JPH08273374A - 強誘電体記憶装置 - Google Patents

強誘電体記憶装置

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JPH08273374A
JPH08273374A JP7074137A JP7413795A JPH08273374A JP H08273374 A JPH08273374 A JP H08273374A JP 7074137 A JP7074137 A JP 7074137A JP 7413795 A JP7413795 A JP 7413795A JP H08273374 A JPH08273374 A JP H08273374A
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JP
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auxiliary
ferroelectric
cell
ferroelectric capacitor
word line
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JP7074137A
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Toshimasa Osawa
俊政 大澤
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Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】タイミング設計が容易で、動作速度の高速化を
図れ、また面積の増大を防止でき、また製造歩留りの向
上を図れる強誘電体記憶装置を実現する。 【構成】ドレインが補助ビット線SBL1(またはSB
L2)に接続されたスイッチングトランジスタSTr1
と、一方の電極がヒューズF1を介してワード線WL1
に接続され、ヒューズF2を介してスイッチングトラン
ジスタSTr1のソースに接続された強誘電体キャパシ
タSFC1とからなる補助セルSC1、並びにドレイン
が補助ビット線BL2(またはBL1)に接続されたス
イッチングトランジスタSTr1と、一方の電極がヒュ
ーズSF1を介してリファレンス用ワード線RWL1に
接続され、ヒューズSF2を介してスイッチングトラン
ジスタSTr1のソースに接続された強誘電体キャパシ
タSRFC1とからなる補助セルSRC1により構成さ
れた補助セルアレイ2を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体の分極反転を
利用した強誘電体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図5に示すようなヒステリシス特性を有
する強誘電体の分極反転を利用して、2値データを記憶
する強誘電体不揮発性メモリとしては、現在さまざまな
ものが提案されているが、その中で代表的なものとし
て、1つのスイッチングトランジスタと1つの強誘電体
キャパシタにより1ビットを構成するもの(1Tr−1
Cap方式)、2つのスイッチングトランジスタと2つ
の強誘電体キャパシタにより1ビットを構成するもの
(2Tr−2Cap方式という)との2種類が提案され
ている。以下に、1Tr−1Cap方式を例に強誘電体
不揮発性メモリの基本的な回路構成について説明する。
【0003】図6は、1Tr−1Cap方式を採用した
強誘電体不揮発性メモリの基本的な1ビット構成を示す
図である。このメモリセルMC1は、図6に示すよう
に、ビット線BL1に対しドレインが接続されたnチャ
ネルMOSトランジスタからなるスイッチングトランジ
スタTr1と、スイッチングトランジスタTr1のソー
スに対し一方(第1)の電極が接続された強誘電体キャ
パシタFC1によって1ビットが構成されており、スイ
ッチングトランジスタTr1のゲートがワード線WL1
に接続され、強誘電体キャパシタFC1の他方(第2)
の電極(プレート電極)がプレート線PLに接続されて
いる。
【0004】そして、この1Tr−1Cap方式を採用
した不揮発性メモリには、ビット線BL1と対をなすビ
ット線BL2にドレインが接続されたリファレンス用ス
イッチングトランジスタRTr1と、スイッチングトラ
ンジスタRTr1のソースに対し一方の電極が接続され
たリファレンス用強誘電体キャパシタRFC1によって
構成されるリファレンスセルRMC1が設けられ、スイ
ッチングトランジスタRTr1のゲートがリファレンス
用ワード線RWL1に接続され、強誘電体キャパシタR
FC1の他方の電極がリファレンス用プレート線RPL
に接続されている。なお、強誘電体は、分極変化の回数
が多くなると電極に発生する電荷が小さくなる劣化(Fat
igue) が起こる。そこで、リファレンスセルRCM1
は、常にデータ「0」を書き込み劣化が起こりにくいよ
うに制御される。
【0005】次に、1Tr−1Cap方式を採用した不
揮発性メモリにおける動作を、データの読み出し動作を
例に、図7のタイミングチャートを参照しつつ説明す
る。
【0006】まず、図示しない列制御系によりビット線
BL1,BL2に「0」Vが印加され、その後オープン
とされる。そして、図示しない行制御系であるローデコ
ーダによりワード線WL1に(V CC+αV、たとえばα
は1V)が印加される。これにより、スイッチングトラ
ンジスタTr1が導通状態となる。同様に、リファンレ
ス用ワード線RWL1に(VCC+1V)が印加される。
これにより、スイッチングトランジスタRTr1が導通
状態となる。なお、ワード線WL1,RWL1の設定レ
ベルを(VCC+1V)としたのは、スイッチングトラン
ジスタのしきい値電圧Vthが1V以下であることか
ら、「+1V」してトランジスタによる電圧降下を防ぐ
ためであり、この電圧は、図示しない昇圧回路により、
たとえば内部信号に基づいて生成され、図示しないロー
デコーダを介して印加される。
【0007】そして、ワード線WL1,RWL1と略同
様の立ち上げタイミング、あるいは図7に示すように、
一定のタイミングをおいてプレート線PLおよびRPL
に電源電圧VCCが所定時間印加される。これにより、強
誘電体キャパシタFC1およびRFC2の分極状態に従
ってビット線BL1およびBL2の電位が変化する。そ
して、リファレンスセルRMC1が接続されたビット線
BL2の電位とメモリセルMC1が接続されたビット線
BL1の分極状態に応じた電位との差が、図示しないセ
ンスアンプにより検出される。なお、リファレンスセル
RMC1は分極反転させずに使用されるため、再書き込
み動作に入らないように、すなわち「0」データを書き
込むために、リファレンス用ワード線RWL1はリファ
レンス用プレート線RPLよりも早いタイミングで0V
に立ち下がるように設定される。すなわち、スイッチン
グトランジスタRTr1が非導通状態になった後に、リ
ファレンス用プレート線RPLが0Vに立ち下げられ
る。
【0008】通常のメモリセルMC1側では、データ読
み出し後、上述した再書き込みを行うため、リファレン
ス用プレート線RPLとほぼ同時に0Vに立ち下げた後
に、ワード線WL1が(VCC+1V)から0Vに立ち下
げられる。これにより、スイッチングトランジスタTr
1が非導通状態となり、読み出し動作が終了する。
【0009】また、図8は1Tr−1Cap方式を採用
した不揮発性メモリにおける書き込み動作時のタイミン
グチャートを示している。データ書き込みは、図8に示
すようなワード線WLおよびプレート線PLの制御が行
われて、1つの強誘電体キャパシタの分極状態を、図8
に示すヒステリシス曲線におけるC点(状態0)または
A点(状態1)に設定することにより、1ビットの書き
込みが行われる。この場合も、ワード線WL1へは、ス
イッチングトランジスタによる電圧降下を防ぐためであ
り、図示しない昇圧回路により、たとえば内部信号に基
づいて生成された(VCC+1V)の信号が、図示しない
ローデコーダを介して印加される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した図
6の回路では、ワード線用駆動電圧を昇圧する回路は、
たとえば複数のノード間をそれぞれMOSトランジスタ
で接続し、たとえば内部パルス信号を、ゲート絶縁膜を
有する半導体キャパシタに印加させてその容量結合によ
り順次に昇圧するように構成される。
【0011】しかしながら、外部からの信号に直接同期
させたパルス信号を用いずに、内部パルス信号を用いて
いることから、ずれ等の発生を防止するためのタイミン
グ調整に時間がかかり、動作の高速化に限界があった。
また、複数の半導体キャパシタに相補的なレベルをとる
パルス信号を順次に印加する必要があり、そのタイミン
グ制御が複雑で、また、メモリセルの強誘電体キャパシ
タとは異なる構成を有することから製造工程も複雑とな
る。さらに、複数のキャパシタを要することから回路面
積の増大を招くという問題がある。
【0012】加えて、強誘電体不揮発性メモリにあっ
て、DRAM等の半導体メモリと同様に、製造歩留りを
向上させるため、欠陥メモリセルを救済する予備的な補
助メモリセルをあらかじめメモリアレイ内に配置する、
いわゆる冗長回路を装備する必要がある。
【0013】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、タイミング設計が容易で、動作
速度の高速化を図れ、また面積の増大を防止でき、また
製造歩留りの向上を図れる強誘電体記憶装置を提供する
ことにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、少なくとも、第1および第2の電極と両
電極間に配置された強誘電体を有し、両電極への印加電
圧に応じた強誘電体の分極の方向によって2値データを
記憶する強誘電体キャパシタと、ワード線に印加される
駆動信号レベルに応じてビット線と強誘電体キャパシタ
の第1の電極とを作動的に接続するスイッチングトラン
ジスタとからなるメモリセルを有する強誘電体記憶装置
であって、第1および第2の電極と両電極間に配置され
た強誘電体とからなる補助用強誘電体キャパシタと、上
記ワード線に印加される駆動信号レベルに応じて補助用
ビット線と強誘電体キャパシタの第1の電極側とを作動
的に接続する補助用スイッチングトランジスタと、上記
補助用強誘電体キャパシタの第1の電極と上記ワード線
との間に設けられ両者間の電気的な接続状態を選択的に
解除できる第1の接続素子と、上記補助用強誘電体キャ
パシタの第1の電極と上記スイッチングトランジスタと
の間に設けられ両者間の電気的な接続状態を選択的に解
除できる第2の接続素子とからなる補助用セルを有す
る。
【0015】また、本発明の強誘電体記憶装置では、上
記補助セルがワード線方向に少なくとも2列配置され
る。
【0016】また、本発明の強誘電体記憶装置では、少
なくとも上記補助セルの第1の接続素子による電気的な
接続状態が解除された場合に、上記補助ビット線を活性
化させる手段を有し、また、欠陥のあるメモリセルが接
続されたビット線を不活性化する手段を有する。
【0017】
【作用】本発明の強誘電体記憶装置によれば、補助セル
の第2の接続素子の電気的な接続状態が解除されると、
補助セルの強誘電体キャパシタの第1の電極は第1の接
続素子を介してワード線と電気的に接続される。この状
態で、動作時にワード線にたとえば電源電圧が供給され
ると、補助セルの強誘電体キャパシタの第1の電極に電
源電圧が印加される。そして、強誘電体キャパシタの第
2の電極にたとえば電源電圧が印加されると、強誘電体
キャパシタの通してワード線のレベルが電源電圧レベル
から(電源電圧+α)のレベルに昇圧される。すなわ
ち、この場合の補助セルは、昇圧セルとして機能する。
【0018】また、たとえば、通常のメモリセルに欠陥
があった場合には、同じワード線に接続されている補助
セルの第1の接続素子の電気的な接続状態が解除され
る。これにより、補助セルはメモリセルと等価な構成と
なる。そして、この補助セルが接続された補助用ビット
線が活性化され、欠陥のあるメモリセルが接続されたビ
ット線は不活性化され、選択が禁止される。すなわち、
この場合の補助セルは冗長セルとして機能する。
【0019】したがって、補助セルがたとえば2列設け
られている場合には、一の列が昇圧セルとして用いら
れ、他の列が冗長セルとして用いられる。
【0020】
【実施例】図1は、本発明に係る1Tr−1Cap方式
を採用した強誘電体不揮発性メモリの基本的な1ビット
構成を示す回路図であって、従来例を示す図6と同一構
成部分は同一符号をもって表している。すなわち、1は
メモリセルアレイ、2は補助セルアレイ、3はローデコ
ーダ、MC1はメモリセル、RMC1はリファレンスセ
ル、SC1は補助セル、SRC1は補助リファレンスセ
ル、BL1,BL2はビット線、SBL1,SBL2は
補助用ビット線、WL1はワード線、PLはプレート
線、RWL1はリファレンス用ワード線、RPLはリフ
ァレンス用プレート線、F1,SF1は第1の接続素子
としてのヒューズ、F2,SF2は第2の接続素子とし
てのヒューズ、F3は第3の接続素子としてのヒュー
ズ、N1,N2、SN1,SN2はnチャネルMOSト
ランジスタからなる選択用トランジスタ、R1は抵抗素
子をそれぞれ示している。
【0021】メモリセルアレイ1は、メモリセルMC1
がm行n列のマトリクス状に配列されており、各列のメ
モリセルのスイッチングトランジスタTr1は対をなす
ビット線に交互に接続される。また、各列毎にリファレ
ンスセルRMC1が設けれられる。実際には、スイッチ
ングトランジスタRTrがビット線BL2に接続される
リファレンスセルRMC1と、図示しないがスイッチン
グトランジスタがビット線BL2と対をなすビット線B
L1に接続されたリファレンスセルが設けられる。
【0022】補助セルアレイ2は、各行毎に、ドレイン
が補助用ビット線SBL1(またはSBL2)に接続さ
れたスイッチングトランジスタSTr1と、一方の電極
がヒューズF1を介してワード線WLに接続されるとと
もに、ヒューズF2を介してスイッチングトランジスタ
STr1のソースに接続された強誘電体キャパシタSF
C1とからなる補助セルSC1、並びにドレインが補助
用ビット線BL2(またはBL1)に接続されたスイッ
チングトランジスタSTr1と、一方の電極がヒューズ
SF1を介してリファレンス用ワード線RWL1に接続
されるとともに、ヒューズSF2を介してスイッチング
トランジスタSTr1のソースに接続された強誘電体キ
ャパシタSRFC1とからなる補助セルSRC1により
構成され、これらが、たとえば1列または2列設けられ
る。そして、各行における強誘電体キャパシタSFC
1、SRFC1の他方の電極(プレート電極)は、通常
のメモリセルMC、リファレンスセルRMCと同じプレ
ート線PL,RPLにそれぞれ接続されている。
【0023】また、メモリアレイ1の各ビット線対BL
1,BL2にはトランジスタN1,N2が接続され、両
トランジスタN1,N2のゲートはヒューズF3の一端
側に接続されているとともに、抵抗素子R1を介して接
地されている。そして、ヒューズF3の他端側は選択信
号Yの入力線に接続されている。ヒューズF3が切断さ
れていないときは、選択信号Yがハイレベルで入力され
たときに、トランジスタN1,N2が導通状態とる。同
様に、補助セルアレイ2の補助ビット線対SBL1,S
BL2にはトランジスタSN1,SN2が接続され、両
トランジスタSN1,SN2のゲートは選択信号SYの
入力線に接続されている。この選択信号SYは、たとえ
ば補助セルSC、RSCがメモリセルとしてではなく昇
圧セルとして用いられるときはローレベルで入力され、
メモリセルとして用いられるときにはハイレベルで入力
される。
【0024】本装置は、ローデコーダ3の前段に従来の
ような昇圧回路は設けられていない。そのため、出荷前
等に以下の操作が行われる。たとえば補助セルアレイ2
が、図2に示すように、a列およびb列の2列で構成さ
れているとすると、第a列の各行の補助セルSC1およ
びSRC1のヒューズF2、SF2を切断して、強誘電
体キャパシタSFC1、SRFC1の一方の電極をワー
ド線WL1、RWL1に接続させて、昇圧回路と等価な
機能を持たせる。この場合、たとえば選択信号SYa,
SYbは、ローレベルに保持されてトランジスタSN1
a,SN2a、SN1b,SN2bは非導通状態に制御
される。
【0025】このようにヒューズF2、SF2が切断さ
れた補助セルSC1およびSRC1がワード線WL1、
RWL1の昇圧機能を有することを図3を参照しつつ説
明する。ワード線WL1はローデコーダ3のCMOS回
路30の出力ノードに接続されており、CMOS回路3
0のpチャネルMOSトランジスタ31のゲートおよび
nチャネルMOSトランジスタ32のゲートに信号IN
が入力される。ここで、ワード線WL1が選択されて信
号INがローレベルでCMOS回路30に入力される
と、pチャネルMOSトランジスタ31が導通状態とな
り、ワード線WL1のレベルは接地レベルから電源電圧
CCまで上昇する。これにより、補助セルSC1の強誘
電体キャパシタSFC1の一方の電極に電源電圧VCC
印加される。
【0026】この状態で、プレート線PLに電源電圧V
CCが供給され、補助セルSC1の強誘電体キャパシタS
FC1のプレート電極に電源電圧VCCが印加されると、
強誘電体キャパシタSFC1を通してワード線WL1の
レベルがVCCレベルから(V CC+α)に昇圧される。こ
のように、読み出しあるいは書き込み動作等において、
選択されたワード線WL1、RWL1は(VCC+α)レ
ベルに昇圧されることから、同ワード線に接続されてい
るメモリセルアレイ1のスイッチングトランジスタTr
1,RTr1はしきい値電圧に基づく電圧降下が防止さ
れる。なお、この場合、強誘電体キャパシタSFC1を
通して押し上げられた電荷は、電源側に流れ込んでしま
うために、基板レベルをワード線と共通にする必要があ
る。
【0027】また、通常のメモリセルMC1に欠陥があ
った場合には、補助セルSC1が冗長セルとして割り当
てられる。そのため、出荷前等に以下の操作が行われ
る。たとえば補助セルアレイ2がa列およびb列の2列
で構成されているとすると、図4に示すように、第a列
の各行の補助セルSC1およびSRC1のヒューズF
2、SF2を切断して、強誘電体キャパシタSFC1、
SRFC1の一方の電極をワード線WL1、RWL1に
接続させて昇圧回路と等価な機能を持たせ、かつ、第b
列の該当する行の補助セルSC1のヒューズF1を切断
して、強誘電体キャパシタSFC1の一方の電極をスイ
ッチングトランジスタSTr1のソースに接続させ、同
様に、その列の補助セルSRC1bのヒューズF1を切
断して、強誘電体キャパシタSFC1の一方の電極をス
イッチングトランジスタSTr1のソースに接続させ
る。そして、この場合、たとえば選択信号SYaは、ロ
ーレベルに保持されてトランジスタSN1a,SN2a
は非導通状態に制御され,選択信号SYbは、ハイレベ
ルに保持されてトランジスタSN1b,SN2bは導通
状態に制御される。加えて、欠陥メモリセルが存在する
メモリセル列のヒューズF3が切断される。その結果、
トランジスタN1およびN2のゲートは抵抗素子R1を
介して接地線に接続されることから、両トランジスタN
1,N2は非導通状態に安定に保持され、そのメモリセ
ル列が非活性化状態に安定に保持される。
【0028】なお、上述の説明では、2列ある補助セル
のa列側を昇圧系セルとして用い、b列を冗長セルとし
て用いる場合を例に説明したが、これに限定されるもの
でないことはいうまでもない。また、図1に示すように
補助セルを1列のみ設けて、昇圧系セルとして用いる、
あるいは、従来と同様に、昇圧回路をべつに設け、冗長
セルとして用いる等、種々の態様が可能である。
【0029】また、上記構成による読み出し動作、書き
込み動作は、昇圧動作以降においては従来と同様である
ため、ここではその説明を省略する。
【0030】以上説明したように、本実施例によれば、
各行毎に、ドレインが補助用ビット線SBL1(または
SBL2)に接続されたスイッチングトランジスタST
r1と、一方の電極がヒューズF1を介してワード線W
Lに接続されるとともに、ヒューズF2を介してスイッ
チングトランジスタSTr1のソースに接続された強誘
電体キャパシタSFC1とからなる補助セルSC1、並
びにドレインが補助用ビット線BL2(またはBL1)
に接続されたスイッチングトランジスタSTr1と、一
方の電極がヒューズSF1を介してリファレンス用ワー
ド線RWL1に接続されるとともに、ヒューズSF2を
介してスイッチングトランジスタSTr1のソースに接
続された強誘電体キャパシタSRFC1とからなる補助
セルSRC1により構成された補助セルアレイ2を、た
とえば2列設けらたので、補助セルに昇圧機能または冗
長機能を持たせることができる。その結果、タイミング
設計が容易で、動作速度の高速化を図れ、また面積の増
大を防止できる利点がある。また、メモリセルの強誘電
体キャパシタと同様の構成を有することから製造工程も
簡単となり、製造歩留りの向上を図ることができる。
【0031】なお、以上の説明においては、1Tr−1
Cap方式を採用した強誘電体不揮発性メモリを例に説
明したが、本発明が2Tr−2Cap方式を採用した強
誘電体不揮発性メモリに適用できることはいうまでもな
い。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の強誘電体
記憶装置によれば、タイミング設計が容易で、動作速度
の高速化を図れ、また面積の増大を防止できる利点があ
る。また、メモリセルの強誘電体キャパシタと同様の構
成を有することから製造工程も簡単となり、製造歩留り
の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る1Tr−1Cap方式を採用した
強誘電体不揮発性メモリの基本的な構成を示す回路図で
ある。
【図2】補助セルに昇圧機能を持たせる場合の説明図で
ある。
【図3】本発明に係る昇圧機能を説明するための図であ
る。
【図4】補助セルに冗長機能を持たせる場合の説明図で
ある。
【図5】強誘電体キャパシタのヒステリシス特性を示す
図である。
【図6】1Tr−1Cap方式を採用した強誘電体不揮
発性メモリの基本的な1ビット構成を示す図である。
【図7】図6の回路の読み出し時における各端子に印加
される電位のタイミングチャートである。
【図8】図6の回路の書き込み時における各端子に印加
される電位のタイミングチャートである。
【符号の説明】
1…メモリセルアレイ 2…補助セルアレイ 3…ローデコーダ MC1…メモリセル RMC1…リファレンスセル SC1…補助セル SRC1…補助リファレンスセル BL1,BL2…ビット線 SBL1,SBL2…補助用ビット線 WL1…ワード線 PL…プレート線 RWL1…リファレンス用ワード線 RPL…リファレンス用プレート線 F1,SF1…第1の接続素子としてのヒューズ F2,SF2…第2の接続素子としてのヒューズ F3…第3の接続素子としてのヒューズ N1,N2、SN1,SN2…選択用トランジスタ R1…抵抗素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/792

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも、第1および第2の電極と両
    電極間に配置された強誘電体を有し、両電極への印加電
    圧に応じた強誘電体の分極の方向によって2値データを
    記憶する強誘電体キャパシタと、ワード線に印加される
    駆動信号レベルに応じてビット線と強誘電体キャパシタ
    の第1の電極とを作動的に接続するスイッチングトラン
    ジスタとからなるメモリセルを有する強誘電体記憶装置
    であって、 第1および第2の電極と両電極間に配置された強誘電体
    とからなる補助用強誘電体キャパシタと、上記ワード線
    に印加される駆動信号レベルに応じて補助用ビット線と
    強誘電体キャパシタの第1の電極側とを作動的に接続す
    る補助用スイッチングトランジスタと、上記補助用強誘
    電体キャパシタの第1の電極と上記ワード線との間に設
    けられ両者間の電気的な接続状態を選択的に解除できる
    第1の接続素子と、上記補助用強誘電体キャパシタの第
    1の電極と上記スイッチングトランジスタとの間に設け
    られ両者間の電気的な接続状態を選択的に解除できる第
    2の接続素子とからなる補助用セルを有する強誘電体記
    憶装置。
  2. 【請求項2】 上記補助セルがワード線方向に少なくと
    も2列配置されている請求項1記載の強誘電体記憶装
    置。
  3. 【請求項3】 少なくとも上記補助セルの第1の接続素
    子による電気的な接続状態が解除された場合に、上記補
    助ビット線を活性化させる手段を有する請求項1記載の
    強誘電体記憶装置。
  4. 【請求項4】 少なくとも上記補助セルの第1の接続素
    子による電気的な接続状態が解除された場合に、上記補
    助ビット線を活性化させる手段を有する請求項2記載の
    強誘電体記憶装置。
  5. 【請求項5】 欠陥のあるメモリセルが接続されたビッ
    ト線を不活性化する手段を有する請求項3記載の強誘電
    体記憶装置。
  6. 【請求項6】 欠陥のあるメモリセルが接続されたビッ
    ト線を不活性化する手段を有する請求項4記載の強誘電
    体記憶装置。
JP7074137A 1995-03-30 1995-03-30 強誘電体記憶装置 Pending JPH08273374A (ja)

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JP7074137A JPH08273374A (ja) 1995-03-30 1995-03-30 強誘電体記憶装置

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