JP3945498B2 - Memory cell and semiconductor memory device - Google Patents
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本発明は、強誘電体キャパシタをデータ保持用のキャパシタとするメモリセル及び、そのメモリセルをアレイ状に配列して構成した半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a memory cell using a ferroelectric capacitor as a data holding capacitor, and a semiconductor memory device configured by arranging the memory cells in an array.
従来、この種のメモリセルとしては、強誘電体キャパシタの一方の電極を接地状態等のある特定の電位に固定し、他方の電極を、プレートライン又はビットラインに電気的に接続可能としたものがある(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、このようなメモリセルをアレイ状に配列して構成した画像用メモリにあっては、通常、任意の画素が黒色であるときには、当該画素に対応するメモリセルに「1」データを保持させ、白色であるときには当該画素に対応するメモリセルに「0」データを保持させることとなる。そのため、モノクロ画像の黒色部と白色部とを反転させた反転画像をディスプレイ等に表示させるときには、強誘電体キャパシタから読み出した色彩データをインバータ等の論理回路で反転させなければならず、その結果、その論理回路での反転動作によって、前記反転画像の出力タイミングが遅くなってしまうという問題があった。 By the way, in an image memory configured by arranging such memory cells in an array, normally, when an arbitrary pixel is black, “1” data is held in the memory cell corresponding to the pixel. When it is white, “0” data is held in the memory cell corresponding to the pixel. Therefore, when displaying an inverted image obtained by inverting the black and white portions of a monochrome image on a display or the like, the color data read from the ferroelectric capacitor must be inverted by a logic circuit such as an inverter. There is a problem that the output timing of the inverted image is delayed by the inversion operation in the logic circuit.
そこで、本発明は、上記従来の技術の未解決の問題を解決することを目的とするものであって、反転データの出力タイミングの遅延を防止できるメモリセル及び、そのメモリセルをアレイ状に配列して構成した半導体記憶装置を提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned unresolved problems of the prior art, and to prevent a delay in the output timing of inverted data and to arrange the memory cells in an array. It is an object to provide a semiconductor memory device configured as described above.
上記課題を解決するために、本発明に係るメモリセルは、1つの強誘電体キャパシタと、その強誘電体キャパシタの第1の電極をプレートラインに電気的に接続し且つ当該強誘電体キャパシタの第2の電極をビットラインに電気的に接続した第1の状態を実現可能な第1接続素子群と、前記強誘電体キャパシタの前記第2の電極をプレートラインに電気的に接続し且つ当該強誘電体キャパシタの前記第1の電極をビットラインに電気的に接続した第2の状態を実現可能な第2接続素子群と、前記第1の状態の実現、前記第2の状態の実現、並びに前記第1及び第2の電極が前記プレートライン及び前記ビットラインのいずれにも接続されていない状態の実現を選択する選択手段と、を備え、前記選択手段は、前記強誘電体キャパシタが所定の分極状態を保持することでデータを保持しているときに、前記第1の状態の実現を選択して前記データを読み出す第1の読み出し動作、及び前記第2の状態の実現を選択して前記第1読み出し動作で読み出されるデータの反転データを読み出す第2の読み出し動作を選択可能としたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a memory cell according to the present invention includes a ferroelectric capacitor and a first electrode of the ferroelectric capacitor electrically connected to a plate line and the ferroelectric capacitor. A first connection element group capable of realizing a first state in which the second electrode is electrically connected to the bit line; and the second electrode of the ferroelectric capacitor is electrically connected to the plate line; and A second connection element group capable of realizing a second state in which the first electrode of the ferroelectric capacitor is electrically connected to a bit line; realization of the first state; realization of the second state; And a selection means for selecting a state in which the first and second electrodes are not connected to either the plate line or the bit line, wherein the selection means has a predetermined ferroelectric capacitor. of When holding data by holding a pole state, the first read operation for selecting the realization of the first state and reading the data is selected, and the realization of the second state is selected. The second read operation for reading the inverted data of the data read in the first read operation can be selected.
したがって、本発明に係るメモリセルにあっては、アレイ状に配列して画像用メモリを構成したときに、モノクロ画像の黒色部と白色部とを反転させた反転画像をディスプレイ等に表示させる場合、強誘電体キャパシタに色彩データを保持させたときに第1の状態が選択されていたときには、第2の状態を選択し、また、第2の状態が選択されていたときには第1の状態を選択することで、前記保持させた色彩データの反転データを直接読み出すことができ、その結果、反転データの出力タイミングの遅延を防止することができる。 Therefore, in the memory cell according to the present invention, when an image memory is arranged in an array, an inverted image obtained by inverting the black and white portions of a monochrome image is displayed on a display or the like. When the first state is selected when the ferroelectric capacitor holds the color data, the second state is selected. When the second state is selected, the first state is selected. By selecting, it is possible to directly read the inverted data of the held color data, and as a result, it is possible to prevent a delay in the output timing of the inverted data.
また、本発明に係るメモリセルにあっては、前記第1接続素子群は、前記強誘電体キャパシタの前記第2の電極に第1のビットラインを電気的に接続し、前記第2接続素子群は、前記強誘電体キャパシタの前記第1の電極に前記第1のビットラインと異なる第2のビットラインを電気的に接続するようにしてもよい。そのようにすれば、例えば、このメモリセルをアレイ状に配列して画像用メモリを構成したときに、同じビットラインに複数の強誘電体キャパシタが電気的に接続可能となっている場合、任意の強誘電体キャパシタが当該ビットラインに接続されているときには、その他の強誘電体キャパシタを当該ビットラインと異なるビットラインに接続させることで、複数の強誘電体キャパシタに同時にアクセスすることができる。 In the memory cell according to the present invention, the first connection element group electrically connects a first bit line to the second electrode of the ferroelectric capacitor, and the second connection element The group may electrically connect a second bit line different from the first bit line to the first electrode of the ferroelectric capacitor. Thus, for example, when an image memory is configured by arranging the memory cells in an array, a plurality of ferroelectric capacitors can be electrically connected to the same bit line. When the ferroelectric capacitor is connected to the bit line, a plurality of ferroelectric capacitors can be simultaneously accessed by connecting other ferroelectric capacitors to a bit line different from the bit line.
さらに、本発明に係る半導体記憶装置にあっては、前記第1接続素子群は、前記強誘電体キャパシタの前記第2の電極に所定のビットラインを電気的に接続し、前記第2接続素子群は、前記強誘電体キャパシタの前記第1の電極に前記所定のビットラインを電気的に接続するようにしてもよい。そのようにすれば、各電極に接続するビットラインを選択するための周辺回路等を設ける必要がなく、チップ面積を小さくすることができる。 Furthermore, in the semiconductor memory device according to the present invention, the first connection element group electrically connects a predetermined bit line to the second electrode of the ferroelectric capacitor, and the second connection element The group may electrically connect the predetermined bit line to the first electrode of the ferroelectric capacitor. By doing so, it is not necessary to provide a peripheral circuit for selecting a bit line connected to each electrode, and the chip area can be reduced.
また、本発明に係るメモリセルにあっては、同じ強誘電体キャパシタから同じデータを繰り返し読み出すときには、その読み出しのたびに前記第1の状態と前記第2の状態とを交互に選択する選択手段を備えるようにしてもよい。そのようにすれば、例えば、このメモリセルをアレイ状に配列して画像用メモリを構成したときに、その画像用メモリをシリアルアクセスし、同じ強誘電体キャパシタから同じデータを繰り返し読み出す場合、再書き込みによって全ての強誘電体キャパシタに分極反転が生じ、全ての強誘電体キャパシタの分極反転の回数をほぼ等しくでき、全ての強誘電体キャパシタの劣化の度合いを均一とし、その劣化による特性の変化を全ての強誘電体キャパシタで均一とすることができる。 In the memory cell according to the present invention, when the same data is repeatedly read from the same ferroelectric capacitor, the selection means for alternately selecting the first state and the second state each time the data is read. You may make it provide. In this way, for example, when an image memory is configured by arranging the memory cells in an array, when the image memory is serially accessed and the same data is repeatedly read from the same ferroelectric capacitor, The polarization inversion occurs in all the ferroelectric capacitors by writing, the number of polarization inversions of all the ferroelectric capacitors can be made almost equal, the degree of deterioration of all the ferroelectric capacitors is made uniform, and the characteristic changes due to the deterioration Can be made uniform for all ferroelectric capacitors.
一方、本発明に係る半導体記憶装置は、前記請求項1から4のいずれか1項に記載の複数のメモリセルをアレイ状に配して構成したことを特徴とする。
したがって、本発明の半導体記憶装置にあっては、画像用メモリに利用したときに、モノクロ画像の黒色部と白色部とを反転させた反転画像をディスプレイ等に表示させる場合、強誘電体キャパシタに色彩データを保持させたときにビットラインが接続されていた電極に、プレートラインを接続し、また、プレートラインが接続されていた電極にビットラインを接続することで、前記保持させた色彩データの反転データを直接読み出すことができ、反転データの出力タイミングの遅延を防止することができる。
On the other hand, a semiconductor memory device according to the present invention is characterized in that a plurality of memory cells according to any one of claims 1 to 4 are arranged in an array.
Therefore, in the semiconductor memory device of the present invention, when a reversed image obtained by inverting the black portion and the white portion of a monochrome image is displayed on a display or the like when used for an image memory, the ferroelectric capacitor is used. By connecting the plate line to the electrode to which the bit line was connected when the color data was held, and connecting the bit line to the electrode to which the plate line was connected, Inverted data can be read directly, and a delay in the output timing of the inverted data can be prevented.
また、本発明に係る半導体記憶装置にあっては、同じ列に配されている前記複数のメモリセルからなるメモリセル群のうち、隣接する1対のメモリセル群でプレートラインを共通化してもよい。そのようにすれば、プレートラインの数を少なくすることができ、プレートラインの配置面積を小さくすることで、チップ面積を小さくすることができる。
さらに、本発明に係る半導体記憶装置にあっては、同じ列に配されている前記複数のメモリセルからなるメモリセル群のうち、隣接する1対のメモリセル群にプレートラインを個別に設けてもよい。そのようにすれば、各プレートラインには隣接するメモリセル群のうち一方のメモリセル群の接続素子だけが接続され、接続素子の寄生容量によるプレートラインの配線負荷をほぼ半分の大きさとすることができ、その結果、メモリセル群への書き込み速度や読み出し速度を向上することができる。
In the semiconductor memory device according to the present invention, even if a pair of adjacent memory cell groups among the memory cell groups composed of the plurality of memory cells arranged in the same column share a common plate line. Good. By doing so, the number of plate lines can be reduced, and the chip area can be reduced by reducing the arrangement area of the plate lines.
Furthermore, in the semiconductor memory device according to the present invention, plate lines are individually provided in a pair of adjacent memory cells among the memory cells composed of the plurality of memory cells arranged in the same column. Also good. By doing so, each plate line is connected only to the connection element of one of the adjacent memory cell groups, and the wiring load on the plate line due to the parasitic capacitance of the connection element is approximately halved. As a result, the writing speed and reading speed to the memory cell group can be improved.
以下、本発明のメモリセルをアレイ状に配列して構成した画像用メモリの一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明にあっては、任意の画素が黒色であるときには、当該画素に対応するメモリセル5nm、6nmに「1」データを保持させ、白色であるときには当該画素に対応するメモリセル5nm、6nmに「0」データを保持させる。
Hereinafter, an embodiment of an image memory configured by arranging memory cells of the present invention in an array will be described with reference to the drawings. In the following description, when an arbitrary pixel is black, data “1” is held in the
<本発明のメモリセルの構成>
図1は、本発明に係るメモリセルを利用した半導体記憶装置の概略構成図である。なお、図中、半導体記憶装置を構成する各回路ブロック及び回路素子は、公知の半導体集積回路の製造技術により、単結晶シリコンのような1個の半導体基板上に形成されている。
<Configuration of Memory Cell of the Present Invention>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor memory device using a memory cell according to the present invention. In the figure, each circuit block and circuit element constituting the semiconductor memory device are formed on a single semiconductor substrate such as single crystal silicon by a known semiconductor integrated circuit manufacturing technique.
この半導体記憶装置には、図1(a)に示すように、メモリアレイ領域1が中央に形成され、そのメモリアレイ領域1の平面視上側には、ビットライン駆動回路及びセンスアンプを含む複数のビットライン(以下、BLとも呼ぶ。)用回路2と、複数のプレートライン(以下、PLとも呼ぶ。)駆動回路3とが交互に配され、また、平面視左側には、複数のワードライン(以下、WLとも呼ぶ。)駆動回路4が配されている。そして、これらビットライン用回路2、プレートライン駆動回路3及びワードライン駆動回路4は、図示しない制御回路からの制御指令に従って、任意のビットラインBL1m、BL2m、プレートラインPLm及びワードラインWL1n、WL2nを駆動するように構成されている。
In this semiconductor memory device, as shown in FIG. 1A, a memory array region 1 is formed in the center, and a plurality of bit line driving circuits and sense amplifiers are provided above the memory array region 1 in plan view. A bit line (hereinafter also referred to as BL)
これらのうち、メモリアレイ領域1には、アレイ状に複数のメモリセル5nm、6nm(n=1、2、m=1〜4)が形成されている。そして、そのアレイ状に形成された複数のメモリセル5nm、6nmからなる横方向の列(以下、パートとも呼ぶ。)には、2種類のメモリセル5nm及び6nmが交互に形成されている。また、縦方向の列(以下、ブロックとも呼ぶ。)には、同じ種類のメモリセル5nm、6nmが複数並んで形成されている。
Among these, in the memory array region 1, a plurality of memory cells 5 nm and 6 nm (n = 1, 2, m = 1 to 4) are formed in an array. Two types of
また、これら2種類のメモリセル5nm、6nmのうち、一方のメモリセル(第1メモリセル)5nmには、図1(b)の平面視左側に概略図示するように、強誘電体キャパシタQ1nmが中央に形成されている。そして、その強誘電体キャパシタQ1nmの平面視左側には、ビットライン用回路2から縦方向に延びている2つのビットラインBL1m、BL2mが配され、平面視右側には、プレートライン駆動回路3から縦方向に延びている1つのプレートラインPLmが配され、平面視上下両側には、ワードライン駆動回路4から横方向に延びている2つのワードラインWL1n、WL2nが配されている。なお、図2に示すように、強誘電体キャパシタQ1nmの印加電圧の方向は、上部電極が下部電極より高電位である場合を正方向とし、逆に下部電極が上部電極より高電位である場合を負方向とする。また、強誘電体キャパシタQ2nmの印加電圧の方向も同様とする。
Of these two types of
さらに、図1(b)に示すように、この強誘電体キャパシタQ1nmの一方の電極(以下、上部電極とも呼ぶ。)には、ゲートがワードラインWL2nに接続され且つ一端がプレートラインPLmに接続されたスイッチとしてのNチャネルMOSトランジスタ(以下、NMOSとも呼ぶ。)7の他端と、ゲートがワードラインWL1nに接続され且つ一端がビットラインBL1mに接続されたスイッチとしてのNMOS8の他端とが接続されている。また、他方の電極(以下、下部電極とも呼ぶ。)には、ゲートがワードラインWL1nに接続され且つ一端がプレートラインPLmに接続されたスイッチとしてのNMOS9の他端と、ゲートがワードラインWL2nに接続され且つ一端がビットラインBL2mに接続されたスイッチとしてのNMOS10の他端とが接続されている。
Further, as shown in FIG. 1B, one electrode (hereinafter also referred to as an upper electrode) of the ferroelectric capacitor Q1 nm has a gate connected to the word line WL2 n and one end connected to the plate line PL. The other end of an N-channel MOS transistor (hereinafter also referred to as NMOS) 7 as a switch connected to m , and the NMOS 8 as a switch having a gate connected to the word line WL1 n and one end connected to the bit line BL1 m Is connected to the other end. The other electrode (hereinafter also referred to as the lower electrode) includes the other end of the
そして、ワードライン駆動回路4によってワードラインWL1nが駆動され、そのワードラインWL1nにゲートしきい値電圧Vppが印加されると、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS8によって、NMOS8の一端に接続されているビットラインBL1mが他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nmの上部電極に電気的に接続される。また同時に、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS9によって、NMOS9の一端に接続されているプレートラインPLmが、他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nmの下部電極に電気的に接続される。ここで、ゲートしきい値電圧Vppは、NMOS8〜14が導通状態となる電圧である。
Then, the word
また同様に、ワードライン駆動回路4によってワードラインWL2nが駆動され、そのワードラインWL2nにゲートしきい値電圧Vppが印加されると、そのワードラインWL2nがゲートに接続されているNMOS10によって、NMOS10の一端に接続されているビットラインBL2mが他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nmの下部電極に電気的に接続される。また同時に、そのワードラインWL2nがゲートに接続されているNMOS7によって、NMOS7の一端に接続されているプレートラインPLmが、他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nmの上部電極に電気的に接続される。
Similarly, the word
このように、本実施形態の半導体記憶装置にあっては、任意のプレートラインPLmと強誘電体キャパシタQ1nmとをNMOS7、9を介して電気的に接続できるようにした。そのため、例えば、1つの強誘電体キャパシタQ1nmだけからデータを読み出す場合に、データの読み出しを行わない他の強誘電体キャパシタQ1nmにプレートラインPLmの電位が出力されてしまうことを防止することができ、また、プレートラインPLmの配線負荷を小さくし、データの書き込み速度や読み出し速度を向上することができる。
Thus, in the semiconductor memory device of this embodiment, an arbitrary plate line PL m and the ferroelectric capacitor Q1 nm can be electrically connected via the
ちなみに、いわゆる1トランジスタ1キャパシタ(以下、1T1Cとも呼ぶ。)型のメモリセルにあっては、例えば、1つの強誘電体キャパシタだけからデータを読み出す場合に、データの読み出しを行わない他の強誘電体キャパシタにもプレートラインの電位が出力されてしまう。そのため、同じプレートラインに接続されている全ての強誘電体キャパシタにデータの再書き込みが必要となってしまい、また、プレートラインの配線負荷が大きくなってしまい、データの書き込み速度や読み出し速度が遅くなってしまう。 Incidentally, in a so-called 1-transistor 1-capacitor (hereinafter also referred to as 1T1C) type memory cell, for example, when reading data from only one ferroelectric capacitor, other ferroelectrics that do not read data are used. The plate line potential is also output to the body capacitor. Therefore, it is necessary to rewrite data to all the ferroelectric capacitors connected to the same plate line, and the wiring load on the plate line becomes large, and the data writing speed and reading speed are slow. turn into.
また、1つの強誘電体キャパシタQ1nmで1つのメモリセル5nmを構成するようにしたため、2つの強誘電体キャパシタで1つのメモリセルが構成される2トランジスタ2キャパシタ(以下、2T2Cとも呼ぶ。)型のメモリセルと比べ、メモリセル5nmの面積を小さくし、チップ面積を小さくすることができる。また、例えば、トランジスタプロセスを微細化し、強誘電体キャパシタQ1nmの面積にNMOS7〜10を集積することで、2T2C型のメモリセルと比べ、メモリセル面積の大きさを半分とすることもできる。 In addition, since one memory cell 5 nm is formed by one ferroelectric capacitor Q1 nm , a two-transistor two capacitor (hereinafter also referred to as 2T2C) in which one memory cell is formed by two ferroelectric capacitors. The area of the memory cell 5 nm can be reduced and the chip area can be reduced as compared with the) type memory cell. Further, for example, by miniaturizing the transistor process and integrating the NMOSs 7 to 10 in the area of the ferroelectric capacitor Q1 nm , the size of the memory cell area can be halved compared to the 2T2C type memory cell.
そして、メモリセル5nm、6nmの面積を小さくすることで、冗長メモリセルの面積も小さくすることができ、チップ面積をより小さくすることができる。ちなみに、2T2C型のメモリセルでは、2つの強誘電体キャパシタで1つのメモリセルを構成しているため、冗長メモリセルも2つの強誘電体キャパシタで構成しなければならず、冗長メモリセルの面積も大きくなってしまい、その結果、チップ面積がより大きくなってしまう。
By reducing the areas of the
一方、前記2種類のメモリセル5nm、6nmのうち、他方のメモリセル(第2メモリセル)6nmには、図1(b)の平面視右側に概略図示するように、強誘電体キャパシタQ2nmが中央に形成されている。そして、その強誘電体キャパシタQ2nmの平面視右側には、ビットライン用回路2から縦方向に延びている2つのビットラインBL3m、BL4mが配され、平面視左側には、隣接する第1メモリセル5nm(平面視左側の第1メモリセル5nm)と共通のプレートラインPLmが配され、平面視上下両側には、その隣接する第1メモリセル5nmと共通のワードラインWL1n、WL2nが配されている。
On the other hand, of the two types of
このように、本実施形態にあっては、同じブロックに配されている複数のメモリセル5nm、6nmからなるメモリセル群のうち、隣接する1対のメモリセル群でプレートラインPLmを共通化した。そのため、プレートラインPLmの数を少なくすることができ、プレートラインPLmの配置面積を小さくし、チップ面積を小さくすることができる。
ちなみに、各メモリセルに個別にプレートラインを配した1T1C型のメモリセルにあっては、プレートラインの数が多くなってしまい、プレートラインの配置面積が大きくなり、その結果、チップ面積が大きくなってしまう。また、プレートラインの数が多くなると、プレートラインの配線ピッチが小さい場合、隣接したプレートライン同士のカップリング容量によって、プレートラインのスピードが低下したり、ノイズの伝播経路が増えることによって、メモリセルに保持されているデータが破壊されたりする恐れが生じる。
As described above, in the present embodiment, the plate line PL m is set between a pair of adjacent memory cells among a plurality of
Incidentally, in a 1T1C type memory cell in which a plate line is individually arranged for each memory cell, the number of plate lines is increased, and the arrangement area of the plate lines is increased. As a result, the chip area is increased. End up. In addition, when the number of plate lines increases, when the wiring pitch of the plate lines is small, the coupling capacity between adjacent plate lines decreases the speed of the plate lines or increases the noise propagation path, thereby increasing the memory cell. There is a risk that the data held in the memory will be destroyed.
また、この強誘電体キャパシタQ2nmの一方の電極(以下、上部電極とも呼ぶ。)には、ゲートがワードラインWL2nに接続され且つ一端がプレートラインPLmに接続されたスイッチとしてのNMOS11の他端と、ゲートがワードラインWL1nに接続され且つ一端がビットラインBL3mに接続されたスイッチとしてのNMOS12の他端とが接続されている。また、他方の電極(以下、下部電極とも呼ぶ。)には、ゲートがワードラインWL1nに接続され且つ一端がプレートラインPLmに接続されたスイッチとしてのNMOS13の他端と、ゲートがワードラインWL2nに接続され且つ一端がビットラインBL4mに接続されたスイッチとしてのNMOS14の他端とが接続されている。
Further, one electrode (hereinafter also referred to as an upper electrode) of the ferroelectric capacitor Q2 nm is connected to the NMOS 11 as a switch having a gate connected to the word line WL2 n and one end connected to the plate line PL m . The other end is connected to the other end of the
そして、ワードライン駆動回路4によってワードラインWL1nが駆動され、そのワードラインWL1nにゲートしきい値電圧Vppが印加されると、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS12によって、NMOS12の一端に接続されているビットラインBL3mが他端に接続されている強誘電体キャパシタQ2nmの上部電極に電気的に接続される。また同時に、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS13によって、NMOS13の一端に接続されているプレートラインPLmが、他端に接続されている強誘電体キャパシタQ2nmの下部電極に電気的に接続される。
Then, the word
また同様に、ワードライン駆動回路4によってワードラインWL2nが駆動され、そのワードラインWL2nにゲートしきい値電圧Vppが印加されると、そのワードラインWL2nがゲートに接続されているNMOS14によって、NMOS14の一端に接続されているビットラインBL4mが他端に接続されている強誘電体キャパシタQ2nmの下部電極に接続される。また同時に、そのワードラインWL2nがゲートに接続されているNMOS11によって、NMOS11の一端に接続されているプレートラインPLmが、他端に接続されている強誘電体キャパシタQ2nmの上部電極に電気的に接続される。
Similarly, the word
<書き込み>
次に、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmにデータを書き込む手順を説明する。
まず、任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「1」データを書き込むときには、まずその強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するワードラインWL1nの電位をワードライン駆動回路4でゲートしきい値電圧Vppとする。そして、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS8及び12によって、NMOS8及び12の一端に接続されているビットラインBL1m及びBL3mを他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmの上部電極に電気的に接続させる。また同時に、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS9及び13によって、NMOS9及び13の一端に接続されているプレートラインPLmを、他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmの下部電極に電気的に接続させる。
<Write>
Next, a procedure for writing data to the ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm will be described.
First, when “1” data is written in an arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm , first, the word
次いで、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応する(接続されている)ビットラインBL1m又はBL3mの電位をビットライン用回路2で「0」とし、また、その他のビットラインBL1m及びBL3mの電位を書き込み用電圧Vccの半分値(以下、非選択用電圧とも呼ぶ。)1/2Vccとする。また同時に、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するプレートラインPLmの電位をプレートライン駆動回路3で書き込み用電圧Vccとし、また、その他のプレートラインPLmの電位を非選択用電圧1/2Vccとする。なお、書き込み用電圧Vccは、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmに分極反転を生じさせる抗電圧よりも十分に大きい電圧であり、非選択用電圧1/2Vccは、その分極反転を生じさせる抗電圧よりも十分に小さい電圧である。
Next, the potential of the bit line BL1 m or BL3 m corresponding to (connected to) the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set to “0” in the
そして、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmの上部電極の電位を「0」とし、下部電極の電位を書き込み用電圧Vccとし、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに負の書き込み用電圧−Vccを印加することで、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「1」データを書き込む。これに対して、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するワードラインWL1nや非対応のビットラインBL1m、BL3m、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応する(接続されている)プレートラインPLmが接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmは、正又は負の非選択用電圧1/2Vcc、―1/2Vccしか印可されないので、元の分極の状態が保持される。また、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに非対応のワードラインWL1nが接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmにあっては、両電極間に与えられる電圧が「0」の同電位となって、元の分極の状態が保持される。 Then, the potential of the upper electrode of the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set to “0”, the potential of the lower electrode is set to the writing voltage Vcc, and negative writing is performed on the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm. By applying the use voltage −Vcc, “1” data is written in the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm . On the other hand, it corresponds to the word line WL1 n corresponding to the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm , the non-corresponding bit line BL1 m , BL3 m , and the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm ( ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm which connections are) the plate line PL m is connected, a positive or negative non-select voltage 1 / 2Vcc, since -1 / 2Vcc only be applied, the original polarization State is maintained. Further, the In the any of the ferroelectric capacitors Q1 nm or Q2 nm in the non-corresponding word lines WL1 n ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm that is connected, the voltage applied between the electrodes is " The same electric potential of “0” is maintained and the original polarization state is maintained.
一方、任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「0」データを書き込むときには、まずその強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するワードラインWL1nの電位をワードライン駆動回路4でゲートしきい値電圧Vppとする。そして、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS8及び12によって、NMOS8及び12の一端に接続されているビットラインBL1m及びBL3mを他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmの上部電極に電気的に接続させる。また同時に、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS9及び13によって、NMOS9及び13の一端に接続されているプレートラインPLmを、他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmの下部電極に電気的に接続させる。
On the other hand, any strong when writing "0" data in the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm, the gate of the first potential of the word line WL1 n corresponding to the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm in word
次いで、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応する(接続されている)ビットラインBL1n又はBL3mの電位をビットライン用回路2で書き込み用電圧Vccとし、また、その他のビットラインBL1n及びBL3mの電位を非選択用電圧1/2Vccとする。また同時に、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するプレートラインPLmの電位をプレートライン駆動回路3で「0」とし、また、その他のプレートラインPLmの電位を非選択用電圧1/2Vccとする。
Next, the potential of the bit line BL1 n or BL3 m corresponding to (connected to) the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set as the write voltage Vcc in the
そして、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmの上部電極の電位を書き込み用電圧Vccとし、下部電極の電位を「0」とし、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに正の書き込み用電圧Vccを印加することで、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「0」データを書き込む。これに対して、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するワードラインWL1nや非対応のビットラインBL1m、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応する(接続されている)プレートラインPLmが接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmは、正又は負の非選択用電圧1/2Vcc、―1/2Vccしか印可されないので、元の分極の状態が保持される。また、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに非対応のワードラインWL1nが接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmにあっては、両電極間に与えられる電圧が「0」の同電位となって、元の分極の状態が保持される。 Then, the potential of the upper electrode of the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set as the writing voltage Vcc, the potential of the lower electrode is set to “0”, and positive writing is performed in the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm. By applying the application voltage Vcc, “0” data is written in the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm . On the other hand, the word line WL1 n corresponding to the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm , the non-corresponding bit line BL1 m , corresponding to (connected to) the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm. The ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm to which the plate line PL m is connected are applied with only positive or negative non-selection voltages 1 / 2Vcc and -1 / 2Vcc, so that the original polarization state is maintained. Is done. Further, the In the any of the ferroelectric capacitors Q1 nm or Q2 nm in the non-corresponding word lines WL1 n ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm that is connected, the voltage applied between the electrodes is " The same electric potential of “0” is maintained and the original polarization state is maintained.
<通常の読み出し>
次に、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmからデータを読み出す手順を説明する。
任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmからデータをそのまま読み出すときには、まずその強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するビットラインBL1m又はBL3mの電位をビットライン用回路2で書き込み用電圧Vccとし、また、その他のビットラインBL1m及びBL3mの電位を非選択用電圧1/2Vccとする。また同時に、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するプレートラインPLnの電位をプレートライン駆動回路3で「0」とし、また、その他のプレートラインPLmの電位を非選択用電圧1/2Vccとする。
<Normal reading>
Next, a procedure for reading data from the ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm will be described.
When data is read from an arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm as it is, the potential of the bit line BL1 m or BL3 m corresponding to the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is first written in the
次いで、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するワードラインWL1nの電位をワードライン駆動回路4でゲートしきい値電圧Vppとする。そして、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS8及び12によって、NMOS8及び12の一端に接続されているビットラインBL1m及びBL3mを他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmの上部電極に電気的に接続させる。また同時に、そのワードラインWL1nがゲートに接続されているNMOS9及び13によって、NMOS9及び13の一端に接続されているプレートラインPLmを、他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmの下部電極に電気的に接続させる。
Next, the potential of the word line WL1 n corresponding to the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set to the gate threshold voltage Vpp by the word
そして、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmの上部電極の電位を書き込み用電圧Vccとし、下部電極の電位を「0」とし、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに正の書き込み用電圧Vccを印加することで、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmの電荷移動によってビットラインBL1m又はBL3mをチャージアップさせ、且つ、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「0」データを書き込む。ここで、強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「1」データが保持されていた場合には、分極反転することで比較的大きな電荷移動が生じ、ビットラインBL1m又はBL3mに比較的大きな電位VHがチャージアップされる。また、「0」データが保持されていたときには、分極反転しないので比較的小さな電荷移動しか生ぜず、ビットラインBL1m又はBL3mに比較的小さな電位VLがチャージアップされる。 Then, the potential of the upper electrode of the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set as the writing voltage Vcc, the potential of the lower electrode is set to “0”, and positive writing is performed in the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm. by applying the use voltage Vcc, the ferroelectric capacitor Q1 nm or to charge up the bit line BL1 m or BL3 m by charge transfer Q2 nm, and "0 to the ferroelectric capacitors Q1 nm or Q2 nm "Write the data. Here, when “1” data is held in the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm , a relatively large charge transfer occurs due to the polarization inversion, and the bit line BL1 m or BL3 m is relatively large. The potential VH is charged up. Further, when “0” data is held, since the polarization is not reversed, only a relatively small charge transfer occurs, and a relatively small potential VL is charged to the bit line BL1 m or BL3 m .
次いで、そのチャージアップされた電位が基準電位(VHとVLとの間に設定された電位)よりも大きいか否かを判定する。そして、基準電位よりも大きい場合には、そのビットラインBL1m又はBL3mに接続されているビットライン用回路2のセンスアンプで当該電位を書き込み用電圧Vccまで増幅し、その基準電位よりも小さい場合には当該電位を「0」とする。つまり、強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmから「0」データが読み出された場合には、ビットライン用回路2から書き込み用電圧Vccが出力され、「1」データが読み出された場合には「0」電位が出力される。
Next, it is determined whether or not the charged up potential is higher than a reference potential (a potential set between VH and VL). When the potential is larger than the reference potential, the potential is amplified to the write voltage Vcc by the sense amplifier of the
なお、強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmから「1」データが読み出されたときには、まずその強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するワードラインWL1nの電位をワードライン駆動回路4でゲートしきい値電圧Vppとする。次いで、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するビットラインBL1m又はBL3mの電位をビットライン用回路2で「0」とし、また、その他のビットラインBL1m及びBL3mを非選択用電圧1/2Vccとする。また同時に、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するプレートラインPLmの電位をプレートライン駆動回路3で書き込み用電圧Vccとし、また、その他のプレートラインPLmを非選択用電圧1/2Vccとする。そして、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに負の書き込み用電圧Vccを印可することで、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「1」データを書き込む。
Incidentally, when a "1" data is read from the ferroelectric capacitors Q1 nm or Q2 nm is the first potential of the strong word line WL1 corresponding to the dielectric capacitor Q1 nm or Q2 nm n in word
<反転データの読み出し>
一方、任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmから反転データを読み出すときには、まずその強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するビットラインBL2m又はBL4mの電位をビットライン用回路2で書き込み用電圧Vccとし、また、その他のビットラインBL2m、BL4mの電位を非選択用電圧1/2Vccとする。また同時に、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するプレートラインPLmの電位をプレートライン駆動回路3で「0」とし、また、その他のプレートラインPLmの電位を非選択用電圧1/2Vccとする。
<Reading inverted data>
On the other hand, when reading inverted data from an arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm , first, the potential of the bit line BL2 m or BL4 m corresponding to the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set in the
次いで、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するワードラインWL2nの電位をワードライン駆動回路4でゲートしきい値電圧Vppとする。そして、そのワードラインWL2nがゲートに接続されているNMOS10及び14によって、NMOS10及び14の一端に接続されているビットラインBL2m及びBL4mを他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmの下部電極に電気的に接続させる。また同時に、そのワードラインWL2nがゲートに接続されているNMOS7及び11によって、NMOS7、11の一端に接続されているプレートラインPLmを、他端に接続されている強誘電体キャパシタQ1nm及びQ2nmの上部電極に電気的に接続させる。
Next, the potential of the word line WL2 n corresponding to the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set to the gate threshold voltage Vpp by the word
そして、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmの下部電極の電位を書き込み用電圧Vccとし、上部電極の電位を「0」とし、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに負の書き込み用電圧−Vccを印可することで、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmの電荷移動によってビットラインBL2m又はBL4mをチャージアップさせ、且つ、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「1」データを書き込む。ここで、強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「0」データが保持されていた場合には、分極反転することで比較的大きな電荷移動が生じ、ビットラインBL2m又はBL4mに比較的大きな電位VHがチャージアップされる。また、「1」データが保持されていたときには、分極反転しないので比較的小さな電荷移動しか生ぜず、ビットラインBL2m又はBL4mに比較的小さな電位VLがチャージアップされる。 Then, the potential of the lower electrode of the arbitrary ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm is set as the writing voltage Vcc, the potential of the upper electrode is set to “0”, and negative writing is performed on the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm. By applying the voltage −Vcc, the bit line BL2 m or BL4 m is charged up by the charge transfer of the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm , and the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm has “ 1 ”Write data. Here, when “0” data is held in the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm , a relatively large charge transfer occurs due to the polarization inversion, and the bit line BL2 m or BL4 m is relatively large. The potential VH is charged up. Further, when “1” data is held, since the polarization is not reversed, only a relatively small charge transfer occurs, and a relatively small potential VL is charged to the bit line BL2 m or BL4 m .
次いで、通常の読み出しと同様に、そのチャージアップされた電位が基準電位よりも大きいか否かを判定する。そして、基準電位よりも大きい場合には、そのビットラインBL2m又はBL4mに接続されているビットライン用回路2のセンスアンプで当該電圧を書き込み用電圧Vccまで増幅し、その基準電位よりも小さい場合には当該電圧を「0」とする。つまり、強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2n mから「1」データが読み出された場合には、ビットライン用回路2から書き込み用電圧Vccが出力され、「0」データが読み出された場合には「0」電位が出力される。
Next, as in normal reading, it is determined whether or not the charged-up potential is larger than the reference potential. When the voltage is larger than the reference potential, the voltage is amplified to the write voltage Vcc by the sense amplifier of the
なお、強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmから「0」データが読み出されたときには、まずその強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmに対応するワードラインWL2nの電位をワードライン駆動回路4でゲートしきい値電圧Vppとする。次いで、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するビットラインBL2m又はBL4mの電位をビットライン用回路2で「0」とし、また、その他のビットラインBL2m及びBL4mを非選択用電圧1/2Vccとする。また同時に、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに対応するプレートラインPLmの電位をプレートライン駆動回路3で書き込み用電圧Vccとし、また、その他のプレートラインPLmを非選択用電圧1/2Vccとする。そして、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに正の書き込み用電圧Vccを印可することで、その強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmに「0」データを書き込む。
When “0” data is read from the ferroelectric capacitor Q1 nm or Q2 nm , the word
このように、本実施形態の半導体記憶装置にあっては、任意の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmの上部電極をプレートラインPLmに電気的に接続し、且つ、下部電極をビットラインBL1m〜BL4mに電気的に接続した状態と、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmの下部電極をプレートラインPLmに電気的に接続し、且つ、上部電極をビットラインに電気的に接続した状態と、前記任意の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmの上部電極及び下部電極がプレートラインPLm及びビットラインBL1m〜BL4mのいずれにも接続されていない状態とを選択可能とした。そして、モノクロ画像の黒色部と白色部とを反転させた反転画像をディスプレイ等に表示させる場合、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmに色彩データを保持させたときにビットラインBL1m、BL3mが接続されていた電極にプレートラインPLmを接続し、プレートラインPLmが接続されていた電極にビットラインBL2m、BL4mを接続するようにした。そのため、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmに保持させた色彩データの反転データをそのまま読み出すことができ、その結果、反転データの出力タイミングの遅延を防止することができる。 As described above, in the semiconductor memory device of the present embodiment, the upper electrodes of the arbitrary ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm are electrically connected to the plate line PL m and the lower electrode is connected to the bit line BL1. m to BL4 m , and the lower electrodes of the arbitrary ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm are electrically connected to the plate line PL m , and the upper electrode is electrically connected to the bit line. And a state in which the upper and lower electrodes of the arbitrary ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm are not connected to the plate line PL m and any of the bit lines BL1 m to BL4 m can be selected. It was. When displaying an inverted image obtained by inverting the black and white portions of the monochrome image on a display or the like, the bit lines BL1 m and BL3 m are stored when the color data is held in the ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm. There connect the connected plate line electrode had PL m, the plate line PL m is to be connected to bit lines BL2 m, BL4 m to electrodes is connected. Therefore, the inverted data of the color data held in the ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm can be read as it is, and as a result, the output timing delay of the inverted data can be prevented.
ちなみに、1T1Cや2T2C型のメモリセルをアレイ状に配列して画像用メモリを構成する方法では、モノクロ画像の黒色部と白色部とを反転させた反転画像をディスプレイ等に表示させる場合、強誘電体キャパシタから読み出した色彩データをインバータ等の論理回路で反転させなければならず、その結果、その論理回路での反転動作によって、前記反転画像の出力タイミングが遅くなってしまう。また、1T1C型のメモリセルを2つ用いて色彩データを反転させる方法や、メモリセルから読み出した色彩データを周辺回路で反転させる方法では、メモリセルの面積や周辺回路の面積が大きくなってしまい、チップ面積が大きくなってしまう。 Incidentally, in the method of configuring an image memory by arranging 1T1C or 2T2C type memory cells in an array, when displaying an inverted image obtained by inverting the black and white portions of a monochrome image on a display or the like, ferroelectricity is used. The color data read from the body capacitor must be inverted by a logic circuit such as an inverter. As a result, the output timing of the inverted image is delayed by the inversion operation of the logic circuit. In addition, the method of inverting color data using two 1T1C type memory cells or the method of inverting color data read from a memory cell in a peripheral circuit increases the area of the memory cell and the area of the peripheral circuit. The chip area becomes large.
また、NMOS8、12で、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmの上部電極にビットラインBL1m、BL3mを電気的に接続可能とし、NMOS10、14で、下部電極にビットラインBL2m、BL4mを電気的に接続可能とした。そのため、例えば、同じビットラインBL1m〜BL4mに電気的に接続可能となっている複数の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmがある場合、任意の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmが当該ビットラインBL1m〜BL4mに接続されているときには、その他の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmを当該ビットラインBL1m〜BL4mと異なるビットラインBL1m〜BL4mに接続させることで、複数の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmに同時にアクセスすることができる。
Also, the
また、隣接する第1メモリセル5nmと第2メモリセル6nmとでプレートラインPLmを共通化した。そのため、チップ面積の増大を防止しつつ、それら隣接する第1メモリセル5nmと第2メモリセル6nmとから同時にデータを読み出すことができ、例えば、画像用メモリにシリアルアクセスするときに、アクセス速度を2倍に高速化することができる。
ちなみに、シリアルアクセスメモリ等のキャッシュメモリを持たせることで見かけのアクセス速度を高速化する方法では、アクセス速度を大きくすることができるものの、キャッシュメモリの面積が大きくなってしまい、チップ面積が大きくなってしまう。また、1T1C型のメモリセルのメモリセル容量を2倍とすることで、アクセス速度を高速化する方法では、メモリセルの面積が大きくなってしまい、チップ面積が大きくなってしまう。
In addition, the plate line PL m is shared by the adjacent first memory cell 5 nm and
By the way, in the method of increasing the apparent access speed by providing a cache memory such as a serial access memory, the access speed can be increased, but the area of the cache memory increases and the chip area increases. End up. Further, in the method of increasing the access speed by doubling the memory cell capacity of the 1T1C type memory cell, the area of the memory cell increases and the chip area increases.
以上、図1のNMOS7、10、11、14が特許請求の範囲に記載の第1接続素子を構成し、以下同様に、図1のNMOS8、9、12、13が第2接続素子を構成し、図1の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmの上部電極が第1の電極を構成し、図1の強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmの下部電極が第2の電極を構成し、図1のビットラインBL2m、BL4mが第1のビットラインを構成し、図1のビットラインBL1m、BL3mが第2のビットラインを構成している。
As described above, the
また、上記実施の形態は、本発明のメモリセル及び半導体記憶装置の一例を示したものであり、その構成等を限定するものではない。
例えば、上記実施形態では、隣接する第1メモリセル5nmと第2メモリセル6nmとでプレートラインPLmを共通化する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、同じブロックに配されているメモリセル5nm、6nmからなるメモリセル群のうち、隣接する1対のメモリセル群にプレートラインPL1m、PL2mを個別に設けるようにしてもよい。即ち、図3に示すように、各プレートライン駆動回路3から2本のプレートラインPL1m、PL2mを縦方向に延ばし、その延ばされたプレートラインPL1mに第1メモリセル5nmのNMOS7、9の一端を接続し、プレートラインPL2mに第2メモリセル6nmのNMOS11、13の一端を接続するようにしてもよい。そのようにすれば、各プレートラインPL1m、PL2mには、隣接するメモリセル5nm、6nmのうち、一方のメモリセル5nm又は6nmのNMOS7、9又は11、13だけが接続され、それらNMOS7、9又は11、13のジャンクション容量によるプレートラインPL1m、PL2mの配線負荷をほぼ半分の大きさとすることができ、その結果、書き込み速度や読み出し速度を向上できる。なおその際、カップリング容量の増大を防ぐために、隣接するプレートラインPL1m、PL2mは半導体基板上の異なる層に形成するのが好ましい。
Further, the above embodiment shows an example of the memory cell and the semiconductor memory device of the present invention, and the configuration thereof is not limited.
For example, in the above-described embodiment, the example in which the plate line PL m is shared by the adjacent first memory cell 5 nm and the
また、1つのメモリセル5nm又は6nmに対してビットラインBL1m、BL2m又はBL3m、BL4mを2つ設け、NMOS10、14で強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmの下部電極にビットラインBL2m、BL4mを電気的に接続可能とし、NMOS8、12で強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmの上部電極にビットラインBL1m、BL3mを電気的に接続可能とする例を示したが、これに限られるものではない。例えば、1つのメモリセル5nm又は6nmに対してビットラインBL1m又はBL3mを1つだけ設け、NMOS8、10又は12、14で強誘電体キャパシタQ1nm又はQ2nmの両電極にビットラインBLmを電気的に接続するようにしてもよい。即ち、図4に示すように、各ビットライン駆動回路2から1つのメモリセル5nm、6nmに対して1本のビットラインBL1m、BL3mを縦方向に延ばし、そのビットラインBL1mに第1メモリセル5nmのNMOS8、10の一端を接続し、また、ビットラインBL3mに第2メモリセル6nmのNMOS12、14の一端を接続してもよい。そのようにすれば、ビットラインBLmを選択するための周辺回路等を設ける必要がなく、チップ面積を小さくすることができる。
In addition, two bit lines BL1 m , BL2 m or BL3 m , BL4 m are provided for one
さらに、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmからデータを読み出すときに、上部電極にビットラインBL1m、BL3mを接続し、下部電極にプレートラインPLmを接続した状態とする例を示したが、これに限られるものではない。例えば、その読み出しのたびに、上部電極にプレートラインPLmを接続し且つ下部電極にビットラインBL1m、BL3mを接続した第1の状態と、上部電極にビットラインBL1m、BL3mを接続し且つ下部電極にプレートラインPLmを接続した第2の状態とが交互に選択されるように、BL用回路2、PL駆動回路3及びWL駆動回路4を制御するようにしてもよい。そのようにすれば、例えば、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmから読み出したデータを再書き込みするときに、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmに必ず分極反転を生じさせることができ、分極反転による劣化特性を全ての強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmでほぼ等しくすることができる。
Furthermore, when reading data from the ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm , the bit lines BL1 m and BL3 m are connected to the upper electrode, and the plate line PL m is connected to the lower electrode. However, it is not limited to this. For example, connected to each of the read, the first state of connecting to and lower electrode connected to the plate line PL m to the upper electrode bit lines BL1 m, BL3 m, the bit line BL1 m, BL3 m to the upper electrode and as the second state of connecting the plate line PL m in the lower electrode is alternately selected, and may control the
ちなみに、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmからデータを読み出すときに、常に、上部電極にビットラインBL1m、BL3mを接続し、下部電極にプレートラインPLmを接続する方法では、強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmから読み出したデータを再書き込みするときに、「0」データが読み出された強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmに分極反転させることができない。そのため、分極反転による劣化特性が強誘電体キャパシタQ1nm、Q2nmによって異なってしまい、ビットラインBL1m、BL3mにチャージアップされる電位VH、VLにばらつきが発生するので、センスアンプ等で読み出すときの読み出しマージンを大きく設定しなければならない。 By the way, when reading data from the ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm , the method in which the bit lines BL1 m and BL3 m are always connected to the upper electrode and the plate line PL m is connected to the lower electrode is ferroelectric. capacitors Q1 nm, when rewriting the data read from Q2 nm, "0" ferroelectric capacitor Q1 nm which data is read, it can not be poled in Q2 nm. Therefore, deterioration characteristics due to polarization inversion differ depending on the ferroelectric capacitors Q1 nm and Q2 nm , and variations occur in the potentials VH and VL charged up to the bit lines BL1 m and BL3 m. The read margin must be set large.
また、上記実施形態では、本発明のメモリセルをアレイ状に配列して画像用メモリを構成する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、2進数の加算や減算等を行う機器用のメモリを構成するようにしてもよい。そのようにすれば、反転データ、つまり、1の補数を容易に得ることができるため、2進数の減算を容易に行うことができる。
ちなみに、1T1C型のメモリセルを2つ用いて1の補数を得る方法や、1T1C型のメモリセルから読み出されたデータを周辺回路で反転させて1の補数を得る方法では、メモリセルの面積や周辺回路の面積が大きくなってしまい、その結果、チップ面積が大きくなってしまう。
In the above embodiment, the example in which the memory cell of the present invention is arranged in an array to configure the image memory is shown, but the present invention is not limited to this. For example, a device memory for performing addition or subtraction of binary numbers may be configured. By doing so, inverted data, that is, one's complement can be easily obtained, so that subtraction of binary numbers can be easily performed.
Incidentally, in the method of obtaining a one's complement using two 1T1C type memory cells or the method of obtaining the one's complement by inverting data read from a 1T1C type memory cell in a peripheral circuit, the area of the memory cell As a result, the area of the peripheral circuit increases, and as a result, the chip area increases.
BL1m、BL2m、BL3m、BL4mはビットライン、PLm、PL1m、PL2mはプレートライン、WL1n、WL2nはワードライン、1はメモリセルアレイ、2はビットライン用回路、3はプレートライン駆動回路、4はワードライン駆動回路、5nmは第1メモリセル、6nmは第2メモリセル、7、9、11、13はNMOS(第1接続素子)、8、10、12、14はNMOS(第2接続素子)、Q1nm、Q2nmは強誘電体キャパシタ BL1 m, BL2 m, BL3 m, BL4 m are bit lines, PL m, PL1 m, PL2 m are plate lines, WL1 n, WL2 n are word lines, 1 is a memory cell array, 2 is a bit line circuit, 3 is Plate line drive circuit, 4 is a word line drive circuit, 5 nm is a first memory cell, 6 nm is a second memory cell, 7, 9, 11, and 13 are NMOS (first connection elements), 8, 10, 12, 14 is NMOS (second connection element), Q1 nm, Q2 nm are ferroelectric capacitors
Claims (7)
前記選択手段は、前記強誘電体キャパシタが所定の分極状態を保持することでデータを保持しているときに、前記第1の状態の実現を選択して前記データを読み出す第1の読み出し動作、及び前記第2の状態の実現を選択して前記第1読み出し動作で読み出されるデータの反転データを読み出す第2の読み出し動作を選択可能としたこと
を特徴とするメモリセル。 A first ferroelectric capacitor and a first electrode of the ferroelectric capacitor are electrically connected to the plate line, and a second electrode of the ferroelectric capacitor is electrically connected to the bit line. A first connection element group capable of realizing a state, and the second electrode of the ferroelectric capacitor electrically connected to a plate line, and the first electrode of the ferroelectric capacitor electrically connected to a bit line A second connection element group capable of realizing a second state connected to the first state, realization of the first state, realization of the second state, and the first and second electrodes serving as the plate line and the bit. Selecting means for selecting the realization of a state not connected to any of the lines,
The selecting means selects a realization of the first state and reads the data when the ferroelectric capacitor holds data by holding a predetermined polarization state; And a memory cell, wherein the second read operation for reading the inverted data of the data read in the first read operation by selecting the realization of the second state can be selected.
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