JP4801125B2 - 不揮発性強誘電体メモリ装置及びそれを用いたマルチビットデータの書込み方法 - Google Patents
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Description
FRAMはDRAMとほぼ同一構造を有する記憶素子であって、キャパシター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。
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。
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ーFC1とで構成されている。
図3aは強誘電体メモリ素子の書込みモードの動作タイミング図であり、図3bは強誘電体メモリの読出しモードの動作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」に変わ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。
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ーにはロジック値「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ーにはロジック値「0」が記録される。
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。
もし、強誘電体キャパシター(F1)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。
まず、書込み動作においては電圧依存性が大きいので、これを用いてマルチビット格納セルを実現する。
すなわち、それぞれの格納レベルを格納電圧でそれぞれ調整し、センシング時にはまず、サブビットラインに小キャパシタンス負荷条件で最大のビットラインセンシング電圧を誘導し、このセンシング電圧をメインビットラインに連結されたNMOSトランジスタから構成された第4スイッチングトランジスタのゲート入力として使用して、メインビットラインから抜け出る電流を調整する。
このようにすることで、メインビットラインでセンシング電圧は更に安定的なものとなり、センシング感度が向上する。
かかる方法によって一つのメモリセルに4つ以上のデータレベルを格納して、2ビット以上のデータを格納することができる。
したがって、チップサイズを画期的に減らして、チップのコスト競争力を確保することが容易となる。
そして、各セルアレイ部のメインビットラインは、カラムセレクタ部内のカラムセレクタ(C/S)に一つずつ対応して連結され、カラムセレクタを通過した出力信号は共通の信号バスラインを介して共通のセンスアンプ部42内のそれぞれのセルアレイ部に対応して設けたセンスアンプに連結される。
この際、センスアンプ部42内のセンスアンプの数は信号バスの数と同一である。
信号バスラインは上部セルアレイ部と下部セルアレイ部にそれぞれセンスアンプの数と対応するように配置させる。
また、図6はサブセルアレイ部がオープンビットライン構造で形成された例を示す図であって、そのサブセルアレイ部の構成は図7と図8で説明する。
まず、サブセルアレイ部の第1方法による回路は電流量によってセルのデータをセンシングする構成としたもので、折り返し型ビットライン構造から構成されている。2本のワードラインがその間に1本のプレートラインを共有するように構成されている。
各サブセルアレイ部は複数のローと複数のカラム方向に複数のセルが構成されている。
したがって、1本のワードラインと1本のプレートラインが活性化されると、奇数番目のビットラインか偶数番目のビットラインのいずれかのラインに連結されたセルのみが選択され、奇数、偶数ライン中選択されなかったビットラインは参照ラインとして使用される。
そして、メインビットライン(MBL<0>,MBL<1>,…,MBL<n>)と直交する方向にワードラインとプレートラインとが備えられている。
そして、ワードラインとプレートラインと同方向に配列されたサブビットラインプルダウン信号(SBPD)印加ラインと、第1サブビットラインスイッチ信号(SBSW1)印加ラインと、左/右の第2サブビットラインスイッチ信号(SBSW2_L,SBSW2_R)印加ラインと、サブビットラインプルアップ信号(SBPU)印加ラインとがある。
第1スイッチングトランジスタ(ST1)はゲートがSBSW1印加ラインに連結され、一方の電極と他方の電極とがそれぞれメインビットラインとサブビットラインとに連結される。
第2スイッチングトランジスタ(ST2)はゲートがSBSW2_L又はSBSW2_R印加ラインに連結され、一方の電極はサブビットラインに連結され、他方の電極はSBPU印加ラインに連結される。
そして、第3スイッチングトランジスタ(ST3)はゲートがSBPD印加ラインに連結され、一方の電極はサブビットラインに連結され、他方の電極は接地電圧(VSS)端に連結される。
上記制御ブロック70のトランジスタの他に、ゲート端がサブビットラインに連結され、ドレイン端とソース端はそれぞれメインビットライン(MBL)と接地(VSS)ラインとの間に連結されるNMOSトランジスタから構成された第4スイッチングトランジスタ(ST4)が設けられている。
この第4スイッチングトランジスタ(ST4)は各サブビットライン当たり一つずつ構成されている。
上記のように、セルに格納されたデータに対応する電圧の大きさに従って第4スイッチングトランジスタに流れる電流値が変わり、これに従って、第4スイッチングトランジスタのドレイン端に連結されたメインビットラインの電圧を参照値と比較してセルのデータをセンシングすることができる。
すなわち、複数のサブビットラインの何れか1本を選択するため、SBSW1信号の中一つのみを活性化させ、何れか1本のサブビットラインを選択する。
これにより、ビットラインにかかる負荷を1本のサブビットライン負荷の水準に減らすことができる。
一方、SBPUはSBLに供給する電圧を調整する信号である。
低電圧では「ハイ」電圧の発生時にVCC電圧より高い電圧を生成して供給する。
データ書込み時における電流漏出を防止するようにNMOSトランジスタから構成された第5スイッチングトランジスタ(ST5)が備えられている。
メインビットラインプルアップ部はプリチャージ時にメインビットラインをプルアップさせる役割を果たす。
前記したように、メインビットライン(MBL)はカラムセレクタ(C/S)によって選択が決定され、駆動しない間にはメインビットラインプルアップ部によってプルアップされる。
特に、セルに2ビット又は3ビット又はnビットの形態でデータが格納される場合のセンスアンプ及び、それと関連した回路構成について、即ち、セルに格納されたデータを2ビットと3ビットとnビットの形態でセンシングする時のセンスアンプ及びその関連回路の構成についてそれぞれ説明する。
したがって、第1〜第3センシング部(S/A(0)〜S/A(2))に対応するように、第1〜第3センシング部(S/A(0)〜S/A(2))の入力端に各々異なるレベルを出力する第1〜第3参照信号発生部(REF(0)〜REF(2))が設けられている。
複数の強誘電体キャパシターの第1電極は参照プレートライン(REF_PL)に共通に接続され、第2電極はストレージノードの参照電圧センシングライン(REFSN)に共通に接続され並列に構成されている。
レベル初期化部はゲートに参照等価信号(REF_EQ)が入力され、ドレイン端とソース端はそれぞれ参照電圧センシングラインと接地電圧端とに接続されたNMOSトランジスタで構成されている。
参照電圧出力部は、電源電圧端(VCC)と接地電圧端(VSS)との間に負荷PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとが直列に連結され、その共通ノードから参照電圧(REF(n))を得るように構成されている。
負荷PMOSトランジスタはゲートが接地され、常時オンとされており、NMOSトランジスタはゲートが参照電圧センシングラインの制御を受けて、オン/オフされる。
アクティブ区間はt1〜t3区間であり、プリチャージ区間はt0,t4,t5区間である。アクティブ区間にはチップ選択バーパッド(CSBpad)を介して「ロー」レベルの信号が出力され、プリチャージ区間にはCSBpadを介して「ハイ」レベル信号が出力される。
まず、セルに2ビットを格納するとき、セルには4−レベルのデータ格納が必要である。すなわち、00,01,10,11の格納レベルが必要であるが、このように4つのレベルに分けて格納するために、セルにVW0,VW1,VW2,VW3の電圧で別々に格納する。
すると、プレートラインとSBLに「VW0−VW1」だけの電圧が加えられるので、その電圧差だけ最初に格納された電荷が遷移されて、データレベルは「11」から「10」に遷移する。
すると、PLとSBLに「VW1−VW2」だけの電圧が加えられるので、その電圧差だけ以前に格納された電荷が遷移して、データレベルは「10」から「01」に遷移する。
この4つのレベルは3つの参照レベルと比較/増幅される。この参照レベルは第1〜第3参照レベル(REF(0),REF(1),REF(2))として示すことができ、REF(0)<REF(1)<REF(2)の大きさを有する。
すると、プレートラインとSBLに「VW0−VW1」だけの電圧が加えられるので、その電圧差だけ最初に格納された電荷が遷移されて、データレベルは「111」から「110」に遷移する。
すると、PLとSBLに「VW1−VW2」だけの電圧が加えられるので、その電圧差だけ以前に格納された電荷が遷移して、データレベルは「110」から「101」に遷移する。
すると、PLとSBLに「VW2−VW3」だけの電圧が加えられるので、その電圧差だけ以前に格納された電荷が遷移して、データレベルは「101」から「100」に遷移する。
例えば、複数のレベルの何れか一つのレベルとなるように書き込む場合に、例えば、セルにデータレベル「011」を書き込むためには、まず、データレベル「111」状態にしてPLをVPPに遷移させ、SBLとMBLにVW4レベルの電圧を印加すれば良い。
この8つのレベルは7つの参照レベルと比較/増幅される。その参照レベルは第1〜第7参照レベル(REF(0)〜REF(6))として示すことができ、REF(0)<REF(1)<REF(2)<REF<(3)<REF(4)<REF(5)<REF(6)の大きさを有する。
すると、プレートラインとSBLに「VW0−VW1」だけの電圧が加えられるので、その電圧差だけ最初に格納された電荷が遷移して、データレベルは「11・・11」から「11・・10」に遷移する。
この2n個のレベルは(2n−1)個の参照レベルと比較/増幅される。
この際、参照レベルは第1〜第(2n−1)参照レベル(REF(0)〜REF(2n−2))として示すことができ、REF(0)<REF(1)<REF(2)< … <REF(2n−2)の大きさを有する。
特に、セルから誘起された電圧、すなわちセルに格納されていた電圧をサブビットラインを介して第4スイッチングトランジスタ(ST4)のゲート端に印加することにより、セルデータの格納されていたマルチレベル値に従って第4スイッチングトランジスタ(ST4)の内部抵抗を変え、それに流れる電流値が格納データに応じて異なるようにして、第4スイッチングトランジスタ(ST4)のドレイン端に連結されたメインビットライン電圧を複数の参照値と比較してセンシングするのである。
まず、図19に示すように、t0区間はアクティブ区間の前のプリチャージ区間であり、サブビットライン(SBL)を0Vにするために、サブビットラインプルダウン(SBPD)印加ラインに「VCC」を印加する。
そして、SBPDとメインビットライン負荷コントロール信号印加ラインには「ハイ」レベルの電圧を印加する。
これにより、サブビットライン(SBL)は「ハイ」レベルとなり、これにより、第4スイッチングトランジスタ(ST4)がターンオンして、メインビットライン(MBL)はSBLに対応する「ロー」レベルに落ちる。
このようなt2,t3区間はST4がターンオンする区間として、センシング動作が行われる区間である。
このとき、SBSW2をt4区間に予め「VPP」に遷移させる理由は、アクティブ区間のt5区間にワードラインとSBSW2を2VPPにセルフブーストさせて、全ての単位セルの強誘電体キャパシターにロジック「1」のデータを書き込むためである。
この際、メインビットラインスイッチング信号(MBSW)は「ロー」レベルに遷移される。これにより、SBLの「VPP」信号を受けた選択されたセルの強誘電体キャパシターには「VPP」が伝達される。
以後のt6区間はマルチビットのデータを書き込む区間である。
このとき、WLは「2VPP」、PLは「VPP」、SBSW1は「VPP」、SBSW2は「0V」に遷移させ、SBPUは「VPP」を維持し、SENは「VCC」を維持する。
また、センスアンプ増幅後に続けられる「ハイ」データの補強に必要な時間を除去することにより、セル動作時間とサイクルタイムを減らすことができる。
また、メインビットライン(MBL)に電流センシングを用いることにより、メインビットラインのキャパシタンスの負荷が大きくてもセンシングマージンが良く、メインビットライン自体のキャパシタンスミスマッチがあってもセンシングマージンに優れている。
t2,t3区間はセンシング区間であり、t5区間は「ハイ」データ書込み区間であり、t6区間はマルチプルレベル再格納区間である。
t6区間はマルチレベルデータの再格納区間である。
以上説明したように、本発明の不揮発性強誘電体メモリ装置及びそれを用いたマルチビットデータの書込み及び読出し方法によれば次のような効果がある。
すなわち、一つのメモリセルに2ビット以上のデータを格納できるので、従来の複数のメモリセルを一つのメモリセルに代替することができ、チップサイズを画期的に減らすことができる。
これにより、チップのコスト競争力の確保が有利となる。
70,71,80,81:スイッチング制御ブロック
110,120:デジタル/アナログコンバータ
111,121:第1デコーダ
112,122:第1エンコーダ
Claims (11)
- プレートラインとワードラインの制御を受ける複数の単位セルを含む複数のサブセルアレイ部を備えた複数のセルアレイ部と、
前記セルアレイ部にカラム単位で一方向に配列された複数のメインビットラインと、
前記単位セルの一端子に連結され、前記メインビットラインと同方向に構成された複数のサブビットラインと、
ゲートは前記サブビットラインに接続され、ドレインは前記メインビットラインに接続されるように、前記サブビットライン当たり一つずつ備えられたスイッチングトランジスタと、
前記スイッチングトランジスタを介した電流センシングによって前記セルに格納されたデータに対応する電圧が前記メインビットラインへ伝達され、前記メインビットラインへ伝達された電圧を受けてマルチビット状態をセンシングするように複数のセルアレイ部に共有された複数のセンスアンプから構成されたセンスアンプ部とを備えた不揮発性強誘電体メモリ装置で、
前記サブビットラインをプルアップするためのプルアップトランジスタをターンオンさせた後、プルアップトランジスタの一端に連結されたプルアップ信号印加ラインに第1電圧(VPP)を印加する第1過程と、
前記第1過程に応じて前記ワードラインに2VPPにセルフブーストされた電圧が印加され、セルがターンオンされる第2過程と、
前記第1過程と同時に前記サブビットラインに前記第1電圧(VPP)が印加され、全セルに前記第1電圧(VPP)レベルが伝達される第3過程とを介して全セルに「ハイ」データを書き込む段階と、
前記プレートラインと前記サブビットラインの電圧及びメインビットラインの電圧を調整して、前記セルにnビットのマルチビットデータを書込みさせる段階とを備えることを特徴とする不揮発性強誘電体メモリ装置を用いたマルチビットデータの書込み方法。 - 前記マルチビットがnビットである場合、
前記セルに「00・・00」,「00・・01」,…,「11・・10」,「11・・11」の2n個の格納レベルに分けて書き込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を用いたマルチビットデータの書込み方法。 - 前記2n個の格納レベルの中、「11・・11」レベルは前記全セルに書込まれた「ハイ」データレベルである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を用いたマルチビットデータの書込み方法。
- 前記2n個の格納レベルの中、「11・・10」レベルの書込みは前記プレートライン(PL)に第1電圧(VW0、即ち、VPP)を加え、
前記サブビットラインと前記メインビットラインには、前記第1電圧(VPP)と接地電圧(VSS)をn個の第1〜第n電圧に分けた電圧(VW0,VW1,〜,VW(2n−2),VW(2n−1))の中、第2電圧(VW1)を印加して行う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を用いたマルチビットデータの書込み方法。 - 前記2n個の格納レベルの中、「00・・01」レベルの書込みは前記プレートライン(PL)に第1電圧(VPP)が印加された状態で前記サブビットラインと前記メインビットラインに前記第1電圧(VPP)と接地電圧(VSS)をn個の第1〜第n電圧に分けた電圧(VW0,VW1,〜,VW(2n−2),VW(2n−1))の中、第(2n−1)電圧(VW(2n−2))を印加して行う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を用いたマルチビットデータの書込み方法。
- 前記2n個の格納レベルの中、「00・・00」レベルの書込みは前記プレートライン(PL)に第1電圧(VPP)が印加された状態で前記サブビットラインと前記メインビットラインに、前記第1電圧(VPP)と接地電圧(VSS)をn個の第1〜第n電圧に分けた電圧(VW0,VW1,〜,VW(2n−2),VW(2n−1))の中、第n電圧(VW(2n−1)、即ち、VSS)を印加して行う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を用いたマルチビットデータの書込み方法。
- 前記マルチビットが2ビットである場合、前記セルに00,01,10,11の4つの格納レベルに分けて書き込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を用いたマルチビットデータの書込み方法。
- 前記4つの格納レベルの中、「11」レベルは前記全てのセルに書込まれた「ハイ」レベルであることを特徴とする請求項7記載の不揮発性強誘電体メモリ装置を用いたマルチビットデータの書込み方法。
- 前記4つの格納レベルの中、「10」レベルの書込みは前記プレートライン(PL)に第1電圧(VW0、即ち、VPP)を加え、前記サブビットラインと前記メインビットラインに前記第1電圧より小さい第2電圧(VW1)を印加して行うことを特徴とする請求項7記載の不揮発性強誘電体メモリ装置を用いたマルチビットデータの書込み方法。
- 前記4つの格納レベルの中、「01」レベルの書込みは前記プレートライン(PL)に第1電圧(VPP)が印加された状態で、前記サブビットラインと前記メインビットラインに前記第2電圧より小さい第3電圧(VW2)を印加して行うことを特徴とする請求項9記載の不揮発性強誘電体メモリ装置を用いたマルチビットデータの書込み方法。
- 前記4つの格納レベルの中、「00」レベルの書込みは前記プレートライン(PL)に第1電圧(VPP)が印加された状態で、前記サブビットラインと前記メインビットラインに前記第3電圧より小さい第4電圧(VW3、即ち、VSS)を印加して行うことを特徴とする請求項10記載の不揮発性強誘電体メモリ装置を用いたマルチビットデータの書込み方法。
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