JP4182671B2 - 強誘電体記憶装置の調整方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体記憶装置調整方法に関する。
【0002】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
強誘電体記憶装置として、各セルにトランジスタ及びキャパシタ(強誘電体)を一つずつ配置した1T/1Cセル、あるいは、その各セル毎にさらにリファレンスセルを配置した2T/2Cセルを有するアクティブ型強誘電体メモリが知られている。
【0003】
しかし、このアクティブ型強誘電体記憶装置は、メモリセルが1個の素子から構成される他の不揮発性記憶装置として知られるフラッシュメモリ、EEPROMなどと比較して、メモリ面積が大きくなり、大容量化できない。
【0004】
各メモリセルを1個の強誘電体キャパシタとした強誘電体記憶装置として、特開平9−116107に開示されたものがある。
【0005】
しかし、各メモリセルを1個の強誘電体キャパシタとした強誘電体記憶装置では、選択セルに対してデータリードまたはデータライト動作を実施すると、非選択セルにも不要な電圧が印加されてしまう。
【0006】
非選択セルに電圧が印加されると、その非選択セルの容量値が変化する。非選択セルの容量が大きいと、それが選択セルに接続されたワード線及びビット線の負荷となるので、高速動作が阻害され、消費電力も大きくなる。
【0007】
本発明は、高速性と低消費電力化を確保できるように強誘電体記憶装置を調整する方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る強誘電体記憶装置の調整方法は、複数のワード線及び複数のビット線の各交点に形成される複数の強誘電体キャパシタの少なくとも一つに印加される電圧を、電源電圧より低い方向にスイープさせて、飽和分極点となる最小電圧を検出する工程と、前記電源電圧を下降シフトさせて、前記複数の強誘電体キャパシタの駆動電圧として前記電源電圧に代えて用いられる前記最小電圧を生成するように設定する工程とを有する。
【0009】
本発明の一態様によれば、個々の強誘電体記憶装置にて強誘電体キャパシタのヒステリシス特性が変わったとしても、飽和分極点となる最小電圧を、強誘電体キャパシタの駆動電圧とすることができる。非選択の強誘電体キャパシタに印加される電圧は、その最小電圧を分割したものとなるので、非選択の強誘電体キャパシタに印加される電圧も小さくなり、ヒステリシス特性上、非選択時の強誘電体キャパシタの容量が小さくなる。よって、選択された強誘電体キャパシタと接続されたワード線及びビット線の負荷容量が小さくなる。このため、選択され強誘電体キャパシタを高速駆動でき、しかも消費電力が低減される。
【0010】
最小電圧を生成するように設定するためには、複数のヒューズ素子の一つを切断するか、あるいはレジスタにその生成情報を格納すればよい。この場合、電源電圧と最小電圧との差電圧を求める工程と、その差電圧に基づき電圧シフト制御コードを発生させる工程をさらに有することができる。電圧シフト制御コードに基づいて、レーザリペア装置により複数のヒューズ素子の一つを切断したり、その電圧シフト制御コードをレジスタに格納できるからである。
【0011】
本発明の他の態様に係る強誘電体記憶装置は、互いに平行に配置される複数のワード線と、前記複数のワード線と交差して、互いに平行に配置される複数のビット線と、前記複数のワード線及び前記複数のビット線の各交点に形成される強誘電体キャパシタと、前記複数のワード線を駆動するワード線ドライバと、
前記複数のビット線を駆動するビット線ドライバと、前記ワード線ドライバ及び前記ビット線ドライバに駆動電圧を供給する電源回路と、電源電圧を下降シフトさせて、前記強誘電体キャパシタの飽和分極点となる最小電圧を生成して、前記電源回路に供給する電源電圧シフト回路とを有する。
【0012】
本発明の他の態様によれば、上述した調整方法により調整された強誘電体記憶装置を提供できる。
【0013】
ここで、電源電圧シフト回路は、電源電圧を分圧する抵抗分割回路を含むことができる。電源電圧シフト回路は複数のヒューズ素子をさらに有することができる。この場合、抵抗分割回路により下降シフトされる情報が、複数のヒューズ素子の一つを切断することで設定される。あるいは、電源電圧シフト回路はレジスタをさらに有することができる。この場合、抵抗分割回路により下降シフトされる情報がレジスタに設定される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0015】
(強誘電体記憶装置の説明)
図1は、本発明の第1実施形態に係る強誘電体記憶装置であるFeRAMのブロック図であり、図2はそのメモリアレイを模式的に示す斜視図である。図2に示すように、メモリセルアレイ10は、強誘電体薄膜12と、強誘電体薄膜12の一方の面に配列された複数のワード線14と、強誘電体薄膜12の他方の面に配列された複数のビット線16とを有する。
【0016】
上記の構造により、複数のワード線14及び複数のビット線16の各交点(クロスポイント)には、図1に示すように強誘電体メモリセル18がそれぞれ形成される。このような構造から、図2に示すメモリは、クロスポイントFeRAMあるいはパッシブ型FeRAMと称されている。よって、図2に示すメモリは、各セルにトランジスタ及びキャパシタ(強誘電体)を一つずつ配置した1T/1Cセル、あるいは、その各セル毎にさらにリファレンスセルを配置した2T/2Cセルを有するアクティブ型メモリとは異なる。
【0017】
本実施形態のFeRAMは、メモリセルアレイ10内にトランジスタを要しないので、高集積化が可能であり、また、図2の構造を多段に積層することが可能である。また、CMOSロジックが搭載される駆動回路基板は、図2の構造の例えば下方に配置できる。
【0018】
本実施形態に用いられる強誘電体は、SBT(ストロンチウム−ビスマス−タンタリュウム)、PZT(リード−ジルコニウム−タイタニウム)、BLT(ビスマス−ランタンニウム−タイタニウム)またはこれらの酸化物である無機材料を好適に用いることができるが、他の無機材料あるいは有機材料を用いても良い。
【0019】
本実施形態に用いられるワード線14及びビット線16を形成する電極材料は、耐酸化性が強く耐熱性が高い点で、プラチナ(Pt)、イリジウム(Ir)、イリジウムオキサイド(IrO2)、ストロンチウム−ルテニウムまたはその酸化物を好適に用いることができるが、他の導電材料であっても良い。
【0020】
このメモリセルアレイ10の駆動回路系として、複数のワード線14を駆動するワード線ドライバ20と、複数のビット線16を駆動するビット線ドライバ22と、ワード線及びビット線ドライバ10,22に複数種の駆動電圧(Vs,2Vs/3,Vs/3,0)を供給する電源回路24とが設けられている。ワード線ドライバ20は複数のワード線14の各々の一端(図1の左端)に接続され、ビット線ドライバ22は複数のビット線16の各々の一端(図1の上端)に接続されている。
【0021】
ワード線ドライバ20は、行方向アドレスデコーダを含み、アドレス選択された1本のワード線14と残りの非選択のワード線14とに、リード、ライトまたはリライトモードに応じた(ライト、リライト時には、さらに書き込むべきデータに応じた)電位を供給する。同様に、ビット線ドライバ22は、列方向アドレスデコーダを含み、アドレス選択された少なくとも1本のビット線16と残りの非選択のビット線14とに、リード、ライトまたはリライトモードに応じた(ライト、リライト時には、さらに書き込むべきデータに応じた)電位を供給する。
【0022】
また、ワード線・ビット線ドライバ20,22は、上述の動作モード時にワード線14及びビット線16に電位供給することに加えて、その後のディスターブ防止工程を実施するために、ワード線14及びビット線16に電位供給する機能を有する。
【0023】
(一般動作説明)
次に、図1に示すFeRAMの動作について説明する。図3は、図1に示すメモリセル18の自発分極Pまたは分極電荷Q(分極Pの変化×キャパシタ面積)の電圧依存性が示すヒステリシス特性を表している。
【0024】
図3では例えば、ビット線16に対してワード線14の電位が高くなる方向をプラス(+)としている。ワード線14及びビット線電位が同電位(共に0Vである電源OFF時も含む)である時に、メモリセル18の印加電圧が0Vとなる。このときの強誘電体キャパシタは、2種の残留分極±Pr(図3のA点及びD点)をもつ。例えば、図3のD点の残留分極Prを“0”のメモリ状態、図3のA点の残留分極−Prを“1”のメモリ状態と定義して、2値の記憶状態を得ることができる。
【0025】
ここで、図3の点C及び点Fはそれぞれ、強誘電体メモリセル18の飽和分極点である。また、図3の点B及び点Eは、分極方向が反転する点である。この点Bまたは点Eのように、分極値を0とする電圧を抗電圧と称する。
【0026】
図3のヒステリシス特性によれば、データ“0”を書き込む時には、強誘電体メモリセル18に電圧Vsを印加し、図3の点Cに移行させた後に、強誘電体メモリセル18への印加電圧を0Vとして点Dに移行させれば良い。逆に、データ“1”を書き込む時には、強誘電体メモリセル18に電圧−Vsを印加し、図3の点Fに移行させた後に、強誘電体メモリセル18への印加電圧を0Vとして点Aに移行させれば良い。
【0027】
データの読み出しは、点Aまたは点Dの分極状態にある強誘電体メモリセル18に電圧+Vsを印加して行う。
【0028】
選択セル18aでの残留分極が、図3のA点、D点のいずれであっても、上述のリード動作によって図3のC点の分極状態となる。このとき、A点からC点に移行するとき(メモリ状態が“1”のリード時)には分極値が0となるB点を越えて分極方向が負から正に反転する。このため、図3に示す比較的大きな電荷量Q1に相当する電流がビット線16に流れる。一方、D点からC点に移行するとき(メモリ状態が“0”のリード時)には、分極方向は反転しない。よって、図3に示す比較的小さな電荷量Q2に相当する電流がビット線16に流れる。よって、ビット線16に流れる電流を、図示しないリファレンス電流と比較することで、メモリ状態が“1”であるか“0”であるかを判定できる。
【0029】
次に、データの読み出しを例に挙げて、ワード線14及びビット線16の電位設定について説明する。この電位設定は、電源回路24から4種類の電位(Vs,2Vs/3,Vs/3,0)の供給を受けたワード線ドライバ20及びビット線ドライバ22によって実施される。なお、電位Vs,0が2種の選択電位となり、電位2Vs/3,Vs/3が2種の非選択電位となる。
【0030】
図4には、一つの選択セル18aと、他の非選択セル18bが示されている。アドレス(2,2)に位置する選択セル18aに接続されたワード線14は電位Vs(ワード選択電位)に設定され、ビット線16は電位0(ビット選択電位)に設定されている。よって、選択セル18aにはVs−0=Vsのプラスの電界が印加される。このため、選択セル18aでの残留分極が、図3のA点、D点のいずれであっても、上述のリード動作によって図3のC点の分極状態となる。よって、選択セル18aに接続されたビット線16の電流を検出すれば、上述の通り、メモリ状態が“1”であるか“0”であるかを判定できる。
【0031】
なお、図3のC点の分極状態に設定することは、データ“0”の書き込み動作と同じである。よって、データ“0”を書き込むときにも、図4の通り電位設定すればよい。
【0032】
また、実際のデータリード動作は、一本のワード線14上の複数のメモリセル18に対して同時に実施され、8ビットまたは16ビットなどの一群のデータが同時に読み出される。
【0033】
このデータリード時には、図4に示す非選択セル18bに接続された全てのワード線14は電位Vs/3(ワード非選択電位)に、非選択セル18bに接続された全てのビット線16は電位2Vs/3(ビット非選択電位)に設定される。このとき、非選択セル18bへの印加電圧は±Vs/3となる。この結果、A点の分極状態であった非選択セル18bは、図3のH,I点のいずれかに移行する。A点からI点に移行しても、反転点Bを越えないため、記憶データが反転することはない。また、D点の分極状態であった非選択セル18bは、図3のG,J点のいずれかに移行する。この場合も、D点からG点に移行しても、反転点Eを越えないため、記憶データが反転することはない。
(強誘電体記憶装置の調整の必要性)
図3において、強誘電体メモリセル18を駆動するための最大電圧Vsは、電源電圧VDDに設定されるのが通常である。しかし、個々の記憶装置では、最大電圧Vsがばらついている。この個々のばらつきを解消するには、図5に示すように、図3に示した飽和分極点Cの電圧よりも絶対値が高い電圧をVsとし、その電圧Vsを電源電圧VDDとすればよい。こうすると、個々の強誘電体記憶装置にて、図5中の飽和分極点Cの電圧がばらついたとしても、常に飽和分極点Cの電圧Vsminよりも高い電圧Vs(VDD)を供給することで、図3に示した動作を確保することができる。
【0034】
しかし、そのようにすると下記の問題が生ずる。上述の動作説明の通り、非選択メモリセル18bには、例えば±Vs/3の電圧が印加される。電圧Vsの絶対値を高くすると、当然に電圧Vs/3の絶対値も高くなる。理想状態の図3の動作通りであると、非選択セル18bには、図5に示す+Vsmin/3が印加され、Vs/3−Vsmin/3の電位差が生ずる。
【0035】
この電圧差は、非選択セル18bの容量を大きくしてしまう。図5において、ヒステリシス曲線と非選択時の2種の印加電圧(Vs/3,Vsmin/3)とが交わる各点P1,P2での接線S1,S2の傾きは、非選択セル18bの容量を示し、S1の傾き>S2の傾きとなる。よって、電圧Vs/3が印加された時の非選択セル18bの方が、電圧Vsmin/3が印加された時の非選択セル18bよりも、その容量が大きくなる。
【0036】
非選択セル18bの容量が大きいと、図4に示す選択セル18aに接続されたワード線14及びビット線16にも多数の非選択セル18bが接続されるので、それらの非選択セル18bの容量が、選択セル18aを駆動する時の負荷容量となる。この負荷容量が大きくなるため、選択セル18aの高速駆動の障害となるばかりか、消費電力も増大してしまう。
【0037】
そこで、非選択セル18bの容量を低減するには、上述の接線S2の傾きのように、小さな傾きの接線となる点を探し出し、その点の電圧を非選択セル18bに印加すればよいことが分かる。
【0038】
通常のヒステリシス曲線では、印加電圧が0に近いほど、接線の傾きが小さくなるので、本実施形態では、図5の電圧Vsminを探し出し、それを3で除した電圧Vsmin/3を非選択セル18bに印加させるように調整している。
(強誘電体記憶装置の調整方法)
本実施形態の調整方法は、図5にて初期的に設定された電圧Vs(=VDD)から電圧を低い方向にスイープさせ、飽和分極点Cの最小電圧Vsminを検出することである。
【0039】
この調整は、強誘電体記憶装置の出荷時のテストにて実施でき、求められた最小電圧Vsminとなるように、例えばヒューズ素子を切断して調整することができる。この種の強誘電体記憶装置でも、半導体装置と同様に出荷前の検査があり、セルに異常があるとレーザリペア装置によりヒューズを切断し、冗長セルに切り換えている。このため、上記の調整方法も出荷テスト時に併せて行い、冗長セルへの切り換え工程の時に、ヒューズを切断して最小電圧Vsminに設定することが好ましい。
【0040】
図6は、FeRAM1及びその調整装置を示している。なお、図6では、図1に示すワード線ドライバ20、ビット線ドライバ22及び電源回路24を、駆動回路30としてまとめてある。
【0041】
FeRAM1には、第1行目のメモリセルMC00,MC01,…に接続された1本のワード線14と、複数本のビット線16にテスト電圧を印加できる構成となっている。このテストモード時には、制御パッド32には“H”が入力されるので、トランジスタT1,T2がオフされる。よって、第1行目のメモリセルMC00,MC01,…に接続されたワード線14及びビット線16は、駆動回路30との接続が解除される。その代わりに、それらのワード線14及びビット線16は、トランジスタT3,T4がオンされることで、テストパッド34,36に接続される。
【0042】
FeRAM1のテストパッド34,36にはテスタ40が接続される。このテスタ40は、図5に示すヒステリシス特性を測定可能な機能を有し、具体的にはラジアント社のRT6000の測定システムを採用できる。その動作としては、テストパッド34,36を介して、第1行目のメモリセルMC00,MC01,…に接続されたワード線14及び一括ショートされた複数本のビット線14に電圧を供給し、一括ショートされた複数本のビット線14に流れる電流を積分することで、図5に示すヒステリシス特性を求めることができる。
【0043】
本実施形態の調整方法にて重要なことは、図5において電源電圧VDDに当初設定される電圧Vsより、電圧が低くなる方向に強誘電体キャパシタへの印加電圧を下げるようにスイープさせ、飽和分極点Cとなる最小電圧Vsminをテスタ40にて求めることである。
【0044】
ΔV検出回路42では、電圧Vs(=VDD)と求められた最小電圧Vsminとの差電圧ΔVを求める。電圧シフト制御コード発生回路44は、その差電圧ΔVに相当する電圧シフト制御コードを発生する。この制御コードは、レーザリペア装置46に入力される。
【0045】
一方、図6に示すFeRAM1は、電源電圧シフト回路50を有する。この電源電圧シフト回路50の一例を図7に示す。図7に示すように、この電源電圧シフト回路50は、電源電圧VDDを抵抗分割するラダー抵抗回路(抵抗分割回路)52を有する。このラダー抵抗回路52には、抵抗値が等しいn個の抵抗r1,r2,…rn−1,rnが直列接続されている。図7において、上述の電位差ΔV=0であれば、上述の電圧シフト制御コードに基づき、レーザリペア装置44により、フューズ1が切断される。この時、N型MOSトランジスタTN1がオンし、P方MOSトランジスタPN1がオンされるので、Vsmin=VDDとなる。
【0046】
電位差ΔVが0以外であれば、電圧シフト制御コードに基づいて、フューズ2〜フューズnのいずれか一つが切断される。それにより、ラダー抵抗回路52にて電源電圧VDDが分圧され、所望の電圧Vsminを得ることができる。
【0047】
これにより、図1に示す電源回路24は、図6の電源電圧シフト回路50より出力される電圧Vsmin(<VDD)を、電圧Vs(=VDD)に代えて用いることになる。よって、図1のワード線ドライバ20及びビット線ドライバ22は、電圧Vsmin,2Vsmin,Vsmin/3及び0Vの4種の電圧を用いて強誘電体キャパシタを駆動することになる。
【0048】
こうすると、図4に示す非選択セル18bには、±Vsmin/3が印加されることになる。このため、非選択セル18bの容量は最小となり、選択セル18aの駆動時の負荷が小さくなって高速駆動が可能となり、しかも消費電力が低減する。
【0049】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【0050】
例えば、図7に示す複数のヒューズ素子を有するものに代えて、図8に示すようにレジスタ54を設けることができる。このレジスタ54には、図8に示すn個のP型MOSトランジスタをオン・オフさせる情報が、電圧シフト制御コードとして記憶されている。よって、図8に示す電圧シフト制御コード発生回路42からの電圧シフト制御コードをレジスタ54に格納すればよい。このため、図8に示す電源電圧シフト回路50の場合には、図6に示すレーザリペア装置44は不要である。
【0051】
また、図5に示す飽和分極点Cの最小電圧Vsminを検出する工程では、図6に示す例ではメモリセルアレイ10の第1行目のメモリセルMC00,MC01,…に電圧を印加して検出した。これに限らず、1個のメモリセルを使用するものでもよく、あるいは1ライン上の複数のメモリセル、もしくは複数ラインのメモリセルを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】クロスポイント型のFeRAMの概略説明図である。
【図2】図1に示すメモリセルアレイの概略斜視図である。
【図3】図1に示す強誘電体キャパシタのヒステリシス特性図である。
【図4】リード時(データ“0”の書込み時)のワード線、ビット線の設定電位を示す概略説明図である。
【図5】初期設定される電圧Vs(VDD)と、電圧シフト後の飽和分極点の電圧Vsminとを示すヒステリシス特性図である。
【図6】本発明の実施形態に係るFeRAM及びその調整装置の概略説明図である。
【図7】図6に示す電源電圧シフト回路の一例を示す回路図である。
【図8】図6に示す電源電圧シフト回路の他の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 FeRAM
10 メモリセルアレイ
12 強誘電体
14 ワード線
16 ビット線
18 強誘電体メモリセル
18a 選択セル
18b 非選択セル
20 ワード線ドライバ
22 ビット線ドライバ
24 電源回路
30 駆動回路
32 制御パッド
34 テストパッド
40 テスタ
42 ΔV検出回路
44 電圧シフト制御コード発生回路
46 レーザリペア装置
50 電源電圧シフト回路
52 抵抗分割回路
54 レジスタ

Claims (6)

  1. 複数のワード線及び複数のビット線の各交点に形成される複数の強誘電体キャパシタの少なくとも一つの選択セルに印加される電圧を、電源電圧より低い方向にスイープさせて、飽和分極点となる最小電圧を検出する工程と、
    前記電源電圧を下降シフトさせて、前記複数の強誘電体キャパシタの駆動電圧として前記電源電圧に代えて用いられる前記最小電圧を生成するように設定する工程と、
    を有することを特徴とする強誘電体記憶装置の調整方法。
  2. 請求項1において、
    複数のヒューズ素子の一つを切断することで、前記最小電圧を生成するように設定することを特徴とする強誘電体記憶装置の調整方法。
  3. 請求項2において、
    前記電源電圧と前記最小電圧との差電圧を求める工程と、
    前記差電圧に基づき電圧シフト制御コードを発生させる工程と、
    前記電圧シフト制御コードに基づいて、レーザリペア装置により前記複数のヒューズ素子の一つを切断する工程と、
    を有することを特徴とする強誘電体記憶装置の調整方法。
  4. 請求項1において、
    レジスタに電圧シフト制御コードを格納して、前記最小電圧を生成するように設定することを特徴とする強誘電体記憶装置の調整方法。
  5. 請求項4において、
    前記電源電圧と前記最小電圧との差電圧を求める工程と、
    前記差電圧に基づき電圧シフト制御コードを発生させる工程と、
    前記電圧シフト制御コードを、前記レジスタに格納する工程と、
    を有することを特徴とする強誘電体記憶装置の調整方法。
  6. 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
    前記複数の強誘電体キャパシタのうちの非選択セルへの印加電圧は、前記強誘電体キャパシタの抗電圧を超えない電圧であって、かつ、前記最小電圧を分圧した電圧とすることを特徴とする強誘電体記憶装置の調整方法。
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