JP4172278B2 - Semiconductor memory device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体記憶装置に関するものであり、特にデータ読み出しの際の参照電位発生技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体加工寸法の微細化に伴い、メモリセルで直接ビット線を駆動するのではなく、小さなメモリセルから生じた微弱な信号を一旦ゲイン用トランジスタとしてのFETのゲートに受けて、そのFETでビット線を駆動するゲイン型の半導体メモリが注目されている。
【0003】
このようなゲイン型メモリはスケーリング性に優れるため、DRAMやFeRAMへの適用が検討されているが、同様の手法はフラッシュメモリや磁気メモリ(MRAM)等他のメモリにも適用可能である。
例えば本出願人は、次の文献において、複数の強誘電体キャパシタをひとつのゲインFETで共有させ、ゲイン回路設置による面積オーバーヘッドの殆ど無い半導体記憶装置を提案している。
【特許文献1】
特開2002−197857
【0004】
このゲイン型メモリとしての半導体記憶装置の例を図9に示す。
メモリユニットMUは、共通ノード電極NEに接続された複数の強誘電体キャパシタC1,C2・・・Cnで構成されている。各キャパシタC,C2・・・Cnは、それぞれ異なるデータを記憶するメモリセルとなる。
ゲイン用トランジスタT1はディプレッション状態のNチャンネルMOS−FETであり、そのゲートは共通ノード電極NEに接続されている。さらにそのソース/ドレインは、一方がVcc、またはグランド等の電源線に、他方がFETによる読出スイッチT2を介してビット線BLに接続されている。
読出スイッチT2のゲートは読出ワード線WLrに接続されている。
また、FETによる書込スイッチT3が設けられ、この書込スイッチT3のゲートは書込ワード線WLwに接続され、ソース/ドレインは、一方が共通ノード電極NEに、他方がビット線BLに接続されている。
【0005】
各キャパシタC1,C2・・・Cnは、それぞれ一端が共通ノード電極NEに接続されている。また各他端は、それぞれプレート線PL1,PL2・・・PLnに接続されている。
【0006】
このようなゲイン型メモリにおいて1つのメモリセルに1ビットを記憶する場合、その読み出しには、データ判定に何らかの参照手段が必要となる。
図10により従来の参照方法の一例を説明する。
【0007】
図10は、図9のようなメモリユニットMUが、ビット線BL方向及びワード線WL方向に複数反復配置されたメモリアレイを示している。
各メモリユニットMU11,MU12・・・は、それぞれ、一例として4つの強誘電体キャパシタC1〜C4を有するものとしている。
【0008】
ワード線WL方向に並ぶ各メモリユニットでは、読出ワード線WLr、書込ワード線WLwが共有される。
例えばメモリユニットMU11、MU12、MU13、MU14では、読出ワード線WLr1が、これら各メモリユニット(MU11〜MU14)の読出スイッチT2のゲートに接続され、また書込ワード線WLw1が各メモリユニット(MU11〜MU14)の書込スイッチT3のゲートに接続される。
各ワード線WLは、図示していないワード線駆動回路により、アクセスするアドレス及び書込/読出の別に応じた電圧印加が行われる。
【0009】
ビット線BL方向に並ぶ各メモリユニットでは、ビット線BLが共有される。
例えばメモリユニットMU11、MU21には、ビット線BL1が、読出スイッチT2、書込スイッチT3を介して接続される。
各ビット線BL(BL1,BL2・・・)は、それぞれセンスアンプ2(2−1、2−2・・・)によって書込時に電圧印加され、また読出時に電位検出される。
【0010】
また図9にも示したように、メモリユニットMU内の各キャパシタC1〜C4は、それぞれプレート線PLに接続される。
例えばメモリユニットMU11、MU12、MU13、MU14では、各キャパシタC1〜C4は、それぞれプレート線PL11〜PL14に接続される。
各プレート線PLには、図示しないプレート線駆動回路によって所定の電圧印加が行われる。
【0011】
また参照電位Vrefを発生する参照電位発生回路1が設けられる。発生される参照電位Vrefは、各センスアンプ2−1、2−2・・・に参照信号として供給される。
センスアンプ2(2−1、2−2・・・)は、読出を行うビット線BLの電位と参照電位Vrefを比較して、読み出された値を判定する回路である。
【0012】
このようなゲイン型メモリにおいては、次のようにデータ読出が行われる。
例えばメモリユニットMU11のキャパシタC1からのデータ読出を行う際は、プレート線PL12〜PL14を0Vに固定した状態でプレート線PL11を駆動する。するとキャパシタC1を構成する強誘電体膜の分極方向に応じた信号がゲイン用トランジスタT1のゲートに印加される。
さらに読出用ワード線WLr1を選択してオンすることで、読出スイッチT2が導通してゲイン用トランジスタT1がビット線BL1と接続される。これによりゲイン用トランジスタT1が、あらかじめVcc電位にイコライズされていたビット線BL1をグランドに向けて駆動する。その駆動能力はゲート電位に依存し、セルキャパシタC1の記憶状態、即ち強誘電体膜の分極方向によって異なるため、記憶状態に応じてビット線電位は異なる状態に推移する。このビット線BL1の電位をセンスアンプ2−1が参照電位Vrefと比較することで、セルキャパシタC1の記憶状態、つまり読出値が「1」であるか「0」であるかを判定することができる。
【0013】
このようなゲイン型メモリでは、選択されたキャパシタは、データ読出時にビット線BLを直接駆動する必要が無い。従って小さなキャパシタでも大きな信号を得ることができ、微細化に適している。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところで通常、図10に示したように参照電位Vrefにはセルアレイ外の参照電位発生回路1により生成された固定電位を使用する。
しかしながらその場合、次の様な問題が発生する。
【0015】
ゲイン用トランジスタT1の閾値は、製造工程の諸要因によってチップ内で数10mV程度の幅の分布をもつ。
さらにウェファー内での異なるチップ間のばらつきを含めるとその幅は100mV程度となり、ウェファー間およびロット間ばらつきも含めれば、その分布幅は200〜300mVに及ぶ。
従ってゲイン用トランジスタT1のビット線BLの駆動能力は大きくばらつくことになり、仮に参照電位Vrefを正確に発生したとしても、読み出しのマージンが大きく劣化する。
【0016】
さらにメモリセルからの信号自体も、チップ内、チップ間、ウェファー間、ロット間でそれぞればらつきがあり、しかも信号レベルには温度依存性もあるので、それぞれが読み出しマージンの劣化要因になる。
さらにアクセスするメモリセルのROWアドレスの違いにより、アクセス対象のメモリユニットMUが変わり、センスアンプ2とゲイン用トランジスタT1の距離が変わると、ビット線抵抗による電圧降下量が変わって、センスアンプ2に入力される電位が変動する。
またメモリセルに用いる記憶素子によっては、その疲労により、信号がアクセス回数依存性を有することがある。さらに書き込み時からの経過時間、即ちデータ保持時間によって、読み出しの信号レベルが変化することがある。これらも全て読み出しマージンの劣化に直結する。
【0017】
以上のように、参照電位Vrefとして固定電位または固定電流を使用する限り、読み出しビット線の電位または電流に生じるさまざまなばらつき要因が、読み出しマージンを大きく劣化させる問題は避けられない。
【0018】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記の各ばらつき要因を有効に相殺するような参照電位または参照電流の発生方式を提案する。
【0019】
このため本発明の半導体記憶装置は、記憶値に応じた読出電位を所定のノードに発生させる1又は複数のメモリセルと、上記ノードに発生した読出電位に基づいて対応するビット線を駆動するゲイン用トランジスタとを有するメモリユニットが、複数のビット線のそれぞれに対応して配置されたメモリアレイとを含む半導体記憶装置において、以下の参照用駆動手段、短絡手段、及び読出値判定手段を備えるようにする。
参照用駆動手段は、上記複数のビット線にそれぞれ対応して設けられるとともに、ゲートノードに発生した電位に基づいて対応するビット線を駆動する上記ゲイン用トランジスタと同サイズのダミートランジスタと、上記メモリセルと同構造とされ、記憶値に応じた電位を上記ゲートノードに発生させる1又は複数のダミーセルとを有する。
短絡手段は、上記複数のビット線のうちで、対とされた2つのビット線に対応してそれぞれ設けられている上記参照用駆動手段のそれぞれの上記ダミートランジスタの上記ゲートノード同士を短絡させる。
読出値判定手段は、対とされた2つのビット線の一方が、上記メモリユニットの上記ゲイン用トランジスタによって駆動され、他方が、上記参照用駆動手段の上記ダミートランジスタによって駆動された際に、当該2つのビット線のそれぞれ流れる両電流、又は当該2つのビット線の両電位を比較することにより上記メモリユニットから読み出されたデータの値を判定する。
【0020】
また上記短絡手段は、上記ダミーセルから読み出された第1の値の信号が与えられる上記ゲートノードと、上記ダミーセルから読み出された第2の値の信号が与えられる上記ゲートノードとを同数または略同数短絡する。
【0025】
即ち以上のような本発明では、まずゲイン用トランジスタの閾値ばらつきによる影響を相殺するため、読み出しセルのゲイン用トランジスタと同サイズのダミートランジスタを近傍等に設け、そのダミートランジスタでビット線(他方のビット線)を駆動する。これによってビット線(他方のビット線)に参照電位または参照電流としての参照信号を発生させ、それと読み出しビット線(一方のビット線)の状態を直接または間接的に比較することで読出値を判定するものである。
具体的にはダミートランジスタを、アクセスするメモリセルに接続されたゲイン用トランジスタと同一または隣接したセルアレイ内に設ける。或いは各メモリユニット内に、ゲイン用トランジスタとダミートランジスタをペアで配置し、近傍に対を成して配置されたメモリユニットがお互いに参照電位を提供しあうようにしても良い。
一般にトランジスタ(FET)の閾値にはロット間、ウェファー間の依存性があり、さらにはウェファー内でも強いチップ間依存性、さらにはチップ内の場所依存性がある。従って同一チップ内の互いに近傍に配置されたFET間では、その閾値差はほとんど生じることが無い。
従ってアクセスされるメモリセルに接続されたゲイン用トランジスタの近傍にダミートランジスタを配置し、それによって参照用とされるビット線を駆動して、そのビット線の電位または電流を読み出し判定の参照に使用すれば、ゲイン用トランジスタの閾値ばらつきの影響を相殺できる。
【0026】
また、さらには、メモリセルからの発生信号のばらつきや温度依存性を相殺するためには、ダミートランジスタのゲートには、メモリセルと同構造のダミーセルからの読み出し信号を与えることが好適である。
さらには、ダミーセルからの信号のばらつきを平準化するため、複数のダミートランジスタのゲートノードを一旦ショートさせ、その後参照用のビット線を駆動する。または複数の第2のビット線の電位または電流を合成して、読み出し判定用の電位または電流を生成する。
特に、一対または複数対のダミートランジスタ、又は参照用ビット線を用い、第1の値(例えば「1」)を書き込んだダミーセルからの信号と、第2の値(例えば「0」)を書き込んだダミーセルからの信号を同数短絡してダミートランジスタのゲートに与えたり、或いは第1の値に応じた第2のビット線電位または電流と、第2の値に応じた他の第2のビット線電位または電流とを同数合成することで、上記平準化を適切に実行できる。
【0027】
さらには、センスアンプ(読出値判定手段)の感知電位についての、メモリセルとセンスアンプ間距離依存性、メモリからの発生信号のデータ保持時間依存性およびアクセス回数依存性を相殺するために、各ロウアドレスごとにダミーセルを配置し、アクセスしたメモリセルのロウアドレスに対応したダミーセルをアクセスし、その読み出し信号をダミートランジスタに与えるようにしてもよい。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体記憶装置としての第1,第2の実施の形態を説明する。
なお、図1〜図5のそれぞれには、強誘電体キャパシタを用いた半導体記憶装置として第1〜第5の実施の形態の構成を示し、図6〜図8には、同様に本発明を採用できる他のメモリセル構造を示す。
各図においては、「WL」を含む符号(例えばWLw1、WLr1等)としてワード線を示し、また同様に、「BL」を含む符号としてビット線を、さらに「PL」を含む符号としてプレート線を示す。
ワード線WL、プレート線PLについては、それらの線を駆動する回路部の図示は省略するが、ワード線WLは図示しないワード線駆動回路によって所定の方式でアクセスするアドレス及び書込/読出の別に応じた電圧印加が行われる。また実施の形態の特徴的な構成としてダミーワード線(dWL)も設けられるが、このダミーワード線dWLもワード線駆動回路によって駆動される。
またプレート線PL(及びダミープレート線dPL)は図示しないプレート線駆動回路によって所定の方式でアクセスするアドレス及び書込/読出の別に応じた電圧印加が行われるものである。
【0029】
<第1の実施の形態>
本実施の形態は強誘電体メモリとしての半導体記憶装置である。図1に構成例を示す。
図1に示すように、メモリユニットMUが、ビット線BL方向及びワード線WL方向に複数反復配置されてメモリアレイを構成する。
各メモリユニットMU11,MU12・・・は、それぞれ、一例として4つの強誘電体キャパシタCを有するものとしている。例えばメモリユニットMU11は、キャパシタC11〜C14を有する。もちろん、1つのメモリユニットMUにおけるキャパシタ数は4つに限られない。特に高集積化を目的とする場合は、より多数のキャパシタが設けられる。
【0030】
各メモリユニットMU内の構成は同様であるため、メモリユニットMU11によりその構成を説明する。
メモリユニットMU11では、複数の強誘電体キャパシタC11〜C14は、それぞれ異なるデータを記憶するメモリセルとなる。そしてこれらのキャパシタC11〜C14の各一端は共通ノード電極NEに接続される。
またそれぞれFETによりゲイン用トランジスタT11、読出スイッチT12,書込スイッチT13が設けられる。
ゲイン用トランジスタT11はディプレッション状態のNチャンネルMOS−FETであり、そのゲートは共通ノード電極NEに接続されている。さらにそのソース/ドレインは、一方がグランド(又はVcc等の電源線)に接続され、他方がFETによる読出スイッチT12を介してビット線BL1に接続されている。
読出スイッチT12のゲートは読出ワード線WLr1に接続されている。
また、FETによる書込スイッチT13のゲートは書込ワード線WLw1に接続され、ソース/ドレインは、一方が共通ノード電極NEに、他方がビット線BL1に接続されている。
各キャパシタC11〜C14は、それぞれの各他端は、それぞれプレート線PL1,PL2,PL3,PL4に接続されている。
【0031】
他のメモリユニットMUも、内部構成は同様であるが、接続されるワード線WL、ビット線BL、プレート線PLが、その配置位置に応じたものとなる。
【0032】
ワード線WL方向に並ぶ各メモリユニットにおいては、交互に、読出ワード線WLr、書込ワード線WLwが共有される。
例えばメモリユニットMU11、MU13では、読出ワード線WLr1が、これら各メモリユニットMU11、MU13の読出スイッチ(T12等)のゲートに接続され、また書込ワード線WLw1が各メモリユニットMU11、MU13の書込スイッチ(T13等)のゲートに接続される。
また例えばメモリユニットMU12、MU14では、読出ワード線WLr2が、各メモリユニットMU12、MU14の読出スイッチ(T22等)のゲートに接続され、また書込ワード線WLw2が各メモリユニットMU12、MU14の書込スイッチ(T23等)のゲートに接続される。
【0033】
ビット線BL方向に並ぶ各メモリユニットでは、ビット線BLが共有される。
例えばメモリユニットMU11、MU21には、ビット線BL1が、読出スイッチT2、書込スイッチT3を介して接続される。
各ビット線BL(BL1,BL2・・・)は、それぞれセンスアンプ2(2−1、2−2・・・)によって書込時に電圧印加され、また読出時に電位検出される。
センスアンプ2は、読出を行うビット線BLの電位と参照信号を比較して、読み出された値を判定する回路である。
【0034】
このようにメモリユニットMUを複数配置したメモリアレイ内には、ワード線方向にダミーユニット行10が設けられる。
このダミーユニット行10には、各ビット線BL1,BL2・・・に対応してダミーユニットdU(dU1,dU2・・・)が形成される。
各ダミーユニットdU内は、上記メモリユニットMU内のゲイン用トランジスタ(T11、T21・・・)と同一の構造とサイズを持つFETによるダミートランジスタdT11、dT21・・・が設けられ、またダミー読出スイッチdT12、dT22・・・が設けられる。
【0035】
ダミートランジスタdT11、dT21・・・の各ゲートは、参照電位線Lrefに接続されている。さらにそのソース/ドレインは、一方がグランド(又はVcc等の電源線)に接続され、他方がFETによるダミー読出スイッチdT12、dT22・・・を介してそれぞれ対応するビット線BL1、BL2・・・に接続されている。
ダミーユニット行10に対しては、一対のダミーワード線dWL1,dWL2が配され、各ダミーユニットが交互に接続される。
例えばダミーユニットdU1,dU3では、ダミー読出スイッチ(dT12等)のゲートはダミーワード線dWL1に接続され、ダミーユニットdU2,dU4では、ダミー読出スイッチ(dT22等)のゲートはダミーワード線dWL2に接続される。
【0036】
また参照電位Vrefを発生する参照電位発生回路1が設けられる。発生される参照電位Vrefは、参照電位線Lrefを介して各ダミーユニットdUのダミートランジスタdT11,dT21・・・のゲートに印加される。
発生される参照電位Vrefは、データ“1”、データ“0”それぞれが保持されたメモリセル(キャパシタC)からノードNEに発生する信号の中間レベルに設定された電位とされる。
【0037】
本例ではこのように、メモリユニットMUが複数配置されたメモリアレイ内に、ダミートランジスタdT11,dT21・・・を有するダミーユニットdUが配されるものとなる。
この場合のデータ読出は次のように行われる。
なお、この例ではメモリアレイ内に複数のセンスアンプ2−1,2−2・・・が並んでいるが、各センスアップ2に対して、一対のメモリユニットMUとダミーユニットdUが選択され、アクセスされる形になる。
【0038】
例えばメモリユニットMU11のキャパシタC11と、メモリユニットMU12のキャパシタC21からデータ読出を行う場合を例に挙げる。
この場合、プレート線PL11が選択されて高レベルに駆動される。すると、キャパシタC11,C21の記憶状態に応じて異なる信号が、各ゲイン用トランジスタT11、T21のゲートにそれぞれ印加される。
【0039】
ここで読出ワード線WLr1とダミーワード線dWL2を同時にオンとすることで、読出スイッチT12及びダミー読出スイッチdT22がオンとなるため、ゲイン用トランジスタT11がビット線BL1を駆動し、またダミートランジスタdT21がビット線BL2を駆動する。従ってビット線BL1には、キャパシタC11のデータに応じた読出電流が流れ、ビット線BL2には参照電位Vrefに基づく参照電流が流れて両者の電位が変動する。
これをセンスアンプ2−1で比較感知することで、メモリセル(キャパシタC11)の記憶値が判定される。
【0040】
続いて両ビット線BL1,BL2をイコライズし、今度は読出ワード線WLr2とダミーワード線dWL1を同時にオンとする。すると読出スイッチT22及びダミー読出スイッチdT12がオンとなるため、ゲイン用トランジスタT21がビット線BL2を駆動し、またダミートランジスタdT11がビット線BL1を駆動する。従ってビット線BL2には、キャパシタC21のデータに応じた読出電流が流れ、ビット線BL1には参照電位Vrefに基づく参照電流が流れて両者の電位が変動する。
これをセンスアンプ2−1で比較感知することで、メモリセル(キャパシタC21)の記憶値が判定される。
【0041】
このように本例の場合、或るビット線BL上のメモリユニットからのデータ読出の場合には、同一のセンスアンプ2に対応する他方のビット線BL上のダミーユニットdUによって参照信号が得られるものである。
ここでゲイン用トランジスタT11、T21・・・と、ダミートランジスタdT11,dT21・・・とは、同一セルアレイ内に存在し、互いに近接した場所にある。このため、それらの閾値の差はチップ間、ウェファー間、ロット間ばらつきの影響を受けず、チップ内ばらつきの影響も極めて小さい。従ってそれらのばらつきがセンスアンプ2による読出値の判定に影響を与えることはほとんどない。つまり、読み出しマージンを劣化させることは殆ど無い。
【0042】
なお、アクセスするメモリユニットMUとダミーユニットdUをできるだけ近接させるべく、同一のセルアレイ内に複数のダミーユニット行10を設け、アクセスユニットに近いダミーユニット行が参照ビット線を駆動するようにしてもよい。
【0043】
<第2の実施の形態>
図2に第2の実施の形態の構成例を示す。
上記第1の実施の形態は、いわゆる折り返しビット線構成をとっているが、この図2の第2の実施の形態は、開放ビット線構成の例とするものである。
【0044】
センスアンプ2−1に対するビット線として、ビット線BL1−1、BL1−2が設けられ、またセンスアンプ2−2に対するビット線として、ビット線BL2−1、BL2−2が設けられる、といったように、一対のビット線BLがセンスアンプ2をはさんで隣接するセルアレイ内に形成される構造である。
【0045】
図示する各メモリユニットMU11、MU12、MU21、MU22は、それぞれビット線BL1−1、BL1−2、BL2−1、BL2−2上に配置されるメモリユニットとしている。
また、各ビット線BL1−1、BL1−2、BL2−1、BL2−2上には、それぞれダミーユニットdU11,dU12,dU21,dU22が設けられる。
各メモリユニットMU内の構成、及びダミーユニットdU内の構成は図1と同様である。
参照電位線Lrefは、各セルアレイに対してそれぞれ参照電位線Lref1,Lref2として設けられ、参照電位発生回路1によって参照電位Vrefが印加される。
【0046】
この構成の場合、読出動作時に、アクセスするメモリユニットMUに対応して参照信号を得るためのダミーユニットdUは、センスアンプ2を挟んで隣接するセルアレイ内に配置されていることになる。
【0047】
例えばメモリユニットMU11のキャパシタC11からデータ読出を行う場合、プレート線PL11が選択されて高レベルに駆動されると、キャパシタC11の記憶状態に応じて異なる信号が、ゲイン用トランジスタT11のゲートに印加される。
ここで読出ワード線WLr1とダミーワード線dWL2を同時にオンとすることで、ゲイン用トランジスタT11がビット線BL1−1を駆動し、またダミートランジスタdT21がビット線BL1−2を駆動する。従ってビット線BL1−1には、キャパシタC11のデータに応じた読出電流が流れ、ビット線BL1−2には参照電位Vrefに基づく参照電流が流れるため、センスアンプ2−1で比較感知することで、キャパシタC11の記憶値が判定される。
【0048】
またメモリユニットMU12のキャパシタC21からデータ読出を行う場合は、
プレート線PL21が高レベルに駆動され、キャパシタC21の記憶状態に応じて異なる信号が、ゲイン用トランジスタT21のゲートに印加される。
ここで読出ワード線WLr2とダミーワード線dWL1を同時にオンとすることで、ゲイン用トランジスタT21がビット線BL1−2を駆動し、またダミートランジスタdT11がビット線BL1−1を駆動する。従ってビット線BL1−2には、キャパシタC21のデータに応じた読出電流が流れ、ビット線BL1−1には参照電位Vrefに基づく参照電流が流れるため、センスアンプ2−1で比較感知することで、キャパシタC21の記憶値が判定される。
この実施の形態によっても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0049】
<第3の実施の形態>
第3の実施の形態の構成を図3に示す。これは、ダミーユニットdUがメモリユニットMU内に設けられた構成例である。
【0050】
上記図1と同様に、例えばセンスアンプ2−1に対応する一対のビット線BL1,BL2において、ビット線BL1上にはメモリユニットMU11、MU21・・・が配置され、ビット線BL2上にはメモリユニットMU12、MU22・・・が配置される。
そして各メモリユニットMU内には、それぞれダミートランジスタ(dT11,dT21等)、及びダミー読出スイッチ(dT12,dT22等)を有して成るダミーユニットdU(dU11,dU12,dU21,dU22)が設けられている。
つまり、メモリユニットMUとダミーユニットdUが1:1で設けられているものである。
各ダミーユニットdUのダミートランジスタ(dT11,dT21等)のゲートには、上述した各実施の形態と同様に、参照電位発生回路1によって参照電位Vrefが供給される。
【0051】
書込ワード線WLw、読出ワード線WLrが、ワード線方向に並んだメモリユニットMUで交互に共用される(ワード線方向に隣接するメモリユニットMU同士は別のワード線WLに接続される)ことは図1と同様であるが、各メモリユニットMU内のダミーユニットdUに対してダミーワード線dWLは設けられず、読出ワード線WLrがダミーワード線として共用される。
例えばメモリユニットMU11のダミー読出スイッチdT12のゲートは、隣接するメモリユニット(例えばMU12)に対応する読出ワード線WLr2が接続され、また、メモリユニットMU12のダミー読出スイッチdT22のゲートは、隣接するメモリユニット(例えばMU11)に対応する読出ワード線WLr1が接続される。
【0052】
このような構成において、例えば一対のビット線上に配された一対のメモリユニット、例えばメモリユニットMU11とMU12は、互いに隣接しているか、または極めて近接した場所に配置されるものとなる。
そしてメモリセルへの読出アクセス時には互いのダミーユニットdUが相互に対応して動作することになる。
【0053】
例えばメモリユニットMU11のキャパシタC11と、メモリユニットMU12のキャパシタC21からデータ読出を行う場合を例に挙げる。
この場合、プレート線PL11が選択されて高レベルに駆動される。すると、キャパシタC11,C21の記憶状態に応じて異なる信号が、各ゲイン用トランジスタT11、T21のゲートにそれぞれ印加される。
【0054】
ここで読出ワード線WLr1をオンとすることで、ゲイン用トランジスタT11がビット線BL1を駆動し、またダミートランジスタdT21がビット線BL2を駆動する。従ってビット線BL1には、キャパシタC11のデータに応じた読出電流が流れ、ビット線BL2には参照電位Vrefに基づく参照電流が流れて両者の電位が変動する。これをセンスアンプ2−1で比較感知することで、メモリセル(キャパシタC11)の記憶値が判定される。
【0055】
続いて両ビット線BL1,BL2をイコライズし、今度は読出ワード線WLr2をオンとする。するとゲイン用トランジスタT21がビット線BL2を駆動し、またダミートランジスタdT11がビット線BL1を駆動する。従ってビット線BL2には、キャパシタC21のデータに応じた読出電流が流れ、ビット線BL1には参照電位Vrefに基づく参照電流が流れて両者の電位が変動する。これをセンスアンプ2−1で比較感知することで、メモリセル(キャパシタC21)の記憶値が判定される。
【0056】
本例では、このように対となったメモリユニットMUが互いに参照電位を提供しあう。そして同時に動作するゲイン用トランジスタとダミートランジスタ(例えばT11とdT21、或いはT21とdT11など)は極めて近接した場所に位置することになり、チップ内ばらつきについてもその影響はほぼ消滅し、その閾値差は10mV以下となる。従ってゲイン用トランジスタ(T11等)の閾値ばらつきが読み出しマージンを劣化させることは無い。
【0057】
<第4の実施の形態>
ところで十分な読出マージンを確保するには、ダミートランジスタdT11,dT21・・・のゲートに印加される参照電圧Vrefの調整も重要である。
強誘電体キャパシタをはじめ、多くのメモリ素子はその読出信号レベルに温度依存性をもつ。またメモリ素子自体の特性がチップ内、チップ間、ウェファー間、ロット間でばらつくので、参照電位発生回路1によって固定電位として参照電位Vrefを供給した場合、上記バラツキが全てマージン劣化につながる。
【0058】
これを考えると、ダミートランジスタdT11,dT21・・・のゲートに印加する参照電圧Vrefも、上記のようなメモリ素子のばらつきを相殺する機能を有することが望ましい。
この対策としては、通常の、ゲイン型メモリではないDRAMやFeRAMに見られるごとく、参照電位Vrefの発生手段として、メモリセルと同構造のダミーセルを使用することが有効である。
即ちダミーセルを使用して参照電位Vrefを発生させれば、参照電位もメモリセルからの読出信号と同様にメモリ素子のチップ間、ウェファー間、ロット間の特性ばらつきや温度依存性を有することになるため、これらが相殺されるためである。
【0059】
しかし検討の結果、ゲイン型メモリとダミーセルを組み合わせる場合、以下の2点に注意する必要があることが明らかとなった。
まずゲイン型メモリでは非常に小さなメモリ素子からの微小信号をゲインFETで増幅する形となるので、ダミーセル自体のチップ内特性ばらつきが重要なマージン劣化要因となる。
【0060】
次に、一般にゲイン型メモリにおいては、メモリセルが駆動する負荷容量は非常に小さいため、メモリセル自体がもつ寄生容量が全体の負荷容量に大きく寄与することになる。従って通常のメモリのように、メモリセルからの信号はメモリセルのサイズにリニアに依存しない。
例えば強誘電体メモリにおいて面積をA、単位面積あたりの分極量をP、単位面積あたりの常誘電成分(セルの寄生容量)をCs、駆動すべき負荷容量をCbとすると、メモリセルから読み出される信号Sは、
S=A・P/(A・Cs+Cb)
である。
【0061】
通常の強誘電体メモリであれば、駆動すべき負荷容量Cbは「A・Cs」に対して十分大きいため、
S=A・P/Cb
と考えることができ、つまり信号Sは面積Aにほぼ比例する。従ってダミーセルの面積を調整することで容易に“1”と“0”の中間信号を生成でき、実製品では殆どその手法が採用されている。しかしゲイン型メモリでは逆にCbが非常に小さいため、
S=A・P/(A・Cs)
となってしまい、つまり信号Sの面積依存性が殆ど無くなってしまう。ここでは簡単な1キャパシタ接続型を例にしたが、上記した実施の形態のように複数キャパシタでメモリユニットを構成しても同様である。即ちゲイン型メモリでは、セル面積を変えて信号レベルを調整するのは非常に困難である。このため、通常のメモリと同様の手法で、メモリセルを利用した参照電位発生を行うことは適切でない。
【0062】
そこで、このような点も考慮した上で、ダミーセルを使用して参照電位Vrefを発生させるようにした第4の実施の形態を図4で説明する。
この図4では、メモリユニットMUとしてはMU11〜MU14のみを示しているが、これらのメモリユニットMU及び図示を省略したメモリユニットMU(例えば図1のメモリユニットMU21〜MU24等)の構成や、各メモリユニットMUとワード線WL、ビット線BL、プレート線PLの接続状態は上述した図1と同様である。
図1の例では、ダミーユニット行10を示したが、このダミーユニット行10に相当する部分として、図4の場合、各ビット線BL1,BL2・・・に対応して図示する構成のダミーユニットdU1,dU2,dU3,dU4・・・が設けられる。
即ち各ダミーユニットdUは、メモリユニットMUのキャパシタCと同サイズのダミーキャパシタdCを有する構成とされる。
【0063】
例えばダミーユニットdU1について説明すると、このダミーユニットdU1には、4つのダミーキャパシタdC11〜dC14を有する。これらがメモリユニットMUのキャパシタCと同サイズのキャパシタとされる。
そしてこれらのダミーキャパシタdC11〜dC14の各一端は共通ノード電極dNEに接続される。
またダミープレート線dPL1〜dPL4が配され、ダミーキャパシタdC11〜dC14の各他端は、それぞれダミープレート線dPL1〜dPL4に接続される。
他のダミーユニットdU2,dU3・・・についても同様に、ダミーキャパシタdCが設けられる。そして各ダミーキャパシタdCは、それぞれ一端が、そのダミーユニットdU内の共通ノード電極dNEに接続され、他端がそれぞれダミープレート線dPL1〜dPL4に接続される。
【0064】
また、各ダミーユニットdU内には、上記メモリユニットMU内のゲイン用トランジスタ(T11、T21・・・)と同一の構造とサイズを持つFETによるダミートランジスタdT11、dT21・・・が設けられ、またダミー読出スイッチdT12、dT22・・・が設けられる。さらにダミー書込スイッチdT13、dT23・・・が設けられる。
【0065】
各ダミーユニットdU内において、各ダミートランジスタdT11、dT21・・・の各ゲートは、共通ノード電極dNEに接続されている。そしてそのソース/ドレインは、一方がグランド(又はVcc等の電源線)に接続され、他方がFETによるダミー読出スイッチdT12、dT22・・・を介してそれぞれ対応するビット線BL1、BL2・・・に接続されている。
【0066】
また、このようなダミーユニットdUが並んだダミーユニット行に対しては、一対のダミー読出ワード線dWLr1,dWLr2、及び一対のダミー書込ワード線dWLw1,dWLw2が配され、それぞれ、各ダミーユニットが交互に接続される。
例えばダミーユニットdU1,dU3では、ダミー読出スイッチ(dT12等)のゲートはダミー読出ワード線dWLr1に接続され、またダミー書込スイッチ(dT13等)のゲートはダミー書込ワード線dWLw1に接続される。
一方、ダミーユニットdU2,dU4では、ダミー読出スイッチ(dT22等)のゲートはダミー読出ワード線dWLr2に接続され、またダミー書込スイッチ(dT23等)のゲートはダミー書込ワード線dWLw2に接続される。
【0067】
また、同一のセンスアンプ2に対応する一対のビット線(例えばビット線BL1とBL2)に配されたダミーユニットdU同士で、各共通ノード電極dNEを短絡させるためのイコライズトランジスタTeqが設けられる。
例えばイコライズトランジスタTeq1は、ビット線BL1とBL2におけるダミーユニットdU1,dU2の各共通ノード電極dNEを短絡させるためのスイッチとなり、またイコライズトランジスタTeq2は、ビット線BL3とBL4におけるダミーユニットdU3,dU4の各共通ノード電極dNEを短絡させるためのスイッチとなる。
各イコライズトランジスタTeqのゲートにはイコライズ制御部11からイコライズ信号dEQが供給される。
【0068】
このように図4の構成では、ダミーユニットdUは、キャパシタサイズを含めてメモリユニットMUと同一の構成を有する。
そして、メモリユニットMUと同じビット線対(同一のセンスアンプ2に対応する一対のビット線)に、イコライズトランジスタTeqで短絡可能なダミーユニット対が接続されているものとなる。
ダミーユニット対、即ちイコライズトランジスタTeqにより接続される2つのダミーユニットでは、互いにダミープレート線dPLを共有するダミーキャパシタ対において、片側にはデータ“0”が、もう片側にはデータ“1”が記憶されている。
例えばダミーユニットdU1とdU2のダミーユニット対では、ダミーキャパシタdC11とdC21は、ダミープレート線dPL1を共有するが、このダミーキャパシタ対(dC11とdC21)の一方が“0”、他方が“1”とされる。
他のダミーキャパシタ対(dC12とdC22、dC13とdC23、dC14とdC24)も同様に、一方が“0”、他方が“1”とされる。
【0069】
このような構成において、例えばメモリユニットMU11のキャパシタC11,及びメモリユニットMU12のキャパシタC21からのデータ読出は次のように行われる。
まずプレート線PL11が選択されて高レベルになることで、キャパシタC11,C21の記憶状態に応じて異なる信号がゲイン用トランジスタT11、T21のゲートにそれぞれ印加される。
このとき同時にダミープレート線dPL1が選択され、ダミーキャパシタdC11,dC21から読み出された信号がダミートランジスタdT11,dT21のゲートにそれぞれ印加される。このとき、ダミートランジスタdT11,dT21の各ゲートに印加される信号の一方は“0”、他方は“1”に相当する信号となる。
【0070】
ここでイコライズ制御部11は、イコライズ制御信号dEQをイコライズトランジスタTeqのゲートに印加する。するとイコライズトランジスタTeq1がオンとされることで、ダミーユニットdU1の共通ノード電極dNEとダミーユニットdU2の共通ノード電極dNEがショートされる。つまりダミートランジスタdT11,dT21の各ゲートノードがショートされることになる。
これによって両ダミートランジスタdT11,dT21のゲートには“0”“1”のセル信号の中間値が印加される。
【0071】
ここで読出ワード線WLr1とダミー読出ワード線dWLr2を同時にオンとすることで、ゲイン用トランジスタT11がビット線BL1を駆動し、またダミートランジスタdT21がビット線BL2を駆動し、それぞれのビット線BL1,BL2に読出電流と参照電流が流れて両者の電位が変動する。これをセンスアンプ2−1で比較感知することで、メモリセル(キャパシタC11)の記憶値が判定される。
【0072】
さらに両ビット線BL1,BL2をイコライズした後、読出ワード線WLr2とダミー読出ワード線dWLr1を同時にオンとすることで、ゲイン用トランジスタT21がビット線BL2を駆動し、またダミートランジスタdT11がビット線BL1を駆動し、それぞれのビット線BL2,BL1に読出電流と参照電流が流れて両者の電位が変動する。これをセンスアンプ2−1で比較感知することで、メモリセル(キャパシタC21)の記憶値が判定される。
【0073】
他のキャパシタ対(キャパシタC12とキャパシタC22、キャパシタC13とキャパシタC23、キャパシタC14とキャパシタC24)においても、それぞれデータが相補的に記憶されたダミーキャパシタ対(ダミーキャパシタdC12とダミーキャパシタdC22、ダミーキャパシタdC13とダミーキャパシタdC23、ダミーキャパシタdC14とダミーキャパシタdC24)を用いて同様の読み出しを行う。
【0074】
このような第4の実施の形態では、ゲイン型メモリにおいて正確に“0”“1”の中間の参照電位を発生させることができる。そして第1〜第3の実施の形態と同様の効果に加え、さらにメモリセル自体の温度依存性や、その特性のチップ内、チップ間、ウェファー間、ロット間でばらつきに起因するマージン劣化も防止できるものとなる。
【0075】
なお、ここでの例では、一対のダミートランジスタ(例えばdT11とdT21)のゲートをショートさせたが、さらに複数対のダミートランジスタのゲートをまとめてショートさせるのが望ましい。即ち”0”が記憶されたダミーキャパシタからの信号を受けたダミートランジスタのゲートと、”1”が記憶されたダミーキャパシタからの信号と受けたダミートランジスタのゲートとを同数または略同数短絡させる。その場合、各ダミートランジスタのゲートに印加される電位の平準化が行われ、ダミーキャパシタdCの特性ばらつきに起因する参照電位自体のばらつきも大幅に低減できる。
【0076】
ところで、ゲイン型メモリではない通常のDRAMやFeRAMにおいては、参照電位Vrefの発生手段としてダミーセルを使用する例が提案されていることは先に述べた。それらでは、ダミーキャパシタの面積の調整により、参照電位Vrefを適値に定めるものである。ところが上述のように、本例のようなゲイン型メモリでは、ダミーキャパシタdCの面積の調整は、参照電位Vrefの発生に対して顕著な優位性がない。つまりゲイン型メモリにおいては、ダミーキャパシタ面積の調整でVrefを適値に定めるのは困難であり、通常のDRAMやFeRAMと同様の手法は適切ではない。
そこで図4の構成例のように、ゲイン型メモリにおいては、“0”“1”合成による参照電位発生方式を採用することが適切であり、これによってスケーリング性に優れるゲイン型メモリの特徴と適切な参照電位生成を両立させ、信頼性の高い超高集積メモリの実現に相乗的な効果をもたらすものである。
【0077】
また、この実施の形態では第1の実施の形態と同様、所謂折り返しビット線構成を例に参照電位の発生手法を述べているが、第2の実施の形態にあるような開放ビット線構成についても同様の手法が有効であることは言うまでもない。
【0078】
またゲイン型メモリにおいて、面積の依存性が微小であることを逆に利用して、ダミーキャパシタdCとしての強誘電体キャパシタ面積を通常のメモリセルとしてのキャパシタCより大きくしておけば、ダミーキャパシタdCのばらつきの影響をさらに低減することが出来る。
【0079】
<第5の実施の形態>
上記第4の実施の形態では、ダミートランジスタのゲートノードをショートさせることで“0”“1”合成を実現した。これはアクセスシーケンスの組み立てが容易な手法であるが、レイアウト的には細密なセルアレイ内にイコライズトランジスタTeqを埋め込む必要があり、その点では不利である。
一方“0”と“1”の参照電位、または参照電流を個別の参照ビット線に発生させ、両者を合成させて中間の参照電位を発生させても同様な効果が得られる。
さらにメモリセルとしてのキャパシタC(及びダミーキャパシタdC)からの読出信号のデータ保持時間や書き換え回数依存性を考慮した、本発明の第5の実施の形態を図5に示す。
【0080】
図5の例では、各メモリユニットMUは、図1や図4と同様にそれぞれワード線方向及びビット線方向に配置されている。
そしてこの例では、一対の参照ビット線dBL1,dBL2を配し、この参照ビット線dBL1,dBL2上に各ダミーユニットdUを配置する。
即ち参照ビット線dBL1上には、ダミーユニットdU11,dU21・・・が配置され、参照ビット線dBL2上には、ダミーユニットdU12,dU22・・・が配置される。
各ダミーユニットdUは、図4の場合と同様の構成となる。例えばダミーユニットdU11では、ダミーキャパシタdC11〜dC14、ダミートランジスタdT11、ダミー読出スイッチdT12、ダミー書込スイッチdT13を有する。
【0081】
各ダミーユニットdUでは、ワード線方向に並ぶメモリユニットMUとワード線WLを共有する。
例えばダミーユニットdU11,dU12では、各ダミー読出スイッチdT12,dT22のゲートには、メモリユニットMU11,MU12,MU13の各読出スイッチ(T12等)のゲートに接続された読出ワード線WLr1が接続される。
また例えばダミーユニットdU11,dU12では、各ダミー書込スイッチdT13,dT23のゲートには、メモリユニットMU11,MU12,MU13の各書込スイッチ(T13等)のゲートに接続された書込ワード線WLw1が接続される。
【0082】
また各ダミーユニットdUでは、ワード線方向に並ぶメモリユニットMUとプレート線PLを共有する。
例えばダミーユニットdU11,dU12では、各ダミーキャパシタdCには、メモリユニットMU11,MU12,MU13の各キャパシタCに対するプレート線PL11,PL12,PL13,PL14が接続される。
【0083】
この場合、ワード線方向に並ぶ2つのダミーユニットdUが、一組のダミーユニット対となる。
そして、ダミーユニット対となる2つのダミーユニットでは、互いにプレート線PLを共有するダミーキャパシタ対において、片側にはデータ“0”が、もう片側にはデータ“1”が記憶されている。
例えばダミーユニットdU11とdU12のダミーユニット対では、ダミーキャパシタdC11とdC21は、プレート線PL11を共有するが、このダミーキャパシタ対(dC11とdC21)の一方が“0”、他方が“1”とされる。
他のダミーキャパシタ対(dC12とdC22、dC13とdC23、dC14とdC24)も同様に、一方が“0”、他方が“1”とされる。
【0084】
また各ダミーキャパシタdCは、メモリユニットMUのキャパシタCとプレート線PLを共有していることから、各ROWアドレスごとにダミーキャパシタ対が設置されており、その片側に“0”、もう片側に“1”が記憶されている状態となっている。
【0085】
一対の参照ビット線dBL1,dBL2は、イコライズトランジスタTeq2によって短絡可能とされる。またイコライズトランジスタTeq1がオンとされることで、参照ビット線dBL1,dBL2の合成信号がセンスアンプ2−1、2−2・・・に供給されるものとなる。
【0086】
このような構成における読出動作を、メモリユニットMU11のキャパシタC11等、プレート線PL11に接続されたキャパシタCからのデータ読出を例に挙げて説明する。
プレート線PL11が選択されて高レベルとされると、そこに接続された各セルキャパシタの記憶状態に応じて異なる信号が対応する各メモリユニットMUのゲイン用トランジスタのゲートにそれぞれ印加される。例えばキャパシタC11からの信号がゲイン用トランジスタT11のゲートに印加される。
このとき同時にダミーキャパシタdC11,dC21から読み出された信号がダミートランジスタdT11,dT21のゲートに印加される。この場合、ダミートランジスタdT11,dT21の各ゲートに印加される信号の一方は“0”に相当する信号で、他方は“1”に相当する信号である。
【0087】
次に読出ワード線WLr1をオンとすることで、各メモリユニットMU11,MU12,MU13の各ゲイン用トランジスタ(T11等)が、それぞれビット線BL1,BL2,BL3を駆動する。さらにダミーユニットdU11,dU12の各ダミートランジスタdT11,dT21が、それぞれ参照ビット線dBL1,dBL2を駆動する。
ここでイコライズ制御部11がイコライズ制御信号dEQによりイコライズトランジスタTeq1,Teq2をオンとして参照ビット線dBL1,dBL2をショートさせれば、両者の電位が合成され、短絡された参照ビット線dBL1,dBL2上に“1”と“0”の中間の参照電位が発生する。また、両者を流れる電流は“1”と“0”の読み出し電流の総和である。
この電位を隣接するセンスアンプ群2−1,2−2,2−3に参照電位として配分する。各センスアンプ2−1,2−2,2−3は各々に接続されたビット線BL1,BL2,BL3の読出電位と、参照ビット線対dBL1,dBL2から配分された参照電位を比較して、読み出し値の判定を行う。
このようにして、例えばキャパシタC11等のメモリセルのデータが、センスアンプ2によって判定される。
【0088】
このような実施の形態でも、第4の実施の形態と同様の効果が得られ、読出マージンを向上させることができる。
そしてさらに、本例によれば、ダミーセル(ダミーキャパシタdC)を各ロウアドレスごとに設置し、アクセスしたメモリセル(キャパシタC)のロウアドレスに対応したダミーセル(ダミーキャパシタdC)を同時にアクセスすることになる。つまり各ダミーキャパシタdCは必ず対応するROWアドレスのキャパシタC行と同時にアクセスされる。従ってデータ保持時間も対応する同一行(同一プレート線PL上)のキャパシタCと同等に設定でき、アクセス回数も同じになる。
さらにセンスアンプ2とゲイン用トランジスタ(T11等)の距離と、センスアンプ2とダミートランジスタ(dT11等)の距離も同じになる。
従って、データ保持依存性、アクセス回数依存性、ビット線の電圧降下が全て相殺され、読出マージンの向上効果は、より顕著なものとなる。
【0089】
尚、ここでは各センスアンプ2−1,2−2・・・に参照信号を電圧として配分したが、電流を1/2にミラーして、参照電流として配分し、各センスアンプ2では、各ビット線BLを流れる電流と参照電流を比較して読出判定を行う構成としても良い。
【0090】
またここでは一対の参照ビット線dBL1,dBL2をショートさせたが、さらに複数対の参照ビット線dBLを一定数のセンスアンプ2おきに等間隔に配置し、それらをまとめてショートさせても良い。即ち”0”データが読み出された参照ビット線の信号と、”1” データが読み出された参照ビット線の信号とを同数または略同数短絡させる。このようにすれば参照電位または電流の平準化が行われ、ダミーキャパシタの特性ばらつきに起因する参照電位または参照電流のばらつきを大幅に低減できる。
【0091】
尚、このようなダミーユニットの配置は、ゲイン型ではない通常の強誘電体メモリにおいては適切とはいえない。
このように参照ビット線dBLから複数のセンスアンプ2に参照電位や電流を配分する場合、配分先のアクセスビット線BLと配分元の参照ビット線dBLとでは配線パタンが大きく異なる。
従ってある程度の負荷容量のアンバランスは避けられない。たとえビット線BLにキャパシタ等を付加してアンバランスを調整したとしても、完全なバランス実現は困難な上、負荷容量の大きい側に値を揃える必要がある。それをメモリセルの微細な信号で直接駆動しようとすると、かえって逆に大きなマージン劣化を生じさせてしまうためである。この傾向は特にDRAMや強誘電体メモリのように、キャパシタからの一定の電荷量でビット線BLに信号を生じさせるケースで顕著である。
一方、本例のようにゲイン用トランジスタでビット線BLを駆動するゲイン型メモリの場合、その駆動能力はメモリセルからの直接駆動よりはるかに高いため、ビット線BLの容量は通常のメモリより大きく設定でき、ビット線容量のアンバランスの影響を相対的に軽減できる。
【0092】
この場合、メモリセルが直接駆動するゲイン用トランジスタ(T11等)のゲートノードの負荷容量よりビット線容量を大きく設定するのが望ましい。
また、容量アンバランスの調整のためビット線BLに適切なMOSキャパシタ等を接続させると、さらに安定した読み出しが可能になる。
【0093】
また、ゲイン用トランジスタのドレイン側を電源に、ソース側をビット線BLに接続すれば、ビット線BLの電位Vbはビット線容量に関らず、
Vb=Vg−Vth
に収束する。VgはゲインFETのゲートに印加される信号レベル、Vthはゲイン用トランジスタの閾値である。
従ってビット線容量のアンバランスの影響を受けにくい。
【0094】
このようにゲイン型メモリでは、ビット線パタンのアンバランスの影響を大幅に低減でき、上述のダミーユニット構成を有効に活用できる。
但しそれでも参照電圧や参照電流の配分をあまりに過剰な数のセンスアンプ2に行うと、配線長等のアンバランスが無視できなくなる。従ってその配分はダミーユニットによる面積的オーバーヘッドとビット線容量のアンバランスのトレードオフを考慮してなされるべきであり、具体的にはセンスアンプ4個〜64個程度おきにダミーユニット対の列、および参照ビット線dBLの対を設けるのが望ましい。
【0095】
また、さらに複数対の参照ビット線dBLの電位または電流を合成するのが望ましい。例えばセルアレイに1024個のセンスアンプ2が並んでいるとすれば、32個おきに参照ビット線対を配置する。そのとき32対の参照ビット線対が挿入されるが、それらを全てショートさせれば合計64本の参照ビット線の電位が合成される。このときダミーキャパシタdCの特性ばらつきに起因する参照電位の変動幅は、単一の参照ビット線を使用するケースに比較して、(1/64)の平方根である(1/8)にまで低減される。従って読出マージン向上に、より有利となる。
【0096】
<本発明を適用できる他のゲイン型メモリの例>
以上の各実施の形態では、メモリセルが強誘電体キャパシタで構成される場合を例にとった。このタイプのゲイン型メモリでは、選択されたセルキャパシタが駆動する負荷容量は自身および非選択強誘電体キャパシタの特性が支配するが、これらは幾分かの弱反転した強誘電成分を含み、その値も温度依存性をもつ。従って第4、第5の実施の形態のように、メモリユニットと同構造のダミーユニットを設け、参照信号発生をダミーキャパシタで行うとともに、その駆動負荷にもダミーキャパシタを用いれば、駆動負荷の温度依存性も相殺できる効果を併せて獲得できる。
【0097】
但し本発明の適用範囲はメモリセルが強誘電体キャパシタで構成されたメモリのみに限るものではなく、微小なメモリセルの発生信号をFET(ゲイン用トランジスタ)のゲートに与え、そのFETでビット線BLを駆動することでデータを読み出すあらゆるゲイン型メモリに適用し得る。
図6〜図8に本発明が適用可能な他のゲイン型メモリの例を示す。なお、各図においては、図9と同様の符号として、ゲイン用トランジスタをT1、読出スイッチをT2,書込スイッチをT3として示している。
【0098】
図6は常誘電体キャパシタC30がメモリセルとなっているDRAMである。キャパシタC30への蓄積電荷の有無で、ゲイン用トランジスタT1のゲートに接続されたノードNEへの入力信号が変化する。
この場合もメモリセル自身の寄生容量が負荷容量に大きな割合を占めるため、サイズの調整で適切な参照電位Vrefを発生させるのは困難である。さらにデータ保持時間により信号レベルが変化する問題も同様に存在する。従って上述した実施の形態と同手法の構成を採り、“1”と“0”を合成して中間の参照信号を得、またはROWアドレスごとにダミーセルを設けることは、非常に有効である。
【0099】
また、ゲイン型のメモリには上述のようにキャパシタによりゲイン用トランジスタのゲートを駆動するタイプの他に、記憶抵抗素子を用いてゲイン用トランジスタのゲートに信号電位を与えるタイプもある。その例を図7に示す。
抵抗素子R1はデータの記憶状態に応じて異なる抵抗値を示すメモリセルである。一方、抵抗素子R2は抵抗値を固定した参照用抵抗素子であり、リニア領域で動作させたMOSトランジスタや、拡散層やポリシリコン層等によって形成されている。
抵抗素子R1、R2の抵抗分割でゲイン用トランジスタT1のゲートに接続されたノードNEへの入力信号Vgが決まる。その値は両者の抵抗値をr1、r2とすると
Vg=Vcc・r1/(r1+r2)
である。
この例では記憶用抵抗素子R1がグランド側に、参照抵抗素子R2がVcc側に接続されているが、両者を入れ替えても良い。
【0100】
抵抗素子R1には例えば磁気ジャンクションを用いることが出来る。磁気ジャンクションはスピン方向を変えてデータを記憶する磁性膜と、スピン方向を固定した磁性膜とでトンネルバリアを挟んだ素子であり、記憶用磁性膜のスピン方向に応じて抵抗値が変化する。それを使用したメモリの例がISSCC(IEEE INTERNATIONAL SOLID-STATE CIRCUITS CONFERENCE)2000の論文番号7.2(R. Scheuerlein著, P.128)および7.3(M. Durlam著,P.130)に記述されている。
【0101】
また、抵抗素子R1には、例えばカルコゲナイド膜抵抗体を用いることもできる。カルコゲナイド膜は結晶状態が多結晶とアモルファス間を推移することでその抵抗率が変わるので、その膜を電極で挟んで抵抗素子とすれば良い。それを使用したメモリの例がISSCC2002の論文番号12.4(M. Gill著, P.202)に記載されている。
【0102】
また、抵抗素子R1には積層ゲートトランジスタや、チッ化膜ゲートトランジスタを用いることもできる。これらのトランジスタはEPROMとして使用されており、記憶状態に応じて閾値が変わることで、その抵抗値が変化する。さらにこれらを直列接続すれば、各々に独立したデータを記憶させることも出来る。
【0103】
このような抵抗型メモリの例においては、参照抵抗素子R2の温度特性とメモリセルである抵抗記憶素子R1の温度特性が異なる問題がある。従ってセルサイズの調整で抵抗値を調整する手法では、広い温度範囲で適切な参照電位Vrefを得るのは困難である。さらにデータ保持時間によりセルの抵抗値が変わり、信号レベルが変化する問題も存在する。従って“1”と“0”を合成して中間の参照信号を得、またはROWアドレスごとにダミーセルを設ける本発明の手法はセルにキャパシタを用いたケースと同様に有効である。
【0104】
また参照用抵抗素子の変わりに定電流源を用いても良い。その例を図8に示す。記憶抵抗素子R1に、定電流源として動作するNチャンネルMOS(T30)が接続されている。そのゲートには定電流源として飽和領域で動作するよう固定した電位が供給されている。このときゲイン用トランジスタT1のゲートに接続されたノードNEに印加される信号Vgは、R1の抵抗値をr1、T1を流れる電流をi1とすると、
Vg=Vcc−(r1・i1)
である。
このようなメモリの場合も、セルの抵抗値のバラツキ等に対応するため、“1”と“0”を合成して中間の参照信号を得、またはROWアドレスごとにダミーセルを設ける本発明の手法は有効である。
【0105】
以上、実施の形態、及び本発明が適用可能なゲイン型メモリの例を説明してきたが、本発明はさらなる応用が考えられる。
例えば、上記実施の形態では、各メモリセルが1ビット、即ち“0”“1”の2値を記憶するケースを想定してきた。しかし本発明は所謂多値を記憶する場合にも同様に適用できる。例えば各セルが2ビットを記憶する場合、ゲイン用トランジスタのゲートにはレベルの低い順に第1から第4の4レベルの信号が与えられることになり、その判定を行う必要が生じる。
この場合もダミーセルとダミートランジスタを使用し、例えば第2の信号と第3の信号の合成から第1の参照電位を発生させ、これを用いてまず読み出しセルが第1、第2の下位グループ、もしくは第3、第4の上位グループのいずれに属するかを判定する。
次に第1の信号と第2の信号の合成から第2の参照電位を、第3の信号と第4の信号の合成から第3の参照電位を発生させる。そして第2の参照電位を用いて下位グループ内でのレベル判別を、第3の参照電位を用いて上位グループ内でのレベル判別をそれぞれ行う。このようにして各セルの読み出し値を一意的に判定することができる。
【0106】
【発明の効果】
以上の説明からわかるように本発明によれば次のような効果が得られる。
一般にゲイン用トランジスタ(FET)の閾値にはロット間、ウェファー間の依存性があり、さらにはウェファー内でも強いチップ間依存性、さらにはチップ内の場所依存性がある。従って同一チップ内の互いに近傍に配置されたFET間では、その閾値差はほとんど生じることが無い。従って本発明のように、アクセスされるメモリセルに接続されたゲイン用トランジスタの近傍等に同サイズのダミートランジスタを配置し、それによって参照用とされる第2のビット線を駆動して、その第2のビット線の電位または電流を読み出し判定の参照信号として使用すれば、ゲイン用トランジスタの閾値ばらつきの影響を相殺することができ、結果として読み出しマージンを大幅に向上できるという効果がある。
【0107】
また、ダミートランジスタにはメモリユニットのメモリセルと同構造のダミーセルから信号を与えることで、メモリ素子のチップ間、ウェファー間、ロット間で生じる特性ばらつきを相殺することができる。さらにメモリセルからの読み出し信号と同様の温度依存性がダミートランジスタのゲート電位に生じることになる。従って温度依存性によるマージン劣化も防止できる。これによっても読み出しマージンを向上できる。
【0108】
また、さらに複数のダミートランジスタのゲートノードを一旦短絡させてから参照用とされるビット線を駆動することで、ダミーセルからの信号のチップ内ばらつきや、ダミートランジスタの残存ばらつき等により生じる参照電位または参照電流側のばらつきを統計的な平準化で低減できる。
同様の効果は複数の第2のビット線の電位または電流を合成して、それを参照信号として用いることでも達成できる。
特に、一対または複数対のダミートランジスタ、又は参照用の複数の第2のビット線を用い、第1の値(例えば「1」)を書き込んだダミーセルからの信号と、第2の値(例えば「0」)を書き込んだダミーセルからの信号を短絡してダミートランジスタのゲートに与えたり、或いは第1の値に応じたビット線電位または電流と、第2の値に応じたビット線電位または電流とを合成することで、正確に第1の値の読み出し時と第2の値の読み出し時の中間の参照信号レベルを発生することができ、上記平準化が適切に実現できる。これによって読み出しマージンを向上できる。
またこのことは、キャパシタサイズを調整して適切な中間信号を発生させるのが困難なゲイン型メモリでは特に有効となる。
またダミーセルの強誘電体キャパシタ面積を通常のメモリセルより大きくしておけば、ダミーキャパシタのばらつきの影響をさらに低減することができる。
【0109】
さらにゲイン用トランジスタのソース側にビット線を接続することで、最終的なビット線の電位は、ゲイン用トランジスタと閾値とそのゲートに加わるセルからの信号電位のみによって規定され、ビット線容量の影響を受けない。従って参照用とされた第2のビット線と読み出し用の第1のビット線とのパターン差によるビット線容量の差異の影響を低減できる。またはビット線容量自体を大きくする、つまりメモリセルが駆動するノードの容量よりビット線容量を大きくすることで、上記パターン差による影響を相対的に軽減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の構成例の説明図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態の構成例の説明図である。
【図3】本発明の第3の実施の形態の構成例の説明図である。
【図4】本発明の第4の実施の形態の構成例の説明図である。
【図5】本発明の第5の実施の形態の構成例の説明図である。
【図6】本発明を採用できるゲイン型メモリの例の説明図である。
【図7】本発明を採用できるゲイン型メモリの例の説明図である。
【図8】本発明を採用できるゲイン型メモリの例の説明図である。
【図9】ゲイン型メモリの構成の説明図である。
【図10】参照電位を用いて読出を行うゲイン型メモリの構成の説明図である。
【符号の説明】
1 参照電位発生回路、2,2−1,2−2・・・ センスアンプ、10 ダミーユニット行、11 イコライズ制御部、MU,MU11,MU12・・・ メモリユニット、WL ワード線、WLw1,WLw2・・・ 書込ワード線、WLr1,WLr2・・・ 読出ワード線、BL,BL1,BL2・・・ ビット線、PL,PL11,PL12・・・ プレート線、T11,T21 ゲイン用トランジスタ、T12,T22 読出スイッチ、T13,T23 書込スイッチ、dT11、dt12 ダミートランジスタ、dU,dU1,dU2 ダミーユニット
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a reference potential generation technique at the time of data reading.
[0002]
[Prior art]
Along with miniaturization of semiconductor processing dimensions, a bit line is not directly driven by a memory cell, but a weak signal generated from a small memory cell is once received by the gate of the FET as a gain transistor, and then the bit line is generated by the FET. Attention has been focused on gain-type semiconductor memories that drive the memory.
[0003]
Since such a gain-type memory has excellent scaling properties, its application to DRAMs and FeRAMs is being studied, but the same technique can be applied to other memories such as flash memory and magnetic memory (MRAM).
For example, in the following document, the present applicant has proposed a semiconductor memory device in which a plurality of ferroelectric capacitors are shared by one gain FET, and there is almost no area overhead due to gain circuit installation.
[Patent Document 1]
JP 2002-197857 A
[0004]
An example of a semiconductor memory device as the gain type memory is shown in FIG.
The memory unit MU is composed of a plurality of ferroelectric capacitors C1, C2,... Cn connected to the common node electrode NE. Each of the capacitors C, C2,... Cn is a memory cell that stores different data.
The gain transistor T1 is a depletion N-channel MOS-FET, and its gate is connected to the common node electrode NE. Further, one of the source / drain is connected to a power supply line such as Vcc or ground, and the other is connected to the bit line BL via a read switch T2 made of FET.
The gate of the read switch T2 is connected to the read word line WLr.
Further, a write switch T3 by FET is provided, the gate of the write switch T3 is connected to the write word line WLw, one of the source / drain is connected to the common node electrode NE, and the other is connected to the bit line BL. ing.
[0005]
Each of the capacitors C1, C2,... Cn has one end connected to the common node electrode NE. The other ends are connected to plate lines PL1, PL2,.
[0006]
When 1 bit is stored in one memory cell in such a gain-type memory, the reading requires some reference means for data determination.
An example of a conventional reference method will be described with reference to FIG.
[0007]
FIG. 10 shows a memory array in which memory units MU as shown in FIG. 9 are repeatedly arranged in the bit line BL direction and the word line WL direction.
Each of the memory units MU11, MU12,... Has four ferroelectric capacitors C1 to C4 as an example.
[0008]
In each memory unit arranged in the word line WL direction, the read word line WLr and the write word line WLw are shared.
For example, in the memory units MU11, MU12, MU13, and MU14, the read word line WLr1 is connected to the gate of the read switch T2 of each of these memory units (MU11 to MU14), and the write word line WLw1 is connected to each memory unit (MU11 to MU11). MU14) is connected to the gate of the write switch T3.
Each word line WL is applied with a voltage according to an address to be accessed and write / read by a word line driving circuit (not shown).
[0009]
The bit lines BL are shared by the memory units arranged in the bit line BL direction.
For example, the bit line BL1 is connected to the memory units MU11 and MU21 via the read switch T2 and the write switch T3.
Each bit line BL (BL1, BL2,...) Is applied with a voltage during writing by the sense amplifier 2 (2-1, 2-2.
[0010]
As also shown in FIG. 9, each of the capacitors C1 to C4 in the memory unit MU is connected to the plate line PL.
For example, in the memory units MU11, MU12, MU13, and MU14, the capacitors C1 to C4 are connected to the plate lines PL11 to PL14, respectively.
A predetermined voltage is applied to each plate line PL by a plate line drive circuit (not shown).
[0011]
A reference potential generating circuit 1 for generating a reference potential Vref is provided. The generated reference potential Vref is supplied as a reference signal to each of the sense amplifiers 2-1, 2-2,.
The sense amplifier 2 (2-1, 2-2,...) Is a circuit that determines the read value by comparing the potential of the bit line BL to be read with the reference potential Vref.
[0012]
In such a gain-type memory, data reading is performed as follows.
For example, when reading data from the capacitor C1 of the memory unit MU11, the plate line PL11 is driven in a state where the plate lines PL12 to PL14 are fixed to 0V. Then, a signal corresponding to the polarization direction of the ferroelectric film constituting the capacitor C1 is applied to the gate of the gain transistor T1.
Further, when the read word line WLr1 is selected and turned on, the read switch T2 becomes conductive and the gain transistor T1 is connected to the bit line BL1. Thereby, the gain transistor T1 drives the bit line BL1 previously equalized to the Vcc potential toward the ground. The driving capability depends on the gate potential, and varies depending on the storage state of the cell capacitor C1, that is, the polarization direction of the ferroelectric film. Therefore, the bit line potential changes depending on the storage state. The sense amplifier 2-1 compares the potential of the bit line BL1 with the reference potential Vref to determine the storage state of the cell capacitor C1, that is, whether the read value is “1” or “0”. it can.
[0013]
In such a gain-type memory, the selected capacitor does not need to directly drive the bit line BL when reading data. Therefore, a large signal can be obtained with a small capacitor, which is suitable for miniaturization.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Normally, as shown in FIG. 10, a fixed potential generated by the reference potential generation circuit 1 outside the cell array is used as the reference potential Vref.
However, in that case, the following problems occur.
[0015]
The threshold value of the gain transistor T1 has a distribution with a width of about several tens of mV in the chip due to various factors in the manufacturing process.
Further, if the variation between different chips in the wafer is included, the width becomes about 100 mV, and if the variation between wafers and lots is included, the distribution width ranges from 200 to 300 mV.
Accordingly, the driving capability of the bit line BL of the gain transistor T1 varies greatly, and even if the reference potential Vref is accurately generated, the read margin is greatly deteriorated.
[0016]
Furthermore, the signal itself from the memory cell also varies within a chip, between chips, between wafers, and between lots, and the signal level also has temperature dependence, and each causes deterioration of the read margin.
Furthermore, if the memory unit MU to be accessed changes due to the difference in the ROW address of the memory cell to be accessed and the distance between the sense amplifier 2 and the gain transistor T1 changes, the amount of voltage drop due to the bit line resistance changes, and the sense amplifier 2 The input potential varies.
Depending on the memory element used for the memory cell, the signal may have access frequency dependency due to fatigue. Furthermore, the read signal level may change depending on the elapsed time from writing, that is, the data holding time. All of these are directly related to deterioration of the read margin.
[0017]
As described above, as long as a fixed potential or a fixed current is used as the reference potential Vref, there is an unavoidable problem that various variation factors generated in the potential or current of the read bit line greatly deteriorate the read margin.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention proposes a method of generating a reference potential or a reference current that effectively cancels each variation factor.
[0019]
  Therefore, the semiconductor memory device of the present invention isA memory unit having one or a plurality of memory cells that generate a read potential corresponding to a stored value at a predetermined node and a gain transistor that drives a corresponding bit line based on the read potential generated at the node; A semiconductor memory device including a memory array arranged corresponding to each of a plurality of bit lines includes the following reference drive means, short-circuit means, and read value determination means.
The reference driving means is provided corresponding to each of the plurality of bit lines, a dummy transistor having the same size as the gain transistor for driving the corresponding bit line based on the potential generated at the gate node, and the memory It has the same structure as the cell, and has one or a plurality of dummy cells that generate a potential corresponding to the stored value at the gate node.
The short-circuit means short-circuits the gate nodes of the dummy transistors of the reference drive means provided corresponding to the two bit lines paired among the plurality of bit lines.
When one of the two bit lines paired is driven by the gain transistor of the memory unit and the other is driven by the dummy transistor of the reference driving means, the read value determining means The value of the data read from the memory unit is determined by comparing both currents flowing through the two bit lines, or both potentials of the two bit lines.
[0020]
In addition, the short-circuit means has the same number of the gate nodes to which the first value signal read from the dummy cell is applied and the gate nodes to which the second value signal read from the dummy cell is applied, or Short-circuit approximately the same number.
[0025]
  That is, in the present invention as described above, in order to cancel the influence of the variation in the threshold value of the gain transistor, a dummy transistor having the same size as that of the gain transistor of the read cell is provided in the vicinity and the bit is set by the dummy transistor.Line (the other bit line)To drive. ThisTWire(The other bit line)Generates a reference signal as a reference potential or reference current and reads it with the read bitLine (one bit line)The read value is determined by directly or indirectly comparing the states.
  Specifically, the dummy transistor is provided in a cell array that is the same as or adjacent to the gain transistor connected to the memory cell to be accessed. Alternatively, a gain transistor and a dummy transistor may be arranged in pairs in each memory unit, and memory units arranged in pairs in the vicinity may provide a reference potential to each other.
  In general, the threshold value of a transistor (FET) has a lot-to-lot and wafer-to-wafer dependency, and also has a strong chip-to-chip dependency in a wafer and also a location dependency in a chip. Accordingly, there is almost no threshold difference between FETs arranged close to each other in the same chip.
  Therefore, a dummy transistor is arranged in the vicinity of the gain transistor connected to the memory cell to be accessed, thereby driving a reference bit line and using the potential or current of the bit line as a reference for reading determination. By doing so, it is possible to cancel the influence of the threshold variation of the gain transistor.
[0026]
Furthermore, in order to cancel the variation in the generated signal from the memory cell and the temperature dependence, it is preferable to apply a read signal from the dummy cell having the same structure as the memory cell to the gate of the dummy transistor.
Further, in order to level the variation in signals from the dummy cells, the gate nodes of the plurality of dummy transistors are once short-circuited, and then the reference bit line is driven. Alternatively, the potentials or currents for the plurality of second bit lines are combined to generate a read determination potential or current.
In particular, a signal from a dummy cell in which a first value (for example, “1”) is written and a second value (for example, “0”) are written using a pair or a plurality of pairs of dummy transistors or reference bit lines. The same number of signals from the dummy cell are short-circuited and applied to the gate of the dummy transistor, or the second bit line potential or current corresponding to the first value and another second bit line potential corresponding to the second value Alternatively, the leveling can be appropriately performed by combining the same number of currents.
[0027]
Further, in order to offset the dependency between the sense potential of the sense amplifier (read value determination means) between the memory cell and the sense amplifier, the dependency on the data retention time of the generated signal from the memory, and the dependency on the number of accesses, A dummy cell may be arranged for each row address, a dummy cell corresponding to the row address of the accessed memory cell may be accessed, and a read signal thereof may be given to the dummy transistor.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The first and second embodiments of the semiconductor memory device of the present invention will be described below.
1 to 5 show the configurations of the first to fifth embodiments as semiconductor memory devices using ferroelectric capacitors, and FIGS. 6 to 8 similarly show the present invention. Fig. 2 shows another memory cell structure that can be adopted.
In each figure, a word line is shown as a code including “WL” (for example, WLw1, WLr1, etc.), and similarly, a bit line is used as a code including “BL”, and a plate line is used as a code including “PL”. Show.
As for the word lines WL and the plate lines PL, the circuit portions for driving these lines are not shown. However, the word lines WL are separately accessed by a word line driving circuit (not shown) by an address and write / read. The corresponding voltage is applied. A dummy word line (dWL) is also provided as a characteristic configuration of the embodiment, and this dummy word line dWL is also driven by a word line driving circuit.
The plate line PL (and the dummy plate line dPL) is applied with a voltage according to an address and a write / read type accessed by a plate line driving circuit (not shown) in a predetermined manner.
[0029]
<First Embodiment>
The present embodiment is a semiconductor memory device as a ferroelectric memory. FIG. 1 shows a configuration example.
As shown in FIG. 1, a plurality of memory units MU are repeatedly arranged in the bit line BL direction and the word line WL direction to form a memory array.
Each of the memory units MU11, MU12,... Has four ferroelectric capacitors C as an example. For example, the memory unit MU11 includes capacitors C11 to C14. Of course, the number of capacitors in one memory unit MU is not limited to four. In particular, when the purpose is high integration, a larger number of capacitors are provided.
[0030]
Since the configuration in each memory unit MU is the same, the configuration will be described using the memory unit MU11.
In the memory unit MU11, the plurality of ferroelectric capacitors C11 to C14 are memory cells that store different data. One end of each of the capacitors C11 to C14 is connected to the common node electrode NE.
Further, a gain transistor T11, a read switch T12, and a write switch T13 are provided by FETs.
The gain transistor T11 is an N-channel MOS-FET in a depletion state, and its gate is connected to the common node electrode NE. Further, one of the sources / drains is connected to the ground (or a power supply line such as Vcc), and the other is connected to the bit line BL1 via the read switch T12 made of FET.
The gate of the read switch T12 is connected to the read word line WLr1.
The gate of the FET write switch T13 is connected to the write word line WLw1, and one of the source / drain is connected to the common node electrode NE and the other is connected to the bit line BL1.
The other ends of the capacitors C11 to C14 are connected to plate lines PL1, PL2, PL3, and PL4, respectively.
[0031]
The other memory units MU have the same internal configuration, but the word lines WL, bit lines BL, and plate lines PL to be connected are in accordance with their arrangement positions.
[0032]
In each memory unit arranged in the word line WL direction, the read word line WLr and the write word line WLw are alternately shared.
For example, in the memory units MU11 and MU13, the read word line WLr1 is connected to the gates of the read switches (T12 and the like) of the memory units MU11 and MU13, and the write word line WLw1 is written to the memory units MU11 and MU13. Connected to the gate of a switch (T13 etc.).
Further, for example, in the memory units MU12 and MU14, the read word line WLr2 is connected to the gate of the read switch (such as T22) of each memory unit MU12 and MU14, and the write word line WLw2 is written to each memory unit MU12 and MU14. Connected to the gate of a switch (T23, etc.).
[0033]
The bit lines BL are shared by the memory units arranged in the bit line BL direction.
For example, the bit line BL1 is connected to the memory units MU11 and MU21 via the read switch T2 and the write switch T3.
Each bit line BL (BL1, BL2,...) Is applied with a voltage during writing by the sense amplifier 2 (2-1, 2-2.
The sense amplifier 2 is a circuit that determines the read value by comparing the potential of the bit line BL to be read with a reference signal.
[0034]
In the memory array in which a plurality of memory units MU are arranged in this manner, dummy unit rows 10 are provided in the word line direction.
In the dummy unit row 10, dummy units dU (dU1, dU2,...) Are formed corresponding to the bit lines BL1, BL2,.
Each dummy unit dU is provided with dummy transistors dT11, dT21... By FETs having the same structure and size as the gain transistors (T11, T21...) In the memory unit MU, and dummy read switches. dT12, dT22... are provided.
[0035]
Each gate of the dummy transistors dT11, dT21... Is connected to the reference potential line Lref. Further, one of the source / drains is connected to the ground (or a power supply line such as Vcc), and the other is connected to the corresponding bit lines BL1, BL2,... Via the dummy read switches dT12, dT22. It is connected.
A pair of dummy word lines dWL1 and dWL2 are arranged for the dummy unit row 10, and the respective dummy units are connected alternately.
For example, in the dummy units dU1 and dU3, the gate of the dummy read switch (dT12, etc.) is connected to the dummy word line dWL1, and in the dummy units dU2, dU4, the gate of the dummy read switch (dT22, etc.) is connected to the dummy word line dWL2. The
[0036]
A reference potential generating circuit 1 for generating a reference potential Vref is provided. The generated reference potential Vref is applied to the gates of the dummy transistors dT11, dT21,... Of each dummy unit dU via the reference potential line Lref.
The generated reference potential Vref is set to a potential set to an intermediate level of a signal generated from the memory cell (capacitor C) holding data “1” and data “0” to the node NE.
[0037]
In this example, dummy units dU having dummy transistors dT11, dT21,... Are arranged in a memory array in which a plurality of memory units MU are arranged in this way.
Data reading in this case is performed as follows.
In this example, a plurality of sense amplifiers 2-1, 2-2,... Are arranged in the memory array, but for each sense-up 2, a pair of memory units MU and a dummy unit dU are selected. Accessed form.
[0038]
For example, a case where data is read from the capacitor C11 of the memory unit MU11 and the capacitor C21 of the memory unit MU12 is taken as an example.
In this case, the plate line PL11 is selected and driven to a high level. Then, different signals depending on the storage states of the capacitors C11 and C21 are applied to the gates of the gain transistors T11 and T21, respectively.
[0039]
Here, since the read switch T12 and the dummy read switch dT22 are turned on by simultaneously turning on the read word line WLr1 and the dummy word line dWL2, the gain transistor T11 drives the bit line BL1, and the dummy transistor dT21 is turned on. The bit line BL2 is driven. Accordingly, a read current corresponding to the data of the capacitor C11 flows through the bit line BL1, and a reference current based on the reference potential Vref flows through the bit line BL2, and the potentials of both vary.
By comparing and sensing this with the sense amplifier 2-1, the stored value of the memory cell (capacitor C11) is determined.
[0040]
Subsequently, both bit lines BL1 and BL2 are equalized, and this time the read word line WLr2 and the dummy word line dWL1 are turned on simultaneously. Then, since the read switch T22 and the dummy read switch dT12 are turned on, the gain transistor T21 drives the bit line BL2, and the dummy transistor dT11 drives the bit line BL1. Accordingly, a read current corresponding to the data of the capacitor C21 flows through the bit line BL2, and a reference current based on the reference potential Vref flows through the bit line BL1, and the potentials of both vary.
By comparing and sensing this with the sense amplifier 2-1, the stored value of the memory cell (capacitor C21) is determined.
[0041]
Thus, in the case of this example, in the case of reading data from a memory unit on a certain bit line BL, the reference signal is obtained by the dummy unit dU on the other bit line BL corresponding to the same sense amplifier 2. Is.
Here, the gain transistors T11, T21... And the dummy transistors dT11, dT21... Exist in the same cell array and are close to each other. For this reason, the difference between the threshold values is not affected by variations among chips, wafers, and lots, and the influence of variations within a chip is extremely small. Therefore, these variations hardly affect the determination of the read value by the sense amplifier 2. That is, there is almost no deterioration in the read margin.
[0042]
In order to make the memory unit MU to be accessed and the dummy unit dU as close as possible, a plurality of dummy unit rows 10 may be provided in the same cell array, and the dummy unit row close to the access unit may drive the reference bit line. .
[0043]
<Second Embodiment>
FIG. 2 shows a configuration example of the second embodiment.
The first embodiment has a so-called folded bit line configuration, but the second embodiment in FIG. 2 is an example of an open bit line configuration.
[0044]
Bit lines BL1-1 and BL1-2 are provided as bit lines for the sense amplifier 2-1, and bit lines BL2-1 and BL2-2 are provided as bit lines for the sense amplifier 2-2. In this structure, a pair of bit lines BL are formed in an adjacent cell array across the sense amplifier 2.
[0045]
The illustrated memory units MU11, MU12, MU21, and MU22 are memory units disposed on the bit lines BL1-1, BL1-2, BL2-1, and BL2-2, respectively.
Also, dummy units dU11, dU12, dU21, and dU22 are provided on the bit lines BL1-1, BL1-2, BL2-1, and BL2-2, respectively.
The configuration in each memory unit MU and the configuration in the dummy unit dU are the same as those in FIG.
The reference potential line Lref is provided as reference potential lines Lref1 and Lref2 for each cell array, and the reference potential generation circuit 1 applies the reference potential Vref.
[0046]
In the case of this configuration, the dummy unit dU for obtaining the reference signal corresponding to the memory unit MU to be accessed during the read operation is arranged in the adjacent cell array with the sense amplifier 2 interposed therebetween.
[0047]
For example, when data is read from the capacitor C11 of the memory unit MU11, when the plate line PL11 is selected and driven to a high level, a different signal is applied to the gate of the gain transistor T11 depending on the storage state of the capacitor C11. The
Here, the read word line WLr1 and the dummy word line dWL2 are simultaneously turned on, whereby the gain transistor T11 drives the bit line BL1-1 and the dummy transistor dT21 drives the bit line BL1-2. Accordingly, since a read current corresponding to the data of the capacitor C11 flows through the bit line BL1-1 and a reference current based on the reference potential Vref flows through the bit line BL1-2, the sense amplifier 2-1 performs comparison and sensing. The stored value of the capacitor C11 is determined.
[0048]
When reading data from the capacitor C21 of the memory unit MU12,
The plate line PL21 is driven to a high level, and a signal that varies depending on the storage state of the capacitor C21 is applied to the gate of the gain transistor T21.
Here, when the read word line WLr2 and the dummy word line dWL1 are turned on simultaneously, the gain transistor T21 drives the bit line BL1-2, and the dummy transistor dT11 drives the bit line BL1-1. Accordingly, since a read current corresponding to the data of the capacitor C21 flows through the bit line BL1-2 and a reference current based on the reference potential Vref flows through the bit line BL1-1, the sense amplifier 2-1 performs comparison and sensing. Then, the stored value of the capacitor C21 is determined.
According to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
[0049]
<Third Embodiment>
The configuration of the third embodiment is shown in FIG. This is a configuration example in which the dummy unit dU is provided in the memory unit MU.
[0050]
As in FIG. 1, for example, in a pair of bit lines BL1, BL2 corresponding to the sense amplifier 2-1, memory units MU11, MU21,... Are arranged on the bit line BL1, and a memory is provided on the bit line BL2. Units MU12, MU22,... Are arranged.
In each memory unit MU, a dummy unit dU (dU11, dU12, dU21, dU22) having a dummy transistor (dT11, dT21, etc.) and a dummy read switch (dT12, dT22, etc.) is provided. Yes.
That is, the memory unit MU and the dummy unit dU are provided at 1: 1.
The reference potential generation circuit 1 supplies the reference potential Vref to the gates of the dummy transistors (dT11, dT21, etc.) of each dummy unit dU, as in the above-described embodiments.
[0051]
Write word line WLw and read word line WLr are alternately shared by memory units MU arranged in the word line direction (memory units MU adjacent in the word line direction are connected to another word line WL). Is similar to FIG. 1, but the dummy word line dWL is not provided for the dummy unit dU in each memory unit MU, and the read word line WLr is shared as a dummy word line.
For example, the gate of the dummy read switch dT12 of the memory unit MU11 is connected to the read word line WLr2 corresponding to the adjacent memory unit (for example, MU12), and the gate of the dummy read switch dT22 of the memory unit MU12 is connected to the adjacent memory unit. Read word line WLr1 corresponding to (for example, MU11) is connected.
[0052]
In such a configuration, for example, a pair of memory units arranged on a pair of bit lines, for example, the memory units MU11 and MU12, are arranged adjacent to each other or in extremely close proximity to each other.
Then, at the time of read access to the memory cell, the dummy units dU operate in correspondence with each other.
[0053]
For example, a case where data is read from the capacitor C11 of the memory unit MU11 and the capacitor C21 of the memory unit MU12 is taken as an example.
In this case, the plate line PL11 is selected and driven to a high level. Then, different signals depending on the storage states of the capacitors C11 and C21 are applied to the gates of the gain transistors T11 and T21, respectively.
[0054]
When the read word line WLr1 is turned on, the gain transistor T11 drives the bit line BL1, and the dummy transistor dT21 drives the bit line BL2. Accordingly, a read current corresponding to the data of the capacitor C11 flows through the bit line BL1, and a reference current based on the reference potential Vref flows through the bit line BL2, and the potentials of both vary. By comparing and sensing this with the sense amplifier 2-1, the stored value of the memory cell (capacitor C11) is determined.
[0055]
Subsequently, both bit lines BL1 and BL2 are equalized, and this time the read word line WLr2 is turned on. Then, the gain transistor T21 drives the bit line BL2, and the dummy transistor dT11 drives the bit line BL1. Accordingly, a read current corresponding to the data of the capacitor C21 flows through the bit line BL2, and a reference current based on the reference potential Vref flows through the bit line BL1, and the potentials of both vary. By comparing and sensing this with the sense amplifier 2-1, the stored value of the memory cell (capacitor C21) is determined.
[0056]
In this example, the memory units MU paired in this way provide a reference potential to each other. The gain transistor and the dummy transistor (for example, T11 and dT21, or T21 and dT11, etc.) operating at the same time are located in close proximity to each other. 10 mV or less. Accordingly, the threshold variation of the gain transistor (T11 or the like) does not deteriorate the read margin.
[0057]
<Fourth embodiment>
In order to secure a sufficient read margin, it is also important to adjust the reference voltage Vref applied to the gates of the dummy transistors dT11, dT21.
Many memory devices, including ferroelectric capacitors, have temperature dependence on their read signal levels. In addition, since the characteristics of the memory element itself vary within a chip, between chips, between wafers, and between lots, when the reference potential Vref is supplied as a fixed potential by the reference potential generation circuit 1, all of the above variations lead to margin degradation.
[0058]
Considering this, it is desirable that the reference voltage Vref applied to the gates of the dummy transistors dT11, dT21...
As a countermeasure, it is effective to use a dummy cell having the same structure as the memory cell as means for generating the reference potential Vref as seen in a DRAM or FeRAM which is not a gain type memory.
That is, if the reference potential Vref is generated using a dummy cell, the reference potential also has characteristic variations and temperature dependence between memory chips, wafers, and lots as in the case of a read signal from the memory cell. Therefore, these are offset.
[0059]
However, as a result of examination, it has become clear that the following two points need to be noted when combining a gain-type memory and a dummy cell.
First, in a gain type memory, a minute signal from a very small memory element is amplified by a gain FET, and therefore, variation in the characteristics of the dummy cell itself on the chip becomes an important margin deterioration factor.
[0060]
Next, in general, in a gain type memory, the load capacity driven by the memory cell is very small, so that the parasitic capacity of the memory cell itself greatly contributes to the overall load capacity. Therefore, like a normal memory, the signal from the memory cell does not depend linearly on the size of the memory cell.
For example, in a ferroelectric memory, when the area is A, the polarization amount per unit area is P, the paraelectric component (parasitic capacitance of the cell) per unit area is Cs, and the load capacity to be driven is Cb, the data is read from the memory cell. Signal S is
S = A · P / (A · Cs + Cb)
It is.
[0061]
In a normal ferroelectric memory, the load capacity Cb to be driven is sufficiently large with respect to “A · Cs”.
S = A · P / Cb
That is, the signal S is approximately proportional to the area A. Therefore, an intermediate signal of “1” and “0” can be easily generated by adjusting the area of the dummy cell, and the method is almost adopted in actual products. However, on the contrary, Cb is very small in gain type memory.
S = A · P / (A · Cs)
That is, the area dependence of the signal S is almost eliminated. Here, a simple one-capacitor connection type is taken as an example, but the same applies even if the memory unit is configured with a plurality of capacitors as in the above-described embodiment. That is, in the gain type memory, it is very difficult to adjust the signal level by changing the cell area. For this reason, it is not appropriate to generate a reference potential using a memory cell in the same manner as a normal memory.
[0062]
In view of this point, a fourth embodiment in which a dummy cell is used to generate the reference potential Vref will be described with reference to FIG.
In FIG. 4, only MU11 to MU14 are shown as the memory units MU. However, the configuration of these memory units MU and the memory units MU (not shown) (for example, the memory units MU21 to MU24 in FIG. 1), The connection state of the memory unit MU and the word lines WL, bit lines BL, and plate lines PL is the same as that in FIG.
In the example of FIG. 1, the dummy unit row 10 is shown. As a portion corresponding to the dummy unit row 10, in the case of FIG. dU1, dU2, dU3, dU4... are provided.
That is, each dummy unit dU includes a dummy capacitor dC having the same size as the capacitor C of the memory unit MU.
[0063]
For example, the dummy unit dU1 will be described. The dummy unit dU1 has four dummy capacitors dC11 to dC14. These are capacitors of the same size as the capacitor C of the memory unit MU.
One end of each of the dummy capacitors dC11 to dC14 is connected to the common node electrode dNE.
Dummy plate lines dPL1 to dPL4 are arranged, and the other ends of the dummy capacitors dC11 to dC14 are connected to the dummy plate lines dPL1 to dPL4, respectively.
Similarly, dummy capacitors dC are provided for the other dummy units dU2, dU3,. Each dummy capacitor dC has one end connected to the common node electrode dNE in the dummy unit dU and the other end connected to the dummy plate lines dPL1 to dPL4.
[0064]
In each dummy unit dU, dummy transistors dT11, dT21... Are formed of FETs having the same structure and size as the gain transistors (T11, T21...) In the memory unit MU. Dummy read switches dT12, dT22,... Are provided. Further, dummy write switches dT13, dT23... Are provided.
[0065]
In each dummy unit dU, the gates of the dummy transistors dT11, dT21,... Are connected to the common node electrode dNE. One of the sources / drains is connected to the ground (or a power supply line such as Vcc), and the other is connected to the corresponding bit lines BL1, BL2,... Via the dummy read switches dT12, dT22. It is connected.
[0066]
A pair of dummy read word lines dWLr1 and dWLr2 and a pair of dummy write word lines dWLw1 and dWLw2 are arranged for the dummy unit row in which such dummy units dU are arranged. Connected alternately.
For example, in the dummy units dU1, dU3, the gate of the dummy read switch (dT12, etc.) is connected to the dummy read word line dWLr1, and the gate of the dummy write switch (dT13, etc.) is connected to the dummy write word line dWLw1.
On the other hand, in dummy units dU2 and dU4, the gate of the dummy read switch (dT22, etc.) is connected to dummy read word line dWLr2, and the gate of the dummy write switch (dT23, etc.) is connected to dummy write word line dWLw2. .
[0067]
Further, an equalize transistor Teq for short-circuiting each common node electrode dNE is provided between dummy units dU arranged on a pair of bit lines (for example, bit lines BL1 and BL2) corresponding to the same sense amplifier 2.
For example, the equalizing transistor Teq1 serves as a switch for short-circuiting the common node electrodes dNE of the dummy units dU1 and dU2 in the bit lines BL1 and BL2, and the equalizing transistor Teq2 is used for each of the dummy units dU3 and dU4 in the bit lines BL3 and BL4. It becomes a switch for short-circuiting the common node electrode dNE.
An equalize signal dEQ is supplied from the equalization control unit 11 to the gate of each equalize transistor Teq.
[0068]
As described above, in the configuration of FIG. 4, the dummy unit dU has the same configuration as the memory unit MU including the capacitor size.
A dummy unit pair that can be short-circuited by the equalizing transistor Teq is connected to the same bit line pair as the memory unit MU (a pair of bit lines corresponding to the same sense amplifier 2).
In the dummy unit pair, that is, two dummy units connected by the equalizing transistor Teq, in the dummy capacitor pair sharing the dummy plate line dPL, data “0” is stored on one side and data “1” is stored on the other side. Has been.
For example, in the dummy unit pair of the dummy units dU1 and dU2, the dummy capacitors dC11 and dC21 share the dummy plate line dPL1, but one of the dummy capacitor pair (dC11 and dC21) is “0” and the other is “1”. Is done.
Similarly, the other dummy capacitor pairs (dC12 and dC22, dC13 and dC23, dC14 and dC24) are set to "0" and the other to "1".
[0069]
In such a configuration, for example, data reading from the capacitor C11 of the memory unit MU11 and the capacitor C21 of the memory unit MU12 is performed as follows.
First, when the plate line PL11 is selected and becomes high level, different signals are applied to the gates of the gain transistors T11 and T21 depending on the storage states of the capacitors C11 and C21.
At the same time, the dummy plate line dPL1 is selected, and signals read from the dummy capacitors dC11 and dC21 are applied to the gates of the dummy transistors dT11 and dT21, respectively. At this time, one of the signals applied to the gates of the dummy transistors dT11 and dT21 is a signal corresponding to “0” and the other is a signal corresponding to “1”.
[0070]
Here, the equalization control unit 11 applies the equalization control signal dEQ to the gate of the equalization transistor Teq. Then, the equalizing transistor Teq1 is turned on, so that the common node electrode dNE of the dummy unit dU1 and the common node electrode dNE of the dummy unit dU2 are short-circuited. That is, the gate nodes of the dummy transistors dT11 and dT21 are short-circuited.
As a result, an intermediate value of the cell signals “0” and “1” is applied to the gates of both dummy transistors dT11 and dT21.
[0071]
Here, by turning on the read word line WLr1 and the dummy read word line dWLr2 at the same time, the gain transistor T11 drives the bit line BL1, and the dummy transistor dT21 drives the bit line BL2, and each bit line BL1, A read current and a reference current flow through BL2, and both potentials fluctuate. By comparing and sensing this with the sense amplifier 2-1, the stored value of the memory cell (capacitor C11) is determined.
[0072]
Further, after equalizing both the bit lines BL1 and BL2, the read word line WLr2 and the dummy read word line dWLr1 are simultaneously turned on, whereby the gain transistor T21 drives the bit line BL2, and the dummy transistor dT11 is driven by the bit line BL1. And the read current and the reference current flow through the respective bit lines BL2 and BL1, and the potentials of both of them change. By comparing and sensing this with the sense amplifier 2-1, the stored value of the memory cell (capacitor C21) is determined.
[0073]
In other capacitor pairs (capacitor C12 and capacitor C22, capacitor C13 and capacitor C23, capacitor C14 and capacitor C24), dummy capacitor pairs (dummy capacitor dC12 and dummy capacitor dC22, dummy capacitor dC13) in which data are complementarily stored, respectively. And dummy capacitor dC23, dummy capacitor dC14, and dummy capacitor dC24).
[0074]
In the fourth embodiment, an intermediate reference potential between “0” and “1” can be accurately generated in the gain memory. In addition to the same effects as those of the first to third embodiments, the temperature dependency of the memory cell itself and the marginal deterioration due to the variation of the characteristics within the chip, between chips, between wafers, and between lots are also prevented. It will be possible.
[0075]
In this example, the gates of a pair of dummy transistors (for example, dT11 and dT21) are short-circuited, but it is desirable to further short-circuit the gates of a plurality of pairs of dummy transistors. That is, the gate of the dummy transistor receiving the signal from the dummy capacitor storing “0” and the signal from the dummy capacitor storing “1” and the gate of the received dummy transistor are short-circuited. In this case, the potential applied to the gates of the dummy transistors is leveled, and variations in the reference potential due to variations in the characteristics of the dummy capacitors dC can be greatly reduced.
[0076]
By the way, as described above, in a normal DRAM or FeRAM which is not a gain type memory, an example of using a dummy cell as means for generating the reference potential Vref has been proposed. In these cases, the reference potential Vref is set to an appropriate value by adjusting the area of the dummy capacitor. However, as described above, in the gain-type memory as in this example, the adjustment of the area of the dummy capacitor dC does not have a significant advantage over the generation of the reference potential Vref. That is, in the gain type memory, it is difficult to set Vref to an appropriate value by adjusting the dummy capacitor area, and a technique similar to that of a normal DRAM or FeRAM is not appropriate.
Therefore, as in the configuration example of FIG. 4, it is appropriate to adopt a reference potential generation method based on “0” and “1” synthesis in the gain type memory. Therefore, a synergistic effect is achieved for realizing a highly reliable ultra-high integrated memory.
[0077]
In this embodiment, as in the first embodiment, a reference potential generation method is described by taking a so-called folded bit line configuration as an example. However, an open bit line configuration as in the second embodiment is described. Needless to say, the same method is effective.
[0078]
On the contrary, in the gain type memory, if the area of the ferroelectric capacitor as the dummy capacitor dC is made larger than that of the capacitor C as a normal memory cell by taking advantage of the fact that the dependence on the area is very small, the dummy capacitor The influence of dC variation can be further reduced.
[0079]
<Fifth embodiment>
In the fourth embodiment, the combination of “0” and “1” is realized by short-circuiting the gate node of the dummy transistor. This is a technique that facilitates assembly of an access sequence, but it is necessary to embed an equalizing transistor Teq in a fine cell array in terms of layout, which is disadvantageous.
On the other hand, the same effect can be obtained by generating reference potentials of “0” and “1” or reference currents on individual reference bit lines and combining them to generate an intermediate reference potential.
Further, FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention in consideration of the data holding time and the rewrite frequency dependency of the read signal from the capacitor C (and dummy capacitor dC) as a memory cell.
[0080]
In the example of FIG. 5, each memory unit MU is arranged in the word line direction and the bit line direction as in FIGS.
In this example, a pair of reference bit lines dBL1 and dBL2 are arranged, and each dummy unit dU is arranged on the reference bit lines dBL1 and dBL2.
That is, dummy units dU11, dU21... Are arranged on the reference bit line dBL1, and dummy units dU12, dU22.
Each dummy unit dU has the same configuration as in FIG. For example, the dummy unit dU11 includes dummy capacitors dC11 to dC14, a dummy transistor dT11, a dummy read switch dT12, and a dummy write switch dT13.
[0081]
Each dummy unit dU shares the word line WL with the memory units MU arranged in the word line direction.
For example, in the dummy units dU11 and dU12, the gates of the dummy read switches dT12 and dT22 are connected to the read word line WLr1 connected to the gates of the read switches (T12 and the like) of the memory units MU11, MU12, and MU13.
For example, in the dummy units dU11 and dU12, the write word line WLw1 connected to the gates of the write switches (T13 and the like) of the memory units MU11, MU12 and MU13 is connected to the gates of the dummy write switches dT13 and dT23. Connected.
[0082]
Each dummy unit dU shares the plate line PL with the memory units MU arranged in the word line direction.
For example, in dummy units dU11, dU12, plate lines PL11, PL12, PL13, PL14 for each capacitor C of memory units MU11, MU12, MU13 are connected to each dummy capacitor dC.
[0083]
In this case, two dummy units dU arranged in the word line direction form a pair of dummy units.
In the two dummy units as the dummy unit pair, data “0” is stored on one side and data “1” is stored on the other side in the dummy capacitor pair sharing the plate line PL with each other.
For example, in the dummy unit pair of the dummy units dU11 and dU12, the dummy capacitors dC11 and dC21 share the plate line PL11. One of the dummy capacitor pairs (dC11 and dC21) is “0” and the other is “1”. The
Similarly, the other dummy capacitor pairs (dC12 and dC22, dC13 and dC23, dC14 and dC24) are set to "0" and the other to "1".
[0084]
Further, since each dummy capacitor dC shares the plate line PL with the capacitor C of the memory unit MU, a dummy capacitor pair is provided for each ROW address, “0” on one side and “0” on the other side. 1 "is stored.
[0085]
The pair of reference bit lines dbL1, dBL2 can be short-circuited by the equalizing transistor Teq2. Further, when the equalizing transistor Teq1 is turned on, a combined signal of the reference bit lines dBL1, dBL2 is supplied to the sense amplifiers 2-1, 2-2,.
[0086]
The read operation in such a configuration will be described by taking data read from the capacitor C connected to the plate line PL11 such as the capacitor C11 of the memory unit MU11 as an example.
When the plate line PL11 is selected and set to the high level, a different signal according to the storage state of each cell capacitor connected thereto is applied to the gate of the gain transistor of the corresponding memory unit MU. For example, a signal from the capacitor C11 is applied to the gate of the gain transistor T11.
At the same time, signals read from the dummy capacitors dC11 and dC21 are applied to the gates of the dummy transistors dT11 and dT21. In this case, one of the signals applied to the gates of the dummy transistors dT11 and dT21 is a signal corresponding to “0”, and the other is a signal corresponding to “1”.
[0087]
Next, when the read word line WLr1 is turned on, the gain transistors (T11 and the like) of the memory units MU11, MU12, and MU13 drive the bit lines BL1, BL2, and BL3, respectively. Further, the dummy transistors dT11 and dT21 of the dummy units dU11 and dU12 drive the reference bit lines dBL1 and dBL2, respectively.
Here, if the equalizing control unit 11 turns on the equalizing transistors Teq1 and Teq2 by the equalizing control signal dEQ to short-circuit the reference bit lines dBL1 and dBL2, the potentials of both are combined and the shorted reference bit lines dbL1 and dbL2 are placed on the shorted reference bit lines dbL1 and dbL2. A reference potential intermediate between “1” and “0” is generated. The current flowing through both is the sum of the read currents of “1” and “0”.
This potential is distributed as a reference potential to adjacent sense amplifier groups 2-1, 2-2, 2-3. Each sense amplifier 2-1, 2-2, 2-3 compares the read potentials of the bit lines BL 1, BL 2, BL 3 connected thereto with the reference potential distributed from the reference bit line pair dBL 1, dBL 2, The read value is determined.
In this manner, the data of the memory cell such as the capacitor C11 is determined by the sense amplifier 2.
[0088]
In such an embodiment, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained, and the read margin can be improved.
Further, according to this example, a dummy cell (dummy capacitor dC) is provided for each row address, and a dummy cell (dummy capacitor dC) corresponding to the row address of the accessed memory cell (capacitor C) is simultaneously accessed. Become. That is, each dummy capacitor dC is always accessed simultaneously with the capacitor C row of the corresponding ROW address. Accordingly, the data holding time can be set to be equivalent to the corresponding capacitor C in the same row (on the same plate line PL), and the number of accesses is the same.
Further, the distance between the sense amplifier 2 and the gain transistor (T11, etc.) is the same as the distance between the sense amplifier 2 and the dummy transistor (dT11, etc.).
Therefore, the data retention dependency, the access frequency dependency, and the voltage drop of the bit line are all canceled out, and the read margin improvement effect becomes more remarkable.
[0089]
Here, the reference signal is distributed as a voltage to each sense amplifier 2-1, 2-2..., However, the current is mirrored to 1/2 and distributed as a reference current. A configuration may be adopted in which read determination is performed by comparing the current flowing through the bit line BL with a reference current.
[0090]
Although the pair of reference bit lines dbL1 and dBL2 are short-circuited here, a plurality of pairs of reference bit lines dbL may be arranged at equal intervals every other fixed number of sense amplifiers 2, and they may be short-circuited together. That is, the same number or substantially the same number of the reference bit line signals from which “0” data has been read and the reference bit line signals from which “1” data has been read are short-circuited. In this way, the reference potential or current is leveled, and the variation in the reference potential or reference current caused by the variation in the characteristics of the dummy capacitor can be greatly reduced.
[0091]
It should be noted that such an arrangement of dummy units is not appropriate in a normal ferroelectric memory that is not a gain type.
When the reference potential and current are distributed from the reference bit line dbL to the plurality of sense amplifiers 2 in this way, the wiring pattern is greatly different between the allocation access bit line BL and the allocation reference bit line dbL.
Therefore, a certain amount of load capacity imbalance is inevitable. Even if unbalance is adjusted by adding a capacitor or the like to the bit line BL, it is difficult to achieve perfect balance, and it is necessary to align the values on the side where the load capacitance is large. This is because if it is directly driven by a fine signal of the memory cell, a large margin deterioration occurs on the contrary. This tendency is conspicuous particularly in the case where a signal is generated on the bit line BL with a constant charge amount from the capacitor, such as a DRAM or a ferroelectric memory.
On the other hand, in the case of a gain type memory in which the bit line BL is driven by a gain transistor as in this example, the driving capability is much higher than that of direct drive from a memory cell, so the capacity of the bit line BL is larger than that of a normal memory. Can be set, and the influence of unbalanced bit line capacitance can be relatively reduced.
[0092]
In this case, it is desirable to set the bit line capacitance larger than the load capacitance of the gate node of the gain transistor (such as T11) directly driven by the memory cell.
Further, when an appropriate MOS capacitor or the like is connected to the bit line BL for adjusting the capacitance imbalance, more stable reading can be performed.
[0093]
If the drain side of the gain transistor is connected to the power source and the source side is connected to the bit line BL, the potential Vb of the bit line BL is independent of the bit line capacitance,
Vb = Vg−Vth
Converge to. Vg is a signal level applied to the gate of the gain FET, and Vth is a threshold value of the gain transistor.
Therefore, it is not easily affected by the unbalance of the bit line capacitance.
[0094]
Thus, in the gain type memory, the influence of the unbalance of the bit line pattern can be greatly reduced, and the above-described dummy unit configuration can be effectively utilized.
However, if the reference voltage and the reference current are distributed to an excessive number of sense amplifiers 2, an imbalance such as a wiring length cannot be ignored. Therefore, the distribution should be made in consideration of the trade-off between the area overhead due to the dummy units and the unbalance of the bit line capacity. Specifically, the dummy unit pairs are arranged every 4 to 64 sense amplifiers. It is desirable to provide a pair of reference bit lines dbL.
[0095]
Furthermore, it is desirable to combine the potentials or currents of a plurality of pairs of reference bit lines dbL. For example, if 1024 sense amplifiers 2 are arranged in a cell array, reference bit line pairs are arranged every 32. At that time, 32 pairs of reference bit lines are inserted, but if they are all short-circuited, the potentials of a total of 64 reference bit lines are synthesized. At this time, the fluctuation range of the reference potential due to the characteristic variation of the dummy capacitor dC is reduced to (1/8) which is the square root of (1/64) as compared with the case where a single reference bit line is used. Is done. Therefore, it is more advantageous for improving the reading margin.
[0096]
<Examples of other gain-type memories to which the present invention can be applied>
In each of the above embodiments, the case where the memory cell is formed of a ferroelectric capacitor is taken as an example. In this type of gain memory, the load capacitance driven by the selected cell capacitor is dominated by the characteristics of itself and the non-selected ferroelectric capacitor, which contains some weakly inverted ferroelectric component, The value also has temperature dependence. Therefore, as in the fourth and fifth embodiments, if a dummy unit having the same structure as that of the memory unit is provided, the reference signal is generated by the dummy capacitor, and the dummy capacitor is also used for the driving load, the temperature of the driving load is increased. The effect that can offset the dependency can also be obtained.
[0097]
However, the scope of application of the present invention is not limited to a memory in which a memory cell is composed of a ferroelectric capacitor, but a signal generated from a minute memory cell is applied to the gate of a FET (gain transistor), and the bit line is formed by the FET. The present invention can be applied to any gain type memory that reads data by driving BL.
6 to 8 show examples of other gain-type memories to which the present invention can be applied. In each figure, the gain transistor is indicated by T1, the read switch is T2, and the write switch is T3 as the same reference numerals as in FIG.
[0098]
FIG. 6 shows a DRAM in which the paraelectric capacitor C30 is a memory cell. The input signal to the node NE connected to the gate of the gain transistor T1 changes depending on the presence or absence of the accumulated charge in the capacitor C30.
Also in this case, since the parasitic capacitance of the memory cell itself occupies a large proportion of the load capacitance, it is difficult to generate an appropriate reference potential Vref by adjusting the size. Further, there is a problem that the signal level changes depending on the data holding time. Therefore, it is very effective to adopt the configuration of the same method as that of the above-described embodiment and obtain an intermediate reference signal by combining “1” and “0”, or to provide a dummy cell for each ROW address.
[0099]
In addition to the type in which the gate of the gain transistor is driven by the capacitor as described above, the gain type memory includes a type in which a signal potential is applied to the gate of the gain transistor using a memory resistor element. An example is shown in FIG.
The resistance element R1 is a memory cell that exhibits different resistance values depending on the data storage state. On the other hand, the resistance element R2 is a reference resistance element having a fixed resistance value, and is formed by a MOS transistor operated in a linear region, a diffusion layer, a polysilicon layer, or the like.
The input signal Vg to the node NE connected to the gate of the gain transistor T1 is determined by resistance division of the resistance elements R1 and R2. If the resistance value of both is r1 and r2, the value is
Vg = Vcc · r1 / (r1 + r2)
It is.
In this example, the memory resistive element R1 is connected to the ground side and the reference resistive element R2 is connected to the Vcc side, but both may be interchanged.
[0100]
For example, a magnetic junction can be used for the resistance element R1. A magnetic junction is an element in which a tunnel barrier is sandwiched between a magnetic film for storing data by changing the spin direction and a magnetic film having a fixed spin direction, and the resistance value changes according to the spin direction of the magnetic film for storage. Examples of memory using this are listed in Articles 7.2 (R. Scheuerlein, P.128) and 7.3 (M. Durlam, P.130) of ISSCC (IEEE INTERNATIONAL SOLID-STATE CIRCUITS CONFERENCE) 2000. is described.
[0101]
Further, for example, a chalcogenide film resistor can be used for the resistance element R1. Since the resistivity of the chalcogenide film changes when the crystal state changes between polycrystalline and amorphous, the resistor may be formed by sandwiching the film between electrodes. An example of a memory using this is described in ISSCC 2002 paper number 12.4 (M. Gill, p. 202).
[0102]
In addition, a stacked gate transistor or a nitride gate transistor can be used as the resistance element R1. These transistors are used as EPROMs, and their resistance values change as the threshold value changes according to the storage state. Furthermore, if these are connected in series, independent data can be stored in each.
[0103]
In the example of such a resistance type memory, there is a problem that the temperature characteristic of the reference resistance element R2 is different from the temperature characteristic of the resistance memory element R1 which is a memory cell. Therefore, it is difficult to obtain an appropriate reference potential Vref in a wide temperature range by the method of adjusting the resistance value by adjusting the cell size. In addition, there is a problem that the signal resistance changes due to the data retention time and the signal level changes. Therefore, the method of the present invention in which “1” and “0” are combined to obtain an intermediate reference signal or a dummy cell is provided for each ROW address is effective as in the case of using a capacitor for the cell.
[0104]
A constant current source may be used instead of the reference resistance element. An example is shown in FIG. An N-channel MOS (T30) operating as a constant current source is connected to the memory resistive element R1. The gate is supplied with a fixed potential so as to operate in a saturation region as a constant current source. At this time, the signal Vg applied to the node NE connected to the gate of the gain transistor T1 has a resistance value of R1 as r1 and a current flowing through T1 as i1.
Vg = Vcc- (r1 · i1)
It is.
In the case of such a memory as well, in order to cope with variations in the resistance value of the cells, the method of the present invention is obtained by synthesizing “1” and “0” to obtain an intermediate reference signal, or providing a dummy cell for each ROW address Is valid.
[0105]
The embodiments and examples of the gain-type memory to which the present invention can be applied have been described above, but the present invention can be further applied.
For example, in the above embodiment, a case has been assumed in which each memory cell stores 1 bit, that is, binary of “0” and “1”. However, the present invention can be similarly applied to the case of storing so-called multivalues. For example, when each cell stores 2 bits, the first to fourth four-level signals are given to the gate of the gain transistor in order from the lowest level, and it is necessary to make the determination.
Also in this case, a dummy cell and a dummy transistor are used, for example, the first reference potential is generated from the synthesis of the second signal and the third signal, and the read cell is first used as the first and second lower groups, Alternatively, it is determined whether it belongs to the third or fourth upper group.
Next, a second reference potential is generated by combining the first signal and the second signal, and a third reference potential is generated by combining the third signal and the fourth signal. Then, level determination in the lower group is performed using the second reference potential, and level determination in the upper group is performed using the third reference potential. In this way, the read value of each cell can be uniquely determined.
[0106]
【The invention's effect】
As can be seen from the above description, the present invention provides the following effects.
Generally, the threshold value of the gain transistor (FET) has a lot-to-lot and wafer-to-wafer dependency, and also has a strong chip-to-chip dependency in the wafer, and further a location dependency in the chip. Accordingly, there is almost no threshold difference between FETs arranged close to each other in the same chip. Therefore, as in the present invention, a dummy transistor of the same size is arranged in the vicinity of the gain transistor connected to the memory cell to be accessed, thereby driving the second bit line for reference, If the potential or current of the second bit line is used as a reference signal for read determination, it is possible to cancel the influence of threshold variation of the gain transistor, and as a result, the read margin can be greatly improved.
[0107]
In addition, by supplying a signal to the dummy transistor from a dummy cell having the same structure as the memory cell of the memory unit, it is possible to cancel the characteristic variation that occurs between chips of the memory element, between wafers, and between lots. Further, the temperature dependence similar to that of the read signal from the memory cell is generated in the gate potential of the dummy transistor. Accordingly, it is possible to prevent margin deterioration due to temperature dependency. This also improves the read margin.
[0108]
Further, by driving the bit line for reference after short-circuiting the gate nodes of the plurality of dummy transistors, the reference potential generated by the variation in the chip of the signal from the dummy cell, the variation in the remaining of the dummy transistor, or the like Variation on the reference current side can be reduced by statistical leveling.
A similar effect can be achieved by combining the potentials or currents of the plurality of second bit lines and using them as reference signals.
In particular, a signal from a dummy cell in which a first value (for example, “1”) is written using a pair or a plurality of pairs of dummy transistors or a plurality of second bit lines for reference, and a second value (for example, “ 0 ”) is short-circuited and applied to the gate of the dummy transistor, or the bit line potential or current corresponding to the first value and the bit line potential or current corresponding to the second value By combining these, it is possible to accurately generate an intermediate reference signal level when reading the first value and when reading the second value, and the above leveling can be realized appropriately. As a result, the read margin can be improved.
This is particularly effective in a gain type memory in which it is difficult to adjust the capacitor size to generate an appropriate intermediate signal.
Further, if the area of the ferroelectric capacitor of the dummy cell is made larger than that of a normal memory cell, the influence of the variation of the dummy capacitor can be further reduced.
[0109]
Further, by connecting a bit line to the source side of the gain transistor, the final bit line potential is defined only by the gain transistor, the threshold value, and the signal potential from the cell applied to the gate, and the influence of the bit line capacitance. Not receive. Therefore, the influence of the difference in bit line capacitance due to the pattern difference between the second bit line for reference and the first bit line for reading can be reduced. Alternatively, the influence of the pattern difference can be relatively reduced by increasing the bit line capacitance itself, that is, by making the bit line capacitance larger than the capacity of the node driven by the memory cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration example of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a configuration example of a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a configuration example of a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a configuration example of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a configuration example of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of an example of a gain type memory that can employ the present invention;
FIG. 7 is an explanatory diagram of an example of a gain-type memory that can employ the present invention;
FIG. 8 is an explanatory diagram of an example of a gain type memory that can employ the present invention;
FIG. 9 is an explanatory diagram of a configuration of a gain type memory.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a configuration of a gain-type memory that performs reading using a reference potential;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reference potential generation circuit, 2, 2-1, 2-2 ... Sense amplifier, 10 Dummy unit row, 11 Equalize control part, MU, MU11, MU12 ... Memory unit, WL Word line, WLw1, WLw2,. .. Write word line, WLr1, WLr2 ... Read word line, BL, BL1, BL2 ... Bit line, PL, PL11, PL12 ... Plate line, T11, T21 Gain transistor, T12, T22 Read Switch, T13, T23 Write switch, dT11, dt12 Dummy transistor, dU, dU1, dU2 Dummy unit

Claims (2)

複数のビット線と、
記憶値に応じた読出電位を所定のノードに発生させる1又は複数のメモリセルと、上記ノードに発生した読出電位に基づいて対応するビット線を駆動するゲイン用トランジスタとを有するメモリユニットが、上記複数のビット線のそれぞれに対応して配置されたメモリアレイとを含む半導体記憶装置において、
上記複数のビット線にそれぞれ対応して設けられるとともに、ゲートノードに発生した電位に基づいて対応するビット線を駆動する上記ゲイン用トランジスタと同サイズのダミートランジスタと、上記メモリセルと同構造とされ、記憶値に応じた電位を上記ゲートノードに発生させる1又は複数のダミーセルと、を有する参照用駆動手段と、
上記複数のビット線のうちで、対とされた2つのビット線に対応してそれぞれ設けられている上記参照用駆動手段のそれぞれの上記ダミートランジスタの上記ゲートノード同士を短絡させる短絡手段と、
対とされた2つのビット線の一方が、上記メモリユニットの上記ゲイン用トランジスタによって駆動され、他方が、上記参照用駆動手段の上記ダミートランジスタによって駆動された際に、当該2つのビット線のそれぞれ流れる両電流、又は当該2つのビット線の両電位を比較することにより上記メモリユニットから読み出されたデータの値を判定する読出値判定手段と、
を備えた半導体記憶装置。
Multiple bit lines,
One or a plurality of memory cells to generate a read potential corresponding to the storage value in the predetermined node, a memory unit having a gain transistor that drives the bit line corresponding based on the read potential generated in the node In a semiconductor memory device including a memory array arranged corresponding to each of the plurality of bit lines ,
A dummy transistor having the same size as the gain transistor for driving the corresponding bit line based on the potential generated at the gate node, and having the same structure as the memory cell. Reference driving means having one or a plurality of dummy cells for generating a potential corresponding to a stored value at the gate node ;
Among the plurality of bit lines, a short-circuit means for short-circuiting the gate nodes of the dummy transistors of the reference driving means provided corresponding to two bit lines paired with each other;
When one of the paired two bit lines is driven by the gain transistor of the memory unit and the other is driven by the dummy transistor of the reference driving means, each of the two bit lines is A read value determination means for determining a value of data read from the memory unit by comparing both flowing currents or both potentials of the two bit lines ;
A semiconductor memory device.
上記短絡手段は、上記ダミーセルから読み出された第1の値の信号が与えられる上記ゲートノードと、上記ダミーセルから読み出された第2の値の信号が与えられる上記ゲートノードとを同数または略同数短絡する請求項1に記載の半導体記憶装置。The short-circuit means has the same or substantially the same number of the gate nodes to which the first value signal read from the dummy cell is applied and the gate nodes to which the second value signal read from the dummy cell is applied. The semiconductor memory device according to claim 1 , wherein the same number is short-circuited.
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