JP3848772B2 - 強誘電体ランダムアクセスメモリ装置及びメモリセルのデータ書込/読出方法 - Google Patents
強誘電体ランダムアクセスメモリ装置及びメモリセルのデータ書込/読出方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体メモリ装置(semiconductor memory device)及びその動作方法に関するものであり、より具体的には強誘電体メモリセル(ferroelectric memory cells)を持つ強誘電体RAM(random access memory)装置及びその動作方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
今までのメモリシステム設計は、DRAM(dynamic RAM)、SRAM(static RAM)、フラッシュメモリ(flash memory)等のような半導体メモリ装置と磁気ディスク(magnetic disc)のようなメモリ装置とを組み合わせて遂行された。言い換えれば、今までは、単一メモリを使用してあるシステム(例えば、パーソナルコンピューターシステム)の全てのメモリ空間を支援することは非常に困難であった。
【0003】
特に、半導体メモリ分野では高密度(high density)、高速書込/読出、アクセス時間(access time)、低消費電力(low power consumption)を満足させる装置の開発が従来から要請されてきたが、従来の製品の延長線上では必ず何かの制約が存在した。
【0004】
従来の問題点を根本的に解決する可能性を持つ半導体メモリ技術が強誘電体メモリ技術であり、例えば文献("A New Memory Technology Is About to Hit The Market", Electronics, pp. 32, Feb. 4, 1988.: "An Experimental 512-bit Nonvolatile Memory with Ferroelectric Strong Cell", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, No. 5, pp.1171〜1175, Oct, 1988.) にその詳細が示されている。
【0005】
周知のように、強誘電物質(ferroelectric material)は自発分極特性(spontaneous polarization characterristic)を持っている。自発分極の方向は電界(electric field)の方向により制御される。代表的な強誘電物質として、ABO3 型ペロブスカイト結晶を挙げることができる。例えば、PbZrO3 分子の場合、その中央に位置する金属原子、すなわち、ジルコニウム(Zr)は印加された電界の方向により2つの安定点を持ち、変位した後に電界を除去しても、安定点に位置するようになる。その結果、強誘電物質の電界と分極度(degree of polarization)とはヒステリシス(hysterisis)特性を示す。
【0006】
このような強誘電物質のヒステリシス特性を利用した半導体メモリ装置の1つが強誘電体RAM(以下、‘FRAM’という)装置である。FRAM装置は双安定点の分極度を2値データに対応させるので、非揮発性貯蔵特性を持ち、ナノセコンド以下の非常に早い分極反転速度を利用して高速書込及び読出を行う。
【0007】
図1には典型的なFRAMのメモリセルが図示されている。図1を参照すると、FRAMのメモリセルは、DRAMのメモリセルと同じように、1トランジスタ/1キャパシタのセル構造を持つ。このように、強誘電体メモリセルは1つの電荷伝達トランジスタ(charge transfer transistor)(TF )と強誘電体キャパシタ(CF )とだけを具備するので、大容量化が可能である。FRAMのメモリセルで、キャパシタ(CF )の2つの電極の間には強誘電物質が挿入されている。強誘電体キャパシタ(CF )の2つの電極の間には強誘電物質が挿入されている。強誘電体キャパシタ(CF )の1つの電極、すなわち、プレート電極の電位は通常はビットラインの論理的“1”及び“0”レベルに対応する電位の間の中間レベルに設定される。電荷伝達トランジスタ(TF )のソース・ドレインは強誘電体キャパシタ(CF )の他の電極とビットライン(BL)との間に接続される。伝達トランジスタ(TF )のゲートはワードライン(WL)に接続される。
【0008】
マイクロコントローラ(microcontroller)あるいはASIC(applicationーspecific integrated circuit)等にオンーチップ(on−chip)の非揮発性メモリを集積することはシステム設計者の希望中、非常に大きな部分を占める。EEPROM(electrically erasable and programmableread only memory)やフラッシュメモリ製造工程はマイクロコントローラやASICのそれと差が大きいし、DRAMやSRAMを利用すると、バッファを必要とするなどの難しい点が多い。しかし、図1に示されたように、FRAMのトランジスタは一般的なCMOS工程で製造されるので、他のメモリに比べて集積化に有利である。
【0009】
図2は従来の強誘電体キャパシタのヒステリシスI−Vスイッチングループを示すグラフである。グラフの横軸(abscissa)はキャパシタの2つの電極の間の電位差、すなわち、キャパシタ両端の電圧(Volts)を示し、縦軸(ordinate)は強誘電物質の自発分極によりその表面に誘起される電荷の量、すなわち、分極度Q(μC/cm2 )を示す。
【0010】
0Vの電圧が印加され、即ち、強誘電物質に何の電界も印加されないと、大抵、分極ドメイン(domains of polarization)は不均一であり、分極が発生しない。電圧が正の方向(positive direction)に増加する時、分極度(すなわち、電荷量)は0(zero)から電荷分極領域(positive charge polarization domain)内の点Aまで増加する。点Aで、全てのドメインは一方の方向に分極され、点Aでの分極度は最大値に至るようになる。この時分極度、すなわち、強誘電物質が保有する電荷の量はQsで表示され、印加された電圧の大きさが動作電圧(Vcc)である。以後、電圧が再び0Vまで減少しても、分極度は0まで低くはならず、点Bに残るようになる。このような、残留分極により強誘電物質が保有する電荷の量、すなわち、残留分極度はQrで表示される。次に電圧が負の方向(negative direction)に増加すると、分極度は点Bから負の電荷分極領域(negative charge polarization domais)内の点Cに変化する(図2で曲線21)。点Cで、強誘電物質の全てのドメインが点Aからの分極方向と反対になる方向に分極される。この時、分極度はーQsで表示され、印加された電圧の大きさは−Vccである。以後、電圧が再び0Vまで減少しても、分極値は0まで低くはならず、点Dに残留するようになる。この時の残留分極度は−Qrで表示される。印加される電圧の大きさがもう一度正の方向に増加するようになると、強誘電物質の分極度は点Dから点Aに変化する。
【0011】
前記したように、電界を発生するための電圧が2つの電極の間に強誘電物質が挿入された強誘電体キャパシタに1度印加されると、その後、電極がフローティング状態(floating state)に設定されても、自発分極による分極方向が維持される。自発分極による強誘電物質の表面電荷(surface charge)は漏れ(leakage)等により自然には失なわれず、分極度が0になるように反対方向に電圧が印加されない限り、分極方向はそのまま維持される。
【0012】
FRAMの読出/書込は記述したような分極反転(polarizationreversion)により遂行される。従って、FRAMの動作速度は分極反転時間により決定される。強誘電体キャパシタの分極反転速度はキャパシタの面積、強誘電体薄膜の厚さ、印加電圧等により決定されるが、通常ns単位である。これは、μs単位の読出/書込時間を持つEEPROMやフラッシュメモリと比較する時、もっと早い速度で動作が可能であることを意味する。
【0013】
次に、FRAMの書込及び読出動作について詳細に説明する。従来のFRAM記述では、強誘電体キャパシタのヒステリシスループの点Bと点Dとに2値データを対応させる。具体的には、点Bに論理的‘1’のデータを対応させ、点Dに論理的‘0’のデータを対応させる。
【0014】
再び、図1を参照すると、FRAM装置の書込及び読出動作の始めに、セルに貯蔵されたデータの感知(sensing)が遂行される。この区間には、まず、選択されたビットライン(BL)には0Vの電圧(あるいは接地電位Vss)が印加される。続いて、選択されたワードライン(WL)により電荷伝達トランジスタ(TF )が‘オン’され、ビットライン(BL)上の0Vの電圧が強誘電体キャパシタ(CF )の1つの電極に印加され、キャパシタ(CF )の他の電極には所定のパルス幅を持つVccレベルのパルスが印加される。この時、キャパシタ(CF )に論理的‘1’のデータが貯蔵されていると、キャパシタ(CF )の分極度は点Bが点Cを通じて点Dに変わる。この場合、キャパシタ(CF )からビットライン(BL)にdQほどの電荷が伝達され、ビットライン(BL)の電圧が上昇する。一方、キャパシタ(CF )に論理的‘0’のデータが貯蔵されていると、キャパシタ(CF )の分極度は点Dにあり、点Cに変わった後、再び点Dに回帰する。このような場合には、ビットライン(BL)の電圧が変化しない。次に周知の感知回路(図示されていない)によりビットライン(BL)の電圧は所定の基準電圧(REF)と比較される。この時、ビットライン(BL)の電圧が基準電圧(REF)より高いと、感知回路により、ビットライン(BL)の電圧は動作電圧レベル(すなわち、Vccレベル)まで上昇する。しかし、ビットライン(BL)の電圧が基準電圧(REF)より低いと、感知回路によりビットライン(BL)の電圧は再び0Vに降下する。
【0015】
上記のような、データ感知が完了した後、実質的なデータの書込及び読出が遂行される。まず、実質的なデータ書込が成立する区間では、データライン(図示されない)にVccレベルの電圧(論理的‘1’)あるいは0Vの電圧(論理的‘0’)が印加される。続いて、周知のカラムデコーダ(図示されない)によりデータライン上の電圧が対応するビットライン(BL)に伝達される。その後、所定の時間の後、強誘電体キャパシタ(CF )にパルスが印加される。この時、強誘電体キャパシタ(CF )の分極度が点Bあるいは点Dに移動することにより、セルには論理的‘1’あるいは論理的‘0’のデータが書込まれる。ここで、注意しなければならないことは、論理的‘1’のデータ(点BからのQrの分極度)を貯蔵しているセルに対して前記のような感知動作が1回遂行されると、すなわち、論理的‘1’のデータを貯蔵している強誘電体キャパシタ(CF )にパルスが1回印加されると、強誘電体キャパシタ(CF )のヒステリシス特性によりそこに貯蔵されたデータは論理的‘0’のデータ(点DからのーQrの分極度)に変更されてしまう。従って、書込動作が完了する前、非選択されたセルの強誘電体キャパシタ(CF )のデータ状態を元の状態に復帰させることが必要である。このような、データ復帰は通常‘再書込(rewrite or restore)’と呼ばれる。これのため、感知動作が遂行されたセルの強誘電体キャパシタ(CF )に再び所定のパルス幅を持つVccレベルのパルスをもう1回印加する。これで、非選択されたセルのキャパシタ(CF )の分極度は点Dの−Qr(論理的‘0’)から点BのQr(論理的‘1’)に復帰される。
【0016】
次に、実質的な読出ができる区間では、データ感知に従うビットライン(BL)上のデータが外部にそのまま出力される。この動作の間にも、論理的‘1’のデータ(Qr)を貯蔵しているセルに対して感知動作が1回遂行されると、強誘電体キャパシタ(CF )に貯蔵されたデータは論理的‘0’のデータ(−Qr)に変更しなければならない。従って、読出動作が完了される前に、感知動作が遂行された強誘電体キャパシタ(CF )に再び所定のパルス幅を持つVccレベルのパルスをもう1回印加する。これで、読出されたキャパシタの分極度(−Qr)は点Bの分極度(Qr)に復帰される。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来のFRAM技術では、1つの書込/読出サイクルの間に強誘電体キャパシタ分極の極性がいつも変わる‘ドメインスイッチング(domain switching)’が発生する。従って、書込/読出サイクルが反復される場合、強誘電物質の疲労(fatigue)により、強誘電物質の永久分極度が減少する。結局、これはFRAM装置の耐久性(endurance)が低くなる結果をもたらす。又、従来技術では、読出/書込の感知区間の間に感知されたセルデータが動作電圧(Vcc)に増幅されるので、ワードラインには動作電圧より高い電圧(パンピングされた電圧)が印加されなければならなかった。従って、別途昇圧回路が必要となり、電力消耗が多かった。
【0018】
本発明の目的は向上された耐久性を持つFRAM(ferroelectric random access memory)装置及びそれの動作方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は低電力消耗のFRAM装置を提供することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明の一つの特徴による半導体メモリ装置は、メモリセルのアレイと各メモリセルは二つの電極の間に挿入された強誘電物質を持つキャパシタとを具備し、強誘電物質の全てのドメインを所定の方向に完全に分極させる第1極性のパルス電圧をメモリセル中の選択されたキャパシタに印加する手段及び、キャパシタ各々の分極された強誘電物質の分極方向が反転されないようにさせる第2極性の電圧をキャパシタに印加する手段を含み、各強誘電体キャパシタの一つの電荷分極領域だけで2値データの書込/読出を遂行する。
【0020】
本発明の他の特徴によると、電流通路と制御端子とを持つスイッチング素子と、2つの電極と電極の間に挿入された強誘電物質を持つキャパシタとを具備し、スイッチング素子の電流通路はビットラインとキャパシタの2つの電極中の一方との間に電気的に接続され、スイッチ素子の制御端子はワードラインに電気的に接続されるメモリセルから2値データを書込/読出する方法は、ビットラインに所定のプリチャージ電圧を印加する段階と、メモリセルが選択される時、強誘電物質を所定の方向に完全に分極させる第1極性のパルス電圧をキャパシタに印加する段階と、強誘電物質の分極によりビットライン上の電圧とプリチャージ電圧より高い所定の基準電圧とを比べ、ビットライン上の変化した電圧が基準電圧より低い時、キャパシタに基準電圧より低い第2極性の所定の第1電圧を印加し、ビットライン上の変化した電圧が基準電圧より高い時、キャパシタにその極性を変更させることなく基準電圧よりは高い第2極性の所定の第2電圧を印加する段階及び、キャパシタに第1極性のパルス電圧を印加する段階を含む。
【0021】
本発明の他の特徴によると、半導体メモリ装置は複数のメモリセルと、各メモリセルは2つの電極の間に挿入された強誘電物質を持つキャパシタとを具備し、強誘電物質の全てのドメインを所定の方向に完全に分極させる第1極性の電圧をメモリセル中の選択されたキャパシタに印加する手段及び、キャパシタ各々の分極された強誘電物質の分極方向が反転されないようにする第2極性のパルス電圧をキャパシタに印加する手段を含み、各強誘電体キャパシタの1つの電荷分極領域だけで、2値データの書込/読出を遂行する。
【0022】
本発明の他の特徴によると、電流通路と制御端子とを持つスイッチング素子と、2つの電極と電極の間に挿入された強誘電物質を持つキャパシタとを具備し、スイッチ素子の電流通路はビットラインとキャパシタの2つの電極中の一方に電気的に接続され、スイッチ素子の制御端子はワードラインに電気的に接続されるメモリセルから2値データを書込/読出する方法は、キャパシタに第1極性の所定の第1電圧を印加してキャパシタを完全に分極させる段階と、キャパシタの分極により変化したビットライン上の電圧と所定の基準電圧とを比較し、ビットライン上の変化した電圧が基準電圧より低い時、キャパシタに基準電圧より低い第1極性の所定の第2電圧を印加し、ビットライン上の変化した電圧が基準電圧より高い時、キャパシタに基準電圧より高い第1極性の所定の第3電圧を印加する段階及び、キャパシタにその極性を変更させることなく基準電圧より低い第2極性のパルス電圧を印加する段階を含む。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明によるFRAM装置の実施の形態を詳細に説明する。
【0024】
第1の実施の形態
本発明による新規なFRAM装置では、強誘電体キャパシタの電荷分極の極性あるいは強誘電物質の分極方向が変更されない1つの電荷分極領域内だけで論理的‘1’及び‘0’のデータが貯蔵される。図3を参照すると、本実施の形態のFRAMはVccレベルのパルス信号を発生するパルス発生回路30とVkレベルの感知駆動信号を発生する回路50を具備している。図4に示すように、強誘電体キャパシタのヒステリシスグラフの負の電荷分極領域で、点B′及び点Dに2値データを対応させる。従って、本実施の形態のFRAMの書込/読出動作の間に、選択されたビットライン(BLj)から強誘電体キャパシタにはキャパシタの電荷分極の極性を変更しない電圧(Vk)が印加される。
【0025】
図5に示すように、本実施の形態のFRAMでは、メモリセルに貯蔵されたデータを認識するために、プレートラインを通じて強誘電体キャパシタに動作電圧(Vcc)レベルのパルス電圧を印加してキャパシタからビットライン(BLj)上へデータを伝達させた後、引続く感知区間(t1−t2)で、ビットラインがキャパシタの分極方向を反転されない範囲内の電圧レベル(Vk)まで降圧する。一方、書込動作の間、論理的‘1’のデータに該当するVccレベルの信号がビットライン(BLj)に印加されると、その信号はVkレベルの信号に変換された後、強誘電体キャパシタへ印加される。
【0026】
このように、本実施の形態によると、強誘電体キャパシタのヒステリシスグラフの負の電荷分極領域だけに2値データが貯蔵されるので、ドメインスイッチングが起こらない。従って、FRAM装置の耐久性が非常に増加する。又、本実施の形態のFRAMでは、ワードライン(WLi)にパンピングされた信号を提供する必要がなくなるので、装置の構成が簡単になり、電力消耗が減少する。
【0027】
また、図3に示されるように、本実施の形態のFRAM装置はメモリセルアレイ10と、ローデコーダ回路20,パルス発生回路30,ラッチ感知回路40,感知駆動レベル発生回路50,基準レベル発生回路60,カラムデコーダ回路70,カラム選択回路80,主感知及び書込駆動回路90及び、データ入/出力回路100を具備している。図示されていないが、本実施の形態のFRAM装置は各ビットラインを所定のプリチャージ電圧に設定させる周知のビットラインプリチャージ回路を具備している。
【0028】
図3に示されるように、ローとカラムとを規定する基板上のセルアレイ領域10では対応するローに従って、m個のワードラインWL1〜WLm及びm個のプレートラインPL1〜PLmが各々伸張する。又、対応するカラムに従ってnのビットラインBL1〜BLnが伸張する。m個のワードラインWL1〜WLmとn個のビットラインBL1〜BLnとが交差する点にはm×nの強誘電体メモリセルがマトリックス状に形成される。
【0029】
各メモリセルは1つの電荷伝達トランジスタTij(ここで、i=1〜m、j=1〜n)と強誘電体キャパシタCijとで構成される。キャパシタCijの2つの電極の間には強誘電物質が挿入されている。電荷伝達トランジスタTijの電流通路すなわち、ドレイン・ソースチャンネルは対応する強誘電体キャパシタCijの1つの電極と対応するビットラインBLjとの間に接続される。伝達トランジスタTijのゲートは対応するワードラインWLiに接続される。強誘電体キャパシタCijの他の電極は対応するプレートラインPLiに接続される。具体的な例を挙げると、メモリセルMC11で、電荷伝達トランジスタT11の電流通路は強誘電体キャパシタC11の1つの電極とビットラインBL1との間に接続され、そのゲートはワードラインWL1に接続される。又、強誘電体キャパシタC11の他の電極は対応するプレートラインPL1に接続される。
【0030】
再び、図3を参照すると、ワードラインWL1〜WLmはローデコーダ回路20に接続され、プレートラインPL1〜PLmはパルス発生回路30に接続される。パルス発生回路30はワードラインが選択される時、選択されたワードラインに対応するプレートラインに強誘電物質の全ての分極ドメインを所定の方向に完全に分極させる電圧レベルのパルス信号を印加する。
【0031】
各ビットラインBL1〜BLnの一方の端はラッチ感知回路40に接続され、他方の端はカラム選択回路80に接続される。感知回路40は図示されるように、感知駆動レベル発生回路50からの2つの感知駆動ラインSAP及びSAN、そして、基準レベル発生回路60からのn個の基準レベル供給ラインREF1〜REFnに接続され、n個のラッチ感知増幅器で構成される。
【0032】
各ラッチ感知増幅器は、図3に示すように、2つのCMOS回路で構成される。PMOSトランジスタP1とNMOSトランジスタN1とで構成されるCMOS回路で、トランジスタP1及びN1の電流通路は感知駆動ラインSAPとSANとの間に直列に接続され、それらのゲートは対応する基準レベル供給ラインREFj(ここで、j=1〜n)に共通に接続される。PMOSトランジスタP2とNMOSトランジスタN2とで構成されるCMOS回路で、トランジスタP2及びN2の電流通路も感知駆動ラインSAPとSANとの間に直列に接続され、それらのゲートは対応するビットラインBLj(ここで、j=1〜n)に共通に接続される。感知駆動ラインSAPとSANとには感知駆動レベル発生回路50からの2つの相補的な感知駆動信号が各々印加される。各感知駆動信号のハイレベルはVkレベルであり、ローレベルはVssレベルである。
【0033】
カラム選択回路80は、周知のように、n個のNMOSトランジスタ(図示されていない)を具備する。各選択トランジスタの電流通路は対応するビットラインBLjと対応するデータラインDLy(ここで、y=1〜k)との間に接続される。各選択トランジスタはカラムデコーダ回路70からの各カラム選択信号Y1〜Ynによりターンオン/オフされる。
【0034】
主感知及び書込駆動回路90及びデータ入/出力回路100は周知なので、ここでは、これらに対する詳細な説明は省略する。
【0035】
図4に示されたグラフは本実施の形態によるFRAMの強誘電体キャパシタのヒステリシスI−Vスイッチングループである。グラフの横座標はキャパシタの2つの電極の間の電位差、すなわち、キャパシタ両端の電圧を示し、縦座標は強誘電物質の自発分極によりその表面に誘起される電荷の量、すなわち、分極度(μC/cm2 )を示す。
【0036】
0Vの電圧が印加され、即ち、強誘電物質に何の電界も印加されないと、大抵、分極ドメインは不均一であり、分極が発生しない。電圧が正の方向に点A′のVkレベルまで増加するとしても、強誘電物質の分極度(すなわち、電荷量)は0(Q0 )である。以後、電圧が再び0Vまで下降すると、分極度は点B′に移動する。次に、電圧が負の方向に増加すると、分極度は点B′から点Cに変化する。この時、印加された電圧の大きさは−Vccである。以後、電圧が再び0Vまで下降するとしても、分極値は0まで低くならず、点Dに残留するようになる。印加される電圧の大きさがもう1度正の方向にVkレベルまで増加すると、強誘電物質の分極度は点Dから点A′に変化する。以後、電圧が再び0Vまで下降すると、分極度は再び点B′に移動する。
【0037】
本実施の形態のFRAMで、図4で示された強誘電体キャパシタのヒステリシスループの点B′に論理的‘1’のデータを対応させ、点Dに論理的‘0’のデータを対応させる。
【0038】
<書込動作>
図5は本実施の形態によるFRAMの書込動作のタイミング図である。図5を参照すると、書込サイクルの初期に、ビットラインプリチャージ回路(図示されない)からビットラインBLj上にVssレベルあるいは0Vのプリチャージ電圧が印加される。ここでは、説明の便宜上、ビットラインから強誘電体キャパシタへ印加される電圧を正(+)極性の電圧とし、プレートラインからキャパシタに印加される電圧を負(−)極性の電圧とする。
【0039】
続いて、ワードライン(WLi)が選択されると、セルに貯蔵されたデータの感知が遂行される(t0〜t2)。具体的には、区間(t0〜t1)の間に、選択されたワードラインWLiに対応する各キャパシタ(Ci1〜Cin)の強誘電物質を完全に分極させるVccレベルのパルス電圧が対応するプレートラインPLiを通じて各キャパシタCijに印加される。これで、分極された強誘電物質の正の電荷分極領域はビットラインBLj側に、負の電荷分極領域はプレートラインPLi側に配列される。この時、メモリセルMCijに論理的‘0’のデータが貯蔵されていると、図4に示されるように、強誘電体キャパシタCijの分極度(すなわち、電荷量)は点Dから点Cに移動した後、点Dに復帰するので、キャパシタからビットラインBLjには何の電荷も伝達されない。結局、セルに論理的‘0’のデータが貯蔵されていると、感知区間の間、ビットラインBLj上の電圧はプリチャージ電圧Vssと同一である。反面、メモリセルMCijに論理的‘1’のデータが貯蔵されていると、強誘電体キャパシタCijの分極度(すなわち、電荷量)は点B′から点Cを通じて点Dに移動するので、キャパシタからビットラインBLjにdQ1の電荷が伝達される。結局、論理的‘1’のデータが貯蔵されていると、ビットラインBLj上の電圧はプリチャージ電圧VssよりdQ1による電圧(例えば、約100mV)ほど上昇する。
【0040】
このような強誘電物質の分極によりビットラインBLj上で変化した電圧はプリチャージ電圧Vssより高い所定の基準電圧(例えば、50mV)と比較される(t1〜t2)。この時、ビットラインBLj上で変化した電圧が基準電圧より低いと、キャパシタCijに基準電圧より低いVssレベルの電圧が印加され、ビットラインBLj上で変化した電圧が基準電圧より高いと、キャパシタCijにその極性を変更させることなく、基準電圧より高い所定の電圧Vk(図4参照)が印加される。
【0041】
次に、実質的な書込動作が遂行される。(t2〜t5)。この書込区間では、外部からデータ入/出力回路100を通じて入力されたデータに対応するVss電圧(論理的‘0’)あるいはVcc電圧(論理的‘1’)が各データ入/出力ラインDI00〜DI0kに印加される。これと同時に、カラムデコーダ70からのカラム選択信号Y1〜Ynによりカラム選択回路80が駆動されると、各データ入/出力ラインDI00〜DI0k上のVss電圧あるいはVcc電圧が書込駆動回路90を通じて選択されたビットラインに伝達される。この時、ラッチ感知回路40により、メモリセルに論理的‘0’のデータを書込する場合、選択されたビットラインにはVssが印加され、論理的‘1’のデータを書込する場合には選択されたビットラインにはVkが印加される。従って、区間t2〜t3で、論理的‘1’のデータが書込される場合、キャパシタの分極度は点A’に位置し、論理的‘0’のデータが書込される場合、点Dに位置する。
【0042】
しかし、上記のような書込サイクルで、選択された1つのワードラインと関連する全てのメモリセルMCi1〜MCinにデータがいつも書込まれることはない。言い換えれば、メモリセルMCi1〜MCin中でビットラインにより選択されたメモリセルだけにデータが書込される。
【0043】
前述した区間t0〜t1で、負極性のパルス電圧がキャパシタCijに印加される時、論理的‘0’のデータを貯蔵しているキャパシタCijの分極度は点B’にとどまっているが、論理的‘1’のデータを貯蔵しているキャパシタCijの分極度は点B’から点Dに移動する。これは選択された1つのワードラインと関連する全てのメモリセルMCi1〜MCin中の非選択されたセルでも発生する。したがって、論理的‘1’のデータを貯蔵していた非選択されたキャパシタCijのデータを本来の状態に復帰させる再書込動作が必要である。このため、キャパシタにはプレートラインを通じてVccレベルのパルス電圧(すなわち、負極性のパルス電圧)がもう1度印加される(t3〜t4)。
【0044】
時刻t5以後に、論理的‘1’のデータが書込された場合、キャパシタの分極度は点B’に位置し、論理的‘0’のデータが書込された場合、点Dに位置する。これで、データ書込サイクルが完了する。
【0045】
<読出動作>
図6は本実施の形態によるFRAMの読出動作のタイミング図である。図6を参照すると、図5のタイミング図と同様に各ビットラインBL1〜BLnにVssレベルのプリチャージ電圧が印加された後、選択されたワードラインに連結されたセルキャパシタCi1〜Cinの強誘電物質を所定の方向に完全に分極させる陰極性のパルス電圧がプレートラインを通じて印加される(t0〜t1)。
【0046】
続いて、強誘電物質の分極により変化した各ビットラインBL1〜BLn上の電圧(約100mV)はプリチャージ電圧Vssより少し高い所定の基準電圧(約50mV)と比較される。(t1〜t2)。この時、ビットライン上の変化した電圧が基準電圧より低いと、すなわち、各キャパシタに論理的‘0’のデータが貯蔵されていると、ラッチ感知回路40により各ビットラインはVss電圧に変化し、各ビットライン上の変化した電圧が基準電圧より高いと、すなわち、各キャパシタに論理的‘1’のデータが貯蔵されていると、各ビットラインはVk電圧に変化する。このような各ビットライン上の電圧はカラム選択回路80を通じて主感知回路90に伝達される。主感知回路90は各ビットラインからのVk電圧をVcc電圧に増幅する。主感知回路90により増幅されたデータはデータ入/出力回路100を通じて外部に出力される。
【0047】
前述したような書込サイクルと同じように、この読出サイクルでも、選択された1つのワードラインに関連する全てのメモリセルMCi1〜MCinから全てのデータがいつも読出されるわけではない。言い換えれば、メモリセルMCi1〜MCin中でビットラインにより選択されたメモリセルからのみデータが読出される。
【0048】
前述した区間t0〜t1で、負極性のパルス電圧がキャパシタCijに印加される時、論理的‘0’のデータを貯蔵しているキャパシタCijの分極度は点B’にとどまっているが、論理的‘1’のデータを貯蔵しているキャパシタCijの分極度は点B’から点Dに移動する。これは選択された1つのワードラインと関連する全てのメモリセルMCi1〜MCin中の非選択されたセルでも発生する。その結果、論理的‘1’のデータを貯蔵していた非選択されたキャパシタCijのデータを本来の状態に復帰させる再書込することが必要である。このため、非選択されたキャパシタにはプレートラインを通じてVccレベルのパルス電圧(すなわち、負極性のパルス電圧)がもう1回印加される(t3〜t4)。
【0049】
この実施の形態では、図4のヒステリシスループの点B’に論理的‘1’のデータが対応し、点Dに論理的‘0’のデータが対応する場合を説明したが、感知スキムを変更することにより、点B’に論理的‘0’のデータを対応させ、点Dに論理的‘1’のデータを対応させることができることは言うまでもない。
【0050】
第2の実施の形態
本実施の形態によるFRAM装置はVkレベルのパルスを発生するパルス発生回路(図3の30参照)と、Vccレベルの1つの感知駆動信号とVssレベルの他の1つの感知駆動信号とを発生する感知駆動レベル発生回路(図3の50参照)を具備することを除いては、前述の第1の実施の形態による装置と同一な構成を持つ。従って、本実施の形態による装置の構成に対する詳細な説明は省略する。本実施の形態では、前の実施の形態とは異なり、強誘電体キャパシタのヒステリシスグラフの正の電荷分極領域だけで、2値データを対応させる。従って、本実施の形態のFRAMの書込/読出動作の間に、選択されたビットラインBLjから強誘電体キャパシタにはキャパシタの電荷分極の極性を変更しない電圧(−Vk)が印加される。
【0051】
このように、本実施の形態によると、強誘電体キャパシタのヒステリシスグラフの正の電荷分極領域だけに、2値データが貯蔵されるので、ドメインスイッチングが起こらない。その結果、FRAM装置の耐久性が非常に増加する。又、本実施の形態のFRAMでは、ワードラインWLiにパンピングされた信号を提供する必要がないので、電力消耗が減少する。
【0052】
図7で示されたグラフは本実施の形態によるFRAMの強誘電体キャパシタのヒステリシスI−Vスイッチングループである。グラフの横座標はキャパシタの2つの電極の間の電位差を示し、縦座標は強誘電物質の自発分極によりその表面に誘起される電荷の量、すなわち、分極度(μC/cm2 )を示す。
【0053】
0Vの電圧が印加され、即ち強誘電物質に何の電界も印加されないと、大低、分極ドメインは不均一であり、分極が発生しない。電圧が正の方向に増加する時、分極度(すなわち、電荷量)は0から正の電荷分極領域内の点Aまで増加する。点Aで、全てのドメインは1つの方向に分極され、点Aからの分極度は最大値に至るようになる。この時、キャパシタに印加された電圧の大きさはVccである。以後、電圧が再び0Vまで下降しても、分極度は0までは下らず、点Bに残留するようになる。次に電圧が負の方向にVkレベルまで増加すると、分極度は点Bから点C’に変化する。以後、電圧が再び0Vまで下降しても、分極値は0までは下らず点D’に残留するようになる。以後、電圧が再び正の方向にVccまで増加すると、強誘電物質の分極度は点D’から点Aに変化する。電圧が再び0Vまで下降すると、分極度は点Bに移動する。
【0054】
本実施の形態のFRAMで、図7に示された強誘電体キャパシタのヒステリシスループの点Bに論理的‘1’のデータを対応させ、点D’に論理的‘0’のデータを対応させる。
【0055】
<書込動作>
図8は本実施の形態によるFRAMの書込動作のタイミング図である。図8を参照すると、書込サイクルの初期に、周知のビットラインプリチャージ回路(図示されない)からビットラインBLj(j=1〜n)にVccレベルのプリチャージ電圧が印加される。続いて、ワードラインWLi(i=1〜m)が選択されると、セルに貯蔵されたデータの感知が遂行される(t0〜t1)。選択されたワードラインWLiに対応する各キャパシタCi1〜Cinの強誘電物質を完全に分極させるVcc電圧が各ビットラインを通じて各キャパシタCijに印加される。
【0056】
ラッチ感知回路40は、上述のような強誘電物質の分極によりビットラインBLi上の変化された電圧を所定の基準電圧と比較する(t0〜t1)。この時、ビットラインBLj上の変化された電圧が基準電圧より低いと、感知回路40はキャパシタCijにVssレベルの電圧を印加し、ビットラインBLj上の変化された電圧が基準電圧より高いと、Vcc電圧を印加する。
【0057】
次に、実質的な書込動作が遂行される(t2〜t4)。この書込区間では、外部からデータ入/出力回路100を通じて入力されたデータに対応するVss電圧(論理的‘0’)あるいはVcc電圧(論理的‘1’)が各データ入/出力ラインDI00〜DI0kに印加される。これと同時に、カラムデコーダ70からのカラム選択信号Y1〜Ynによりカラム選択回路80が駆動されると、各データ入/出力ラインDI00〜DI0k上のVss電圧あるいはVcc電圧が書込駆動回路90を通じて選択されたビットラインに伝達される。従って、区間t2〜t3で、論理的‘0’のデータが書込される場合、キャパシタの分極度は点D’に位置し、論理的‘1’のデータが書込される場合、点Bに位置する。
【0058】
しかし、上記のような書込サイクルで、選択された1つのワードラインに関連する全てのメモリセルMCi1〜MCinにデータがいつも書込されることはない。言い換えれば、メモリセルMCi1〜MCin中でビットラインにより選択されたメモリセルだけにデータが書込される。
【0059】
前述した区間t0〜t1で、データ感知が遂行される時、論理的‘1’のデータを貯蔵しているキャパシタCijの分極度は点Bにとどまっているが、論理的‘0’のデータを貯蔵しているキャパシタCijの分極度は点D’から点Bに移動する。これは選択された1つのワードラインと関連する全てのメモリセルMCi1〜MCin中の非選択されたセルからも発生する。従って、論理的‘0’のデータを貯蔵していた非選択されたキャパシタCijのデータを本来の状態に復帰させる再書込動作が必要である。このため、キャパシタにはプレートラインを通じてVkレベルのパルス電圧(すなわち、負極性のパルス電圧)がもう1度印加される(t2〜t3)。
【0060】
時刻t4以後には、論理的‘0’のデータが書込された場合、キャパシタの分極度は点D’に位置し、論理的‘1’のデータが書込された場合、点Bに位置する。これで、データ書込サイクルが完了する。
【0061】
<読出動作>
図9は本実施の形態によるFRAMの読出動作のタイミング図である。図9を参照すると、図8のタイミング図と同様に、各ビットラインBLj上にVcc電圧を印加して選択されたワードラインWLiに対応する各キャパシタCi1〜Cinを完全に分極させる。これで、分極された強誘電物質の負の電荷分極領域はビットラインBLj側に、正の電荷分極領域はプレートラインPLi側に配列される。この時、メモリセルMCijに論理的‘1’のデータが貯蔵されていると、強誘電体キャパシタCijの分極度(すなわち、電荷量)は図7の点Bから点Aに移動した後、再び点Bに復帰し、ビットラインBLjからキャパシタにdQ1の電荷が伝達され、ビットラインの電位が少し低くなる。一方、メモリセルMCijに論理的‘0’のデータが貯蔵されていると、強誘電体キャパシタCijの分極度(すなわち、電荷量)は点D’から点Aを通じて点Bに移動するので、ビットラインBLiからキャパシタdQ0の電荷が伝達される。結局、セルに論理的‘0’のデータが貯蔵されていると、対応するビットラインBLi上の電圧はプリチャージ電圧VccよりdQ0による電圧だけ降下する。
【0062】
次に各ビットライン上の電圧と所定の基準電圧とを比較する(t0〜t1)。この時、各ビットライン上の電圧が基準電圧より低い時には、各キャパシタに接地電圧を印加し、各ビットライン上の電圧が基準電圧より高い時には各キャパシタにVcc電圧を印加する(t1〜t2)。以後、再書込のため、選択されたワードラインに対応するプレートラインに強誘電体キャパシタの極性を変更させないVkレベルのパルス電圧を印加する(t2〜t3)。これで、読出サイクルが終了する。
【0063】
この実施の形態では、図7のヒステリシスループの点Bに論理的‘1’のデータを対応させ、点D’に論理的‘0’のデータを対応させる場合を説明したが、感知スキムを変更することにより、点Bに論理的‘0’のデータを対応させ、点D’に論理的‘1’のデータを対応させることができることは言うまでもない。
【0064】
【発明の効果】
上述したように本発明によると、強誘電体キャパシタのヒステリシスグラフの1つの電荷分極領域だけで、2値データが貯蔵されるので、ドメインスイッチングが起こらない。従って、FRAM装置の耐久性が非常に増加する。また、本発明のFRAM装置では、ワードラインにパンピンクされた信号を提供する必要がないのでFRAM装置の構成が簡単になり、電力消耗が減少する。
【図面の簡単な説明】
【図1】強誘電体キャパシタを持つメモリセルの等価回路図。
【図2】従来技術による強誘電体キャパシタのヒステリシスI−Vスイッチングループを示すグラフ。
【図3】本発明の実施の形態による強誘電体ランダムアクセスメモリ装置(FRAM)の回路図。
【図4】本発明による強誘電体キャパシタのヒステリシスI−Vスイッチングループの一例を示すグラフ。
【図5】図4のスイッチングループが使用されるFRAMの書込動作を示すタイミング図。
【図6】図4のスイッチングループが使用されるFRAMの読出動作を示すタイミング図。
【図7】本発明による強誘電体キャパシタのヒステリシスI−Vスイッチングループの他の例を示すグラフ。
【図8】図7のスイッチングループが使用されるFRAMの書込動作を示すタイミング図。
【図9】図4のスイッチングループが使用されるFRAMの読出動作を示すタイミング図。
【符号の説明】
10:メモリセルアレイ
20:ローデコーダ回路
30:パルス発生回路
40:ラッチ感知回路
50:感知駆動レベル発生回路
60:基準レベル発生回路
70:カラムデコーダ回路
80:カラム選択回路
90:主感知及び書込駆動回路
100:データ入/出力回路
Claims (6)
- ロー方向に伸張する複数のワードラインと、同じくロー方向に伸張する複数のプレートラインと、カラム方向に伸張する複数のビットラインと、前記ワードラインと前記ビットラインの交差点にマトリックス形態に形成された複数のメモリセルとを有し、各メモリセルは、2つの端子と制御端子とを持つスイッチ素子と、2つの電極と該電極の間に挿入された強誘電物質とを持つキャパシタとを具備し、前記スイッチ素子の前記2つの端子のうち1つは前記ビットライン中の対応する1つに電気的に接続され、他の1つは前記キャパシタの前記2つの電極中の一方と接続され、前記スイッチ素子の制御端子は前記ワードライン中の対応する1つに電気的に接続され、キャパシタの他方の電極は前記プレートライン中の対応する1つに接続されたメモリセルアレイと、
前記各ビットラインを所定のプリチャージ電位に設定させる手段と、
前記ワードライン中の少なくとも1つが選択される時、少なくとも1つの選択されたワードラインに対応する少なくとも1つのプレートラインに前記強誘電物質を所定の方向に完全に分極させる所定の第1電位のパルスを印加する手段と、
各々が前記プリチャージ電位と所定の第2電位中、いずれかで設定される2つの相補的な駆動信号を発生する手段と、
前記少なくとも1つのプレートラインに前記パルスが印加される時、前記各キャパシタから前記スイッチ素子を通じて前記各ビットラインに伝達される電荷量により決定される前記各ビットラインの電位と前記プリチャージ電位との間の所定の第3電位の基準電圧を発生する手段と、
前記各ビットライン上の電位を前記第3電位と比較し、その結果により前記各ビットラインを駆動信号中のある1つの電位に設定させる手段とを含み、
前記プリチャージ電位及び前記第2電位は前記第1電位より低く、
前記駆動信号により設定された前記各ビットライン上の電圧が対応するスイッチ手段を通じて分極された強誘電物質を持つ対応するキャパシタに印加される時、前記強誘電物質の分極方向を変化させないことを特徴とする強誘電体ランダムアクセスメモリ装置。 - 前記各キャパシタの負の電荷分極領域だけに2値データを貯蔵することを特徴とする請求項1に記載の強誘電体ランダムアクセスメモリ装置。
- 第1方向に伸張する複数のワードラインと、このワードラインと平行に伸張する複数のプレートラインと、前記第1方向に直交する第2方向に伸張する複数のビットラインと、前記ワードラインと前記ビットラインの交差点にマトリックス形態に形成された複数のメモリセルとを有し、各メモリセルは、2つの端子と制御端子とを持つスイッチ素子と、2つの電極と該電極の間に挿入された強誘電物質を持つキャパシタとを具備し、前記スイッチ素子の前記2つの端子中の一方は、前記ビットライン中の対応する1つに電気的に接続され、他方は前記キャパシタの前記2つの電極中のいずれかと接続され、前記スイッチ素子の前記制御端子は前記ワードライン中の対応する1つに電気的に接続され、前記キャパシタの他方の電極は前記プレートライン中の対応する1つに接続されたメモリセルアレイと、
前記各ビットラインを前記強誘電物質を完全に分極させる所定のプリチャージ電位に設定させる手段と、
各々が前記プリチャージ電位と所定の第1電位中、いずれかの1つで設定される2つの相補的な駆動信号を発生する手段と、
前記強誘電物質が分極される時、前記各ビットラインから対応するスイッチ素子を通じて対応するキャパシタに伝達される電荷の量により決定される前記各ビットラインの電位と前記プリチャージ電位との間の所定の第2電位の基準電圧を発生する手段と、
前記ワードライン中の少なくとも1つが選択される時、前記各ビットライン上の電位を前記第2電位と比較し、その結果に従って、前記各ビットラインを前記駆動信号中のある1つの電位に設定させる手段と、
前記少なくとも1つの選択されたワードラインに対応する少なくとも1つのプレートラインに前記強誘電物質の分極方向が反転されない所定の第3電位のパルスを印加する手段とを含み、
前記第3電位は前記プリチャージ電位及び前記第2電位より低く、
前記キャパシタの1つの電荷分極領域だけで2値データの書込/読出を遂行することを特徴とする強誘電体ランダムアクセスメモリ装置。 - 前記各キャパシタの正の電荷分極領域だけに2値データを貯蔵することを特徴とする請求項3に記載の強誘電体ランダムアクセスメモリ装置。
- 2つの端子を持ち、ワードライン上の電圧レベルによりオン/オフされるスイッチ素子と、2つの電極の間に挿入された強誘電物質を持つキャパシタとを具備し、前記スイッチ素子の前記2つの端子のうち1つはビットラインと電気的に接続され、他の1つは前記キャパシタの前記電極中の一方と接続され、前記キャパシタの前記電極中の他の1つはプレートラインに接続されるメモリセルに2値データを書込/読出する方法において、
前記ビットラインに接地電圧を印加する段階と、
前記ワードラインが選択される時、前記プレートラインにパルス状の電源電圧を印加して前記キャパシタを完全に分極させる段階と、
前記ビットライン上の電圧と所定の基準電圧とを比較し、前記ビットライン上の前記電圧が前記基準電圧より低い時、前記キャパシタに前記接地電圧を印加し、前記ビットライン上の前記電圧が前記基準電圧より高い時、前記キャパシタにその極性を変更させることなく、前記基準電圧よりは高い所定のVk電圧を印加する段階と、
前記プレートラインに前記パルス状の前記電源電圧を印加する段階とを含み、
前記Vk電圧は前記強誘電物質に0の分極度をもたせる電圧であることを特徴とするメモリセルのデータ書込/読出方法。 - 2つの端子を持ち、ワードライン上の電圧レベルによりオン/オフされるスイッチ素子と、2つの電極の間に挿入された強誘電物質を持つキャパシタとを具備し、前記スイッチ素子の前記2つの端子のうち一方はビットラインと電気的に接続され、他方は前記キャパシタの前記電極中のいずれかの1つと接続され、前記キャパシタの前記電極の他方はプレートラインに接続されるメモリセルに2値データを書込/読出する方法において、
前記ビットラインに電源電圧を印加して前記キャパシタを完全に分極させる段階と、
前記ビットライン上の電圧と所定の基準電圧とを比較し、前記ビットライン上の前記電圧が前記基準電圧より低い時、前記キャパシタに前記接地電圧を印加し、前記ビットライン上の前記電圧が前記基準電圧より高い時、前記キャパシタに前記電源電圧を印加する段階と、
前記プレートラインに前記キャパシタの極性を変更させることなく、前記基準電圧より低いパルス状の所定のVk電圧を印加する段階とを含み、
前記Vk電圧は前記強誘電物質に0の分極度をもたせる電圧であることを特徴とするメモリセルのデータ書込/読出方法。
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