JP4404456B2 - 不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は不揮発性強誘電体メモリ装置に関するもので、特に安定した参照電圧発生のための不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に不揮発性強誘電体メモリ、つまりFRAM(Ferroelectric Random Access Memory)はDRAM(Dynamic Random Access Memory)程度のデータ処理速度を有し、電源のオフ時にもデータが保存される特性のため次世代記憶素子として注目を浴びている。
FRAMは、DRAMとほぼ同一構造を有する記憶素子であって、キャパシタの材料として強誘電体を使用して強誘電体の特性である高い残留分極を用いたものである。このような残留分極の特性のため電界を除去してもデータが保存される。
【0003】
図1は一般的な強誘電体のヒステリシスループを示す特性図である。
図1に示すように、電界により誘起された分極が電界を除去しても残留分極(又は自発分極)の存在によって消滅されず、一定量(d,a状態)を維持していることが分かる。不揮発性強誘電体メモリセルは前記d,a状態をそれぞれ1,0に対応させ記憶素子として応用したものである。
【0004】
以下、従来技術による不揮発性強誘電体メモリ装置を添付の図面に基づいて説明する。
図2は従来の不揮発性強誘電体メモリの単位セルを示した。
図2に示すように、一方向に形成されるビットラインB/Lと、そのビットラインと交差する方向に形成されるワードラインW/Lと、ワードラインに一定の間隔をおいてワードラインと同一の方向に形成されるプレートラインP/Lと、ゲートがワードラインに連結され、ソースは前記ビットラインに連結されるトランジスタT1と、2端子中第1端子はトランジスタT1のドレインに連結され、第2端子はプレートラインP/Lに連結される強誘電体キャパシタFC1とで構成されている。
【0005】
このように構成された従来の不揮発性強誘電体メモリ装置のデータ入出力動作を以下に説明する。
図3aは従来の不揮発性強誘電体メモリ素子の書込みモードの動作を示すタイミング図であり、図3bは読み出しモードの動作を示すタイミング図である。
まず、書込みモードの場合、外部から印加されるチップイネーブル信号(CSBpad)が「ハイ」から「ロー」に活性化され、同時に書込みイネーブル信号(WEBpad)が「ハイ」から「ロー」に遷移されると、書込みモードが始まる。
次いで、書込みモードでのアドレスデコードが始まると、ワードラインに印加されるパルスは「ロー」から「ハイ」に遷移され、セルが選択される。すなわち、そのワードラインに接続されたトランジスタT1が導通状態となる。
【0006】
このように、ワードラインが「ハイ」状態を維持している間にプレートラインには順に所定幅の「ハイ」信号と所定幅の「ロー」信号が印加される。
そして、選択されたセルにロジック値「1」又は「0」を書くために、ビットラインに書込みイネーブル信号(WEBpad)に同期した「ハイ」又は「ロー」信号を印加する。すなわち、ビットラインに「ハイ」信号を印加し、ワードラインに印加される信号が「ハイ」状態である期間でプレートラインの信号が「ロー」に遷移されたとき、強誘電体キャパシタにはロジック値「1」が記録される。そして、ビットラインに「ロー」信号を印加すると、プレートラインに印加される信号が「ハイ」信号のとき、強誘電体キャパシタにはロジック値「0」が記録される。プレートラインの信号が「ロー」に遷移しても記録されたロジック値「0」は変わらない。
【0007】
このような書込みモードの動作によりセルに格納されたデータを読み出すための動作は以下の通りである。
まず、外部からチップイネーブル信号(CSBpad)が「ハイ」から「ロー」に活性化されると、ワードラインが選択される以前に全てのビットラインは等化器信号によって「ロー」電圧に等電位化される。
【0008】
そして、各ビットラインを不活性化させた後アドレスをデコードし、デコードされたアドレスによってワードラインの「ロー」信号が「ハイ」信号に遷移されセルが選択される。選択されたセルのプレートラインに「ハイ」信号を印加すると、強誘電体メモリに格納されたロジック値「1」に対応するデータを破壊させる。
もし、強誘電体メモリにロジック値「0」が格納されていれば、それに対応するデータは破壊されない。
【0009】
このように、破壊されたデータと破壊されてないデータは前述したヒステリシスループの原理によって異なる値を出力し、センスアンプはロジック値「1」又は「0」をセンシングする。すなわち、データが破壊された場合は、図1のヒシテリシスループのdからfに変更される場合であり、データが破壊されてない場合は、aからfに変更される場合である。したがって、一定の時間が経過した後センスアンプがイネーブルすると、データが破壊された場合はロジック値「1」を出力し、データが破壊されてない場合はロジック値「0」を出力する。
【0010】
このようにセンスアンプからデータを出力した後に、それぞれのセルは元のデータに戻らなければならないので、ワードラインに「ハイ」信号を印加した状態でプレートラインを「ハイ」から「ロー」に不活性化させる。
【0011】
図4は従来技術に従う不揮発性強誘電体メモリ装置の構成ブロック図である。
図4に示すように、メインセルアレイ部41をほぼ矩形の形状の領域として配置し、その中の一部を参照セルアレイ部42に割り当てる。その矩形の領域のメインセルアレイ部41のいずれかの辺に沿って、メインセルアレイ部41及び参照セルアレイ部42に駆動信号を印加するワードライン駆動部43を配置する。さらにメインセルアレイ部41の他の辺、図面では下辺側にセンスアンプ部44を構成させている。ここで、ワードライン駆動部43はメインセルアレイ部41のメインワードライン及び参照セルアレイ部42の参照ワードラインに駆動信号を印加する回路である。センスアンプ44は複数個のセンスアンプより構成され、ビットライン及びビットバーラインの信号を増幅する。
【0012】
このような従来の不揮発性強誘電体メモリ装置の動作を図5に基づいて以下に説明する。
図5は図4の部分的詳細図である。図で分かるように、メインセルアレイはDRAMのように折り返し型ビットライン(folded bitline)構造を有する。そして、参照セルアレイ部42もまた折り返し型のビットライン構造を有し、参照セルワードラインと参照セルプレートラインを対として構成されている。この際、2対の参照セルワードライン及び参照セルプレートラインをそれぞれRWL_1,RPL_1及びRWL_2,RPL_2とする。
【0013】
メインセルワードラインMWL_N−1及びメインセルプレートラインMPL_N−1が活性化すると、参照セルワードラインRWL_1と参照セルプレートラインRPL_1も活性化する。したがって、ビットラインB/Lにはメインセルのデータが載せられ、ビットバーラインBB/Lには参照セルのデータが載せられる。
【0014】
また、メインセルワードラインMWL_NとメインセルプレートラインMPL_Nが活性化すると、参照セルワードラインRWL_2と参照セルプレートラインRPL_2も活性化される。したがって、ビットバーラインBB/Lにはメインセルのデータが載せられ、ビットラインB/Lには参照セルデータが載せられる。ここで、参照セルによるビットラインレベルREFはメインセルによるビットラインレベルのB_H(ハイ)とB_L(ロー)との間にある。したがって、参照電圧REFをビットラインレベルのB_HとB_Lとの間にするための参照セルの動作方法は二つある。
【0015】
第一は、参照セルのキャパシタにロジック「1」を格納する方法で、参照セルのキャパシタのサイズをメインセルのキャパシタのサイズに比べて小さくすればよい。
第二は、参照セルのキャパシタにロジック「0」を格納する方法で、参照セルのキャパシタのサイズをメインセルのキャパシタのサイズに比べて大きくすればよい。
【0016】
従来技術に従う不揮発性強誘電体メモリ装置は前記二つの方法を用いて、センスアンプ部44にて必要とされる参照電圧を作り出す。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上のような従来の不揮発性強誘電体メモリ装置は次のような問題点があった。
第一に、ビットラインレベルのB_HとB_Lとの間の参照電圧を形成するために、参照セルのキャパシタのサイズをメインセルのキャパシタのサイズより小さくする場合(第一の方法)、参照セルのキャパシタはメインセルのキャパシタに比べて過度なスイッチング、つまり、記憶破壊動作が行われるので、メインセルに比べて疲労現象が生し、参照電圧を不安定にさせる要因として作用する。
【0018】
第二に、ビットラインレベルのB_HとB_Lとの間の参照電圧を形成するために、参照セルのキャパシタのサイズをメインセルのキャパシタのサイズより大きくする場合(第二の方法)、疲労現象は発生しないが、キャパシタのサイズを大きくしなければならないという問題が生じる。
【0019】
本発明は上記した従来技術の課題を解決するために成されたものであって、安定した参照電圧を形成して、データセンシングに従う信頼性を向上させ得るような不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路を提供することが目的である。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達するための本発明の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路は参照ビットラインの信号とフィードバックされてきた信号をそれぞれ比較増幅した後に出力する第1増幅部および第2増幅部;第1増幅部および第2増幅部の出力信号を入力して、所望の参照レベルに調整して出力し、前記第1,第2増幅部にそれぞれフィードバックさせる参照レベル調整部;前記参照レベル調整部から出力される参照レベルを安定化させて出力する参照レベル安定化部;ビットラインプリチャージ時に前記参照レベル安定化部の出力を所定のレベルに落とすプルダウン回路部;前記第1,第2増幅部、参照レベル調整部、参照レベル安定化部およびプルダウン回路部の動作可否を制御する動作制御部;を含むことを特徴とする。
【0021】
以下、本発明の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、図6は本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ素子の単位セルを示すものである。
図6に示すように、本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ素子の単位セルは、行方向に並べて形成され、互いに一定の間隔を有する第1スプリットワードラインSWL1と第2スプリットワードラインSWL2の間に形成されている。これらの第1,第2スプリットワードラインSWL1,SWL2を横切る方向に第1ビットラインB/L1と第2ビットラインB/L2が形成されている。これらの第1スプリットワードラインSWL1と第2スプリットワードラインSWL2及び第1ビットラインB/L1と第2ビットラインB/L2とで形成された空間内にそれぞれ第1トランジスタT1と第1強誘電体キャパシタFC1及び第2トランジスタT2と第2強誘電体キャパシタFC2が配置されている。第1トランジスタT1はゲートが第1スプリットワードラインSWL1に連結され、ドレインが第1ビットラインB/L1に連結されている。第2トランジスタT2は、ゲートが第2スプリットワードラインSWL2に連結され、ドレインが第2ビットラインB2に連結されている。また第1強誘電体キャパシタFC1は、第1トランジスタT1のソースと第2スプリットワードラインSWL2との間に連結され、第2強誘電体キャパシタFC2が、第2トランジスタT2のソースと第1スプリットワードラインSWL1との間に連結されている。
【0022】
このような単位セルを複数個形成してセルアレイ部を構成するが、データの格納単位から見れば、一対のスプリットワードラインと一つのビットラインとに連結される一つのトランジスタT1及び一つの強誘電体キャパシタFC1が単位セルとなるが、構造的に見れば一対のスプリットワードラインと二つのビットラインとに連結される二つのトランジスタ及び二つの強誘電体キャパシタが単位セルとなる。これにより、本実施形態では構造的側面における2T/2C構造を単位セルとして定義する。
【0023】
以下、本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置の動作原理をより詳細に説明する。
図7は本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置の回路的構成を簡略化したものである。
図7に示すように、第1,第2スプリットワードラインSWL1,SWL2を一対とする複数のスプリットワードライン対が行方向に形成され、そのスプリットワードライン対を横切る方向に複数のビットラインB/Ln,B/Ln+1が形成され、それぞれのビットラインとビットラインとの間には両側のビットラインを介して伝達されたデータをセンシングして、データラインDL又はデータバーライン/DLへ伝達するセンシングアンプSAが形成されている。さらに、センシングアンプSAをイネーブルさせるためのイネーブル信号SENを出力するセンシングアンプイネーブル部が配置され、ビットラインとデータラインの接続を切り換える選択スイッチングCSが設けられている。
【0024】
このような本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置の動作を図8に示すタイミング図を参照して説明する。
図8のT0区間は第1、第2スプリットワードラインSWL1,SWL2が「ハイ」に活性化される以前の区間であって、全てのビットラインをNMOSトランジスタのしきい電圧レベルにプリチャージさせる。T1区間は第1,第2スプリットワードラインSWL1,SWL2双方が「ハイ」となる区間であって、メインセルの強誘電体キャパシタのデータがメインビットラインへ伝達され、ビットラインのレベルが変化する。この際、ロジック「ハイ」に格納されていた強誘電体キャパシタはビットラインとスプリットワードラインとに互いに反対極性の電界が加えられているので、強誘電体の極性が破壊されつつ多量の電流が流れ、ビットラインに高い電圧が誘起される。
【0025】
反面、ロジック「ロー」が格納されていた強誘電体キャパシタはビットラインとスプリットワードラインとに同一極性の電界が加えられるので、強誘電体の極性が破壊されず、少量の電流が流れるので、ビットラインに多少低い電圧を誘起する。ビットラインにセルデータが十分に載せられると、センシングアンプを活性化させるために、センシングアンプイネーブル信号SENを「ハイ」に遷移させ、ビットラインのレベルを増幅する。
【0026】
一方、破壊されたセルのロジック「ハイ」データは第1、第2スプリットワードラインSWL1、SWL2が「ハイ」の状態では復元できないので、次のT2,T3区間で再格納させるようにする。T2区間は、第1スプリットワードラインSWL1は「ロー」に遷移し、第2スプリットワードラインSWL2は「ハイ」を維持し続けるので、第2トランジスタT2はオンの状態となる。この際、ビットラインが「ハイ」の状態であれば、「ハイ」データが第2強誘電体キャパシタFC2の一方の電極へ伝達され、ロジック「1」の状態に戻す。
【0027】
T3区間は前記第1スプリットワードラインSWL1が再び「ハイ」に遷移し、第2スプリットワードラインSWL2は「ロー」に遷移する区間であって、第1トランジスタT1はオンの状態となる。このとき、ビットラインが「ハイ」の状態であれば、「ハイ」データが第1強誘電体キャパシタFC1の一方の電極へ伝達され、ロジック「1」の状態に戻す。
【0028】
このような本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置において、センスアンプに参照電圧を供給するための参照レベル発生回路を以下に説明する。
図9は本実施形態の参照レベル発生回路を説明するための不揮発性強誘電体メモリ装置の構成ブロック図である。メインセルアレイ部91を形成する領域は図示のように矩形の形状とされている。
図9に示すように、このメインセルアレイ部91のいずれか一辺の付近、図では左側に参照セルアレイ部92を割当てている。メインセルアレイ部91に駆動信号を印加するスプリットワードラインドライバ部93がその参照セルアレイ部を割り当てた側に沿って配置され、メインセルアレイ部91の下部(または上部)には複数のセンシングアンプ及び各センシングアンプに参照電圧を出力する参照電圧発生部を含むセンシングアンプ部94が配置されている。さらに、各ビットラインのうち隣接したビットラインを等電位化させ、プリチャージさせる等電位化及びプリチャージ回路部(図示せず)が設けられている。
【0029】
一方、図10は図9の部分的詳細図であって、カラム方向に参照ビットラインRB/Lとこれに平行に複数のメインビットラインMB/L1,MB/L2,...が形成され、第1,第2スプリットワードラインSWL1,SWL2が対となって参照ビットラインRB/L及びメインビットラインMB/L1,MB/L2,...を横切る方向に形成されている。これらの第1スプリットワードラインと第2スプリットワードライン、及び、二つの隣接したビットラインの間の領域毎にトランジスタ及び強誘電体キャパシタからなるセルが形成されている。この図の例の場合、センシングアンプ部94にビットラインを等電位化及びプリチャージさせる等電位化及びプリチャージ回路部99が形成されている。さらに、センシングアンプ部94には、メインビットライン毎に連結され、ビットラインに載せられるデータをセンシングするセンシングアンプS/Aが形成され、かつ参照ビットラインに載せられる参照電圧のレベルをより安定化させ、各センシングアンプの参照電圧として出力する参照レベル発生回路部100が形成されている。
【0030】
このような不揮発性強誘電体メモリ装置において、一対のスプリットワードラインが活性化すると、メインセル及び参照セルが同時に活性化する。したがって、メインセルのデータはメインビットラインに伝達されてセンシングアンプに伝達され、参照セルのデータは参照ビットラインRB/Lへ伝達される。
しかし、参照セルのデータは、参照ビットラインRB/Lを介してすぐセンシングアンプに入ることはない。すなわち、参照ビットラインRB/Lに載せられる参照セルデータは参照レベル発生回路部100に入力され、増幅の過程を経た後、その出力がセンシングアンプへ伝達される。
【0031】
本実施形態における、参照ビットラインRB/Lに載せられるデータはメインビットラインのロジック「0」の状態と同じである。すなわち、メインセルと参照セルのサイズを同じくして、参照セルにはロジック「0」を格納するようになっている。したがって、参照レベル発生回路部100は、参照ビットラインRB/Lの電圧を感知して、△Vだけ追加したレベルとして出力するようになっている。この参照レベル発生回路部100の出力はメインセルによるメインビットラインの「ハイ」と「ロー」レベルの間になるようにする。したがって、参照セルは、ロジック「0」が格納されてそれを読み出されるだけであるので、その強誘電体キャパシタには破壊動作は加えられない。したがって、強誘電体キャパシタに疲労現象が生じることがない。また本実施形態においては、参照セルはメインセルと同一のスプリットワードラインの信号を受けるため、参照セルへのワードラインを別途設けた場合と異なり、参照電圧のレベルを安定化させることができる。
【0032】
以下、本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置による参照レベル発生回路部をより詳細に説明する。
図11は本発明の実施形態に従う不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路の構成図である。
図11に示すように、本実施形態に従う不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル活性回路は、第1増幅部100a, 第2増幅部100b, 参照レベル調整部100c, 参照レベル安定化部100d, プルダウン回路部100e及びそれぞれのブロックを制御する動作制御部100fで構成される。動作制御部100fはPMOSトランジスタで構成され、外部から印加する第1コントロール信号LS_ENによって電源電圧を選択的にスイッチングする。
【0033】
第1増幅部100aはカレントミラー型差動増幅器で構成される。その構成を以下に説明する。
ソースが動作制御部100fの出力端に連結され、ゲートとドレインが共通接続される第1トランジスタPM2と、動作制御部100fの出力端に対して第1トランジスタPM2と並列連結される第2トランジスタPM3と、ゲートが参照ビットラインに連結され、ドレインが第1トランジスタPM2のドレインと連結される第3トランジスタNM1と、第3トランジスタNM1のソースと接地端との間に構成され、第1トランジスタPM2のドレイン電圧により制御される第4トランジスタNM2と、参照レベル調整部100cからフィードバックされて入る信号により制御され、第2トランジスタPM3と第4トランジスタNM2との間に形成される第5トランジスタNM3とで構成される。ここで、第1,第2トランジスタPM2,PM3はPMOSトランジスタで構成され、第3,第4トランジスタNM1,NM2及び第5トランジスタNM3はNMOSトランジスタで構成される。
【0034】
次いで、参照レベル調整部100cは動作制御部100fの出力端と第1増幅部100aを構成する第5トランジスタNM3のゲートとの間に配置され、第1増幅部100aの出力信号により制御される第1トランジスタNM7と、第2増幅部100bの出力信号により制御され、第1トランジスタNM7の出力を調節する第2トランジスタNM8と、外部から印加されるコントロール信号により動作制御部100fの出力をスイッチングする第3トランジスタPM6と、第2増幅部100bの出力信号により制御され、第3トランジスタPM6の出力端と第1増幅部100aの第5トランジスタNM3のゲートとの間に形成される第4トランジスタPM7とで構成される。ここで、第1,第2トランジスタNM7,NM8はNMOSトランジスタで構成され、第3,第4トランジスタPM6,PM7はPMOSトランジスタで構成される。第2トランジスタNM8は第4トランジスタPM7と同様に第2増幅部100bの出力信号により制御される。
【0035】
参照レベル安定化部100dは第2増幅部100bの出力信号により制御され、参照レベル調整部100cの出力端に直列に連結された第1,第2トランジスタNM9,NM10と、外部から印加される第2コントロール信号LSCにより制御され、ドレインが参照レベル調整部100cの出力端に連結され、ソースは第2トランジスタNM10の出力端に連結される第3トランジスタNM11とで構成される。ここで、第1,第2トランジスタNM9,NM10及び第3トランジスタNM11はNMOSトランジスタで構成される。また、第1,第2トランジスタNM9、NM10とは第2増幅部100bのそれぞれ異なる出力で制御される。
【0036】
プルダウン回路部100eは外部から印加される第1コントロール信号LS_ENにより制御され、参照レベル安定化部100dの出力端と連結される第1トランジスタNM12と、第1トランジスタのソースと接地端との間に形成され、ゲートとドレインが共通に接続される第2トランジスタNM13とで構成される。ここで、第1,第2トランジスタNM12,NM13はNMOSトランジスタで構成される。
【0037】
第2増幅部100bは、ゲートが参照ビットラインに連結され、ドレインが参照レベル安定化部100dの第1トランジスタNM9のゲートに連結される第1トランジスタNM4と、動作制御部100fの出力端と第1トランジスタNM4のドレインとの間に構成される第2トランジスタPM4と、動作制御部100fの出力端に対して第2トランジスタPM4と並列連結される第3トランジスタPM5と、第1トランジスタNM4のソースと接地端Vssとの間に形成され、ゲートが第3トランジスタPM5のゲートと接続される第4トランジスタNM5と、第3トランジスタPM5のドレインと第4トランジスタNM5のドレインとの間に形成され、ゲートが参照レベル調整部100cの出力端と連結される第5トランジスタNM6とで構成される。
ここで、第2,第3トランジスタPM4,PM5はPMOSトランジスタで構成され、第1,第4トランジスタNM4,NM5及び第5トランジスタNM6はNMOSトランジスタで構成される。
【0038】
以下、上記のように構成された本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路の動作を説明する。
図面に示すように、本実施形態による参照レベル発生回路は参照ビットラインの信号を参照入力REF_INに受ける。そして、参照レベル発生回路のコントロール信号としては第1コントロール信号と第2コントロール信号があるが、第1コントロール信号をLS_ENに、第2コントロール信号はLSCとする。
参照レベル発生回路の出力REF_OUTはセンシングアンプ部(図示せず)を構成している複数のセンシングアンプの参照入力として使用される。
【0039】
本実施形態の参照レベル発生回路の動作をより詳細に説明する。
第1コントロール信号のLS_EN信号は参照レベル発生回路を動作させたり不動作とさせる。すなわち、LS_EN信号が「ハイ」であれば、動作制御部100fを構成しているPMOSトランジスタがオフとなり、電源電圧Vccから接地端への電流の流れが遮断される。また、LS_EN信号が「ハイ」であるので、参照レベル調整部100cの第3トランジスタPM6はオフの状態となり、プルダウン回路部100eの第1トランジスタNM12はオンの状態となる。したがって、参照レベル発生回路の出力REF_OUTは第2トランジスタNM13を介して接地端Vssに放出される。
【0040】
一方、第1コントロール信号のLS_ENが「ロー」であれば、動作制御部100fのPMOSトランジスタがオンとなり、電源電圧Vccが参照レベル発生回路に供給される。そして、参照レベル調整部100cの第3トランジスタPM6はオンの状態となり、プルダウン回路部100eの第1トランジスタNM12はオフの状態となる。したがって、参照レベル発生回路の出力REF_OUTがプルダウン回路部100eの第2トランジスタNM13を介して接地端に放出されることを防ぐ。
【0041】
参照ビットラインRB/Lの参照電圧が第1増幅部100aの第3トランジスタNM1のゲートと第2増幅部100bの第1トランジスタNM4のゲートへ伝達されると、それぞれの増幅部は増幅作用を行う。この際、第1増幅部100a及び第2増幅部100bのそれ以外の入力は参照レベル調整部100cからフィードバックされる信号である。そのフィードバック信号は第1増幅部100aの第5トランジスタNM3のゲートと第2増幅部100bの第5トランジスタNM6のゲートとへ伝達される。
【0042】
第1増幅部100aの出力と第2増幅部100bの出力は参照レベル調整部100cの入力へ伝達される。これらの入力に応じて、参照レベル調整部100cの第1,第2トランジスタNM7,NM8と第3,第4トランジスタPM6,PM7によって所望の参照レベルに調整される。この際、第1増幅部100aと第2増幅部100bは参照レベル調整部100cからフィードバックされる信号と参照ビットラインに載せられた信号とを比較増幅するが、比較増幅動作は参照レベル調整部100cの出力が所望の値になるまで繰り返して行う。
【0043】
この反復的な比較、増幅動作によって所望の参照レベルになったら、参照レベル調整部100cの出力は参照レベル安定化部100dに入力される。ここで、参照レベル安定化部100dを構成している第1,第2トランジスタNM9,NM10及び第3トランジスタNM11のうち、第1,第2トランジスタNM9,NM10は参照レベルが不必要に変動するのを防ぐのに優れた効果がある。
すなわち、参照レベル安定化部100dの第1,第2トランジスタNM9,NM10のゲートには第2増幅部100bの反対側の出力信号が印加される。したがって、第1,第2トランジスタNM9,NM10のゲートには互いに反対の位相を有する信号が入力されるので、第1トランジスタNM9の入力端に現れる過度応答が第2トランジスタNM10の出力端へ伝達される時、互いに相殺され、参照レベル発生回路の出力REF_OUTが急変することを防いでいる。
【0044】
しかし、参照レベル安定化部100dの第1,第2トランジスタNM9,NM10のゲートに入力される電圧が低すぎると、参照レベル調整部100cの出力が十分に参照レベル発生回路の最終出力端REF_OUTへ伝達されないこともあるため、第3トランジスタNM11を過度応答が終わる時点でオンの状態とさせ、安定した信号が損なわれずに出力されるようにする。
以下、参照レベル発生回路の入力REF_INと参照レベル発生回路の出力REF_OUTとが△Vだけの差を有するようにするためには、下記のような方法を用いる。
【0045】
基本的に、第1増幅部100aの第3トランジスタNM1と第2増幅部100bの第1トランジスタNM4のサイズを同一に構成し、第1増幅部100aの第5トランジスタNM3と第2増幅部100bの第5トランジスタNM6のサイズもを同一構成とする。そして、第1,第2増幅部100a, 100bの第5トランジスタNM3,NM6の駆動能力を第1,第2増幅部100a, 100bの第3,第1トランジスタNM3,NM4の駆動能力より小さくする。
また、参照レベル調整部100cの第1,第3トランジスタNM7,PM6及び第4トランジスタPM7のサイズを適切に調節することで、参照レベル発生回路の出力REF_OUTレベルを入力レベルより△Vだけ大きくすることができる。
【0046】
一方、図12は電源電圧に載せられたノイズに従う参照レベル発生回路の出力を示すものであって、本実施形態の参照レベル発生回路を用いると、電源電圧のノイズにも拘わらず、安定した参照レベルを出力することが見られる。
【0047】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路は次のような効果がある。
第一に、参照レベルの変化量をNMOSトランジスタのサイズの調整のみで簡単に調整することができる。
第二に、最終的にセンシングアンプに印加される参照電圧のレベルが変動のない安定したレベルを維持できるので、迅速な応答速度が得られる。
第三に、最終的な参照電圧のレベルを電源電圧のノイズに関係なく安定に維持することができ、参照ビットラインに載せられた参照電圧が一定であれば、電源電圧にノイズが載せられてもほぼ完璧に参照電圧が保護されるような特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な強誘電体のヒステリシスループを示す特性図。
【図2】従来技術に従う不揮発性強誘電体メモリの単位セルの構成図。
【図3a】従来技術によるセルへの書込みの動作のタイミング図。
【図3b】従来技術によるセルへ記憶された情報を読み出す動作のタイミング図。
【図4】従来技術に従う不揮発性強誘電体メモリ装置の構成ブロック図。
【図5】図4の部分的詳細図
【図6】本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ素子の単位セルの構成図。
【図7】簡略化した本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置の回路的構成図。
【図8】本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置の動作を説明するための回路的構成図。
【図9】本実施形態の不揮発性強誘電体メモリ装置の構成ブロック図。
【図10】図9の部分的詳細図。
【図11】本実施形態の実施例に従う不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路の構成図。
【図12】電源電圧に載せられたノイズに対する参照レベル発生回路の出力を比較した図面。
【符号の説明】
91:メインセルアレイ部
92:参照セルアレイ部
93:スプリットワードラインドライバ部
94:センシングアンプ部
100:参照レベル発生回路部
100a, 100b:第1,第2増幅部
100c:参照レベル調整部
100d:参照レベル安定化部
100e:プルダウン回路部
100f:動作制御部
Claims (13)
- 不揮発性強誘電体メモリ装置のメインセルから読み出したデータを参照ビットラインから読み出した信号レベルと比較させるためにその信号レベルを参照レベル調整部で増加させる参照レベル発生回路において、
参照ビットラインの信号と参照レベル調整部からフィードバックされる信号をそれぞれ比較増幅した後出力する第1増幅部および第2増幅部;
第1増幅部および第2増幅部の出力信号を入力して、所望の参照レベルに調整して出力し、前記第1,第2増幅部にそれぞれフィードバックさせる参照レベル調整部;
前記参照レベル調整部から出力される参照レベルを安定化させて出力する参照レベル安定化部;
ビットラインプリチャージ時に前記参照レベル安定化部の出力を所定のレベルに落とすプルダウン回路部;
前記第1,第2増幅部、参照レベル調整部、参照レベル安定化部およびプルダウン回路部の動作可否を制御する動作制御部;
を含むことを特徴とする不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 前記動作制御部は外部の第1コントロール信号によって電源電圧をスイッチングするトランジスタで構成されることを特徴とする請求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。
- 前記プルダウン回路部は
前記参照レベル安定化部の出力端に連結されることを特徴とする請求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照電圧発生回路。 - 前記第1,第2増幅部は
前記参照レベル調整部の出力が所望のレベルとなるまで反復的に前記参照電圧調整部からフィードバックされる信号と参照ビットラインにかかる信号とを比較増幅して出力することを特徴とする請求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 第1,第2増幅部は
前記参照ビットラインにかかる信号と参照レベル安定化部からフィードバックされる信号とを入力して比較増幅するカレントミラー型の差動増幅器を備えることを特徴とする請求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照電圧発生回路。 - 第1増幅部はソースが動作制御部の出力端に連結され、ゲートとドレインが共通接続された第1トランジスタと、
前記動作制御部の出力端に対して前記第1トランジスタと並列に連結され、ゲートが第1トランジスタのゲートと接続される第2トランジスタと、
ゲートが参照ビットラインと連結され、ドレインが第1トランジスタのドレインと連結される第3トランジスタと、
前記第3トランジスタのソースと接地端との間に連結され、前記第1トランジスタのドレイン電圧により制御される第4トランジスタと、
第2トランジスタのドレインと第4トランジスタのドレインとの間に構成され、ゲートが前記参照レベル調整部の出力端と連結される第5トランジスタと
を含み、第1、第2トランジスタがPMOSで、第3〜第5トランジスタがNMOSであることを特徴とする請求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 参照レベル調整部は
前記動作制御部の出力端と前記第1増幅部の第5トランジスタのゲートとの間に配置され、前記第1増幅部の出力信号により制御される第1トランジスタと、前記第2増幅部の出力信号により制御され、前記第1トランジスタの出力を調節する第2トランジスタと、
外部から印加される第2コントロール信号により前記動作制御部の出力をスイッチングする第3トランジスタと、
前記第2増幅部の出力信号により制御され、前記第3トランジスタの出力端と前記第1増幅部の第5トランジスタのゲートとの間に形成される第4トランジスタと
を含むことを特徴とする請求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 前記参照レベル安定化部は
前記第2増幅部の出力信号によりそれぞれ逆の位相で制御され、前記参照レベル調整部の出力端に直列に連結された第1,第2トランジスタと、
前記第2制御信号により制御され、直列に接続された前記第1、第2トランジスタに並列に連結された第3トランジスタと
を含むことを特徴とする請求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 前記プルダウン回路部は
前記第1コントロール信号により制御され、前記参照レベル安定化部の出力端に連結される第1トランジスタと、
前記第1トランジスタと接地端との間に形成され、ゲートとドレインが共通に接続された第2トランジスタと
を含むことを特徴とする請求項2記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 前記プルダウン回路部は
前記参照レベル安定化部の出力をNMOSトランジスタのしきい電圧レベルに落とすことを特徴とする請求項2記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 前記第2増幅部は
ゲートが参照ビットラインに連結され、ドレインは前記参照レベル安定化部の第2トランジスタのゲートに連結される第1トランジスタと、
前記動作制御部の出力端と前記第1トランジスタのドレインとの間に構成される第2トランジスタと、
前記動作制御部の出力端に対して前記第2トランジスタと並列連結される第3トランジスタと、
前記第1トランジスタのソースと接地端との間に形成され、ゲートが前記第3トランジスタのゲートと接続する第4トランジスタと、
前記第3トランジスタのドレインと第4トランジスタのドレインとの間に接続され、ゲートが前記参照レベル調整部の出力端と連結される第5トランジスタとを含み、第2,第3トランジスタがPMOSで、第1,第4,第5トランジスタがNMOSであることを特徴とする請求項1載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 第1制御信号によって電源電圧をスイッチングする第1PMOSトランジスタで構成される動作制御部と;
ソースが前記第1PMOSトランジスタの出力端に連結され、ゲートとドレインが共通接続される第2PMOSトランジスタと、前記第1PMOSトランジスタの出力端に対して前記第2PMOSトランジスタと並列連結される第3PMOSトランジスタと、ゲートが参照ビットラインに連結され、ドレインは前記第2PMOSトランジスタに連結される第1NMOSトランジスタと、前記第1NMOSトランジスタのソースと接地端との間に形成され、前記第2PMOSトランジスタのドレイン電圧により制御される第2NMOSトランジスタと、前記第2PMOSトランジスタと第2NMOSトランジスタとの間に連結される第3NMOSトランジスタとで構成され、前記参照ビットラインの信号と第3NMOSのゲートに入力されるフィードバック信号とを比較増幅する第1増幅部;
ソースが前記動作制御部の出力端に連結される第4PMOSトランジスタと、前記動作制御部の出力端に対して前記第4PMOSトランジスタと並列連結される第5PMOSトランジスタと、ゲートが前記参照ビットラインに連結され、ドレインは前記第4PMOSトランジスタのドレインに連結される第4NMOSトランジスタと、前記第4NMOSトランジスタのソースと接地端との間に連結される第5NMOSトランジスタと、前記第5PMOSトランジスタと前記第5NMOSトランジスタのドレインの間に形成される第6NMOSトランジスタとで構成され、前記参照ビットラインの信号と第6NMOSトランジスタのゲートへ入力されるフィードバック信号とを比較増幅する第2増幅部;
前記動作制御部の出力端と前記第3NMOSトランジスタのゲートとの間に連結され、前記第3PMOSトランジスタのドレイン電圧により制御される第7NMOSトランジスタと、前記第3NMOSトランジスタのドレインと前記第7NMOSトランジスタのソースとの間に形成され、前記第4NMOSトランジスタのソース電圧により制御される第8NMOSトランジスタと、前記第1制御信号により制御され、ソースが前記動作制御部の出力端に連結された第6PMOSトランジスタと、前記第6PMOSトランジスタと前記第3NMOSトランジスタのゲートの間に形成され、前記第4NMOSトランジスタのソース電圧により制御される第7PMOSトランジスタとで構成され、前記第1,第2増幅部の出力信号を受けて所望の参照レベルに調整する参照レベル調整部;
前記第4NMOSトランジスタのドレイン電圧により制御され、ドレインへ前記参照レベル調整部の出力信号が連結される第9NMOSトランジスタと、前記第9NMOSと直列連結され、前記第6NMOSトランジスタのドレイン電圧により制御される第10NMOSトランジスタと、ドレインが前記参照レベル調整部の出力端に連結され、ソースは前記第10NMOSトランジスタのソースに連結され、外部から印加される第2コントロール信号により制御される第11NMOSトランジスタとで構成され、前記参照レベル調整部から出力される参照レベルを安定化させる参照レベル安定化部;
前記第10NMOSトランジスタのソースに連結され、前記第1コントロール信号により制御される第12NMOSトランジスタと、前記第12NMOSトランジスタのソースと接地端との間に形成され、ゲートとドレインが共通接続される第13NMOSトランジスタとで構成され、ビットラインプリチャージ時前記参照レベル安定化部から出力される参照レベルをNMOSトランジスタのしきい電圧レベルに落とすプルダウン回路部を含むことをことを特徴とする不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。 - 前記第1,第2制御信号は外部から印加されることを特徴とする請求項12記載の不揮発性強誘電体メモリ装置の参照レベル発生回路。
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