JP3671866B2 - Method for determining capacitance value of semiconductor memory device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体メモリ装置およびそれに用いられるキャパシタの容量値決定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体メモリ装置では、半導体装置内に形成されたキャパシタに電荷を蓄積し、その電荷の有無によりデータを記憶する方式が主に用いられており(一般にダイナミック方式メモリという。以下この方式のメモリをDRAMと称す)、そのキャパシタには、従来、シリコン酸化膜を絶縁膜として用いている。
【0003】
近年、強誘電体材料をキャパシタの絶縁膜に用いることにより、記憶データの不揮発性を実現しようとする半導体メモリ装置が考案されている。
【0004】
以下、強誘電体材料を用いた従来の半導体メモリ装置について説明する(米国特許第4,873,664号明細書参照)。
【0005】
図13は従来の半導体メモリ装置の回路構成図、図14は従来の半導体メモリ装置の回路構成を示す図13のセンスアンプ部90,96を示す図、図15は従来の半導体メモリ装置の動作タイミングを示す図、図16は従来の半導体メモリ装置のメモリセルキャパシタにおける強誘電体のヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図である。
【0006】
図において、Vr16はメモリセルのデータ読み出し電位差、l1,l2はビット線の寄生容量の特性を示す線、A,B,D,E,M16,N16,O16,P16,Q16はメモリセルのデータ読み出しを示す図中の点、80a〜80dはメモリセル、81a〜81dはメモリセルトランジスタ、82,84はワード線(WORD)、83a〜83dは強誘電体膜を用いたメモリセルキャパシタ、86,88,92,94はビット線、90,96はセンスアンプ、98,100はセルプレート電極(PLATE)、102,104,106,108はビット線プリチャージ用トランジスタ、φPRECHARGEはビット線プリチャージ制御信号、φSENSEはセンスアンプ制御信号、110,112はPチャネル型MOSトランジスタ、118,120はNチャネル型MOSトランジスタ、114,116は信号ノードである。
【0007】
図13の従来の半導体メモリ装置の回路構成は、センスアンプ90にビット線86,88が接続されている。このビット線86,88に本体メモリセル80a,80bが接続されている。本体メモリセル80aは、第1の本体メモリセルキャパシタ83aが第1のMOSトランジスタ81aを介してビット線86に接続されている。第2の本体メモリセルキャパシタ83aが第2のMOSトランジスタ81aを介してビット線88に接続されている。第1および第2のMOSトランジスタ81aのゲートはワード線82に接続され、第1および第2の本体メモリセルキャパシタ83aの第1および第2のMOSトランジスタ81aのソースに接続された第1の電極とは反対の第2の電極はセルプレート電極98に接続されている。本体メモリセル80b〜80dについても同様である。また、ビット線86,88は、ゲートがビット線プリチャージ制御信号φPRECHARGEであるMOSトランジスタ106,108を介して接地電圧に接続されている。また、センスアンプ90は、図14に示すように、Nチャネル型MOSトランジスタ118のソースが接地電圧に、ゲートが信号ノード116に、ドレインが信号ノード114にそれぞれ接続され、Pチャネル型MOSトランジスタ110のソースがφPRECHARGEに接続されている。また、ゲートが信号ノード116に、ドレインが信号ノード114にそれぞれ接続され、Nチャネル型MOSトランジスタ120のソースが接地電圧に、ゲートが信号ノード114に、ドレインが信号ノード116にそれぞれ接続され、Pチャネル型MOSトランジスタ112のソースはφPRECHARGEに、ゲートが信号ノード114に、ドレインが信号ノード116にそれぞれ接続されている。この図13の従来の半導体メモリ装置では、一つのメモリセルが二つのメモリセルキャパシタと二つのMOSトランジスタとで構成されている。この二つのメモリセルキャパシタには逆論理電圧を書き込み、読み出し時にはこの二つのメモリセルキャパシタのそれぞれから読み出された電位差をセンスアンプで増幅してデータを読み出す。
【0008】
この従来の半導体メモリ装置の回路の動作について、図15の動作タイミング図と、図16のメモリセルキャパシタの強誘電体のヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図を参照しながら説明する。
【0009】
図16の強誘電体のヒステリシス特性図で、横軸がメモリセルキャパシタにかかる電界で縦軸がそのときの電荷を示している。強誘電体のキャパシタでは電界が0のときでも点B、点Eのように残留分極が残る。このように、電源がオフした後にも強誘電体のキャパシタに残った残留分極を不揮発性のデータとして利用し、不揮発性半導体メモリ装置を実現している。メモリセルのデータが“1”の場合、第1の本体メモリセルキャパシタは図16の点Bの状態であり、第2の本体メモリセルキャパシタは図16の点Eの状態である。メモリセルのデータが“0”である場合には、第1の本体メモリセルキャパシタは図16の点Eの状態で、第2の本体メモリセルキャパシタは図16の点Bの状態である。
【0010】
ここで本体メモリセルのデータを読み出すために、初期状態として、ビット線86,88、ワード線82,84、セルプレート電極98、および、センスアンプ制御信号φSENSEは全て論理電圧“L”であり、ビット線プリチャージ制御信号φPRECHARGEは論理電圧“H”である。その後、ビット線プリチャージ制御信号φPRECHARGEを論理電圧“L”とし、ビット線86,88をフローティング状態とする。次に、図15のように、ワード線82とセルプレート電極98を論理電圧“H”とする。ここで、MOSトランジスタ81aがオンする。このため、本体メモリセルキャパシタ83aには電界がかかり、本体メモリセルからビット線86,88にデータが読み出される。
【0011】
このときのビット線に読み出される電位差について図16を参照しながら説明する。図16に示されている線l1,l2はビット線86,88の寄生容量値で決まる傾きを持つ線である。容量値が小さくなると傾きの絶対値は小さくなる。読み出されるデータが“1”のとき、ビット線86には第1の本体メモリセルキャパシタからデータが読み出され、図16の点Bの状態から点O16の状態となる。点O16はメモリセルキャパシタに電界をかけたとき、点Bから点Dへ向かうヒステリシス曲線と、ワード線82とセルプレート電極98との論理電圧を“H”としたときに生じる電界の分だけ、点Bから横軸方向へ移動した点M16を通る線l1との交点である。同様に、ビット線88には第2の本体メモリセルキャパシタからデータが読み出され、図16の点Eの状態から点P16の状態となる。点P16はメモリセルキャパシタに電界がかかったとき、点Eから点Dへ向かうヒステリシス曲線と、ワード線82とセルプレート電極98との論理電圧を“H”としたときに生じる電界の分だけ、点Eから横軸方向へ移動した点N16を通る線l2との交点である。ここで、ビット線86とビット線88に読み出される電位差は、図16の点O16と点P16との電界差であるVr16となる。読み出されるデータが“0”のときも同様で、ビット線86とビット線88の状態が逆になるだけで、読み出される電位差はVr16である。次に、センスアンプ制御信号φSENSEを論理電圧“H”とし、ビット線86とビット線88に読み出されたデータをセンスアンプ90で増幅しデータを読み出す。このセンスアンプ90で増幅すると、ビット線86の状態は点O16から点Q16になり、ビット線88の状態は点P16から点Dになる。次に、データの再書き込み状態としてセルプレート電極98を論理電圧“L”とする。このとき、図16において、ビット線86の状態は点Q16から点Aとなり、ビット線88の状態は点Dから点Eとなる。次に、ワード線82とセンスアンプ制御信号φSENSEとを論理電圧“L”にする。その後、ビット線プリチャージ制御信号φPRECHARGEを論理電圧“H”とし、ビット線86,88を論理電圧“L”として初期状態とする。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の構成の半導体メモリ装置では、図16において、ビット線の寄生容量値が小さくなると線l1,l2の傾きの絶対値が小さくなる。たとえばビット線の寄生容量値がほとんど0になると、点O16の位置は点Bに近づき、点P16の位置は点Eに近づく。ビット線86とビット線88とに生じる読み出し電位差Vr16は0に近づく。このためこの電位差をセンスアンプ90で正確に増幅することができなくなるという課題があった。また、同様にビット線寄生容量値がある一定の値であるとき強誘電体キャパシタの容量が小さすぎても大きすぎてもビット線86とビット線88とに生じる読み出し電位差Vr16は小さくなり、この電位差をセンスアンプ90で正確に増幅することができなくなるという課題があった。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法は、増幅器に第1のビット線と第1のビット線と対になった第2のビット線が接続され、第1のMOSトランジスタに第1のワード線と第1の強誘電体キャパシタと第1のビット線とが接続され、第1の強誘電体キャパシタが第1のプレート電極に接続され、第2のMOSトランジスタ第2のワード線と第1のキャパシタと第2のビット線と接続され、第1のキャパシタが第2のプレート電極に接続された半導体メモリ装置において、第1の強誘電体キャパシタから論理電圧"H"のデータを第1のビット線へ読み出す時の第1のビット線電位と、第1の強誘電体キャパシタから論理電圧"L"のデータを第1のビット線へ読み出す時の第2のビット線電位との電位差は、第1の強誘電体キャパシタの容量値に対して最大値をもつ特性で表され、第1のビット線電位と第2のビット線電位との電位差と、第1の強誘電体キャパシタの容量値との関係曲線を求め、第1のビット線電位と第2のビット線電位との電位差が、増幅器によって正確に増幅できる電位差の2倍以上の値になる関係曲線の範囲に、第1の強誘電体キャパシタの容量値を決定し、第1のキャパシタからのデータを第2のビット線へ読み出す時の第3のビット線電位が、第1のビット線電位と第2のビット線電位との中間の電位で、かつ第1のビット線電位と第3のビット線電位との電位差および第2のビット線電位と第3のビット線電位との電位差が、ともに増幅器によって正確に増幅できる電位差以上になるように第1のキャパシタの容量値を決定する。
【0014】
また、本発明の他の半導体メモリ装置の容量値決定方法は、増幅器に第1のビット線と第1のビット線と対になった第2のビット線が接続され、第1のMOSトランジスタに第1のワード線と第1の強誘電体キャパシタと第1のビット線とが接続され、第1の強誘電体キャパシタが第1のプレート電極に接続され、第2のMOSトランジスタ第2のワード線と第1のキャパシタと第2のビット線と接続され、第1のキャパシタが第2のプレート電極に接続された半導体メモリ装置において、第1のキャパシタのデータの読み出しは分極反転を伴わない動作であり、第1の強誘電体キャパシタから論理電圧"H"のデータを第1のビット線へ読み出す時の第1のビット線電位と、第1の強誘電体キャパシタから論理電圧"L"のデータを第1のビット線へ読み出す時の第2のビット線電位との電位差は、第1の強誘電体キャパシタの容量値に対して最大値をもつ特性で表され、第1のビット線電位と第2のビット線電位との電位差と、第1の強誘電体キャパシタの容量値との関係曲線を求め、第1のビット線電位と第2のビット線電位との電位差が、増幅器によって正確に増幅できる電位差の2倍以上の値になる関係曲線の範囲に、第1の強誘電体キャパシタの容量値を決定し、第1のキャパシタからのデータを第2のビット線へ読み出す時の第3のビット線電位が、第1のビット線電位と第2のビット線電位との中間の電位で、かつ第1のビット線電位と第3のビット線電位との電位差および第2のビット線電位と第3のビット線電位との電位差が、ともに増幅器によって正確に増幅できる電位差以上になるように第1のキャパシタの容量値を決定する。
【0015】
また、第1のキャパシタが強誘電体キャパシタである。
【0016】
また、第1のキャパシタが第1の強誘電体キャパシタと同程度の形状である強誘電体キャパシタである。
【0017】
上記のような動作の半導体メモリ装置の容量値決定方法により、メモリセルのデータ読み出し電位差を大きくすることができ、読み出し時の誤動作がない半導体メモリ装置とすることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第1の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1は本発明の半導体メモリ装置の回路構成を示す図、図2は本発明の半導体メモリ装置の動作タイミングを示す図、図3〜図5は本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法の第1の実施の形態における第1〜第3の容量値のメモリセルキャパシタの強誘電体のヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図である。
【0019】
まず、図1の回路構成図について説明する。WL0〜WL7はワード線、BL0,/BL0,BL1,/BL1はビット線、CP0〜CP7はセルプレート電極、EQ101はビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号、SAE100はセンスアンプ制御信号、VSSは接地電圧、SA0,SA1はセンスアンプ、Cs00〜Cs17,Cs00B〜Cs17Bは本体メモリセルキャパシタ、QnはNチャネル型MOSトランジスタである。
【0020】
センスアンプSA0にビット線BL0,/BL0が、センスアンプSA1にビット線BL1,/BL1がそれぞれ接続されている。センスアンプSA0,SA1の動作はセンスアンプ制御信号SAE100によって制御される。本体メモリセルキャパシタCs00の第1の電極はNチャネル型MOSトランジスタQnを介してビット線BL0に接続されている。本体メモリセルキャパシタCs00の第2の電極はセルプレート電極CP0に接続されている。本体メモリセルキャパシタCs00Bの第1の電極はNチャネル型MOSトランジスタQnを介してビット線/BL0に接続されており、本体メモリセルキャパシタCs00Bの第2の電極はセルプレート電極CP0に接続されている。同様に、本体メモリセルキャパシタCs01〜Cs07のそれぞれの第1の電極はNチャネル型MOSトランジスタQnを介してビット線BL0に接続され、本体メモリセルキャパシタCs01〜Cs07のそれぞれの第2の電極はそれぞれセルプレート電極CP1〜CP7に接続され、本体メモリセルキャパシタCs01B〜Cs07Bのそれぞれの第1の電極はNチャネル型MOSトランジスタQnを介してビット線/BL0に接続され、本体メモリセルキャパシタCs01B〜Cs07Bのそれぞれの第2の電極はそれぞれセルプレート電極CP1〜CP7に接続されている。本体メモリセルキャパシタCs10〜Cs17,Cs10B〜Cs17Bについても同様に、ビット線BL1,/BL1にデータが読み出されるように接続されている。また、ビット線BL0,/BL0、およびビット線BL1,/BL1はビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ101によってイコライズおよびプリチャージされるように構成されている。ここでは、プリチャージ電位は接地電圧としている。
【0021】
図3においてVr3はメモリセルのデータ読み出し電位差、l1,l2はビット線容量の特性を示す線、A,B,D,E,M3,N3,O3,P3,Q3はメモリセルのデータ読み出しを示す図における点である。図3は従来と同様に強誘電体のヒステリシス特性図で、横軸がメモリセルキャパシタにかかる電界で縦軸がそのときの電荷を示している。強誘電体のキャパシタでは電界が0のときでも点B、点Eのように残留分極が残る。電源をオフしても強誘電体のキャパシタに残った残留分極を不揮発性のデータとして利用して、不揮発性半導体メモリ装置を実現している。メモリセルのデータが“1”の場合、第1の本体メモリセルキャパシタは図3の点Bの状態で、第2の本体メモリセルキャパシタは点Eの状態である。メモリセルのデータが“0”の場合、第1の本体メモリセルキャパシタは点Eの状態で、第2の本体メモリセルキャパシタは点Bの状態である。
【0022】
図4および図5も図3と同様で、Vr4,Vr5はメモリセルのデータ読み出し電位差、A,B,D,E,M4,N4,O4,P4,Q4,M5,N5,O5,P5,Q5はメモリセルのデータ読み出しを示す図における点である。本体メモリセルキャパシタの容量は図3の場合が三つのうちではもっとも大きく、図4の場合が次に大きく、図5の場合が三つのうちではもっとも小さい。
【0023】
ここでは、図3の場合について、本体メモリセルキャパシタCs00,Cs00Bのデータを読み出す方法について説明する。まず本体メモリセルのデータを読み出すために、初期状態として、ビット線BL0,/BL0、ワード線WL0〜WL7、セルプレート電極CP0〜CP7、および、センスアンプ制御信号SAE100を論理電圧“L”とし、ビット線プリチャージ制御信号EQ101は論理電圧“H”とする。その後、ビット線プリチャージ制御信号EQ101を論理電圧“L”とすると、ビット線BL0,/BL0がフローティング状態となる。次に、ワード線WL0とセルプレート電極CP0を論理電圧“H”とする。このとき、本体メモリセルキャパシタCs00,Cs00Bに電界がかかる。このようにして本体メモリセルからビット線BL0,/BL0にデータが読み出される。このときのビット線に読み出される電位差について、図3を参照しながら説明する。線l1,l2はビット線BL0,/BL0の寄生容量の値に依存した傾きを持つ。容量値が小さくなると傾きの絶対値は小さくなる。読み出されるデータが“1”のとき、ビット線BL0には本体メモリセルキャパシタCs00からデータが読み出され、図3の点Bの状態から点O3の状態となる。点O3はメモリセルキャパシタに電界がかかったとき、点Bから点Dへ向かう強誘電体メモリセルキャパシタのヒステリシス曲線と、ワード線WL0とセルプレート電極CP0とを論理電圧“H”としたときに生じる電界の分だけ点Bから横軸方向へ移動した点M3を通る線l1との交点である。同様に、ビット線/BL0には本体メモリセルキャパシタCs00Bからデータが読み出され、点Eの状態から点P3の状態となる。点P3はメモリセルキャパシタに電界がかかったとき、点Eから点Dへ向かうヒステリシス曲線と、ワード線WL0とセルプレート電極CP0とを論理電圧“H”としたときに生じる電界の分だけ点Eから横軸方向へ移動した点N3を通る線l2との交点である。ここで、ビット線BL0,/BL0間に読み出される電位差は点O3と点P3の電界差であるVr3となる。読み出されるデータが“0”のときも同様に、ビット線BL0と同/BL0の状態が逆になるだけで、読み出される電位差はVr3である。次に、センスアンプ制御信号SAE100を論理電圧“H”とすると、ビット線BL0,/BL0に読み出されたデータはセンスアンプSA0で増幅されて読み出される。センスアンプSA0で増幅したとき、ビット線BL0の状態は点O3から点Q3になり、ビット線/BL0の状態は点P3から点Dになる。次に、データの再書き込み状態としてセルプレート電極CP0を論理電圧“L”とする。このとき、ビット線BL0の状態は点Q3から点Aとし、ビット線/BL0の状態は点Dから点Eとなる。その後、ワード線WL0とセンスアンプ制御信号SAE100とを論理電圧“L”とする。その後、ビット線プリチャージ制御信号EQ101を論理電圧“H”とし、ビット線BL0,/BL0を論理電圧“L”として、初期状態にする。この動作でビット線BL0,/BL0に読み出された電位差Vr3はセンスアンプSA0で正確に増幅できるだけの電位差でなければならない。これを満たすように本体メモリセルキャパシタ容量値(曲線ABDEA)を決定する。電位差Vr3ができるだけ大きくなるように本体メモリセルキャパシタ容量値を決定することにより、センスアンプによるより正確で高速な増幅が可能となる。
【0024】
図3〜図5の本体メモリセルキャパシタ容量値の場合、Vr3〜Vr5のメモリセルのデータ読み出し電位差はVr4が大きく、Vr3とVr5はVr4より小さくなる。本体メモリセルキャパシタ容量値Csとビット線BL0,/BL0間に読み出された電位差Vrとの関係を示したものが図6である。この図6からわかるように、電位差Vrは本体メモリセルキャパシタ容量値Csに対して最大値をもつ曲線で表される。図6でVrmはセンスアンプで正確に増幅できる読み出し可能最低電位差値を示している。このVrmと図の曲線の交点のうち本体メモリセルキャパシタ容量値の小さい方をCsl、本体メモリセルキャパシタ容量値の大きい方をCshとする。この図より本体メモリセルキャパシタ容量の値CsはCslとCshとの間にあることが必要である。本体メモリセルキャパシタ容量の値CsがCsl,Csh間であれば、より小さな値を用いる方が本体メモリセルキャパシタを構成する強誘電体膜の劣化が少ない。また、本体メモリセルキャパシタの面積も小さくなり、高集積化される。
【0025】
本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第2の実施の形態について、図7の回路構成図と図8の動作タイミング図、図9のメモリセルキャパシタの強誘電体のヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図を参照しながら説明する。
【0026】
第1の実施の形態が一つのメモリセルが二つのメモリセルキャパシタと二つのMOSトランジスタで構成されているのに対して、第2の実施の形態が一つのメモリセルが一つのメモリセルキャパシタと一つのMOSトランジスタで構成されている点で異なる。
【0027】
まず、図7に示した回路構成について説明する。WL0〜WL3はワード線、DWL0,DWL1はダミーワード線、BL0,/BL0,BL1,/BL1はビット線、CP0,CP1はセルプレート電極、DCP0,DCP1はダミーセルプレート電極、EQ11はビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号、SAE0,SAE1はセンスアンプ制御信号、VSSは接地電圧、SA0,SA1はセンスアンプ、Cs1〜Cs8は本体メモリセル強誘電体キャパシタ、Cd1〜Cd4はダミーメモリセル強誘電体キャパシタ、QnはNチャネル型MOSトランジスタである。本体メモリセルは本体メモリセル強誘電体キャパシタCs1〜Cs8とワード線WL0〜WL3がゲートに接続されたNチャネル型MOSトランジスタQnで構成されている。本体メモリセル強誘電体キャパシタCs1〜Cs8の第1の電極がNチャネル型MOSトランジスタQnのソースに接続され、本体メモリセル強誘電体キャパシタCs1〜Cs8の第2の電極がセルプレート電極CP0,CP1に接続されている。また、本体メモリセルを構成するNチャネル型MOSトランジスタQnのドレインはビット線BL0,/BL0,BL1,/BL1に接続されている。ダミーメモリセルも同様に、ダミーメモリセル強誘電体キャパシタCd1〜Cd4とダミーワード線DWL0,DWL1がゲートに接続されたNチャネル型MOSトランジスタQnとで構成されている。また、ダミーメモリセル強誘電体キャパシタCd1〜Cd4の第1の電極がNチャネル型MOSトランジスタQnのソースに接続され、ダミーメモリセル強誘電体キャパシタCd1〜Cd4の第2の電極がダミーセルプレート電極DCP0,DCP1に接続されている。また、ダミーメモリセルを構成するNチャネル型MOSトランジスタQnのドレインは、ビット線BL0,/BL0,BL1,/BL1に接続されている。また、ビット線BL0,/BL0、および同BL1,/BL1は、それぞれセンスアンプSA0,SA1に接続されている。センスアンプSA0,SA1は、それぞれセンスアンプ制御信号SAE0,SAE1で制御され、センスアンプ制御信号SAE0,SAE1が全て論理電圧“H”のとき動作する。また、ビット線BL0,/BL0、および同BL1,/BL1は、ゲートがビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11であるNチャネル型MOSトランジスタQnを介して接続される。ビット線BL0,/BL0,BL1,/BL1のそれぞれは、ゲートがビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11であるNチャネル型MOSトランジスタQnを介して接地電圧VSSに接続されている。
【0028】
次に、図8と図9において、本体メモリセルのデータを読み出すために、初期状態として、ワード線WL0〜WL3、ダミーワード線DWL0,DWL1、セルプレート電極CP0,CP1、ダミーセルプレート電極DCP0,DCP1、センスアンプ制御信号SAE0,SAE1を論理電圧“L”とし、ビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11を論理電圧“H”とし、ビット線を論理電圧“L”とする。その後、ビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11を論理電圧“L”とし、ビット線をフローティング状態とする。次に、本体メモリセルキャパシタCs2のデータを読み出すために、ワード線WL1、ダミーワード線DWL1、セルプレート電極CP0、およびダミーセルプレート電極DCP0の全てを論理電圧“H”とすると、ビット線BL0にダミーメモリセルのデータが読み出され、ビット線/BL0に本体メモリセルのデータが読み出される。このとき、本体メモリセルのデータが“1”の場合、図9の点Bの状態から点O9の状態になる。本体メモリセルのデータが“0”の場合、点Eの状態から点P9の状態になり、ダミーメモリセルは点T9の状態から点S9の状態になる。その後、センスアンプ制御信号SAE0を論理電圧“H”として、センスアンプSA0を動作させると、ビット線BL0,/BL0に読み出されたデータが増幅される。センスアンプを動作させ、データが増幅された状態で、本体メモリセルのデータが“1”であれば、本体メモリセルは点O9の状態から点Q9の状態に、ダミーメモリセルは点S9の状態から点Dの状態になる。このとき、本体メモリセルのデータが“0”であれば、本体メモリセルは点P9の状態から点Dの状態に、ダミーメモリセルは点S9の状態から点T9の状態になる。
【0029】
次に、セルプレート電極CP0を論理電圧“L”とする。このとき、本体メモリセルのデータが“1”であれば、本体メモリセルは点Q9の状態から点Aの状態に、ダミーメモリセルは点Dの状態を維持する。本体メモリセルのデータが“0”であれば、本体メモリセルは点Dの状態から点Eの状態に、ダミーメモリセルは点T9の状態を維持する。ワード線WL1、ダミーワード線DWL1を論理電圧“L”とする。このとき、本体メモリセルのデータが“1”であれば、本体メモリセルは点Aの状態から点Aと点Bの間の状態に、ダミーメモリセルは点Dの状態から点Dと点T9の間の状態となる。その後ダミーメモリセルは点T9の状態とする。本体メモリセルのデータが“0”であれば、本体メモリセルは点Eの状態を維持し、ダミーメモリセルは点T9を維持する。次に、ダミーセルプレート電極DCP0を論理電圧“L”とし、センスアンプ制御信号SAE0を論理電圧“L”とし、ビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11を論理電圧“H”とし、ビット線を論理電圧“L”とする。
【0030】
この第2の実施の形態において、ビット線の寄生容量値を傾きとしてもつ線l1,l2,l3において、本体メモリセルのデータ“1”とデータ“0”の読み出し電位差Vr9がセンスアンプで正確に増幅できる電位差の少なくとも2倍以上となるように、本体メモリセルキャパシタ容量値を決める。次に、ダミーメモリセルの容量値を決定するために、ダミーメモリセルの容量を示す線すなわち点D,S9,T9を通る線と、ワード線WL0とセルプレート電極CP0との論理電圧を“H”とした直後に生じる電界の分だけ点T9から横軸方向へ移動した点R9を通る線l3(線l1,l2を平行移動した線)との交点を点S9とする。このとき、点S9と点P9との電位差をVl9、点S9と点O9との電位差をVh9とし、Vl9およびVh9がセンスアンプで正確に増幅できるだけの電位差であるようにする。理想的にはVl9=Vh9=Vr9/2とする。このようにして、本体メモリセルキャパシタ容量およびダミーメモリセルキャパシタ容量を決定することにより、センスアンプによって正確で高速な増幅が可能となる。ここでは、ダミーメモリセルキャパシタに強誘電体膜を用いているが、通常のキャパシタでもよい。
【0031】
本発明の半導体メモリ装置を示す第3の実施の形態について、図10の回路構成図と図11の動作タイミング図を参照しながら説明する。
【0032】
まず、図10の回路構成図について説明する。この回路は、第3の実施の形態の回路に対して、ビット線にスイッチング機能を有するMOSトランジスタを介して容量を接続した構成である。WL0〜WL3はワード線、DWL0,DWL1はダミーワード線、BL0,/BL0,BL1,/BL1はビット線、CP0,CP1はセルプレート電極、DCP0,DCP1はダミーセルプレート電極、EQ11はビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号、S100,S101は制御信号、V10は信号、SAE0,SAE1はセンスアンプ制御信号、VSSは接地電圧、SA0,SA1はセンスアンプ、Cs1〜Cs8は本体メモリセル強誘電体キャパシタ、Cd1〜Cd4はダミーメモリセル強誘電体キャパシタ、Cb1〜Cb4はビット線容量調整用容量、QnはNチャネル型MOSトランジスタである。本体メモリセルは本体メモリセル強誘電体キャパシタCs1〜Cs8とワード線WL0〜WL3がゲートに接続されたNチャネル型MOSトランジスタQnで構成されている。本体メモリセル強誘電体キャパシタCs1〜Cs8の第1の電極がNチャネル型MOSトランジスタQnのソースに接続され、本体メモリセル強誘電体キャパシタCs1〜Cs8の第2の電極がセルプレート電極CP0,CP1に接続されている。また、本体メモリセルを構成するNチャネル型MOSトランジスタQnのドレインはビット線BL0,/BL0,BL1,/BL1に接続されている。ダミーメモリセルも同様に、ダミーメモリセル強誘電体キャパシタCd1〜Cd4とダミーワード線DWL0,DWL1がゲートに接続されたNチャネル型MOSトランジスタQnとで構成されている。また、ダミーメモリセル強誘電体キャパシタCd1〜Cd4の第1の電極がNチャネル型MOSトランジスタQnのソースに接続され、ダミーメモリセル強誘電体キャパシタCd1〜Cd4の第2の電極がダミーセルプレート電極DCP0,DCP1に接続されている。また、ダミーメモリセルを構成するNチャネル型MOSトランジスタQnのドレインは、ビット線BL0,/BL0,BL1,/BL1に接続されている。また、ビット線BL0,/BL0、および同BL1,/BL1はそれぞれセンスアンプSA0,SA1に接続されている。センスアンプSA0,SA1は、それぞれセンスアンプ制御信号SAE0,SAE1で制御され、センスアンプ制御信号SAE0,SAE1が全て論理電圧“H”のとき動作する。また、ビット線BL0,/BL0、および同BL1,/BL1は、ゲートがビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11であるNチャネル型MOSトランジスタQnを介して接続される。ビット線BL0,/BL0,BL1,/BL1のそれぞれはゲートがビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11であるNチャネル型MOSトランジスタQnを介して接地電圧VSSに接続されている。ビット線BL0,/BL0,BL1,/BL1にはゲートがそれぞれ信号S101,S100,S101,S100であるNチャネル型MOSトランジスタQnを介して容量Cb1,Cb2,Cb3,Cb4が接続され、それぞれの容量Cb1,Cb2,Cb3,Cb4のプレート電極が信号V10に接続されている。信号V10の電位は容量Cb1〜Cb4が通常のキャパシタか、強誘電体膜を用いたキャパシタか、また強誘電体キャパシタの場合にはその使い方(ヒステリシス曲線のどの曲線部分を使うか)によって適当な電位を設定する。
【0033】
次に、本体メモリセルのデータを読み出すために、初期状態として、ワード線WL0〜WL3、ダミーワード線DWL0,DWL1、セルプレート電極CP0,CP1、ダミーセルプレート電極DCP0,DCP1、センスアンプ制御信号SAE0,SAE1、制御信号S100,S101を論理電圧“L”とし、ビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11を論理電圧“H”とし、ビット線を論理電圧“L”とする。その後、ビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11を論理電圧“L”とし、ビット線をフローティング状態とする。次に、本体メモリセルキャパシタCs2のデータを読み出すために、ワード線WL1、ダミーワード線DWL1、セルプレート電極CP0、ダミーセルプレート電極DCP0、制御信号S101の全てを論理電圧“H”とすると、ビット線BL0にダミーメモリセルのデータが読み出され、ビット線/BL0に本体メモリセルのデータが読み出される。ここで、ダミーメモリセルのデータが読み出されたビット線にビット線容量調整用容量をつけ加え容量を大きくしているのは、ダミーメモリセルを本体メモリセルキャパシタと同程度のものを使用し、メモリセルのデータ“1”から読み出したときに、適正なリファレンス電圧を得るためである。このビット線容量調整用容量は強誘電体膜を用いても通常のキャパシタでもよい。
【0034】
本発明の半導体メモリ装置を示す第4の実施の形態について、図10の回路構成図と図12の動作タイミング図を参照しながら説明する。
【0035】
まず、図10の回路構成図については第3の実施の形態と同様である。
【0036】
次に、本体メモリセルのデータを読み出すために、初期状態として、ワード線WL0〜WL3、ダミーワード線DWL0,DWL1、セルプレート電極CP0,CP1、ダミーセルプレート電極DCP0,DCP1、センスアンプ制御信号SAE0,SAE1を論理電圧“L”とし、ビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11、制御信号S100,S101を論理電圧“H”とし、ビット線を論理電圧“L”とする。その後、ビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号EQ11を論理電圧“L”とし、ビット線をフローティング状態とする。次に、本体メモリセルキャパシタCs2のデータを読み出すために、ワード線WL1、ダミーワード線DWL1、セルプレート電極CP0、ダミーセルプレート電極DCP0の全てを論理電圧“H”、制御信号S101を論理電圧“L”とすると、ビット線BL0にダミーメモリセルのデータが読み出され、ビット線/BL0に本体メモリセルのデータが読み出される。ここで、ダミーメモリセルのデータが読み出されたビット線のビット線容量調整用容量を電気的に切断し容量を小さくしているのは、ダミーメモリセルを本体メモリセルキャパシタと同程度のものを使用し、メモリセルのデータ“0”から読み出したときに適正なリファレンス電圧を得るためである。このビット線容量調整用容量は強誘電体膜を用いても通常のキャパシタでもよい。
【0037】
【発明の効果】
本発明のメモリセルキャパシタに強誘電体膜を用いた半導体メモリ装置およびその容量値決定方法によれば、ビット線の寄生容量値に応じて最適なメモリセル強誘電体キャパシタの容量値を設定することにより、メモリセルのデータ読み出し電位差を大きくすることができ、読み出し時の誤動作がない半導体メモリ装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第1の実施の形態の回路構成を示す図
【図2】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第1の実施の形態の動作タイミングを示す図
【図3】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第1の実施の形態の、第1の容量値のメモリセルキャパシタの、強誘電体のヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図
【図4】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第1の実施の形態における、第2の容量値を有するメモリセルキャパシタの強誘電体のヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図
【図5】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第1の実施の形態における、第3の容量値を有するメモリセルキャパシタの強誘電体のヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図
【図6】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第1の実施の形態における、メモリセルキャパシタの容量値とデータ読み出し電位差との関係図
【図7】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第2の実施の形態の回路構成を示す図
【図8】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第2の実施の形態の動作タイミングを示す図
【図9】本発明の半導体メモリ装置の容量値決定方法を示す第2の実施の形態における、強誘電体メモリセルキャパシタのヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図
【図10】本発明の半導体メモリ装置を示す第3および第4の実施の形態の回路構成を示す図
【図11】本発明の半導体メモリ装置を示す第3の実施の形態の動作タイミングを示す図
【図12】本発明の半導体メモリ装置を示す第4の実施の形態の動作タイミングを示す図
【図13】従来の半導体メモリ装置の回路構成を示す図
【図14】従来の半導体メモリ装置の回路構成のセンスアンプ部を示す図
【図15】従来の半導体メモリ装置の動作タイミングを示す図
【図16】従来の半導体メモリ装置の強誘電体メモリセルキャパシタのヒステリシス特性とメモリセルのデータ読み出しを示す図
【符号の説明】
l1〜l3 線
80a〜80d メモリセル
81a〜81d メモリセルトランジスタ
82 ワード線(WORD)
83a〜83d メモリセルキャパシタ
84 ワード線(WORD)
86,88 ビット線
90 センスアンプ
92,94 ビット線
96 センスアンプ
98,100 セルプレート電極(PLATE)
102,104,106,108 ビット線プリチャージ用トランジスタ
110,112 Pチャネル型MOSトランジスタ
114,116 信号ノード
118,120 Nチャネル型MOSトランジスタ
BL0,/BL0,BL1,/BL1 ビット線
Cb1〜Cb4 ビット線容量調整用容量
S100,S101、V10 制御信号
Csh、Csl 本体メモリセル容量値
Cd1〜Cd4 ダミーメモリセルキャパシタ
CP0〜CP7 セルプレート電極
Cs00〜Cs17,Cs00B〜Cs17B,Cs1〜Cs8 本体メモリセルキャパシタ
DCP0,DCP1 ダミーセルプレート電極
DWL0,DWL1 ダミーワード線
EQ11,EQ101 ビット線イコライズおよびプリチャージ制御信号
Qn Nチャネル型MOSトランジスタ
SA0,SA1 センスアンプ
SAE100,SAE101 センスアンプ制御信号
Vl9,Vh9,Vr3〜Vr5,Vr16 電位差
Vrm 読み出し可能最低電位差値
VSS 接地電圧
WL0〜WL7 ワード線
φPRECHARGE ビット線プリチャージ制御信号
φSENSE センスアンプ制御信号
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device and a method for determining a capacitance value of a capacitor used therein.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor memory device, a method is mainly used in which charges are accumulated in a capacitor formed in the semiconductor device, and data is stored depending on the presence or absence of the charges (generally referred to as a dynamic method memory. This type of memory is hereinafter referred to as a DRAM). In the conventional capacitor, a silicon oxide film is used as an insulating film.
[0003]
In recent years, a semiconductor memory device has been devised that attempts to realize non-volatility of stored data by using a ferroelectric material for an insulating film of a capacitor.
[0004]
A conventional semiconductor memory device using a ferroelectric material will be described below (see US Pat. No. 4,873,664).
[0005]
13 is a circuit configuration diagram of a conventional semiconductor memory device, FIG. 14 is a diagram illustrating the sense amplifier units 90 and 96 of FIG. 13 showing the circuit configuration of the conventional semiconductor memory device, and FIG. 15 is an operation timing of the conventional semiconductor memory device. FIG. 16 is a diagram showing a hysteresis characteristic of a ferroelectric in a memory cell capacitor of a conventional semiconductor memory device and data reading of the memory cell.
[0006]
In the figure, Vr16 is a data read potential difference of the memory cell, l1 and l2 are lines indicating the parasitic capacitance characteristics of the bit line, and A, B, D, E, M16, N16, O16, P16 and Q16 are data read of the memory cell. , 80a to 80d are memory cells, 81a to 81d are memory cell transistors, 82 and 84 are word lines (WORD), 83a to 83d are memory cell capacitors using a ferroelectric film, 86 and 88 , 92, 94 are bit lines, 90, 96 are sense amplifiers, 98, 100 are cell plate electrodes (PLATE), 102, 104, 106, 108 are bit line precharge transistors, φPRECHARGE is a bit line precharge control signal, φSENSE is a sense amplifier control signal, 110 and 112 are P-channel MOS transistors, 118 and 120 are N-channel MOS transistors, and 114 and 116 are signal nodes.
[0007]
In the circuit configuration of the conventional semiconductor memory device of FIG. 13, bit lines 86 and 88 are connected to a sense amplifier 90. Main memory cells 80a and 80b are connected to the bit lines 86 and 88, respectively. In the main body memory cell 80a, the first main body memory cell capacitor 83a is connected to the bit line 86 via the first MOS transistor 81a. Second main body memory cell capacitor 83a is connected to bit line 88 via second MOS transistor 81a. The gates of the first and second MOS transistors 81a are connected to the word line 82, and the first electrodes connected to the sources of the first and second MOS transistors 81a of the first and second main body memory cell capacitors 83a. The second electrode opposite to is connected to the cell plate electrode 98. The same applies to the main body memory cells 80b to 80d. The bit lines 86 and 88 are connected to the ground voltage via MOS transistors 106 and 108 whose gates are the bit line precharge control signal φPRECHARGE. As shown in FIG. 14, in the sense amplifier 90, the source of the N-channel MOS transistor 118 is connected to the ground voltage, the gate is connected to the signal node 116, the drain is connected to the signal node 114, and the P-channel MOS transistor 110 is connected. Are connected to φPRECHARGE. The gate is connected to the signal node 116, the drain is connected to the signal node 114, the source of the N-channel MOS transistor 120 is connected to the ground voltage, the gate is connected to the signal node 114, and the drain is connected to the signal node 116. The channel type MOS transistor 112 has a source connected to φPRECHARGE, a gate connected to the signal node 114, and a drain connected to the signal node 116. In the conventional semiconductor memory device of FIG. 13, one memory cell is composed of two memory cell capacitors and two MOS transistors. A reverse logic voltage is written to the two memory cell capacitors, and at the time of reading, the potential difference read from each of the two memory cell capacitors is amplified by a sense amplifier to read data.
[0008]
The operation of the circuit of this conventional semiconductor memory device will be described with reference to the operation timing chart of FIG. 15 and the hysteresis characteristics of the ferroelectric substance of the memory cell capacitor and the data reading of the memory cell of FIG.
[0009]
In the hysteresis characteristic diagram of the ferroelectric substance in FIG. 16, the horizontal axis indicates the electric field applied to the memory cell capacitor, and the vertical axis indicates the electric charge at that time. In a ferroelectric capacitor, remanent polarization remains at points B and E even when the electric field is zero. As described above, the residual polarization remaining in the ferroelectric capacitor even after the power is turned off is used as nonvolatile data to realize a nonvolatile semiconductor memory device. When the data in the memory cell is “1”, the first main body memory cell capacitor is in the state of point B in FIG. 16, and the second main body memory cell capacitor is in the state of point E in FIG. When the data in the memory cell is “0”, the first main body memory cell capacitor is in the state of point E in FIG. 16, and the second main body memory cell capacitor is in the state of point B in FIG.
[0010]
Here, in order to read the data of the main body memory cell, the bit lines 86 and 88, the word lines 82 and 84, the cell plate electrode 98, and the sense amplifier control signal φSENSE are all at the logic voltage “L” as an initial state. Bit line precharge control signal φPRECHARGE is at a logic voltage “H”. Thereafter, the bit line precharge control signal φPRECHARGE is set to the logic voltage “L”, and the bit lines 86 and 88 are set in a floating state. Next, as shown in FIG. 15, the word line 82 and the cell plate electrode 98 are set to the logic voltage “H”. Here, the MOS transistor 81a is turned on. For this reason, an electric field is applied to the main body memory cell capacitor 83a, and data is read from the main body memory cell to the bit lines 86 and 88.
[0011]
The potential difference read to the bit line at this time will be described with reference to FIG. Lines 11 and 12 shown in FIG. 16 are lines having an inclination determined by the parasitic capacitance values of the bit lines 86 and 88. The absolute value of the slope decreases as the capacitance value decreases. When the data to be read is “1”, data is read from the first main body memory cell capacitor to the bit line 86, and the state from the point B in FIG. At the point O16, when an electric field is applied to the memory cell capacitor, the hysteresis curve from the point B to the point D and the electric field generated when the logic voltage between the word line 82 and the cell plate electrode 98 is set to “H”. This is an intersection with the line l1 passing through the point M16 moved in the horizontal axis direction from the point B. Similarly, data is read from the second main body memory cell capacitor to the bit line 88, and the state from the point E in FIG. At the point P16, when an electric field is applied to the memory cell capacitor, the hysteresis curve from the point E to the point D and the electric field generated when the logic voltage between the word line 82 and the cell plate electrode 98 is set to “H”. This is the intersection with the line 12 passing through the point N16 moved in the horizontal axis direction from the point E. Here, the potential difference read to the bit line 86 and the bit line 88 is Vr16 which is an electric field difference between the point O16 and the point P16 in FIG. The same is true when the data to be read is “0”. The potential difference to be read is Vr16 only by the state of the bit line 86 and the bit line 88 being reversed. Next, the sense amplifier control signal φSENSE is set to the logic voltage “H”, and the data read to the bit line 86 and the bit line 88 is amplified by the sense amplifier 90 to read the data. When amplified by the sense amplifier 90, the state of the bit line 86 changes from the point O16 to the point Q16, and the state of the bit line 88 changes from the point P16 to the point D. Next, the cell plate electrode 98 is set to the logic voltage “L” as a data rewrite state. At this time, in FIG. 16, the state of the bit line 86 changes from the point Q16 to the point A, and the state of the bit line 88 changes from the point D to the point E. Next, the word line 82 and the sense amplifier control signal φSENSE are set to the logic voltage “L”. Thereafter, the bit line precharge control signal φPRECHARGE is set to the logic voltage “H”, and the bit lines 86 and 88 are set to the logic voltage “L” to be in the initial state.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the semiconductor memory device having the conventional configuration as described above, in FIG. 16, when the parasitic capacitance value of the bit line decreases, the absolute value of the slope of the lines l1 and l2 decreases. For example, when the parasitic capacitance value of the bit line becomes almost zero, the position of the point O16 approaches the point B, and the position of the point P16 approaches the point E. The read potential difference Vr16 generated between the bit line 86 and the bit line 88 approaches zero. Therefore, there is a problem that this potential difference cannot be accurately amplified by the sense amplifier 90. Similarly, when the bit line parasitic capacitance value is a certain value, the read potential difference Vr16 generated between the bit line 86 and the bit line 88 becomes small even if the capacitance of the ferroelectric capacitor is too small or too large. There is a problem that the potential difference cannot be amplified accurately by the sense amplifier 90.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, according to a method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device of the present invention, a first bit line and a second bit line paired with a first bit line are connected to an amplifier, A first word line, a first ferroelectric capacitor, and a first bit line are connected to the MOS transistor, the first ferroelectric capacitor is connected to the first plate electrode, and the second MOS transistor In A second word line, a first capacitor, and a second bit line; But In a semiconductor memory device in which the first capacitor is connected to the second plate electrode, the first data when the data of the logic voltage “H” is read from the first ferroelectric capacitor to the first bit line is connected. Potential difference between bit line potential and second bit line potential when data of logic voltage “L” is read from first ferroelectric capacitor to first bit line Is represented by a characteristic having a maximum value with respect to the capacitance value of the first ferroelectric capacitor, and a potential difference between the first bit line potential and the second bit line potential; Relationship with capacitance value of first ferroelectric capacitor curve Seeking The potential difference between the first bit line potential and the second bit line potential is More than twice the potential difference that can be accurately amplified by an amplifier Relation curve range In addition, the capacitance value of the first ferroelectric capacitor is determined, and the third bit line potential when the data from the first capacitor is read to the second bit line is equal to the first bit line potential and the second bit line potential. The potential difference between the first bit line potential and the third bit line potential and the potential difference between the second bit line potential and the third bit line potential are both determined by an amplifier. The capacitance value of the first capacitor is determined so that the potential difference can be accurately amplified.
[0014]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device, wherein a first bit line and a second bit line paired with a first bit line are connected to an amplifier, and the first MOS transistor is connected to the first MOS transistor. A first word line, a first ferroelectric capacitor, and a first bit line are connected, a first ferroelectric capacitor is connected to a first plate electrode, and a second MOS transistor In A second word line, a first capacitor, and a second bit line; But In a semiconductor memory device in which the first capacitor is connected to the second plate electrode, the reading of data from the first capacitor is an operation that does not involve polarization inversion, and the logic voltage is applied from the first ferroelectric capacitor. A first bit line potential when reading “H” data to the first bit line, and a second when reading data of logic voltage “L” from the first ferroelectric capacitor to the first bit line. Potential difference from bit line potential Is represented by a characteristic having a maximum value with respect to the capacitance value of the first ferroelectric capacitor, and a potential difference between the first bit line potential and the second bit line potential; Relationship with capacitance value of first ferroelectric capacitor curve Seeking The potential difference between the first bit line potential and the second bit line potential is More than twice the potential difference that can be accurately amplified by an amplifier Relation curve range In addition, the capacitance value of the first ferroelectric capacitor is determined, and the third bit line potential when the data from the first capacitor is read to the second bit line is equal to the first bit line potential and the second bit line potential. The potential difference between the first bit line potential and the third bit line potential and the potential difference between the second bit line potential and the third bit line potential are both determined by an amplifier. The capacitance value of the first capacitor is determined so that the potential difference can be accurately amplified.
[0015]
The first capacitor is a ferroelectric capacitor.
[0016]
Further, the first capacitor is a ferroelectric capacitor having a shape similar to that of the first ferroelectric capacitor.
[0017]
By the method of determining the capacitance value of the semiconductor memory device operating as described above, the data read potential difference of the memory cell can be increased, and a semiconductor memory device free from malfunction during reading can be obtained.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment showing a method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration of a semiconductor memory device according to the present invention, FIG. 2 is a diagram illustrating an operation timing of the semiconductor memory device according to the present invention, and FIGS. It is a figure which shows the hysteresis characteristic of the ferroelectric substance of the memory cell capacitor of the 1st-3rd capacitance value in 1st Embodiment, and the data reading of a memory cell.
[0019]
First, the circuit configuration diagram of FIG. 1 will be described. WL0 to WL7 are word lines, BL0, / BL0, BL1, and / BL1 are bit lines, CP0 to CP7 are cell plate electrodes, EQ101 is a bit line equalize and precharge control signal, SAE100 is a sense amplifier control signal, and VSS is a ground voltage. SA0 and SA1 are sense amplifiers, Cs00 to Cs17 and Cs00B to Cs17B are main body memory cell capacitors, and Qn is an N-channel MOS transistor.
[0020]
Bit lines BL0 and / BL0 are connected to sense amplifier SA0, and bit lines BL1 and / BL1 are connected to sense amplifier SA1, respectively. The operations of the sense amplifiers SA0 and SA1 are controlled by a sense amplifier control signal SAE100. A first electrode of the main body memory cell capacitor Cs00 is connected to the bit line BL0 via an N-channel MOS transistor Qn. The second electrode of the main body memory cell capacitor Cs00 is connected to the cell plate electrode CP0. The first electrode of the main body memory cell capacitor Cs00B is connected to the bit line / BL0 via the N channel type MOS transistor Qn, and the second electrode of the main body memory cell capacitor Cs00B is connected to the cell plate electrode CP0. . Similarly, the first electrodes of the main body memory cell capacitors Cs01 to Cs07 are connected to the bit line BL0 via the N-channel MOS transistor Qn, and the second electrodes of the main body memory cell capacitors Cs01 to Cs07 are respectively set. The first electrodes of the main body memory cell capacitors Cs01B to Cs07B are connected to the bit line / BL0 via the N-channel MOS transistor Qn and connected to the cell plate electrodes CP1 to CP7, and the main memory cell capacitors Cs01B to Cs07B Each second electrode is connected to cell plate electrodes CP1 to CP7, respectively. Similarly, the main body memory cell capacitors Cs10 to Cs17 and Cs10B to Cs17B are connected so that data is read out to the bit lines BL1 and / BL1. Bit lines BL0, / BL0 and bit lines BL1, / BL1 are configured to be equalized and precharged by bit line equalize and precharge control signal EQ101. Here, the precharge potential is the ground voltage.
[0021]
In FIG. 3, Vr3 is the data read potential difference of the memory cell, l1 and l2 are lines indicating the characteristics of the bit line capacitance, and A, B, D, E, M3, N3, O3, P3 and Q3 are the data read of the memory cell. It is a point in the figure. FIG. 3 is a hysteresis characteristic diagram of a ferroelectric as in the prior art, where the horizontal axis represents the electric field applied to the memory cell capacitor and the vertical axis represents the electric charge at that time. In a ferroelectric capacitor, remanent polarization remains at points B and E even when the electric field is zero. A nonvolatile semiconductor memory device is realized by utilizing the residual polarization remaining in the ferroelectric capacitor even when the power is turned off as nonvolatile data. When the data in the memory cell is “1”, the first main body memory cell capacitor is in the state of point B in FIG. 3 and the second main body memory cell capacitor is in the state of point E. When the data in the memory cell is “0”, the first main body memory cell capacitor is in the state of point E, and the second main body memory cell capacitor is in the state of point B.
[0022]
4 and 5 are also the same as FIG. 3, Vr4 and Vr5 are data read potential differences of memory cells, A, B, D, E, M4, N4, O4, P4, Q4, M5, N5, O5, P5, Q5. Is a point in the diagram showing data reading of the memory cell. The capacity of the main body memory cell capacitor is the largest in the case of FIG. 3, the next largest in the case of FIG. 4, and the smallest in the case of FIG.
[0023]
Here, in the case of FIG. 3, a method of reading data from the main body memory cell capacitors Cs00 and Cs00B will be described. First, in order to read data of the main body memory cell, as an initial state, the bit lines BL0, / BL0, the word lines WL0 to WL7, the cell plate electrodes CP0 to CP7, and the sense amplifier control signal SAE100 are set to the logic voltage “L”. The bit line precharge control signal EQ101 is set to a logic voltage “H”. Thereafter, when the bit line precharge control signal EQ101 is set to the logic voltage “L”, the bit lines BL0 and / BL0 are in a floating state. Next, the word line WL0 and the cell plate electrode CP0 are set to the logic voltage “H”. At this time, an electric field is applied to the main body memory cell capacitors Cs00 and Cs00B. In this way, data is read from the main body memory cell to the bit lines BL0 and / BL0. The potential difference read to the bit line at this time will be described with reference to FIG. The lines l1 and l2 have a slope depending on the parasitic capacitance values of the bit lines BL0 and / BL0. The absolute value of the slope decreases as the capacitance value decreases. When the read data is “1”, the data is read from the main body memory cell capacitor Cs00 to the bit line BL0, and the state from the point B in FIG. 3 changes to the point O3. A point O3 is when a logic voltage “H” is applied to the hysteresis curve of the ferroelectric memory cell capacitor from the point B to the point D and the word line WL0 and the cell plate electrode CP0 when an electric field is applied to the memory cell capacitor. This is an intersection with the line l1 passing through the point M3 moved in the horizontal axis direction from the point B by the amount of the generated electric field. Similarly, data is read from the main body memory cell capacitor Cs00B to the bit line / BL0, and the state from the point E to the state of the point P3 is changed. Point P3 corresponds to a hysteresis curve from point E to point D when an electric field is applied to the memory cell capacitor, and point E corresponding to the electric field generated when word line WL0 and cell plate electrode CP0 are set to logic voltage "H". Is an intersection with a line l2 passing through a point N3 moved in the horizontal axis direction. Here, the potential difference read between the bit lines BL0 and / BL0 is Vr3, which is the electric field difference between the points O3 and P3. Similarly, when the data to be read is “0”, the potential difference to be read is Vr3 only by the state of / BL0 being the same as that of the bit line BL0 being reversed. Next, when the sense amplifier control signal SAE100 is set to the logic voltage “H”, the data read to the bit lines BL0 and / BL0 is amplified and read by the sense amplifier SA0. When amplified by the sense amplifier SA0, the state of the bit line BL0 changes from the point O3 to the point Q3, and the state of the bit line / BL0 changes from the point P3 to the point D. Next, the cell plate electrode CP0 is set to the logic voltage “L” as a data rewrite state. At this time, the state of the bit line BL0 is changed from the point Q3 to the point A, and the state of the bit line / BL0 is changed from the point D to the point E. Thereafter, the word line WL0 and the sense amplifier control signal SAE100 are set to the logic voltage “L”. Thereafter, the bit line precharge control signal EQ101 is set to the logic voltage “H”, and the bit lines BL0 and / BL0 are set to the logic voltage “L” to set the initial state. In this operation, the potential difference Vr3 read to the bit lines BL0 and / BL0 must be a potential difference that can be accurately amplified by the sense amplifier SA0. The main body memory cell capacitor capacitance value (curve ABDEA) is determined so as to satisfy this. By determining the capacitance value of the main body memory cell capacitor so that the potential difference Vr3 is as large as possible, more accurate and faster amplification by the sense amplifier is possible.
[0024]
3 to 5, the data read potential difference of the memory cells Vr3 to Vr5 is large in Vr4, and Vr3 and Vr5 are smaller than Vr4. FIG. 6 shows the relationship between the main body memory cell capacitor capacitance value Cs and the potential difference Vr read between the bit lines BL0 and / BL0. As can be seen from FIG. 6, the potential difference Vr is represented by a curve having a maximum value with respect to the main body memory cell capacitor capacitance value Cs. In FIG. 6, Vrm indicates a minimum readable potential difference value that can be accurately amplified by the sense amplifier. Of the intersections of Vrm and the curve in the figure, the smaller main body memory cell capacitor capacitance value is Csl, and the larger main memory cell capacitor capacitance value is Csh. From this figure, the value Cs of the main body memory cell capacitor capacity needs to be between Csl and Csh. If the value Cs of the main body memory cell capacitor capacitance is between Csl and Csh, the use of a smaller value results in less deterioration of the ferroelectric film constituting the main body memory cell capacitor. In addition, the area of the main body memory cell capacitor is reduced, and high integration is achieved.
[0025]
7 shows a circuit configuration diagram of FIG. 7, an operation timing diagram of FIG. 8, a hysteresis characteristic of a ferroelectric substance of a memory cell capacitor and a memory in a second embodiment showing a method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device of the present invention. This will be described with reference to the drawing showing cell data reading.
[0026]
In the first embodiment, one memory cell is composed of two memory cell capacitors and two MOS transistors, whereas in the second embodiment, one memory cell is one memory cell capacitor. The difference is that it is composed of one MOS transistor.
[0027]
First, the circuit configuration shown in FIG. 7 will be described. WL0 to WL3 are word lines, DWL0 and DWL1 are dummy word lines, BL0, / BL0, BL1, and / BL1 are bit lines, CP0 and CP1 are cell plate electrodes, DCP0 and DCP1 are dummy cell plate electrodes, and EQ11 is a bit line equalize and Precharge control signals, SAE0 and SAE1 are sense amplifier control signals, VSS is a ground voltage, SA0 and SA1 are sense amplifiers, Cs1 to Cs8 are main body memory cell ferroelectric capacitors, Cd1 to Cd4 are dummy memory cell ferroelectric capacitors, Qn is an N-channel MOS transistor. The main body memory cell is composed of main body memory cell ferroelectric capacitors Cs1 to Cs8 and N-channel MOS transistors Qn having word lines WL0 to WL3 connected to the gates. The first electrodes of the main body memory cell ferroelectric capacitors Cs1 to Cs8 are connected to the source of the N-channel MOS transistor Qn, and the second electrodes of the main body memory cell ferroelectric capacitors Cs1 to Cs8 are the cell plate electrodes CP0 and CP1. It is connected to the. The drains of the N-channel MOS transistors Qn constituting the main body memory cell are connected to bit lines BL0, / BL0, BL1, / BL1. Similarly, the dummy memory cell is composed of dummy memory cell ferroelectric capacitors Cd1 to Cd4 and an N-channel MOS transistor Qn having dummy word lines DWL0 and DWL1 connected to the gate. The first electrodes of the dummy memory cell ferroelectric capacitors Cd1 to Cd4 are connected to the source of the N-channel MOS transistor Qn, and the second electrodes of the dummy memory cell ferroelectric capacitors Cd1 to Cd4 are the dummy cell plate electrode DCP0. , DCP1. Further, the drains of the N channel type MOS transistors Qn constituting the dummy memory cells are connected to the bit lines BL0, / BL0, BL1, / BL1. The bit lines BL0, / BL0 and BL1, / BL1 are connected to sense amplifiers SA0 and SA1, respectively. The sense amplifiers SA0 and SA1 are controlled by sense amplifier control signals SAE0 and SAE1, respectively, and operate when the sense amplifier control signals SAE0 and SAE1 are all at the logic voltage “H”. Bit lines BL0, / BL0 and BL1, / BL1 are connected via an N channel type MOS transistor Qn whose gate is a bit line equalize and precharge control signal EQ11. Each of bit lines BL0, / BL0, BL1, / BL1 is connected to ground voltage VSS via an N-channel MOS transistor Qn whose gate is a bit line equalize and precharge control signal EQ11.
[0028]
Next, in FIG. 8 and FIG. 9, in order to read data of the main body memory cell, word lines WL0 to WL3, dummy word lines DWL0 and DWL1, cell plate electrodes CP0 and CP1, dummy cell plate electrodes DCP0 and DCP1 are set as initial states. The sense amplifier control signals SAE0 and SAE1 are set to the logic voltage “L”, the bit line equalization and precharge control signal EQ11 is set to the logic voltage “H”, and the bit line is set to the logic voltage “L”. Thereafter, the bit line equalization and precharge control signal EQ11 is set to the logic voltage “L”, and the bit line is set in a floating state. Next, when all of the word line WL1, the dummy word line DWL1, the cell plate electrode CP0, and the dummy cell plate electrode DCP0 are set to the logic voltage “H” in order to read the data of the main body memory cell capacitor Cs2, the dummy is applied to the bit line BL0. Data in the memory cell is read out, and data in the main body memory cell is read out to the bit line / BL0. At this time, when the data in the main body memory cell is “1”, the state from the point B in FIG. When the data in the main body memory cell is “0”, the state from the point E changes to the state of the point P9, and the dummy memory cell changes from the state of the point T9 to the state of the point S9. Thereafter, when the sense amplifier SA0 is operated by setting the sense amplifier control signal SAE0 to the logic voltage “H”, the data read to the bit lines BL0 and / BL0 is amplified. If the data of the main body memory cell is “1” in the state where the sense amplifier is operated and the data is amplified, the main body memory cell is changed from the state of point O9 to the state of point Q9, and the dummy memory cell is in the state of point S9. To point D. At this time, if the data in the main body memory cell is “0”, the main body memory cell changes from the state of the point P9 to the state of the point D, and the dummy memory cell changes from the state of the point S9 to the state of the point T9.
[0029]
Next, the cell plate electrode CP0 is set to the logic voltage “L”. At this time, if the data of the main body memory cell is “1”, the main body memory cell maintains the state of the point A from the state of the point Q9, and the dummy memory cell maintains the state of the point D. If the data of the main body memory cell is “0”, the main body memory cell maintains the state of the point D from the state of the point D, and the dummy memory cell maintains the state of the point T9. The word line WL1 and the dummy word line DWL1 are set to the logic voltage “L”. At this time, if the data in the main memory cell is “1”, the main memory cell is changed from the state of point A to a state between point A and point B, and the dummy memory cell is changed from the state of point D to point D and point T9. It becomes a state between. Thereafter, the dummy memory cell is brought to a state at point T9. If the data in the main memory cell is “0”, the main memory cell maintains the state of point E, and the dummy memory cell maintains the point T9. Next, the dummy cell plate electrode DCP0 is set to the logic voltage “L”, the sense amplifier control signal SAE0 is set to the logic voltage “L”, the bit line equalization and precharge control signal EQ11 is set to the logic voltage “H”, and the bit line is set to the logic voltage “L”.
[0030]
In the second embodiment, the read potential difference Vr9 between the data “1” and the data “0” of the main body memory cell is accurately detected by the sense amplifier on the lines l1, l2, and l3 having the gradient of the parasitic capacitance value of the bit line. The main body memory cell capacitor capacitance value is determined so as to be at least twice the potential difference that can be amplified. Next, in order to determine the capacitance value of the dummy memory cell, the logic voltage between the line indicating the capacitance of the dummy memory cell, that is, the line passing through the points D, S9, and T9, the word line WL0, and the cell plate electrode CP0 is set to “H”. The point of intersection with a line l3 (a line translated from lines l1 and l2) passing through a point R9 moved in the horizontal axis direction from the point T9 by the amount of the electric field generated immediately after “is defined as a point S9. At this time, the potential difference between the point S9 and the point P9 is Vl9, and the potential difference between the point S9 and the point O9 is Vh9 so that Vl9 and Vh9 are potential differences that can be accurately amplified by the sense amplifier. Ideally, Vl9 = Vh9 = Vr9 / 2. By determining the main body memory cell capacitor capacity and the dummy memory cell capacitor capacity in this manner, accurate and high-speed amplification can be performed by the sense amplifier. Here, a ferroelectric film is used for the dummy memory cell capacitor, but a normal capacitor may be used.
[0031]
A third embodiment of the semiconductor memory device of the present invention will be described with reference to the circuit configuration diagram of FIG. 10 and the operation timing diagram of FIG.
[0032]
First, the circuit configuration diagram of FIG. 10 will be described. This circuit has a configuration in which a capacitor is connected to a bit line via a MOS transistor having a switching function with respect to the circuit of the third embodiment. WL0 to WL3 are word lines, DWL0 and DWL1 are dummy word lines, BL0, / BL0, BL1, and / BL1 are bit lines, CP0 and CP1 are cell plate electrodes, DCP0 and DCP1 are dummy cell plate electrodes, and EQ11 is a bit line equalize and Precharge control signal, S100 and S101 are control signals, V10 is a signal, SAE0 and SAE1 are sense amplifier control signals, VSS is a ground voltage, SA0 and SA1 are sense amplifiers, Cs1 to Cs8 are main body memory cell ferroelectric capacitors, Cd1 Cd4 are dummy memory cell ferroelectric capacitors, Cb1 to Cb4 are bit line capacitance adjusting capacitors, and Qn is an N-channel MOS transistor. The main body memory cell is composed of main body memory cell ferroelectric capacitors Cs1 to Cs8 and N-channel MOS transistors Qn having word lines WL0 to WL3 connected to the gates. The first electrodes of the main body memory cell ferroelectric capacitors Cs1 to Cs8 are connected to the source of the N channel type MOS transistor Qn, and the second electrodes of the main body memory cell ferroelectric capacitors Cs1 to Cs8 are the cell plate electrodes CP0 and CP1. It is connected to the. The drains of the N-channel MOS transistors Qn constituting the main body memory cell are connected to bit lines BL0, / BL0, BL1, / BL1. Similarly, the dummy memory cell is composed of dummy memory cell ferroelectric capacitors Cd1 to Cd4 and an N-channel MOS transistor Qn having dummy word lines DWL0 and DWL1 connected to the gate. The first electrodes of the dummy memory cell ferroelectric capacitors Cd1 to Cd4 are connected to the source of the N-channel MOS transistor Qn, and the second electrodes of the dummy memory cell ferroelectric capacitors Cd1 to Cd4 are the dummy cell plate electrode DCP0. , DCP1. The drains of the N channel type MOS transistors Qn constituting the dummy memory cells are connected to the bit lines BL0, / BL0, BL1, / BL1. The bit lines BL0, / BL0 and BL1, / BL1 are connected to sense amplifiers SA0 and SA1, respectively. The sense amplifiers SA0 and SA1 are controlled by sense amplifier control signals SAE0 and SAE1, respectively, and operate when the sense amplifier control signals SAE0 and SAE1 are all at the logic voltage “H”. Bit lines BL0, / BL0 and BL1, / BL1 are connected via an N channel type MOS transistor Qn whose gate is a bit line equalize and precharge control signal EQ11. Each of the bit lines BL0, / BL0, BL1, / BL1 has a gate connected to the ground voltage VSS via an N-channel MOS transistor Qn which is a bit line equalize and precharge control signal EQ11. Capacitors Cb1, Cb2, Cb3, Cb4 are connected to the bit lines BL0, / BL0, BL1, / BL1 via N-channel MOS transistors Qn whose gates are signals S101, S100, S101, S100, respectively. Plate electrodes of Cb1, Cb2, Cb3, and Cb4 are connected to the signal V10. The potential of the signal V10 is appropriate depending on whether the capacitors Cb1 to Cb4 are ordinary capacitors or capacitors using a ferroelectric film, or in the case of a ferroelectric capacitor (how much curve portion of the hysteresis curve is used). Set the potential.
[0033]
Next, in order to read data of the main body memory cell, word lines WL0 to WL3, dummy word lines DWL0 and DWL1, cell plate electrodes CP0 and CP1, dummy cell plate electrodes DCP0 and DCP1, sense amplifier control signal SAE0, SAE 1 and control signals S100 and S101 are set to logic voltage “L”, bit line equalization and precharge control signal EQ11 is set to logic voltage “H”, and the bit line is set to logic voltage “L”. Thereafter, the bit line equalization and precharge control signal EQ11 is set to the logic voltage “L”, and the bit line is set in a floating state. Next, in order to read data from the main body memory cell capacitor Cs2, the word line WL1, the dummy word line DWL1, the cell plate electrode CP0, the dummy cell plate electrode DCP0, and the control signal S101 are all set to the logic voltage “H”. Data of the dummy memory cell is read to BL0, and data of the main body memory cell is read to the bit line / BL0. Here, the bit line capacity adjustment capacitor is added to the bit line from which the data of the dummy memory cell is read to increase the capacity, and the dummy memory cell has the same size as the main body memory cell capacitor. This is because an appropriate reference voltage is obtained when data “1” is read from the memory cell. The bit line capacitance adjusting capacitor may be a ferroelectric film or a normal capacitor.
[0034]
A fourth embodiment of the semiconductor memory device of the present invention will be described with reference to the circuit configuration diagram of FIG. 10 and the operation timing diagram of FIG.
[0035]
First, the circuit configuration diagram of FIG. 10 is the same as that of the third embodiment.
[0036]
Next, in order to read data of the main body memory cell, word lines WL0 to WL3, dummy word lines DWL0 and DWL1, cell plate electrodes CP0 and CP1, dummy cell plate electrodes DCP0 and DCP1, sense amplifier control signal SAE0, SAE1 is set to the logic voltage “L”, the bit line equalization / precharge control signal EQ11 and the control signals S100 and S101 are set to the logic voltage “H”, and the bit line is set to the logic voltage “L”. Thereafter, the bit line equalization and precharge control signal EQ11 is set to the logic voltage “L”, and the bit line is set in a floating state. Next, in order to read data from the main body memory cell capacitor Cs2, all of the word line WL1, the dummy word line DWL1, the cell plate electrode CP0, and the dummy cell plate electrode DCP0 are set to the logic voltage “H”, and the control signal S101 is set to the logic voltage “L”. Then, the data of the dummy memory cell is read to the bit line BL0, and the data of the main body memory cell is read to the bit line / BL0. Here, the bit line capacity adjustment capacity of the bit line from which the data of the dummy memory cell is read out is electrically cut to reduce the capacity, so that the dummy memory cell is the same as the main body memory cell capacitor. Is used to obtain an appropriate reference voltage when data is read from data “0” of the memory cell. The bit line capacitance adjusting capacitor may be a ferroelectric film or a normal capacitor.
[0037]
【The invention's effect】
According to the semiconductor memory device using the ferroelectric film for the memory cell capacitor and the capacitance value determining method thereof according to the present invention, the optimum capacitance value of the memory cell ferroelectric capacitor is set according to the parasitic capacitance value of the bit line. As a result, the data read potential difference of the memory cell can be increased, and a semiconductor memory device free from malfunction during reading can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a first embodiment showing a method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device of the present invention;
FIG. 2 is a diagram showing the operation timing of the first embodiment showing the capacitance value determining method of the semiconductor memory device of the present invention;
FIG. 3 shows a ferroelectric hysteresis characteristic and memory cell data reading of a memory cell capacitor having a first capacitance value in the first embodiment showing a method for determining the capacitance value of the semiconductor memory device of the present invention; Figure
4 shows a ferroelectric hysteresis characteristic of a memory cell capacitor having a second capacitance value and data reading of the memory cell in the first embodiment showing the capacitance value determining method of the semiconductor memory device of the present invention. FIG. Figure
FIG. 5 shows a ferroelectric hysteresis characteristic of a memory cell capacitor having a third capacitance value and data reading of the memory cell in the first embodiment showing a method for determining the capacitance value of the semiconductor memory device of the present invention; Figure
FIG. 6 is a relationship diagram between a capacitance value of a memory cell capacitor and a data read potential difference in the first embodiment showing a method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration of a second embodiment showing a method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 8 is a diagram showing the operation timing of the second embodiment showing the method for determining the capacitance value of the semiconductor memory device of the present invention;
FIG. 9 is a diagram showing hysteresis characteristics of a ferroelectric memory cell capacitor and data reading of the memory cell in the second embodiment showing the capacitance value determining method of the semiconductor memory device of the present invention;
FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration of third and fourth embodiments showing a semiconductor memory device of the present invention;
FIG. 11 is a diagram showing the operation timing of the third embodiment showing the semiconductor memory device of the present invention;
FIG. 12 is a diagram showing the operation timing of the fourth embodiment showing the semiconductor memory device of the present invention;
FIG. 13 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional semiconductor memory device.
FIG. 14 is a diagram showing a sense amplifier portion of a circuit configuration of a conventional semiconductor memory device.
FIG. 15 is a diagram showing the operation timing of a conventional semiconductor memory device.
FIG. 16 is a diagram showing hysteresis characteristics of a ferroelectric memory cell capacitor and data reading of a memory cell in a conventional semiconductor memory device.
[Explanation of symbols]
l1-l3 lines
80a-80d memory cell
81a to 81d memory cell transistor
82 Word line (WORD)
83a to 83d memory cell capacitors
84 Word line (WORD)
86,88 bit line
90 sense amplifier
92,94 bit lines
96 sense amplifier
98,100 Cell plate electrode (PLATE)
102, 104, 106, 108 Bit line precharging transistors
110, 112 P-channel MOS transistor
114, 116 signal nodes
118,120 N-channel MOS transistor
BL0, / BL0, BL1, / BL1 bit lines
Cb1 to Cb4 Bit line capacitance adjustment capacitors
S100, S101, V10 control signal
Csh, Csl Main body memory cell capacity value
Cd1 to Cd4 dummy memory cell capacitors
CP0 to CP7 Cell plate electrode
Cs00 to Cs17, Cs00B to Cs17B, Cs1 to Cs8 Main body memory cell capacitor
DCP0, DCP1 Dummy cell plate electrode
DWL0, DWL1 Dummy word line
EQ11, EQ101 Bit line equalization and precharge control signal
Qn N-channel MOS transistor
SA0, SA1 sense amplifier
SAE100, SAE101 Sense amplifier control signal
Vl9, Vh9, Vr3 to Vr5, Vr16 Potential difference
Vrm Minimum potential difference value that can be read
VSS Ground voltage
WL0 to WL7 Word line
φPRECHARGE Bit line precharge control signal
φSENSE Sense amplifier control signal

Claims (4)

増幅器に第1のビット線と前記第1のビット線と対になった第2のビット線が接続され、第1のMOSトランジスタに第1のワード線と第1の強誘電体キャパシタと前記第1のビット線とが接続され、前記第1の強誘電体キャパシタが第1のプレート電極に接続され、第2のMOSトランジスタ第2のワード線と第1のキャパシタと前記第2のビット線と接続され、前記第1のキャパシタが第2のプレート電極に接続された半導体メモリ装置において、
前記第1の強誘電体キャパシタから論理電圧"H"のデータを前記第1のビット線へ読み出す時の第1のビット線電位と、前記第1の強誘電体キャパシタから論理電圧"L"のデータを前記第1のビット線へ読み出す時の第2のビット線電位との電位差は、前記第1の強誘電体キャパシタの容量値に対して最大値をもつ特性で表され、
前記第1のビット線電位と前記第2のビット線電位との電位差と、前記第1の強誘電体キャパシタの容量値との関係曲線を求め、
前記第1のビット線電位と前記第2のビット線電位との電位差が、前記増幅器によって正確に増幅できる電位差の2倍以上の値になる前記関係曲線の範囲に、前記第1の強誘電体キャパシタの容量値を決定し、
前記第1のキャパシタからのデータを前記第2のビット線へ読み出す時の第3のビット線電位が、前記第1のビット線電位と前記第2のビット線電位との中間の電位で、かつ前記第1のビット線電位と前記第3のビット線電位との電位差および前記第2のビット線電位と前記第3のビット線電位との電位差が、ともに前記増幅器によって正確に増幅できる電位差以上になるように前記第1のキャパシタの容量値を決定することを特徴とする半導体メモリ装置の容量値決定方法。
A first bit line and a second bit line paired with the first bit line are connected to the amplifier, and a first word line, a first ferroelectric capacitor, and the first MOS transistor are connected to the first MOS line. 1 bit line is connected, the first ferroelectric capacitor is connected to the first plate electrode , the second word line, the first capacitor, and the second bit line are connected to the second MOS transistor. : it is connected, the semiconductor memory device in which the first capacitor is connected to a second plate electrode,
The first bit line potential when the data of the logic voltage “H” is read from the first ferroelectric capacitor to the first bit line, and the logic voltage “L” from the first ferroelectric capacitor. The potential difference from the second bit line potential when reading data to the first bit line is represented by a characteristic having a maximum value with respect to the capacitance value of the first ferroelectric capacitor,
Obtaining a relationship curve between a potential difference between the first bit line potential and the second bit line potential and a capacitance value of the first ferroelectric capacitor;
In the range of the relational curve, the potential difference between the first bit line potential and the second bit line potential is more than twice the potential difference that can be accurately amplified by the amplifier. Determine the capacitance value of the capacitor,
A third bit line potential when reading data from the first capacitor to the second bit line is an intermediate potential between the first bit line potential and the second bit line potential; The potential difference between the first bit line potential and the third bit line potential and the potential difference between the second bit line potential and the third bit line potential are both greater than the potential difference that can be accurately amplified by the amplifier. A method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device, wherein the capacitance value of the first capacitor is determined as follows.
増幅器に第1のビット線と前記第1のビット線と対になった第2のビット線が接続され、第1のMOSトランジスタに第1のワード線と第1の強誘電体キャパシタと前記第1のビット線とが接続され、前記第1の強誘電体キャパシタが第1のプレート電極に接続され、第2のMOSトランジスタ第2のワード線と第1のキャパシタと前記第2のビット線と接続され、前記第1のキャパシタが第2のプレート電極に接続された半導体メモリ装置において、
前記第1のキャパシタのデータの読み出しは分極反転を伴わない動作であり、
前記第1の強誘電体キャパシタから論理電圧"H"のデータを前記第1のビット線へ読み出す時の第1のビット線電位と、前記第1の強誘電体キャパシタから論理電圧"L"のデータを前記第1のビット線へ読み出す時の第2のビット線電位との電位差は、前記第1の強誘電体キャパシタの容量値に対して最大値をもつ特性で表され、
前記第1のビット線電位と前記第2のビット線電位との電位差と、前記第1の強誘電体キャパシタの容量値との関係曲線を求め、
前記第1のビット線電位と前記第2のビット線電位との電位差が、前記増幅器によって正確に増幅できる電位差の2倍以上の値になる前記関係曲線の範囲に、前記第1の強誘電体キャパシタの容量値を決定し、
前記第1のキャパシタからのデータを前記第2のビット線へ読み出す時の第3のビット線電位が、前記第1のビット線電位と前記第2のビット線電位との中間の電位で、かつ前記第1のビット線電位と前記第3のビット線電位との電位差および前記第2のビット線電位と前記第3のビット線電位との電位差が、ともに前記増幅器によって正確に増幅できる電位差以上になるように前記第1のキャパシタの容量値を決定することを特徴とする半導体メモリ装置の容量値決定方法。
A first bit line and a second bit line paired with the first bit line are connected to the amplifier, and a first word line, a first ferroelectric capacitor, and the first MOS transistor are connected to the first MOS line. 1 bit line is connected, the first ferroelectric capacitor is connected to the first plate electrode , the second word line, the first capacitor, and the second bit line are connected to the second MOS transistor. : it is connected, the semiconductor memory device in which the first capacitor is connected to a second plate electrode,
Reading data from the first capacitor is an operation without polarization inversion,
The first bit line potential when the data of the logic voltage “H” is read from the first ferroelectric capacitor to the first bit line, and the logic voltage “L” from the first ferroelectric capacitor. The potential difference from the second bit line potential when reading data to the first bit line is represented by a characteristic having a maximum value with respect to the capacitance value of the first ferroelectric capacitor,
Obtaining a relationship curve between a potential difference between the first bit line potential and the second bit line potential and a capacitance value of the first ferroelectric capacitor;
In the range of the relational curve, the potential difference between the first bit line potential and the second bit line potential is more than twice the potential difference that can be accurately amplified by the amplifier. Determine the capacitance value of the capacitor,
A third bit line potential when reading data from the first capacitor to the second bit line is an intermediate potential between the first bit line potential and the second bit line potential; The potential difference between the first bit line potential and the third bit line potential and the potential difference between the second bit line potential and the third bit line potential are both greater than the potential difference that can be accurately amplified by the amplifier. A method for determining a capacitance value of a semiconductor memory device, wherein the capacitance value of the first capacitor is determined as follows.
前記第1のキャパシタが、強誘電体キャパシタであることを特徴とする請求項1または2の何れか1つに記載の半導体メモリ装置の容量値決定方法。3. The method of determining a capacitance value of a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first capacitor is a ferroelectric capacitor. 4. 前記第1のキャパシタが、前記第1の強誘電体キャパシタと同程度の形状である強誘電体キャパシタであることを特徴とする請求項1または2の何れか1つに記載の半導体メモリ装置の容量値決定方法。 Said first capacitor, a semiconductor memory device according to any one of claims 1 or 2, characterized in that said first ferroelectric capacitor and the ferroelectric capacitor is comparable in shape Capacity value determination method.
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