLに読み出し補強して再格納する、いわゆ
るリフレッシュ動作が必要となり、電源を切った場合に
は記憶内容が消去される。最近では、SiO2 などの絶
縁膜の代わりに、PbTiO3,PZT(Pb(Zr0.4Ti0.6)O3)あ
るいはPLZT((Pb,La)(Zr,Ti)03)などの強誘電体膜で
構成される強誘電体キャパシタを用いて、DRAMとし
ての機能にプラスして、不揮発性メモリとしての用いる
ことができるメモリセル(以下、FRAMとも記す)が
提案されている。図7は、従来のFRAMに用いられる
FRAMセルの構成図である。図7に示すように、従来
のFRAMに用いられるFRAMセルは、nMOSトラ
ンジスタTrと強誘電体キャパシタFC(以下、単にF
Cとも記す)とを有する。nMOSトランジスタTr
は、ドレイン(D)がビット線BLに接続され、ゲート
(G)がワード線WLに接続され、ソース(S)が強誘
電体キャパシタFCの一方の電極に接続されている。キ
ャパシタFCの他方の電極はプレート線PLに接続され
ている。
2. Description of the Related Art A semiconductor memory device is used as a general-purpose memory in many information devices such as a large computer, a mainframe of a minicomputer class, and a personal computer. In particular, a dynamic random access memory (DRAM) is used.
ss Memory) is characterized by high integration, high yield, and low power consumption, and its demand is great because of its low price. A DRAM is a volatile memory in which data is stored in a capacitor formed of an insulating film such as SiO 2 by storing electric charges and data is easily lost in a short time due to leakage or the like. As a result, a so-called refresh operation is required in which data is read out to the bit line BL at regular intervals and is reinforced and stored again. When the power is turned off, the stored contents are erased. Recently, instead of insulating films such as SiO 2 , ferroelectric films such as PbTiO 3 , PZT (Pb (Zr 0.4 Ti 0.6 ) O 3 ) or PLZT ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ) A memory cell (hereinafter, also referred to as FRAM) which can be used as a non-volatile memory in addition to a function as a DRAM using a ferroelectric capacitor composed of the following has been proposed. FIG. 7 is a configuration diagram of an FRAM cell used in a conventional FRAM. As shown in FIG. 7, an FRAM cell used in a conventional FRAM includes an nMOS transistor Tr and a ferroelectric capacitor FC (hereinafter simply referred to as F
C). nMOS transistor Tr
Has a drain (D) connected to the bit line BL, a gate (G) connected to the word line WL, and a source (S) connected to one electrode of the ferroelectric capacitor FC. The other electrode of the capacitor FC is connected to the plate line PL.

【0002】図8は、図7に示すnMOSトランジスタ
Trのしきい電圧Vthを無視した場合に、強誘電体キ
ャパシタFCに印加される電圧(V)とFCに蓄積され
る蓄積電荷(Q)との関係を示すヒステリシスループで
ある。図7に示すFRAMセルでは、”1”を書き込む
場合に、強誘電体キャパシタFCに対して「Vcc」を
印加する。強誘電体キャパシタFCの両端に「Vcc」
が印加されると、強誘電体キャパシタFCの分極状態は
図8に示す分極状態「P1」となる。そして、強誘電体
キャパシタFCに印加される電圧が「0」になったとき
に、強誘電体キャパシタFCの分極状態は図8に示す
「P2」となる。一方、”0”を書き込む場合には、強
誘電体キャパシタFCに「−Vcc」の電圧を印加す
る。その結果、強誘電体キャパシタFCの分極状態は図
8に示す「P3」となる。そして、強誘電体キャパシタ
FCに印加される電圧が「0」になったときに、強誘電
体キャパシタFCの分極状態は図8に示す「P4」とな
る。
FIG. 8 shows the voltage (V) applied to the ferroelectric capacitor FC and the stored charge (Q) stored in the FC when the threshold voltage Vth of the nMOS transistor Tr shown in FIG. 7 is ignored. Is a hysteresis loop showing the relationship In the FRAM cell shown in FIG. 7, when writing "1", "Vcc" is applied to the ferroelectric capacitor FC. "Vcc" at both ends of ferroelectric capacitor FC
Is applied, the polarization state of the ferroelectric capacitor FC becomes the polarization state "P1" shown in FIG. Then, when the voltage applied to the ferroelectric capacitor FC becomes “0”, the polarization state of the ferroelectric capacitor FC becomes “P2” shown in FIG. On the other hand, when writing "0", a voltage of "-Vcc" is applied to the ferroelectric capacitor FC. As a result, the polarization state of the ferroelectric capacitor FC becomes "P3" shown in FIG. Then, when the voltage applied to the ferroelectric capacitor FC becomes “0”, the polarization state of the ferroelectric capacitor FC becomes “P4” shown in FIG.

【0003】図7に示すFRAMセルから記憶情報を読
み出す場合には、強誘電体キャパシタFCに電圧「−V
cc」を印加する。強誘電体キャパシタFCに電圧「−
Vcc」が印加されると、強誘電体キャパシタFCの分
極状態は図8に示すヒステリシスループloopに沿っ
て変化し、最終的に「P3」となる。このとき、FRA
Mセルに”1”が記憶されている場合には、FCの分極
状態が「P2」から「P3」に変化し、スイッチ蓄積電
荷SCがビット線BLに放出される。一方、FRAMセ
ルに”0”が記憶されている場合には、FCの分極状態
が「P4」から「P3」に変化し、アンスイッチ蓄積電
荷USCがビット線BLに放出される。
When reading stored information from the FRAM cell shown in FIG. 7, a voltage "-V" is applied to the ferroelectric capacitor FC.
cc ". The voltage "-" is applied to the ferroelectric capacitor FC.
When “Vcc” is applied, the polarization state of the ferroelectric capacitor FC changes along the hysteresis loop “loop” shown in FIG. 8, and finally becomes “P3”. At this time, FRA
When “1” is stored in the M cell, the polarization state of FC changes from “P2” to “P3”, and the switch storage charge SC is released to the bit line BL. On the other hand, when “0” is stored in the FRAM cell, the polarization state of FC changes from “P4” to “P3”, and the unswitch accumulated charge USC is discharged to the bit line BL.

【0004】図7に示すFRAMセルでは、読み取り動
作において、例えば、スイッチ蓄積電荷SCとアンスイ
ッチ蓄積電荷USCとの差分に相当する信号電荷をセン
スアンプで検出することで、FRAMセルに”1”ある
いは”0”のいずれが記憶されているかを判断する。従
って、図7に示すFRAMセルでは、スイッチ蓄積電荷
SCとアンスイッチ蓄積電荷USCとの差分が大きいほ
ど読み取り動作の高感度化および高速化が図れ、読み取
り動作が容易になる。
In the FRAM cell shown in FIG. 7, in a read operation, for example, a signal charge corresponding to the difference between the switch charge SC and the unswitch charge USC is detected by a sense amplifier, so that "1" is stored in the FRAM cell. Alternatively, it is determined which of “0” is stored. Therefore, in the FRAM cell shown in FIG. 7, the larger the difference between the switch accumulated charge SC and the unswitch accumulated charge USC, the higher the sensitivity and speed of the reading operation, and the easier the reading operation.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のFRA
Mでは、実際には、”1”を書き込む際に図7に示す強
誘電体キャパシタFCには、ビット線BLに印加される
電圧「Vcc」がそのまま印加されることはなく、電圧
「Vcc−Vth」が印加されていた。ここで、「Vt
h」はnMOSトランジスタTrのしきい電圧である。
従って、従来のFRAMでは、スイッチ蓄積電荷SCは
実際には図9に示すようになり、図8を用いて説明した
nMOSトランジスタTrのしきい電圧を考慮しない場
合に比べて小さくなる。
However, the conventional FRA
In M, the voltage “Vcc” applied to the bit line BL is not actually applied to the ferroelectric capacitor FC shown in FIG. 7 when writing “1”, and the voltage “Vcc− Vth "was applied. Here, "Vt
"h" is a threshold voltage of the nMOS transistor Tr.
Therefore, in the conventional FRAM, the switch storage charge SC actually becomes as shown in FIG. 9, and is smaller than the case where the threshold voltage of the nMOS transistor Tr described with reference to FIG. 8 is not considered.

【0006】以下、この理由を図7、図9を参照しなが
ら説明する。図9は、nMOSトランジスタTrのしき
い電圧を考慮した場合における図7に示す強誘電体キャ
パシタFCに印加される電圧(V)とFCに蓄積される
蓄積電荷(Q)との関係を示すヒステリシスループであ
る。図9に示すloop(0)は”0”の書き込み動作
における強誘電体キャパシタFCのヒステリシスループ
である。また、図9に示すloop(1)は”1”の書
き込み動作および読み取り動作における強誘電体キャパ
シタFCのヒステリシスループである。
The reason will be described below with reference to FIGS. 7 and 9. FIG. 9 is a hysteresis diagram showing the relationship between the voltage (V) applied to the ferroelectric capacitor FC shown in FIG. 7 and the stored charge (Q) stored in the FC when the threshold voltage of the nMOS transistor Tr is considered. It is a loop. Loop (0) shown in FIG. 9 is a hysteresis loop of the ferroelectric capacitor FC in the write operation of “0”. Loop (1) shown in FIG. 9 is a hysteresis loop of the ferroelectric capacitor FC in the write operation and the read operation of “1”.

【0007】図7に示すFRAMセルでは、nMOSト
ランジスタTrのソースから強誘電体キャパシタFCの
一方の電極に電圧を供給している。図7に示すFRAM
セルでは、”1”を書き込む際に、ビット線BLおよび
ワード線WLに電圧「Vcc」を印加し、プレート線P
Lに電圧「0」を印加する。nMOSトランジスタTr
のドレイン/ソース間は、ゲートとソースとの間にしき
い電圧「Vth」以上の電圧が生じたときに導通状態に
なる。従って、nMOSトランジスタTrのソースの電
圧の最大値は「Vcc−Vth」になる。
In the FRAM cell shown in FIG. 7, a voltage is supplied from the source of the nMOS transistor Tr to one electrode of the ferroelectric capacitor FC. FRAM shown in FIG.
In the cell, when writing “1”, a voltage “Vcc” is applied to the bit line BL and the word line WL, and the plate line P
A voltage “0” is applied to L. nMOS transistor Tr
Becomes conductive when a voltage equal to or higher than the threshold voltage “Vth” is generated between the gate and the source. Therefore, the maximum value of the source voltage of the nMOS transistor Tr is “Vcc−Vth”.

【0008】そのため、”1”が書き込まれる場合に
は、FRAMセルの強誘電体キャパシタFCには電圧
「Vcc−Vth」が印加され、FCの分極状態は書き
込み動作および読み取り動作において図9に示すヒステ
リシスループloop(1)に沿って変化する。このと
き、「Vcc」は「Vcc−Vth」よりも大きいた
め、図9に示すヒステリシスループloop(1)は図
8に示す理論上のヒステリシスループloopの内側に
位置し、図9に示すスイッチ蓄積電荷SCは、図8に示
すスイッチ蓄積電荷SCに比べて小さい。
Therefore, when "1" is written, the voltage "Vcc-Vth" is applied to the ferroelectric capacitor FC of the FRAM cell, and the polarization state of FC is shown in FIG. 9 in the write operation and the read operation. It changes along the hysteresis loop loop (1). At this time, since “Vcc” is larger than “Vcc−Vth”, the hysteresis loop loop (1) shown in FIG. 9 is located inside the theoretical hysteresis loop loop shown in FIG. The charge SC is smaller than the switch accumulation charge SC shown in FIG.

【0009】一方、図7に示すFRAMセルでは、”
0”を書き込む際には、ビット線BLの電圧は「0」で
あり、プレート線PLおよびワード線WLに電圧「Vc
c」が印加される。従って、強誘電体キャパシタFCに
は電圧「−Vcc」が印加され、強誘電体キャパシタF
Cの分極状態は書き込み動作および読み取り動作におい
て図9に示すヒステリシスループloop(0)に沿っ
て変化する。図9に示すヒステリシスループloop
(0)は図8に示す理論上のヒステリシスループloo
pと等しい。そのため、図9に示すアンスイッチ蓄積電
荷USCは図8に示すアンスイッチ蓄積電荷USCと等
しくなる。
On the other hand, in the FRAM cell shown in FIG.
When writing “0”, the voltage of the bit line BL is “0”, and the voltage “Vc” is applied to the plate line PL and the word line WL.
c "is applied. Therefore, the voltage “−Vcc” is applied to the ferroelectric capacitor FC, and the ferroelectric capacitor F
The polarization state of C changes along the hysteresis loop loop (0) shown in FIG. 9 in the write operation and the read operation. The hysteresis loop loop shown in FIG.
(0) is the theoretical hysteresis loop loo shown in FIG.
equal to p. Therefore, the unswitch accumulated charge USC shown in FIG. 9 becomes equal to the unswitch accumulated charge USC shown in FIG.

【0010】従って、FRAMでは、実際には、スイッ
チ蓄積電荷SCとアンスイッチ蓄積電荷USCとの差分
は、図8を用いて説明した場合に比べて小さくなる。そ
の結果、実際の読み取り動作時において信号電荷をセン
スアンプを用いて検出する際に、当該検出が困難にな
り、読み取り動作の高感度化および高速化が図れないお
それがあった。
Therefore, in the FRAM, actually, the difference between the switch charge SC and the unswitch charge USC is smaller than that described with reference to FIG. As a result, it is difficult to detect the signal charge using the sense amplifier during the actual reading operation, and it may not be possible to increase the sensitivity and speed of the reading operation.

【0011】本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑
みてなされ、強誘電体膜を用いたメモリセルの読み取り
の感度向上および高速化を図ることができる強誘電体半
導体記憶装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and provides a ferroelectric semiconductor memory device capable of improving the sensitivity and speeding up reading of a memory cell using a ferroelectric film. The purpose is to:

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上述した従来技術の問題
を解決し、上述した目的を達成するために、本発明の強
誘電体記憶装置は、極性の異なる電圧が選択的に印加さ
れ、当該印加された電圧による分極状態に応じて情報を
記憶し、マトリクス状に配置された複数のメモリセルの
それぞれに対応して設けられた強誘電体膜と、前記強誘
電体膜に前記極性が異なる電圧を選択的に印加し、前記
強誘電体膜の一方の電極にソースが接続されたpMOS
トランジスタと、前記pMOSトランジスタのドレイン
に接続されたビット線と、前記pMOSトランジスタの
ゲートに接続されたワード線と、前記強誘電体膜の他方
の電極に接続されるプレートとを有し、前記強誘電体膜
にデータ「1」を書き込む場合に、前記ワード線に前記
pMOSトランジスタのしきい電圧より低い基準電圧を
印加し前記ビット線に、前記しきい電圧より高い基準電
圧を印加した状態で、前記前記プレート線に印加する電
圧を前記しきい電圧より高い基準電圧から前記しきい電
圧より低い基準電圧に切り換える。
In order to solve the above-mentioned problems of the prior art and achieve the above-mentioned object, a ferroelectric memory device according to the present invention is configured such that voltages having different polarities are selectively applied. The polarity is different between the ferroelectric film provided for each of the plurality of memory cells arranged in a matrix and the ferroelectric film, which stores information according to a polarization state due to the applied voltage. A pMOS having a source connected to one electrode of the ferroelectric film by selectively applying a voltage;
A transistor, a bit line connected to the drain of the pMOS transistor, a word line connected to the gate of the pMOS transistor, and a plate connected to the other electrode of the ferroelectric film. When writing data “1” to the dielectric film, in a state where a reference voltage lower than a threshold voltage of the pMOS transistor is applied to the word line and a reference voltage higher than the threshold voltage is applied to the bit line, The voltage applied to the plate line is switched from a reference voltage higher than the threshold voltage to a reference voltage lower than the threshold voltage.

【0013】また、本発明の強誘電体記憶装置は、好ま
しくは、前記強誘電体膜に記憶されたデータを読み出す
場合に、前記ワード線に前記しきい電圧より低い基準電
圧を印加し、プレート線に前記しきい電圧より高い基準
電圧を印加する。また、本発明の強誘電体記憶装置は、
好ましくは、前記強誘電体膜にデータ「0」を書き込む
場合に、前記ワード線に前記しきい電圧より低い基準電
圧を印加し、前記ビット線に前記しきい電圧より低い基
準電圧を印加し、前記プレート線に前記しきい電圧より
高い基準電圧を印加した状態で、前記ビット線に印加す
る電圧を前記しきい電圧より高い基準電圧から前記しき
い電圧より低い基準電圧に切り換える。
In the ferroelectric memory device according to the present invention, preferably, when reading data stored in the ferroelectric film, a reference voltage lower than the threshold voltage is applied to the word line, A reference voltage higher than the threshold voltage is applied to the line. Further, the ferroelectric storage device of the present invention,
Preferably, when writing data “0” to the ferroelectric film, applying a reference voltage lower than the threshold voltage to the word line, applying a reference voltage lower than the threshold voltage to the bit line, In a state where a reference voltage higher than the threshold voltage is applied to the plate line, a voltage applied to the bit line is switched from a reference voltage higher than the threshold voltage to a reference voltage lower than the threshold voltage.

【0014】[0014]

【作用】本発明の強誘電体半導体記憶装置では、例え
ば、書き込み動作において、pMOSトランジスタのゲ
ートにはワード線から基準電圧「0」が印加され、ドレ
イン/ソース間は導通状態になっている。先ず、本発明
の強誘電体半導体記憶装置にデータ”1”を書き込む場
合における作用について述べる。ドレインにはビット線
から前記基準電圧「Vcc」が印加されており、ソース
の電圧は基準電圧「Vcc」になっている。この状態
で、プレート線に印加される電圧を基準電圧「Vcc」
から基準電圧「0」に立ち下げると、強誘電体膜にはソ
ースからの電圧「Vcc」とプレート線からの電圧
「0」との差分に相当する電圧「Vcc」(第1の電
圧)が印加される。すなわち、本発明の強誘電体半導体
記憶装置では、pMOSトランジスタを用いることでソ
ースに、ビット線からの基準電圧「Vcc」の電圧をそ
のまま発生させることができ、強誘電体膜に電圧「Vc
c」を印加することができる。
In the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention, for example, in a write operation, the reference voltage "0" is applied to the gate of the pMOS transistor from the word line, and the drain / source is conductive. First, the operation when data "1" is written in the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention will be described. The reference voltage "Vcc" is applied to the drain from the bit line, and the voltage of the source is the reference voltage "Vcc". In this state, the voltage applied to the plate line is changed to the reference voltage “Vcc”.
, The voltage "Vcc" (first voltage) corresponding to the difference between the voltage "Vcc" from the source and the voltage "0" from the plate line is applied to the ferroelectric film. Applied. That is, in the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention, by using the pMOS transistor, the voltage of the reference voltage “Vcc” from the bit line can be directly generated at the source, and the voltage “Vc” is applied to the ferroelectric film.
c "can be applied.

【0015】強誘電体膜は、電圧「Vcc」が印加され
ると、それに応じて分極し、その後、第1のヒステリシ
スループに沿って変化する。強誘電体膜に印加される電
圧が低下すると(例えば「0」になると)、強誘電体膜
の第1のヒステリシスループに応じた分極状態になる。
When a voltage "Vcc" is applied, the ferroelectric film polarizes in response to the voltage "Vcc", and then changes along a first hysteresis loop. When the voltage applied to the ferroelectric film decreases (eg, becomes “0”), the ferroelectric film enters a polarization state according to the first hysteresis loop.

【0016】次に、本発明の強誘電体半導体記憶装置に
データ”0”を書き込む場合における作用について述べ
る。ドレインにはビット線から前記基準電圧「Vcc」
が印加されており、ソースの電圧は基準電圧「Vcc」
になっている。また、プレート線に印加される電圧は基
準電圧「Vcc」になっている。この状態で、ビット線
に印加される電圧を基準電圧「Vcc」から基準電圧
「0」に立ち下げると、ソースの電圧も基準電圧「Vc
c」から「0」に向かって立ち下がる。この立ち下がり
の過程で、ソースの電圧がpMOSトランジスタのしき
い電圧「Vth」に達すると、ソース/ソレイン間が非
導通状態になり、ソースの電圧は前記しきい電圧「Vt
h」に保持される。
Next, an operation when data "0" is written in the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention will be described. The reference voltage "Vcc" is applied to the drain from the bit line.
Is applied, and the source voltage is equal to the reference voltage “Vcc”.
It has become. The voltage applied to the plate line is the reference voltage “Vcc”. In this state, when the voltage applied to the bit line falls from the reference voltage “Vcc” to the reference voltage “0”, the source voltage also changes to the reference voltage “Vc”.
“c” falls toward “0”. When the source voltage reaches the threshold voltage “Vth” of the pMOS transistor in the course of the fall, the source / sole becomes non-conductive, and the source voltage becomes the threshold voltage “Vt”.
h ”.

【0017】これによって、強誘電体膜には、ソースか
らの電圧「Vth」とプレート線からの電圧「Vcc」
との差分に相当する電圧「Vth−Vcc」(第2の電
圧)が印加される。このとき、電圧「Vth−Vcc」
は、電圧「Vcc」(第1の電圧)と異なる極性を有
し、その絶対値は電圧「Vcc」よりも小さい。このよ
うに、本発明の強誘電体半導体記憶装置では、”0”を
書き込む際に、強誘電体膜にはビット線から電圧「0」
とプレート線からの電圧「Vcc」の差分に相当する電
圧「−Vcc」はそのまま印加されれず、電圧「Vth
−Vcc」が印加される。強誘電体膜は、電圧「Vth
−Vcc」が印加されると、それに応じて分極し、その
後、第2のヒステリシスループに沿って変化する。強誘
電体膜に印加される電圧が低下すると(例えば「0」に
なると)、強誘電体膜の第2のヒステリシスループに応
じた分極状態になる。
As a result, the voltage “Vth” from the source and the voltage “Vcc” from the plate line are applied to the ferroelectric film.
And a voltage “Vth−Vcc” (second voltage) corresponding to the difference between the two. At this time, the voltage “Vth−Vcc”
Has a polarity different from the voltage “Vcc” (first voltage), and its absolute value is smaller than the voltage “Vcc”. Thus, in the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention, when writing “0”, the voltage “0” is applied to the ferroelectric film from the bit line.
“−Vcc” corresponding to the difference between the voltage “Vcc” from the plate line and the voltage “Vth” is not applied as it is,
-Vcc "is applied. The ferroelectric film has a voltage “Vth
When "-Vcc" is applied, it polarizes accordingly and then changes along the second hysteresis loop. When the voltage applied to the ferroelectric film decreases (for example, becomes “0”), the ferroelectric film enters a polarization state according to the second hysteresis loop.

【0018】本発明の強誘電体半導体記憶装置では、読
み取り動作において、pMOSトランジスタのゲートお
よびビット線に基準電圧「0」を印加した状態で、プレ
ート線に印加する電圧を基準電圧「0」から基準電圧
「Vcc」に立ち上げる。これによって、強誘電体膜に
は電圧「−Vcc」が印加され、強誘電体膜からビット
線に分極状態に応じた蓄積電荷が放出され、この放出さ
れた電荷を例えばセンスアンプを用いて増幅して検出す
ることで、前記強誘電体膜の分極状態を判断し、この判
断結果に基づいて記憶された情報を読み取る。
In the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention, in the reading operation, the voltage applied to the plate line is changed from the reference voltage "0" while the reference voltage "0" is applied to the gate and the bit line of the pMOS transistor. The voltage is raised to the reference voltage “Vcc”. As a result, a voltage "-Vcc" is applied to the ferroelectric film, and the accumulated charge corresponding to the polarization state is released from the ferroelectric film to the bit line, and the released charge is amplified using, for example, a sense amplifier. Then, the polarization state of the ferroelectric film is determined, and the stored information is read based on the determination result.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明の強誘電体半導体記憶装置の実
施例に係わるFRAMについて説明する。第1実施例 図1は、本実施例のFRAMに用いられるFRAMセル
の構成図である。本実施例のFRAMでは、図1に示す
FRAMセルがマトリクス状に配置されている。図1に
示すように、本実施例のFRAMに用いられるFRAM
セルは、pMOSトランジスタTr1,Tr2と強誘電
体キャパシタFC1,FC2(以下、単にFC1,FC
2とも記す)とでメモリセルを構成する。このように、
2つの強誘電体キャパシタFC1,FC2を用いてメモ
リセルを構成することから、FC1,FC2に記憶され
る情報は相互に逆である。pMOSトランジスタTr1
は、ドレイン(D)がビット線BL1に接続され、ゲー
ト(G)がワード線WLに接続され、ソース(S)が強
誘電体キャパシタFC1の一方の電極に接続されてい
る。キャパシタFC1の他方の電極はプレート線PLに
接続されている。また、pMOSトランジスタTr2
は、ドレイン(D)がビット線BL0に接続され、ゲー
ト(G)がワード線WLに接続され、ソース(S)が強
誘電体キャパシタFC2の一方の電極に接続されてい
る。キャパシタFC2の他方の電極はプレート線PLに
接続されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An FRAM according to an embodiment of the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention will be described below. First Embodiment FIG. 1 is a configuration diagram of an FRAM cell used in the FRAM of the present embodiment. In the FRAM of the present embodiment, the FRAM cells shown in FIG. 1 are arranged in a matrix. As shown in FIG. 1, an FRAM used in the FRAM of the present embodiment
The cells include pMOS transistors Tr1 and Tr2 and ferroelectric capacitors FC1 and FC2 (hereinafter simply referred to as FC1 and FC2).
2) to form a memory cell. in this way,
Since a memory cell is configured using the two ferroelectric capacitors FC1 and FC2, the information stored in FC1 and FC2 is opposite to each other. pMOS transistor Tr1
Has a drain (D) connected to the bit line BL1, a gate (G) connected to the word line WL, and a source (S) connected to one electrode of the ferroelectric capacitor FC1. The other electrode of capacitor FC1 is connected to plate line PL. Also, the pMOS transistor Tr2
Has a drain (D) connected to the bit line BL0, a gate (G) connected to the word line WL, and a source (S) connected to one electrode of the ferroelectric capacitor FC2. The other electrode of the capacitor FC2 is connected to the plate line PL.

【0020】ワード線WLおよびプレート線PLに印加
される電圧は行デコーダによって制御される。また、ビ
ット線BL1,BL0に印加される電圧は書込回路によ
って制御される。書込回路には2値データである ̄WE
信号およびI/O信号が入力される。
The voltages applied to word lines WL and plate lines PL are controlled by a row decoder. Further, the voltages applied to the bit lines BL1 and BL0 are controlled by the write circuit. $ WE which is binary data is written in the write circuit.
A signal and an I / O signal are input.

【0021】図1に示すFRAMセルの書き込み動作例
について説明する。図2は、図1に示す強誘電体キャパ
シタFC1,FC2に印加される電圧(V)とFC1,
FC2に蓄積される蓄積電荷(Q)との関係を示すヒス
テリシスループである。図3は、図1に示すFRAMセ
ルの書き込み動作においてワード線WL、プレート線P
Lおよびビット線BL1,BL0に印加される信号のタ
イミングチャートであり、横軸は時間を示し、縦軸は電
圧を示す。
An example of a write operation of the FRAM cell shown in FIG. 1 will be described. FIG. 2 shows the voltage (V) applied to the ferroelectric capacitors FC1 and FC2 shown in FIG.
It is a hysteresis loop showing the relationship with the stored charge (Q) stored in FC2. FIG. 3 shows a word line WL and a plate line P in the write operation of the FRAM cell shown in FIG.
5 is a timing chart of signals applied to L and bit lines BL1 and BL0, where the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates voltage.

【0022】先ず、図1に示すFRAMセルにデータ”
1”を書き込む場合について説明する。図3に示すよう
に、ワード線WLに印加される電圧は、期間T1〜T3
において「0」である。また、ビット線BL1に印加さ
れる電圧は期間T0〜T3において「Vcc」である。
ビット線BL0に印加される電圧は期間T0,T1にお
いて「Vcc」であり、期間T2,T3において「0」
である。
First, the data "is stored in the FRAM cell shown in FIG.
The case where 1 "is written will be described. As shown in FIG. 3, the voltage applied to the word line WL varies in the periods T1 to T3.
Is "0". The voltage applied to the bit line BL1 is “Vcc” in the periods T0 to T3.
The voltage applied to the bit line BL0 is “Vcc” in the periods T0 and T1, and “0” in the periods T2 and T3.
It is.

【0023】先ず、図3に示す期間T0では、ワード線
WL、ビット線BL1,BL0およびプレート線PLに
印加される電圧は「Vcc」であることから、pMOS
トランジスタTr1,Tr2のドレイン/ソース間は非
導通状態である。
First, in the period T0 shown in FIG. 3, the voltage applied to the word line WL, the bit lines BL1 and BL0 and the plate line PL is "Vcc".
The drain and source of the transistors Tr1 and Tr2 are non-conductive.

【0024】次に、図3に示す期間T1では、ワード線
WLが「Vcc」から「0」に立ち下がる。これによっ
て、pMOSトランジスタTr1,Tr2のゲート/ソ
ース間にしきい電圧「Vth」以上の電圧が生じ、ドレ
イン/ソース間は導通状態になる。このとき、ビット線
BL1,BL0には電圧「Vcc」が印加されているた
め、pMOSトランジスタTr1,Tr2のソースの電
圧は「Vcc」になる。ここで、プレート線PLの電圧
は「Vcc」であるため、FC1およびFC2には共に
電圧「0」が印加される。このとき、FC1,FC2に
は以前記憶されていたデータに応じた分極状態になって
いる。例えば、FRAMセルに以前にデータ”0”が記
憶されている場合には、FC1の分極状態は図2に示す
「P11」になっており、FC2の分極状態は「P1
0」になっている。
Next, in a period T1 shown in FIG. 3, the word line WL falls from "Vcc" to "0". As a result, a voltage equal to or higher than the threshold voltage "Vth" is generated between the gate and the source of the pMOS transistors Tr1 and Tr2, and the drain and the source are turned on. At this time, since the voltage “Vcc” is applied to the bit lines BL1 and BL0, the source voltage of the pMOS transistors Tr1 and Tr2 becomes “Vcc”. Here, since the voltage of the plate line PL is “Vcc”, a voltage “0” is applied to both FC1 and FC2. At this time, FC1 and FC2 are in a polarization state according to the data stored before. For example, when data “0” is stored in the FRAM cell before, the polarization state of FC1 is “P11” shown in FIG. 2 and the polarization state of FC2 is “P1”.
0 ".

【0025】次に、図3に示す期間T2では、ビット線
BL0の電圧が「Vcc」から「0」に立ち下がる。ビ
ット線BL0の電圧が「Vcc」から「0」に立ち下が
る過程で、pMOSトランジスタTr2のソースの電圧
も「Vcc」から「0」に向かって低下する。そして、
pMOSトランジスタTrのソースの電圧がしきい電圧
「Vth」より低下すると、pMOSトランジスタTr
2のドレイン/ソース間が非導通状態になることから、
pMOSトランジスタTr2のソースの電圧は「Vt
h」になる。このとき、プレート線PLの電圧は「Vc
c」であるため、FC2には「−(Vcc−Vth)」
の電圧が印加される。これによって、図1に示すFC2
の分極状態は図2に示す「P12」になり、FC2に
は”0”が記憶される。上述したように期間T2では、
FC2に「−(Vcc−Vth)」が印加されるため、
以後、FC2の分極状態は図2に示すヒステリシスルー
プloop(0)に応じて変化する。
Next, in a period T2 shown in FIG. 3, the voltage of the bit line BL0 falls from "Vcc" to "0". While the voltage of the bit line BL0 falls from “Vcc” to “0”, the voltage of the source of the pMOS transistor Tr2 also falls from “Vcc” to “0”. And
When the source voltage of the pMOS transistor Tr falls below the threshold voltage “Vth”, the pMOS transistor Tr
Since the connection between the drain and source of No. 2 becomes non-conductive,
The source voltage of the pMOS transistor Tr2 is "Vt
h ". At this time, the voltage of the plate line PL is “Vc
c ”, FC2 has“-(Vcc−Vth) ”
Is applied. Thereby, FC2 shown in FIG.
Is changed to "P12" shown in FIG. 2, and "0" is stored in FC2. As described above, in the period T2,
Since “− (Vcc−Vth)” is applied to FC2,
Thereafter, the polarization state of FC2 changes according to the hysteresis loop loop (0) shown in FIG.

【0026】一方、図3に示す期間T2では、ワード線
WL、プレート線PLおよびBL1の状態は期間T1と
変わらないため、図1に示すFC1には期間T1におけ
る状態がそのまま保持される。すなわち、図1に示すp
MOSトランジスタTr1のソースの電圧は「Vcc」
に保持され、FC1に印加される電圧は「0」のままで
あり、FC1の分極状態は図2に示す「P11」に保持
される。
On the other hand, in the period T2 shown in FIG. 3, the state of the word line WL, the plate lines PL and BL1 is not different from that in the period T1, and the state in the period T1 is kept as it is in FC1 shown in FIG. That is, p shown in FIG.
The voltage of the source of the MOS transistor Tr1 is “Vcc”
, The voltage applied to FC1 remains “0”, and the polarization state of FC1 is maintained at “P11” shown in FIG.

【0027】次に、図3に示す期間T3では、プレート
線PLの電圧が「Vcc」から「0」に立ち下がる。こ
のとき、期間T2におけるpMOSトランジスタTr1
のドレイン/ソース間は導通状態であり、ソースの電圧
は「Vcc」であるため、FC1には「Vcc」が印加
される。これによって、図1に示すFC1の分極状態は
図2に示す「P13」になり、FC1には”1”が記憶
される。
Next, in a period T3 shown in FIG. 3, the voltage of the plate line PL falls from "Vcc" to "0". At this time, the pMOS transistor Tr1 in the period T2
Is in a conductive state between the drain and the source, and since the voltage of the source is “Vcc”, “Vcc” is applied to FC1. As a result, the polarization state of FC1 shown in FIG. 1 becomes “P13” shown in FIG. 2, and “1” is stored in FC1.

【0028】上述したように、期間T3では、FC1に
「Vcc」が印加されるため、以後、FC1の分極状態
は図2に示すヒステリシスループloop(1)に応じ
て変化する。電圧「Vcc」は電圧「(Vcc−Vt
h)」より大きいことから、ヒステリシスループloo
p(1)はヒステリシスループloop(0)を囲むよ
うに位置する。一方、期間T3では、プレート線PLが
「Vcc」から「0」に立ち下がったことで、FC2に
印加される電圧は「0」になり、図2に示すように、F
C2の分極状態はヒステリシスループloop(0)に
沿って「P12」から「P11」に変化する。
As described above, in the period T3, "Vcc" is applied to FC1, and thereafter, the polarization state of FC1 changes according to the hysteresis loop loop (1) shown in FIG. The voltage “Vcc” is equal to the voltage “(Vcc−Vt
h) ”, the hysteresis loop loo
p (1) is located so as to surround the hysteresis loop loop (0). On the other hand, in the period T3, since the plate line PL falls from “Vcc” to “0”, the voltage applied to FC2 becomes “0”, and as shown in FIG.
The polarization state of C2 changes from “P12” to “P11” along the hysteresis loop loop (0).

【0029】以上説明したように、FRAMセルに”
1”を書き込む場合には、FC1,FC2の分極状態
は、それぞれloop(1),loop(0)に応じて
変化する。すなわち、FC1,FC2に印加される電圧
が「0」になったときでも、FC1およびFC2の分極
状態はそれぞれ図2に示す「P10」および「P11」
になる。これによって、FC1には”1”が記憶され、
FC2には”0”が記憶される。一方、FRAMセル
に”0”を書き込む場合には、図1に示すFC1および
FC2について上述した動作を逆にして行い、FC1に
は”0”が記憶され、FC2には”1”が記憶される。
As described above, the FRAM cell has "
When "1" is written, the polarization states of FC1 and FC2 change according to loop (1) and loop (0), respectively. That is, when the voltage applied to FC1 and FC2 becomes "0" However, the polarization states of FC1 and FC2 are respectively "P10" and "P11" shown in FIG.
become. As a result, "1" is stored in FC1,
“0” is stored in FC2. On the other hand, when writing "0" to the FRAM cell, the above-described operation is performed in reverse for FC1 and FC2 shown in FIG. 1, and "0" is stored in FC1, and "1" is stored in FC2. You.

【0030】次に、上述した図3に示す動作例によって
書き込まれたデータ”1”を読み取る場合の動作例につ
いて説明する。図4は、上述した図3に示す動作例によ
って書き込まれたデータを読み取る際に、ワード線W
L、プレート線PLおよびビット線BL1,BL0に印
加される信号のタイミングチャートであり、横軸は時間
を示し、縦軸は電圧を示す。
Next, an operation example in the case of reading the data "1" written by the operation example shown in FIG. 3 will be described. FIG. 4 shows a case where the data written by the operation example shown in FIG.
5 is a timing chart of signals applied to L, the plate line PL, and the bit lines BL1 and BL0, where the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates voltage.

【0031】図4に示す期間T0’では、ワード線WL
に印加される電圧が「Vcc」から「0」に立ち下が
り、pMOSトランジスタTr1,Tr2のドレイン/
ソース間が導通状態になる。このとき、プレート線PL
に印加される電圧は「0」であり、ビット線BL1,B
L0に印加される電圧は共に「0」である。従って、F
C1,FC2に印加される電圧は共に「0」である。そ
のため、FC1およびFC2の分極状態はそれぞれ図2
に示す「P10」および「P11」である。
In a period T0 'shown in FIG.
Falls from “Vcc” to “0”, and the drains of the pMOS transistors Tr1 and Tr2
The source becomes conductive. At this time, the plate line PL
Is "0" and the bit lines BL1 and B1
The voltages applied to L0 are both “0”. Therefore, F
The voltages applied to C1 and FC2 are both “0”. Therefore, the polarization states of FC1 and FC2 are shown in FIG.
"P10" and "P11".

【0032】次に、図4に示す期間T1’では、期間T
0’の場合と同様に、図1に示すpMOSトランジスタ
Tr1,Tr2のドレイン/ソース間は導通状態であ
り、プレート線PLに印加される電圧が「0」から「V
cc」に立ち上がる。これによって、FC1の分極状態
は図2に示すヒステリシスループloop(1)の「P
14」となり、FC2の分極状態はヒステリシスループ
loop(0)の「P12」となる。このとき、FC
1,FC2に蓄積されていたスイッチ蓄積電荷SCおよ
びアンスイッチ蓄積電荷USCがそれぞれビット線BL
1,BL0に向かって放出され、ビット線BL1,BL
0には、それぞれ放出された電荷の差分の電位差(電
圧)が生じ、それによりセンスアンプを活性化させ情報
を読み取る。
Next, in a period T1 'shown in FIG.
Similarly to the case of 0 ′, the drain and source of the pMOS transistors Tr1 and Tr2 shown in FIG. 1 are in a conductive state, and the voltage applied to the plate line PL changes from “0” to “V”.
cc ". As a result, the polarization state of FC1 becomes “P” in the hysteresis loop loop (1) shown in FIG.
14 ", and the polarization state of FC2 is" P12 "in the hysteresis loop loop (0). At this time, FC
1 and FC2 are stored in the bit line BL, respectively.
1, BL0, and the bit lines BL1, BL
At 0, a potential difference (voltage) of the difference between the discharged charges is generated, thereby activating the sense amplifier and reading information.

【0033】「Vcc」が同じ電圧と仮定すると、図2
に示すスイッチ蓄積電荷SCは従来の図9に示すスイッ
チ蓄積電荷SCより大きい。また、図2に示すアンスイ
ッチ蓄積電荷USCは従来の図9に示すアンスイッチ蓄
積電荷USCより小さい。
Assuming that “Vcc” is the same voltage, FIG.
Is larger than the conventional switch charge SC shown in FIG. Further, the unswitch accumulated charge USC shown in FIG. 2 is smaller than the conventional unswitch accumulated charge USC shown in FIG.

【0034】次に、図4に示す期間T2’では、プレー
ト線PLに印加される電圧が「Vcc」から「0」に立
ち下がる。このとき、ビット線BL1の電圧は「Vc
c」であり、ビット線BL0の電圧は「0」である。従
って、FC1には電圧「Vcc」が印加され、FC1の
分極状態は図2に示すヒステリシスループloop
(1)に沿って「P14」から「P13」に変化する。
また、FC2には電圧「0」が印加され、分極状態は図
2に示すヒステリシスループloop(0)に沿って
「P12」から「P11」に変化する。以上の動作によ
って、FC1に”1”が再書き込みされ、FC2に”
0”が再書き込みされる。すなわち、期間T2’におい
てデータの再書き込みがなされる。
Next, in a period T2 'shown in FIG. 4, the voltage applied to the plate line PL falls from "Vcc" to "0". At this time, the voltage of the bit line BL1 is “Vc
c ”, and the voltage of the bit line BL0 is“ 0 ”. Accordingly, the voltage “Vcc” is applied to FC1, and the polarization state of FC1 is changed to the hysteresis loop “loop” shown in FIG.
The state changes from “P14” to “P13” along (1).
Further, a voltage “0” is applied to FC2, and the polarization state changes from “P12” to “P11” along the hysteresis loop loop (0) shown in FIG. By the above operation, “1” is rewritten to FC1 and “1” is written to FC2.
0 "is rewritten, that is, data is rewritten in the period T2 '.

【0035】次に、図14に示す期間T3’では、ワー
ド線WLに印加される電圧が「0」から「Vcc」に立
ち上がる。これによって、FC1,FC2のドレイン/
ソース間は非導通状態になり、FC1,FC2の分極状
態は最終的にそれぞれ図2に示す「P10」,「P1
1」になる。
Next, in a period T3 'shown in FIG. 14, the voltage applied to the word line WL rises from "0" to "Vcc". As a result, the drains of FC1 and FC2 /
The sources become non-conductive, and the polarization states of FC1 and FC2 finally become "P10" and "P1" shown in FIG.
1 ".

【0036】以上は、図1に示すFRAMセルにデー
タ”1”を書き込み、そのデータを読み取る動作につい
て説明したが、データ”0”を書き込む場合には、FC
1とFC2とに印加される電圧を全て逆にすることで同
様にして行うことができる。
The operation of writing data "1" to the FRAM cell shown in FIG. 1 and reading the data has been described above.
The same can be done by reversing all the voltages applied to 1 and FC2.

【0037】上述したように、本実施例のFRAMによ
れば、図9を用いて説明した従来のFRAMと比較する
と、スイッチ蓄積電荷SCを大きく、アンスイッチアン
スイッチ蓄積電荷USCを小さくすることができる。そ
の結果、本実施例のFRAMによれば、スイッチ蓄積電
荷SCとアンスイッチ蓄積電荷USCとの差分に相当す
る信号電荷は、図9を用いて説明した従来のFRAMに
比べて大きくなり、読み取りが容易になる。従って、本
実施例のFRAMによれば、読み取り動作の高感度化お
よび高速化が図れる。また、本実施例のFRAMによれ
ば、信号電荷を大きくできるため、「Vcc」などの基
準電圧の低電圧化を図ることも可能になる。
As described above, according to the FRAM of the present embodiment, compared with the conventional FRAM described with reference to FIG. 9, the switch storage charge SC and the unswitched unswitched storage charge USC can be reduced. it can. As a result, according to the FRAM of the present embodiment, the signal charge corresponding to the difference between the switch charge SC and the unswitch charge USC is larger than that of the conventional FRAM described with reference to FIG. It will be easier. Therefore, according to the FRAM of the present embodiment, it is possible to increase the sensitivity and speed of the reading operation. Further, according to the FRAM of the present embodiment, since the signal charge can be increased, the reference voltage such as “Vcc” can be reduced.

【0038】第2実施例 本実施例のFRAMは図1に示す前述した第1実施例に
係わるFRAMと同じ構成であるが、書き込み動作にお
いてビット線BL0に印加する信号が第1実施例に係わ
るFRAMとは異なる。図5は、本実施例のFRAMに
おける書き込み動作においてワード線WL、プレート線
PLおよびビット線BL1,BL0に印加される信号の
タイミングチャートであり、横軸は時間を示し、縦軸は
電圧を示す。
Second Embodiment The FRAM of this embodiment has the same configuration as that of the FRAM according to the first embodiment shown in FIG. 1, but the signal applied to the bit line BL0 in the write operation is related to the first embodiment. Different from FRAM. FIG. 5 is a timing chart of signals applied to the word line WL, the plate line PL, and the bit lines BL1 and BL0 in the write operation in the FRAM of the present embodiment. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage. .

【0039】図5に示すように、本実施例のFRAMで
は、ビット線BL0に印加される電圧を常に「0」にし
ており、期間T2’の時には、pMOSトランジスタT
r2のソースの電圧は「0」〜「Vth」になり、FC
2には「−Vcc」〜「−(Vcc−Vth)」の電圧
が印加される。これによって、FC2に”0”が書き込
まれる。そのため、本実施例では、図2において、FC
2のヒステリシスループは、ヒステリシスループloo
p(0)とヒステリシスループloop(1)との間に
位置する。
As shown in FIG. 5, in the FRAM of this embodiment, the voltage applied to the bit line BL0 is always "0", and during the period T2 ', the pMOS transistor T
The voltage of the source of r2 becomes “0” to “Vth”, and FC2
2, a voltage of “−Vcc” to “− (Vcc−Vth)” is applied. As a result, "0" is written to FC2. Therefore, in this embodiment, in FIG.
2 is a hysteresis loop loo
It is located between p (0) and the hysteresis loop loop (1).

【0040】本実施例のFRAMでは、FC1について
の動作は前述した第1実施例と同じである。
In the FRAM of this embodiment, the operation of FC1 is the same as that of the first embodiment.

【0041】本実施例のFRAMでは、アンスイッチ蓄
積電荷USCは、pMOSトランジスタTr2のソース
の電圧がしきい電圧「Vth」である場合には第1実施
例のFRAMにおける場合と等しくなるが、pMOSト
ランジスタTr2のソースの電圧が「0」である場合に
は、第1実施例と異なり、アンスイッチ蓄積電荷USC
を小さくすることができず、スイッチ蓄積電荷SCの増
大のみを図ることになる。
In the FRAM of the present embodiment, the unswitch accumulated charge USC is equal to that in the FRAM of the first embodiment when the source voltage of the pMOS transistor Tr2 is the threshold voltage "Vth". When the voltage of the source of the transistor Tr2 is “0”, unlike the first embodiment, the unswitched accumulated charge USC
Cannot be reduced, and only the switch storage charge SC is increased.

【0042】本実施例のFRAMによっては、スイッチ
蓄積電荷SCを従来に比べて大きくすることにより、ス
イッチ蓄積電荷SCとアンスイッチ蓄積電荷USCとの
差分を大きくでき、読み取りが容易になる。従って、本
実施例のFRAMによっても、読み取り動作の高感度化
および高速化が図れる。また、本実施例のFRAMによ
れば、信号電荷を大きくできるため、「Vcc」などの
基準電圧の低電圧化を図ることも可能になる。
In the FRAM of this embodiment, the difference between the switch storage charge SC and the unswitch storage charge USC can be increased by making the switch storage charge SC larger than in the prior art, and reading becomes easier. Therefore, even with the FRAM of this embodiment, it is possible to increase the sensitivity and speed of the reading operation. Further, according to the FRAM of the present embodiment, since the signal charge can be increased, the reference voltage such as “Vcc” can be reduced.

【0043】本発明の強誘電体半導体記憶装置は、上述
した実施例には限定されない。例えば、上述した実施例
では、図1に示すようにそれぞれ2個のpMOSトラン
ジスタ、強誘電体キャパシタおよびビット線で構成され
るFRAMセルを例示したが、図6に示すように1個の
pMOSトランジスタ、強誘電体キャパシタおよびビッ
ト線で構成されるFRAMセルを用いてもよい。
The ferroelectric semiconductor memory device of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, an FRAM cell including two pMOS transistors, a ferroelectric capacitor, and a bit line has been illustrated as shown in FIG. 1, but as shown in FIG. , A ferroelectric capacitor and a bit line may be used.

【0044】また、本発明の強誘電体半導体記憶装置
は、上述した実施例に係わるFRAMの他、強誘電体膜
をキャパシタとして用いることで反転電流を検出するそ
の他の記憶装置などにも適用できる。
Further, the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention can be applied not only to the FRAM according to the above-described embodiment but also to other memory devices and the like which detect a reversal current by using a ferroelectric film as a capacitor. .

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の強誘電体
半導体記憶装置によれば、読み取り動作において用いら
れる、スイッチ蓄積電荷とアンスイッチ蓄積電荷との差
分に相当する信号電荷を大きくすることができる。その
ため、強誘電体膜に蓄積された電荷を用いてデータの読
み出しを行う際に、読み取り動作の高感度化および高速
化が図れ、読み出し動作を容易にすることができる。ま
た、本発明の強誘電体半導体記憶装置によれば、低電圧
化を図れる。
As described above, according to the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention, the signal charge corresponding to the difference between the switch accumulated charge and the unswitch accumulated charge used in the read operation is increased. Can be. Therefore, when data is read using charges accumulated in the ferroelectric film, the sensitivity and speed of the reading operation can be increased, and the reading operation can be facilitated. Further, according to the ferroelectric semiconductor memory device of the present invention, the voltage can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、本発明の第1実施例に係わるFRAM
に用いられるFRAMセルの構成図である。
FIG. 1 is an FRAM according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a configuration diagram of an FRAM cell used in the first embodiment.

【図2】図2は、図1に示すFRAMセルの強誘電体キ
ャパシタFC1,FC2の蓄積電荷(Q)−電圧(V)
特性曲線を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing accumulated charges (Q) -voltages (V) of ferroelectric capacitors FC1 and FC2 of the FRAM cell shown in FIG. 1;
It is a graph which shows a characteristic curve.

【図3】図3は、図1に示すFRAMセルの書き込み動
作においてワード線WL、プレート線PLおよびビット
線BL1,BL0に印加される信号のタイミングチャー
トである。
FIG. 3 is a timing chart of signals applied to a word line WL, a plate line PL, and bit lines BL1 and BL0 in a write operation of the FRAM cell shown in FIG.

【図4】図4は、図1に示すFRAMセルの読み取り動
作においてワード線WL、プレート線PLおよびビット
線BL1,BL0に印加される信号のタイミングチャー
トである。
FIG. 4 is a timing chart of signals applied to a word line WL, a plate line PL, and bit lines BL1 and BL0 in a read operation of the FRAM cell shown in FIG.

【図5】図5は、本発明の第2実施例に係わるFRAM
の読み取り動作においてワード線WL、プレート線PL
およびビット線BL1,BL0に印加される信号のタイ
ミングチャートである。
FIG. 5 is an FRAM according to a second embodiment of the present invention;
Word line WL and plate line PL
4 is a timing chart of signals applied to bit lines BL1 and BL0.

【図6】本発明の実施例に係わるFRAMに用いられる
FRAMセルのその他の例を説明するための図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining another example of the FRAM cell used in the FRAM according to the embodiment of the present invention.

【図7】一般的なFRAMセルの構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram of a general FRAM cell.

【図8】図7に示すFRAMセルの読み取り動作および
書き込み動作において、nMOSトランジスタのゲート
/ソース間のしきい電圧Vthを考慮しない場合の強誘
電体キャパシタに関する蓄積電荷(Q)−電圧(V)と
の関係を表すヒステリシスループを示す図である。
8 is a diagram showing the accumulated charge (Q) -voltage (V) of a ferroelectric capacitor in a case where a threshold voltage Vth between a gate and a source of an nMOS transistor is not considered in a read operation and a write operation of the FRAM cell shown in FIG. 7; FIG. 5 is a diagram showing a hysteresis loop representing a relationship with the following.

【図9】図7に示すFRAMセルの読み取り動作および
書き込み動作において、nMOSトランジスタのゲート
/ソース間のしきい電圧Vthを考慮した場合の強誘電
体キャパシタに関する蓄積電荷(Q)−電圧(V)との
関係を表すヒステリシスループを示す図である。
9 shows a relationship between a charge (Q) and a voltage (V) stored in a ferroelectric capacitor in consideration of a threshold voltage Vth between a gate and a source of an nMOS transistor in a read operation and a write operation of the FRAM cell shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing a hysteresis loop representing a relationship with the following.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

FC,FC1,FC2・・・強誘電体キャパシタ BL1,BL0・・・ビット線 WL・・・ワード線 PL・・・プレート線 Tr・・・nMOSトランジスタ Tr1,Tr2・・・pMOSトランジスタ FC, FC1, FC2: Ferroelectric capacitor BL1, BL0: Bit line WL: Word line PL: Plate line Tr: nMOS transistor Tr1, Tr2: pMOS transistor

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】極性の異なる電圧が選択的に印加され、当
該印加された電圧による分極状態に応じて情報を記憶
し、マトリクス状に配置された複数のメモリセルのそれ
ぞれに対応して設けられた強誘電体膜と、 前記強誘電体膜に前記極性が異なる電圧を選択的に印加
し、前記強誘電体膜の一方の電極にソースが接続された
pMOSトランジスタと、 前記pMOSトランジスタのドレインに接続されたビッ
ト線と、 前記pMOSトランジスタのゲートに接続されたワード
線と、 前記強誘電体膜の他方の電極に接続されるプレートとを
有し、 前記強誘電体膜にデータ「1」を書き込む場合に、 前記ワード線に前記pMOSトランジスタのしきい電圧
より低い基準電圧を印加し前記ビット線に、前記しきい
電圧より高い基準電圧を印加した状態で、前記前記プレ
ート線に印加する電圧を前記しきい電圧より高い基準電
圧から前記しきい電圧より低い基準電圧に切り換える強
誘電体半導体記憶装置。
A voltage having a different polarity is selectively applied, information is stored in accordance with a polarization state by the applied voltage, and information is stored corresponding to each of a plurality of memory cells arranged in a matrix. A ferroelectric film, a pMOS transistor having a source connected to one electrode of the ferroelectric film by selectively applying the voltages having different polarities to the ferroelectric film, and a drain to the pMOS transistor. A bit line connected thereto; a word line connected to the gate of the pMOS transistor; and a plate connected to the other electrode of the ferroelectric film, wherein data “1” is stored in the ferroelectric film. When writing, in a state where a reference voltage lower than the threshold voltage of the pMOS transistor is applied to the word line and a reference voltage higher than the threshold voltage is applied to the bit line, The strong switch the voltage applied to the plate line to the reference voltage lower than the threshold voltage from reference voltage higher than the threshold voltage dielectric semiconductor memory device.
【請求項2】前記強誘電体膜に記憶されたデータを読み
出す場合に、前記ワード線に前記しきい電圧より低い基
準電圧を印加し、プレート線に前記しきい電圧より高い
基準電圧を印加する請求項1に記載の強誘電体半導体記
憶装置。
2. When reading data stored in the ferroelectric film, a reference voltage lower than the threshold voltage is applied to the word line, and a reference voltage higher than the threshold voltage is applied to a plate line. The ferroelectric semiconductor memory device according to claim 1.
【請求項3】前記強誘電体膜にデータ「0」を書き込む
場合に、 前記ワード線に前記しきい電圧より低い基準電圧を印加
し、前記ビット線に前記しきい電圧より低い基準電圧を
印加し、前記プレート線に前記しきい電圧より高い基準
電圧を印加した状態で、前記ビット線に印加する電圧を
前記しきい電圧より高い基準電圧から前記しきい電圧よ
り低い基準電圧に切り換える請求項1に記載の強誘電体
半導体記憶装置。
3. When writing data "0" to the ferroelectric film, a reference voltage lower than the threshold voltage is applied to the word line, and a reference voltage lower than the threshold voltage is applied to the bit line. 2. A voltage applied to the bit line is switched from a reference voltage higher than the threshold voltage to a reference voltage lower than the threshold voltage while a reference voltage higher than the threshold voltage is applied to the plate line. 3. The ferroelectric semiconductor memory device according to 1.
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