JPH09139091A - 強誘電体記憶装置および強誘電体コンデンサを用いた記憶方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で、寿命が長く、動作の信頼性が
高く、記憶内容の保護に関する信頼性が高い強誘電体記
憶装置等を提供する。 【解決手段】 負荷用コンデンサＣbを、強誘電体コン
デンサＣ１１と、同一基板上に設けられ同一工程におい
て同時に形成され同一の特性を有する強誘電体コンデン
サとする。したがって、製造条件のバラ付き等を吸収す
ることができ、動作の信頼性が極めて高い。さらに、第
１の再書込電圧Ｖrw1の絶対値と読出用電圧Ｖpの絶対値
とが同一となるよう設定している。このため、記憶内
容”Ｈ”を短サイクルで読み出す場合、強誘電体コンデ
ンサＣ１１の分極状態は、Ｐ６〜Ｐ１〜Ｐ６と変化する
のみである。このため、強誘電体コンデンサＣ１１の残
留分極は、第１の分極状態Ｐ１のまま変動することはな
い。したがって、残留分極の変動にともなう強誘電体コ
ンデンサＣ１１の寿命の低下はない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、強誘電体記憶装
置および強誘電体コンデンサを用いた記憶方法に関し、
特に、強誘電体記憶装置の長寿命化に関する。

【０００２】

【従来の技術】不揮発性の半導体メモリとして、強誘電
体コンデンサを用いた強誘電体メモリが知られている。
図８に、従来の強誘電体メモリの回路構成の一部を示
す。従来の強誘電体メモリは、強誘電体コンデンサ４と
負荷用コンデンサ６とを備えている。図９に、強誘電体
コンデンサ４に関する電圧（図８に示すプレートライン
ＰＬを基準電位とした場合のビットラインＢＬの電位）
と分極状態（図においては、”分極状態”と等価な”電
荷”で表わしている）との関係を表わす履歴曲線を示
す。

【０００３】図９において、残留分極Ｚ１を生じている
状態を第１の分極状態Ｐ１（記憶内容”Ｈ”に該当）と
し、残留分極Ｚ２を生じている状態を第２の分極状態Ｐ
２（記憶内容”Ｌ”に該当）とする。強誘電体コンデン
サ４がいずれの分極状態にあるかを調べることにより、
強誘電体コンデンサ４の記憶内容を読み出すことができ
る。

【０００４】強誘電体コンデンサ４がいずれの分極状態
にあるかを調べるには、図８に示す負荷用コンデンサ６
を放電させた後、ビットラインＢＬをフローティング状
態とし、その後、プレートラインＰＬに読出用電圧Ｖp
を与え、このとき強誘電体コンデンサ４の両端に生ずる
電圧Ｖfを測定する。

【０００５】図９に示す図式解法によれば、負荷用コン
デンサ６の静電容量を直線Ｌ１の傾きで表わした場合、
強誘電体コンデンサ４が第１の分極状態Ｐ１であれば、
強誘電体コンデンサ４の両端に生ずる電圧ＶfはＶ１と
なり、第２の分極状態Ｐ２であれば、電圧ＶfはＶ２と
なる。したがって、基準電圧Ｖrefを図９のように設定
しておけば、読出時における誘電体コンデンサ４の両端
に生ずる電圧Ｖfと基準電圧Ｖrefとを比較することによ
り、強誘電体コンデンサ４がいずれの分極状態にあるか
を調べることができる。

【０００６】この場合、図９に示すように、強誘電体コ
ンデンサ４が第２の分極状態Ｐ２にある場合には、読出
時において一時的に分極状態Ｐ３を示すものの、印加電
圧が零に戻ると、分極状態も第２の分極状態Ｐ２に戻る
ため、読み出しによる残留分極の変動は起こらない。

【０００７】しかし、強誘電体コンデンサ４が第１の分
極状態Ｐ１にある場合には、読出時において一時的に分
極状態Ｐ４を示し、印加電圧が零に戻ると、分極状態Ｐ
５を示す。すなわち、読み出しによる残留分極の変動が
起こる。このため、読出後に、再書込電圧Ｖrwを強誘電
体コンデンサ４に印加し、分極状態Ｐ６を生じさせる。
このようにすると、印加電圧が零に戻ったとき、強誘電
体コンデンサ４は、再び第１の分極状態Ｐ１を示す。

【０００８】このように、強誘電体コンデンサ４が第１
の分極状態Ｐ１にある場合は、読み出しの後、再書き込
みを行なうことにより、残留分極をさらに変動させ、強
制的に第１の分極状態に戻す。このように構成すること
で、読み出しにより、記憶内容が変動するのを防止して
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の強誘電体メモリには、次のような問題点が
あった。強誘電体コンデンサ４の寿命は自発分極の反転
（残留分極の変動）回数等に関連して定まり、ある種の
強誘電体材料を用いた場合１０¹²回程度とされる。した
がって、毎回、記憶内容が”Ｈ”（第１の分極状態Ｐ１
に対応）である同一のメモリセルを読み出す場合であっ
ても、読出サイクルが長い場合、すなわち、再書き込み
後、強誘電体コンデンサ４の自然放電により第一の分極
状態Ｐ１に至った後、つぎの読み出しが行なわれるよう
な場合には、使用可能年数としては十分長くなるため問
題はない。

【００１０】しかし、読出サイクルが短い場合、すなわ
ち、再書き込み後、強誘電体コンデンサ４の自然放電が
ほとんど行なわれない状態で、つぎの読み出しが行なわ
れるような場合には、使用可能年数からみて問題とな
る。

【００１１】すなわち、図９に示すように、誤読み出し
防止のため基準電圧Ｖrefと電圧Ｖ１およびＶ２とのマ
ージンをできるだけ大きくとる必要性から、負荷用コン
デンサ６の静電容量を比較的大きく（直線Ｌ１の傾きを
比較的大きく）設定している。したがって、再書き込み
後、強誘電体コンデンサ４の自然放電がほとんど行なわ
れない状態（分極状態Ｐ６）で、つぎの読み出しを行な
うような場合であっても、残留分極はＰ１〜Ｐ８〜Ｐ１
と変動する。このため、読出サイクルが長い場合同様、
記憶内容が”Ｈ”である同一のメモリセルを読み出す回
数が寿命に関連する。したがって、読出サイクルが短い
分、使用可能年数が短くなるため問題となる。これが第
１の問題である。

【００１２】さらに、従来の強誘電体メモリにおいて
は、図９に示すように、電圧Ｖ１およびＶ２は、強誘電
体コンデンサ４の履歴特性と負荷用コンデンサ６の静電
容量に大きく依存している。一方、製造時における種々
の条件のバラ付き等に起因して、強誘電体コンデンサ４
の履歴特性や負荷用コンデンサ６の静電容量も一定のバ
ラ付きを持つ。

【００１３】このため、誤読み出し防止のため基準電圧
Ｖrefと電圧Ｖ１およびＶ２とのマージンをできるだけ
大きくとるよう構成しているものの、強誘電体コンデン
サ４の履歴特性や負荷用コンデンサ６の静電容量のバラ
付きによっては、電圧Ｖ１およびＶ２が大きくバラ付
く。さらに、基準電圧Ｖref、読出用電圧Ｖp、再書込電
圧Ｖrw自体が変動することを考慮すれば、電圧Ｖ１が基
準電圧Ｖref以下になるケースや、電圧Ｖ２が基準電圧
Ｖref以上になるケースが一定の比率で生じ得る。すな
わち、誤読み出しが生じやすく、動作の信頼性が低い。
これが第２の問題である。

【００１４】第１の問題を解決する方法として、通常の
書込／読出時には、残留分極を変化させないような状態
（状態１）で強誘電体コンデンサ４を使用し、記憶内容
を保存する場合には残留分極の変化を伴う状態（状態
２）で強誘電体コンデンサ４を使用する方法が提案され
ている（A Ferroelectric DRAM Cell for High-Density
NVRAM's(IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.11,NO.10,
OCTOBER 1990））。

【００１５】この方法を採用することにより、使用可能
年数が短くなるという第１の問題を解決することができ
る。しかし、この方法によっても、誤読み出しが生じや
すく、動作の信頼性が低いという第２の問題は解決され
ない。さらに、この方法においては、状態１と状態２そ
れぞれについて、処理アルゴリズムが必要になるため、
処理内容が複雑化する。また、状態１にするか状態２に
するかの判断回路等が必要になる。さらに、異常事態発
生時における状態２への移行が速やかに行なわれないお
それがあり、記憶内容の保護の点からも問題がある。

【００１６】この発明は、このような従来の強誘電体コ
ンデンサを用いた強誘電体メモリなど強誘電体記憶装置
の問題点を解決し、簡単な構成で、寿命が長く、動作の
信頼性が高く、記憶内容の保護に関する信頼性が高い強
誘電体記憶装置および強誘電体コンデンサを用いた記憶
方法を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の強誘電体記憶
装置は、電圧と分極状態との関係を規定する履歴特性に
基づいて、電圧を零としたとき第１の分極状態を呈する
第１の記憶内容と第２の分極状態を呈する第２の記憶内
容とのうちいずれか一方の記憶内容を保持する記憶用強
誘電体コンデンサ、を備えた強誘電体記憶装置におい
て、少なくとも記憶内容の読出時に、記憶用強誘電体コ
ンデンサに対し直列に電気的に接続される負荷用コンデ
ンサ、読出時に直列に電気的に接続された記憶用強誘電
体コンデンサおよび負荷用コンデンサに対し、第１の分
極状態を生じさせる電圧と異なる極性の読出用電圧を印
加する読出用電圧印加手段、読出用電圧が印加された状
態において、記憶用強誘電体コンデンサに発生する分圧
に基づいて記憶内容を判定する記憶内容判定手段、記憶
内容判定手段の判定した記憶内容に対応する分極状態を
回復するための再書込電圧を記憶用強誘電体コンデンサ
に印加する再書込手段、を備えるとともに、負荷用コン
デンサとして記憶用強誘電体コンデンサとほぼ同一特性
の強誘電体コンデンサを用い、読出用電圧の絶対値が、
第１の分極状態を回復するための第１の再書込電圧の絶
対値より小さいかまたはほぼ同一となるよう構成したこ
と、を特徴とする。

【００１８】請求項２の強誘電体記憶装置は、請求項１
の強誘電体記憶装置において、記憶用強誘電体コンデン
サと負荷用コンデンサとして用いられる強誘電体コンデ
ンサとは、同一基板上に設けられ、同一工程において同
時に形成されたものであること、を特徴とする。

【００１９】請求項３の強誘電体記憶装置は、請求項１
または２の強誘電体記憶装置において、記憶用強誘電体
コンデンサの履歴特性を、履歴特性を有する強誘電体項
と履歴特性を有しない常誘電体項との合成として表わし
た場合、第１の再書込電圧により満充電された状態にお
ける強誘電体項に基づく分極状態と、第１の分極状態に
おける強誘電体項に基づく分極状態とが、ほぼ等しくな
るよう、記憶用強誘電体コンデンサの履歴特性を定めた
こと、を特徴とする。

【００２０】請求項４の強誘電体記憶装置は、請求項
１、２または３の強誘電体記憶装置において、記憶内容
判定手段が判定した記憶内容が第１の記憶内容である場
合には、再書込手段が記憶用強誘電体コンデンサを第１
の再書込電圧により満充電状態とした後に、記憶用強誘
電体コンデンサをフローティング状態とし、記憶内容が
第２の記憶内容である場合には、再書込手段が記憶用強
誘電体コンデンサを第２の分極状態とした後に、記憶用
強誘電体コンデンサをフローティング状態とするよう構
成したこと、を特徴とする。

【００２１】請求項５の強誘電体記憶装置は、請求項
１、２、３または４の強誘電体記憶装置において、読出
時に記憶内容を判定する基準となるしきい値電圧を、第
１の分極状態における読出時に記憶用強誘電体コンデン
サの両端に発生する電圧と第２の分極状態における読出
時に記憶用強誘電体コンデンサの両端に発生する電圧と
の間の値としたこと、を特徴とする。

【００２２】請求項６の強誘電体コンデンサを用いた記
憶方法は、電圧と分極状態との関係を規定する履歴特性
に基づいて、電圧を零としたとき第１の分極状態を呈す
る第１の記憶内容と第２の分極状態を呈する第２の記憶
内容とのうちいずれか一方の記憶内容を保持する記憶用
強誘電体コンデンサを用いた記憶方法において、少なく
とも記憶内容の読出時に、記憶用強誘電体コンデンサに
対し負荷用コンデンサを直列に電気的に接続し、読出時
に直列に電気的に接続された記憶用強誘電体コンデンサ
および負荷用コンデンサに対し、第１の分極状態を生じ
させる電圧と異なる極性の読出用電圧を印加し、読出用
電圧が印加された状態において、記憶用強誘電体コンデ
ンサに発生する分圧に基づいて記憶内容を判定し、判定
した記憶内容に対応する分極状態を回復するための再書
込電圧を記憶用強誘電体コンデンサに印加するよう構成
するとともに、負荷用コンデンサとして記憶用強誘電体
コンデンサとほぼ同一特性の強誘電体コンデンサを用
い、読出用電圧の絶対値が、第１の分極状態を回復する
ための第１の再書込電圧の絶対値より小さいかまたはほ
ぼ同一となるよう構成したこと、を特徴とする。

【００２３】

【発明の効果】請求項１の強誘電体記憶装置および請求
項６の強誘電体コンデンサを用いた記憶方法は、負荷用
コンデンサとして記憶用強誘電体コンデンサとほぼ同一
特性の強誘電体コンデンサを用い、読出用電圧の絶対値
が第１の再書込電圧の絶対値より小さいかまたはほぼ同
一となるよう構成したことを特徴とする。

【００２４】したがって、負荷用コンデンサ、記憶用強
誘電体コンデンサ相互間の特性の差はほとんどない。こ
のため、動作が安定し、誤読み出しが少ない。

【００２５】また、第１の再書込電圧により記憶用強誘
電体コンデンサが満充電された分極状態における読み出
しの際、記憶用強誘電体コンデンサの両端に発生する電
圧がほぼ零または第１の再書込電圧と同一の極性にな
る。このため、再書込の直後に次の読み出しが行なわれ
る高速読み出しの場合には、記憶用強誘電体コンデンサ
の分極状態が第１の分極状態よりも第２の分極状態より
になることはない。この結果、高速読み出しの場合に
は、残留分極の変動は起こらず、残留分極の変動（分極
反転）にともなう寿命の低下はない。

【００２６】また、高速読み出し、低速読み出しの別を
問わず、記憶内容は残留分極として保持されている。こ
のため、電源の継断に伴う記憶内容の呼出／保存のため
の処理を別途行なう必要はない。また、電源の継断を検
知する回路等を設ける必要もない。さらに、異常事態に
より電源がダウンした場合等においても記憶内容が失わ
れることはない。

【００２７】すなわち、簡単な構成により、寿命が長
く、動作の信頼性が高く、記憶内容の保護に関する信頼
性が高い強誘電体記憶装置および強誘電体コンデンサを
用いた記憶方法を実現することができる。

【００２８】請求項２の強誘電体記憶装置は、請求項１
の強誘電体記憶装置において、記憶用強誘電体コンデン
サと負荷用コンデンサとして用いられる強誘電体コンデ
ンサとは、同一基板上に設けられ、同一工程において同
時に形成されたものであることを特徴とする。

【００２９】したがって、製造条件のバラ付きが大きい
場合であっても、記憶用強誘電体コンデンサと負荷用コ
ンデンサとは常に同一特性を有することが保証される。
すなわち、動作の信頼性がより高い強誘電体記憶装置を
実現することができる。

【００３０】請求項３の強誘電体記憶装置は、請求項１
または２の強誘電体記憶装置において、第１の再書込電
圧により満充電された状態における強誘電体項に基づく
分極状態と、第１の分極状態における強誘電体項に基づ
く分極状態とが、ほぼ等しくなるよう、記憶用強誘電体
コンデンサの履歴特性を定めたことを特徴とする。

【００３１】したがって、第１の再書込電圧により満充
電された分極状態と第１の分極状態との間で、強誘電体
項に基づく分極状態の変動がほとんどない。このため、
高速読み出しの場合は、強誘電体項に基づく分極状態の
変動にともなう寿命の低下はほとんどない。すなわち、
さらに寿命の長い強誘電体記憶装置を実現することがで
きる。

【００３２】請求項４の強誘電体記憶装置は、請求項
１、２または３の強誘電体記憶装置において、記憶内容
が第１の記憶内容である場合には、再書込手段が記憶用
強誘電体コンデンサを第１の再書込電圧により満充電状
態とした後に、記憶用強誘電体コンデンサをフローティ
ング状態とし、記憶内容が第２の記憶内容である場合に
は、再書込手段が記憶用強誘電体コンデンサを第２の分
極状態とした後に、記憶用強誘電体コンデンサをフロー
ティング状態とするよう構成したことを特徴とする。

【００３３】したがって、記憶内容のいかんにかかわら
ず、再書込手段の動作と記憶用強誘電体コンデンサをフ
ローティング状態とする動作との関係を一定にすること
ができる。すなわち、さらにより簡単な構成により、寿
命が長く、動作の信頼性が高く、記憶内容の保護に関す
る信頼性が高い強誘電体記憶装置等を実現することがで
きる。

【００３４】請求項５の強誘電体記憶装置は、請求項
１、２、３または４の強誘電体記憶装置において、読出
時に記憶内容を判定する基準となるしきい値電圧を、第
１の分極状態における読出時に記憶用強誘電体コンデン
サの両端に発生する電圧と第２の分極状態における読出
時に記憶用強誘電体コンデンサの両端に発生する電圧と
の間の値としたことを特徴とする。

【００３５】したがって、記憶内容を判定する際のマー
ジンの小さい低速読み出しに合わせてしきい値電圧を設
定することにより、マージンの大きい高速読み出しの場
合にも同一のしきい値電圧を用いることができる。この
ため、低速読み出しであるか高速読み出しであるかにか
かわらず、同一のしきい値電圧を用いることができる。
すなわち、さらにより簡単な構成により、寿命が長く、
動作の信頼性が高く、記憶内容の保護に関する信頼性が
高い強誘電体記憶装置等を実現することができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】図２に、この発明の一実施形態に
よる強誘電体記憶装置である強誘電体コンデンサを用い
た強誘電体メモリ１０の回路図の一部を示す。強誘電体
メモリ１０は、複数のメモリセルＭ１１、Ｍ２１...Ｍ
ｍｎを行列配置する構成を有している。なお、図２にお
いては、メモリセルＭ１１...Ｍ１ｎの並び（縦方向の
並び）を行と呼び、メモリセルＭ１１...Ｍｍ１の並び
（横方向の並び）を列と呼ぶ。

【００３７】強誘電体メモリ１０は、さらに、基準セル
駆動回路１２、センスアンプＡＭＰ１...を有するセン
スアンプ部１４、基準セルプリセット回路部１６を備え
ている。基準セル駆動回路１２は読出用電圧印加手段に
対応する。センスアンプ部１４および基準プリセット回
路部１６が記憶内容判定手段に対応する。また、基準セ
ル駆動回路１２およびセンスアンプ部１４が再書込手段
に対応する。

【００３８】なお、この実施形態においては、基準セル
駆動回路１２を読出用電圧印加手段と再書込手段とにお
いて兼用し、センスアンプ部１４を記憶内容判定手段と
再書込手段とにおいて兼用するよう構成している。この
ように構成することにより、回路の簡略化を図ることが
できる。

【００３９】図３にメモリセルＭ１１近傍の拡大回路図
を示す。メモリセルＭ１１は、記憶用強誘電体コンデン
サである強誘電体コンデンサＣ１１と選択用トランジス
タＴＲ１１とを備えている。強誘電体コンデンサＣ１１
の一端は、選択用トランジスタＴＲ１１、ビットライン
／ＢＬ１を介して、負荷用コンデンサＣbと直列に電気
的に接続される。強誘電体コンデンサＣ１１の他端は、
プレートラインＰＬ１を介して基準セル駆動回路１２
（図２参照）に接続されている。

【００４０】選択用トランジスタＴＲ１１のゲートは、
ワードラインＷＬ１に接続されている。ビットライン／
ＢＬ１には、センスアンプＡＭＰ１の一端が接続されて
おり、センスアンプＡＭＰ１の他端はビットラインＢＬ
１を介して、基準セルプリセット回路部１６（図２参
照）に接続されている。

【００４１】図１に、強誘電体コンデンサＣ１１に関す
る電圧（図３に示すプレートラインＰＬ１を基準電位と
した場合のビットライン／ＢＬ１の電位）と分極状態
（図においては、”分極状態”と等価な”電荷”で表わ
している）との関係を表わす履歴曲線を示す。図１にお
いて、残留分極Ｚ１を生じている状態を第１の分極状態
Ｐ１（第１の記憶内容である記憶内容”Ｈ”に対応）と
し、残留分極Ｚ２を生じている状態を第２の分極状態Ｐ
２（第２の記憶内容である記憶内容”Ｌ”に対応）とす
る。

【００４２】この実施形態では、負荷用コンデンサＣb
は、強誘電体コンデンサＣ１１と同一基板上に設けら
れ、同一工程において同時に形成され、同一の特性を有
する強誘電体コンデンサである。したがって、製造条件
のバラ付きが大きい場合であっても、強誘電体コンデン
サＣ１１と負荷用コンデンサＣｂとは常に同一特性を有
することが保証され、動作の信頼性が格段に向上する。

【００４３】また、後述する第１の再書込電圧Ｖrw1の
絶対値と後述する読出用電圧Ｖpの絶対値とが同一とな
るよう設定している。このように、再書込電圧Ｖrw1と
読出用電圧Ｖpとを設定することにより、第１の再書込
電圧Ｖrw1により強誘電体コンデンサＣ１１が満充電さ
れた分極状態における読み出しの際、強誘電体コンデン
サの両端に発生する電圧がほぼ零になる。このため、後
述するように、記憶内容”Ｈ”を高速で読み出す場合、
残留分極の変動がほとんどなく、寿命の低下を防止する
ことができる。

【００４４】図３に示す強誘電体コンデンサＣ１１の履
歴特性Ｈを図４に示す。強誘電体コンデンサＣ１１の履
歴特性Ｈは、履歴特性を有する強誘電体項Ｈfと履歴特
性を有しない常誘電体項Ｈpとの合成として表わすこと
ができると考えられている。第１の再書込電圧Ｖrw1に
より満充電された状態Ｐ６における強誘電体項Ｈfに基
づく分極状態Ｒ６と、第１の分極状態Ｐ１における強誘
電体項Ｈfに基づく分極状態Ｒ１とが、ほぼ等しくなる
ように、強誘電体コンデンサＣ１１の履歴特性を定めて
いる。つまり、受電感度の高い（強誘電体項Ｈfの立上
がりの急峻な）強誘電体コンデンサＣ１１を用いてい
る。

【００４５】このような履歴特性を有する強誘電体コン
デンサＣ１１を用いれば、後述するように、記憶内容”
Ｈ”を高速で読み出す場合、強誘電体項Ｈfに基づく分
極状態の変動がほとんどなく、寿命の低下を防止するこ
とができる。

【００４６】なお、図５に示すような受電感度の低い強
誘電体コンデンサを用いると、第１の再書込電圧Ｖrw1
により満充電された状態Ｐ６における強誘電体項Ｈfに
基づく分極状態Ｒ６と、第１の分極状態Ｐ１における強
誘電体項Ｈfに基づく分極状態Ｒ１とが、大きく異なる
（図中”ｄ”で示す）。したがって、このような履歴特
性を有する強誘電体コンデンサを用いれば、記憶内容”
Ｈ”を高速で読み出す場合、強誘電体項Ｈfに基づく分
極状態の変動が大きく、寿命の低下を招くこととなる。

【００４７】したがって、第１の分極状態Ｐ１における
強誘電体項Ｈfに基づく分極状態Ｒ１が、第１の再書込
電圧Ｖrw1により満充電された状態Ｐ６における強誘電
体項Ｈfに基づく分極状態Ｒ６の少なくとも８０％程度
以上であることが好ましい。

【００４８】つぎに、強誘電体メモリ１０の記憶内容を
読み出す場合の動作について説明する。例えばメモリセ
ルＭ１１の記憶内容を読み出す場合には、図２に示すア
ドレスバッファ１８に、該当アドレスを入力する。これ
により、行を選択する行デコーダ２０および列を選択す
る列デコーダ２２を介してメモリセルＭ１１が選択され
ることになる。

【００４９】図６に、記憶内容”Ｈ”を読出す場合の各
信号線等の状態を表わすタイミングチャートを示す。図
６、図２を参照しつつ、図１、図３に基づいて記憶内
容”Ｈ”を読出す場合の動作を説明する。まず、強誘電
体コンデンサＣ１１が後述する第１の再書込電圧Ｖrw1
により満充電された分極状態Ｐ６において読み出しを行
なう場合（高速読み出し）について説明する。

【００５０】まず、図３に示すビットライン／ＢＬ１
を”Ｌ”とすることにより、負荷用コンデンサＣｂを放
電させ（図６（ａ）参照）、その後、ビットラインＢＬ
１をフローティング状態にする（図６（ｂ）参照）。

【００５１】つぎに、ワードラインＷＬ１を”Ｈ”とす
ることにより、選択トランジスタＴＲ１１をＯＮ状態と
し（図６（ｃ）参照）、その後、基準セル駆動回路１２
（図２参照）からの出力にしたがってプレートラインＰ
Ｌ１を”Ｈ”にする（図６（ｄ）参照）。

【００５２】プレートラインＰＬ１を”Ｈ”にすること
により、直列に電気的に接続された強誘電体コンデンサ
Ｃ１１および負荷用コンデンサＣｂの両端に、読出し用
電圧Ｖｐが印加されることになる。これにより、図１に
示すように、強誘電体コンデンサＣ１１の両端には、読
出し用電圧Ｖｐに基づく分圧Ｖ３が生ずる。図式解法に
よれば、分圧Ｖ３は第１の分極状態Ｐ１における強誘電
体コンデンサＣ１１の電圧として与えられる。すなわ
ち、 Ｖ３＝０ となる。したがって、グランドを基準としたビットライ
ン／ＢＬ１の電位は図６（ｅ）に示す値となる。

【００５３】つぎに、センスアンプＡＭＰ１を動作させ
る（図６（ｆ）参照）。センスアンプＡＭＰ１は、ビッ
トラインＢＬ１を介して基準セルプリセット回路部１６
（図２参照）から与えられ、図１に示される基準電圧Ｖ
ref（しきい値電圧）と強誘電体コンデンサＣ１１の分
圧Ｖ３とを比較し（実際には、図１に示す読出し用電圧
Ｖｐを基準としたときの、基準電圧Ｖrefの電位と分圧
Ｖ３の電位を比較する）、分圧Ｖ３の方が高ければ、記
憶内容は”Ｈ”であると判定し、ビットライン／ＢＬ１
の電位を”Ｈ”にする（図６（ｇ）参照）。このとき、
強誘電体コンデンサＣ１１の分極状態は、図１に示す第
１の分極状態Ｐ１のままである。なお、基準電圧Ｖref
の値は、後述する分圧Ｖ１と分圧Ｖ２の中間の値となる
ように設定している。

【００５４】つぎに、基準セル駆動回路１２（図２参
照）からの出力にしたがってプレートラインＰＬ１を”
Ｌ”にする（図６（ｈ）参照）。

【００５５】プレートラインＰＬ１を”Ｌ”にすること
により、プレートラインＰＬ１と”Ｈ”に維持されたビ
ットライン／ＢＬ１との間には電位差が生ずることとな
る。この電位差が、図１に示す第１の再書込電圧Ｖrw1
であり、強誘電体コンデンサＣ１１の両端に印加され
る。強誘電体コンデンサＣ１１は、第１の再書込電圧Ｖ
rw1を印加され、図１に示す分極状態Ｐ６となる。この
状態が満充電状態である。

【００５６】つぎに、強誘電体コンデンサＣ１１が第１
の再書込電圧Ｖrw1により満充電された状態で、ワード
ラインＷＬ１を”Ｌ”に落とす（図６（ｉ）参照）こと
により、選択トランジスタＴＲ１１をＯＦＦとし、強誘
電体コンデンサＣ１１をフローティング状態とする。

【００５７】つぎに、列デコーダ２２の出力線Ｂ１（図
２参照）を立ち上げる（図６（ｊ）参照）ことにより、
ビットライン／ＢＬ１の電位”Ｈ”（図６（ｋ）参照）
を、出力バッファ２４に取込む（図６（ｌ）参照）。そ
の後、センスアンプＡＭＰ１をＯＦＦにする（図６
（ｍ）参照）ことにより、再びビットライン／ＢＬ１を
フローティング状態とする（図６（ｎ）参照）。最後
に、列デコーダ２２の出力線Ｂ１を”Ｌ”に戻し、読出
処理を終了する。

【００５８】このように、高速読み出しの場合、すなわ
ち、強誘電体コンデンサＣ１１が第１の再書込電圧Ｖrw
1により満充電されたあと放電される前に次の読み出し
が行なわれるような短サイクルの読み出しの場合には、
上述のように、一連の読み出し処理の過程において、強
誘電体コンデンサＣ１１の分極状態は、図１に示すよう
に、Ｐ６〜Ｐ１〜Ｐ６と変化するのみである。

【００５９】このため、強誘電体コンデンサＣ１１の残
留分極は、第１の分極状態Ｐ１のまま変動することはな
い。したがって、この実施形態によれば、高速読出時に
おける、残留分極の変動にともなう強誘電体コンデンサ
Ｃ１１の寿命の低下はない。

【００６０】また、図４に示すように、強誘電体コンデ
ンサＣ１１の分極状態がＰ６〜Ｐ１〜Ｐ６と変化する過
程で、強誘電体項Ｈfに基づく分極状態の変動は、ほと
んどない。したがって、この実施形態によれば、高速読
出時における、強誘電体項Ｈfに基づく分極状態の変動
にともなう強誘電体コンデンサＣ１１の寿命の低下も、
ほとんどない。

【００６１】つぎに、長サイクルの読み出し、すなわ
ち、強誘電体コンデンサＣ１１の常誘電体項Ｈp（図４
参照）が全て放電された状態、つまり図１における第１
の分極状態Ｐ１において読み出しが行なわれる場合（低
速読み出しの場合）の動作について説明する。

【００６２】この実施形態の強誘電体メモリ１０は、高
速読み出しか低速読み出しかを区別することなく、全く
同一の処理手順で読み出しを行なう。したがって、低速
読み出しの動作は、高速読み出しの動作と同様に行なわ
れる。ただし、図１に示すように、低速読み出しの場合
は、読み出し時の分極状態が第１の分極状態Ｐ１である
点で、読み出し時の分極状態がＰ６である高速読み出し
の場合と異なる。

【００６３】したがって、低速読み出しの場合には、図
１に示す読出用電圧Ｖpが印加された場合、強誘電体コ
ンデンサＣ１１は、分極状態Ｐ４を呈する。したがっ
て、強誘電体コンデンサＣ１１に生ずる分圧はＶ１を示
す。なお、このとき、グランドを基準としたビットライ
ン／ＢＬ１の電位は図６（ｅ´）に示す値となる。

【００６４】しかし、前述のように、基準電圧Ｖrefは
Ｖ１より低い値に設定されているため、センスアンプＡ
ＭＰ１は、高速読み出しの場合同様、記憶内容は”Ｈ”
であると判定し、ビットライン／ＢＬ１の電位を”Ｈ”
にする（図６（ｇ）参照）。なお、このとき、強誘電体
コンデンサＣ１１は、図１に示すように、分極状態Ｐ５
を呈する。

【００６５】この後、強誘電体コンデンサＣ１１の両端
に第１の再書込電圧Ｖrw1を印加する（図６（ｈ）参
照）ことにより再書き込みを行なう。再書き込みによ
り、強誘電体コンデンサＣ１１は分極状態Ｐ６を呈す
る。読み出し処理の終了後、時間の経過とともに、強誘
電体コンデンサＣ１１の常誘電体項Ｈp（図４参照）に
基づく電荷が全て放電され、図１における第１の分極状
態Ｐ１に戻る。

【００６６】したがって、低速読み出し時においては、
残留分極がＰ１〜Ｐ５〜Ｐ１と変動し、図４に示すよう
に、強誘電体コンデンサＣ１１の分極状態がＰ１〜Ｐ４
と変化する過程で、強誘電体項Ｈfに基づく分極状態も
Ｒ１〜Ｒ４と変動する。このため、記憶内容”Ｈ”を低
速で読み出す場合には、強誘電体コンデンサＣ１１の寿
命の低下をきたす。

【００６７】しかしながら、低速で読み出す場合には、
単位時間あたりの読出回数が少ないため、単位時間あた
りの寿命の低下量が小さく、問題とならない。

【００６８】つぎに、記憶内容”Ｌ”を読み出す場合の
動作を説明する。図７に、記憶内容”Ｌ”を読出す場合
の各信号線等の状態を表わすタイミングチャートを示
す。図６および図７に示すように、この実施形態の強誘
電体メモリ１０は、記憶内容”Ｈ”の読み出しか記憶内
容”Ｌ”の読み出しかを区別することなく、全く同一の
処理手順で読み出しを行なうよう構成されている。

【００６９】したがって、記憶内容”Ｌ”の読み出しの
動作は、記憶内容”Ｈ”の読み出しの動作と同様に行な
われる。ただし、図１に示すように、記憶内容”Ｌ”の
読み出しの場合は、読み出し時の分極状態が第２の分極
状態Ｐ２である点で、記憶内容”Ｈ”の読み出しの場合
と異なる。また、記憶内容”Ｌ”を読み出す場合は、高
速読み出しであっても低速読み出しであっても、読み出
し時の分極状態が常に第２の分極状態Ｐ２となるよう構
成されている点で、上述の記憶内容”Ｈ”を読み出す場
合と異なる。

【００７０】記憶内容”Ｌ”を読み出す場合において
は、図１に示す読出用電圧Ｖpが印加された場合、強誘
電体コンデンサＣ１１は、分極状態Ｐ３を呈する。した
がって、強誘電体コンデンサＣ１１に生ずる分圧はＶ２
を示す。なお、このとき、グランドを基準としたビット
ライン／ＢＬ１の電位は図７（ａ）に示す値となる。

【００７１】前述のように、基準電圧ＶrefはＶ２より
高い値に設定されているため、センスアンプＡＭＰ１
は、記憶内容は”Ｌ”であると判定し、ビットライン／
ＢＬ１の電位を”Ｌ”にする（図７（ｂ）参照）。

【００７２】ビットライン／ＢＬ１の電位を”Ｌ”にす
ることにより、ビットライン／ＢＬ１と”Ｈ”に維持さ
れたプレートラインＰＬ１との間には電位差が生ずるこ
ととなる。この電位差が、図１に示す第２の再書込電圧
Ｖrw2（読出用電圧Ｖpに等しい）であり、強誘電体コン
デンサＣ１１の両端に印加される。強誘電体コンデンサ
Ｃ１１は、第２の再書込電圧Ｖrw2を印加され、図１に
示す分極状態Ｐ７となる。

【００７３】この後、プレートラインＰＬ１を”Ｌ”に
する（図７（ｃ）参照）。ことにより、強誘電体コンデ
ンサＣ１１の両端にかかる電圧を強制的に０Ｖとする。
これにより、強誘電体コンデンサＣ１１の常誘電体項Ｈ
p（図４参照）に基づく電荷が全て強制的に放電され、
図１における第２の分極状態Ｐ２に戻る。

【００７４】したがって、記憶内容”Ｌ”の読み出し時
においては、一連の読み出し処理の過程において、強誘
電体コンデンサＣ１１の分極状態は、図１に示すよう
に、Ｐ２〜Ｐ３〜Ｐ７〜Ｐ２と変化するのみである。

【００７５】このため、強誘電体コンデンサＣ１１の残
留分極は、第２の分極状態Ｐ２のまま変動することはな
い。したがって、この実施形態によれば、記憶内容”
Ｌ”の読み出し時における、残留分極の変動にともなう
強誘電体コンデンサＣ１１の寿命の低下はない。

【００７６】また、図４に示すように、強誘電体コンデ
ンサＣ１１の分極状態がＰ２〜Ｐ３〜Ｐ７〜Ｐ２と変化
する過程で、強誘電体項Ｈfに基づく分極状態の変動
は、ほとんどない。したがって、この実施形態によれ
ば、記憶内容”Ｌ”の読み出し時における、強誘電体項
Ｈfに基づく分極状態の変動にともなう強誘電体コンデ
ンサＣ１１の寿命の低下も、ほとんどない。

【００７７】このように、この実施形態によれば、強誘
電体コンデンサＣ１１の寿命の低下が生ずるのは、記憶
内容”Ｈ”を低速で読み出す場合のみである一方、上述
のように、低速で読み出す場合には、単位時間あたりの
寿命の低下量が少ないため、実用上問題となることはな
い。

【００７８】また、図３に示すように、負荷用コンデン
サＣbの一端はグランド電位に接地されており、他端は
ビットライン／ＢＬ１に接続されている。一方、図６お
よび図７に示すように、上述の各動作において、ビット
ライン／ＢＬ１の電位は、”Ｈ”（第１の再書込電圧Ｖ
rw1に対応）と”Ｌ”（グランド電位に対応）との間で
変動するのみである。したがって、負荷用コンデンサＣ
bの両端に印加される電圧は、常に同一方向であり、そ
の大きさは０〜Ｖrw1の範囲内である。このため、強誘
電体で構成されている負荷用コンデンサＣbは、上述の
各動作において、分極反転を生ずることはない。すなわ
ち、この実施形態においては、負荷用コンデンサＣbを
強誘電体で構成したにもかかわらず、負荷用コンデンサ
Ｃbの分極反転に伴う寿命の低下はない。

【００７９】また、強誘電体コンデンサＣ１１と負荷用
コンデンサＣｂとを同一の基板に同一工程で同時に作り
込んだ強誘電体コンデンサにより構成している。このた
め、製造工程におけるバラ付きを吸収し、動作に対する
信頼性を向上させることができる。さらに、読出サイク
ルの長短、記憶内容のいかんを区別することなく、同一
の処理手順により読み出しを行なうことができる。

【００８０】なお、上述の実施形態においては、負荷用
コンデンサＣbを、強誘電体コンデンサＣ１１と、同一
基板上に設けるとともに同一工程において同時に形成す
るよう構成したが、負荷用コンデンサＣbを、強誘電体
コンデンサＣ１１とほぼ同一の特性を有する強誘電体コ
ンデンサとするのであれば、製造方法は特に問わない。

【００８１】また、第１の再書込電圧Ｖrw1の絶対値と
後述する読出用電圧Ｖpの絶対値とが同一となるよう設
定したが、読出用電圧Ｖpの絶対値が第１の再書込電圧
Ｖrw1の絶対値より小さくなるよう構成することもでき
る。

【００８２】また、読出用電圧Ｖpと第２の再書込電圧
Ｖrw2とを同一の値としたが、読出用電圧Ｖpと第２の再
書込電圧Ｖrw2とは、必ずしも同一の値とする必要はな
い。

【００８３】また、第１の再書込電圧Ｖrw1により満充
電された状態Ｐ６における強誘電体項Ｈfに基づく分極
状態Ｒ６と、第１の分極状態Ｐ１における強誘電体項Ｈ
fに基づく分極状態Ｒ１とが、ほぼ等しくなるよう、強
誘電体コンデンサＣ１１の履歴特性を定めたが、強誘電
体コンデンサＣ１１の履歴特性は、必ずしもこのような
ものである必要はない。

【００８４】また、強誘電体メモリ１０の読出処理の手
順は、図６および図７に示すタイミングチャートに限定
されるものではない。さらに、この発明は図２に示す回
路構成を有する強誘電体メモリ１０に限定されるもので
はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態による強誘電体記憶装置
である強誘電体メモリに用いられる強誘電体コンデンサ
の動作状態を説明するための図面である。

【図２】この発明の一実施形態による強誘電体メモリの
回路構成の一部を示す図面である。

【図３】この発明の一実施形態による強誘電体メモリの
回路構成のうち、メモリセル近傍を拡大した図面であ
る。

【図４】この発明の一実施形態による強誘電体メモリに
用いられる強誘電体コンデンサの履歴特性を示す図面で
ある。

【図５】この発明の一実施形態による強誘電体メモリに
用いられる強誘電体コンデンサの履歴特性を説明するた
めの図面である。

【図６】この発明の一実施形態による強誘電体メモリに
おける記憶内容”Ｈ”の読出手順を説明するためのタイ
ミングチャートである。

【図７】この発明の一実施形態による強誘電体メモリに
おける記憶内容”Ｌ”の読出手順を説明するためのタイ
ミングチャートである。

【図８】従来の強誘電体メモリの回路構成の一部を示す
図面である。

【図９】従来の強誘電体メモリに用いられる強誘電体コ
ンデンサの動作状態を説明するための図面である。

【符号の説明】

Ｃ１１・・・・・・・強誘電体コンデンサ Ｃb・・・・・・・・負荷用コンデンサ Ｖrw1・・・・・・・第１の再書込電圧 Ｐ６・・・・・・・・第１の再書込電圧に対応する分極
状態 Ｖp・・・・・・・・読出用電圧 Ｐ１・・・・・・・・第１の分極状態

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年１月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電圧と分極状態との関係を規定する履歴特
   性に基づいて、電圧を零としたとき第１の分極状態を呈
   する第１の記憶内容と第２の分極状態を呈する第２の記
   憶内容とのうちいずれか一方の記憶内容を保持する記憶
   用強誘電体コンデンサ、 を備えた強誘電体記憶装置において、 少なくとも記憶内容の読出時に、記憶用強誘電体コンデ
   ンサに対し直列に電気的に接続される負荷用コンデン
   サ、 読出時に直列に電気的に接続された記憶用強誘電体コン
   デンサおよび負荷用コンデンサに対し、第１の分極状態
   を生じさせる電圧と異なる極性の読出用電圧を印加する
   読出用電圧印加手段、 読出用電圧が印加された状態において、記憶用強誘電体
   コンデンサに発生する分圧に基づいて記憶内容を判定す
   る記憶内容判定手段、 記憶内容判定手段の判定した記憶内容に対応する分極状
   態を回復するための再書込電圧を記憶用強誘電体コンデ
   ンサに印加する再書込手段、 を備えるとともに、 負荷用コンデンサとして記憶用強誘電体コンデンサとほ
   ぼ同一特性の強誘電体コンデンサを用い、 読出用電圧の絶対値が、第１の分極状態を回復するため
   の第１の再書込電圧の絶対値より小さいかまたはほぼ同
   一となるよう構成したこと、 を特徴とする強誘電体記憶装置。
2. 【請求項２】請求項１の強誘電体記憶装置において、 記憶用強誘電体コンデンサと負荷用コンデンサとして用
   いられる強誘電体コンデンサとは、同一基板上に設けら
   れ、同一工程において同時に形成されたものであるこ
   と、 を特徴とする強誘電体記憶装置。
3. 【請求項３】請求項１または２の強誘電体記憶装置にお
   いて、 記憶用強誘電体コンデンサの履歴特性を、履歴特性を有
   する強誘電体項と履歴特性を有しない常誘電体項との合
   成として表わした場合、第１の再書込電圧により満充電
   された状態における強誘電体項に基づく分極状態と、第
   １の分極状態における強誘電体項に基づく分極状態と
   が、ほぼ等しくなるよう、記憶用強誘電体コンデンサの
   履歴特性を定めたこと、 を特徴とする強誘電体記憶装置。
4. 【請求項４】請求項１、２または３の強誘電体記憶装置
   において、 記憶内容判定手段が判定した記憶内容が第１の記憶内容
   である場合には、再書込手段が記憶用強誘電体コンデン
   サを第１の再書込電圧により満充電状態とした後に、記
   憶用強誘電体コンデンサをフローティング状態とし、 記憶内容が第２の記憶内容である場合には、再書込手段
   が記憶用強誘電体コンデンサを第２の分極状態とした後
   に、記憶用強誘電体コンデンサをフローティング状態と
   するよう構成したこと、 を特徴とする強誘電体記憶装置。
5. 【請求項５】請求項１、２、３または４の強誘電体記憶
   装置において、 読出時に記憶内容を判定する基準となるしきい値電圧
   を、第１の分極状態における読出時に記憶用強誘電体コ
   ンデンサの両端に発生する電圧と第２の分極状態におけ
   る読出時に記憶用強誘電体コンデンサの両端に発生する
   電圧との間の値としたこと、 を特徴とする強誘電体記憶装置。
6. 【請求項６】電圧と分極状態との関係を規定する履歴特
   性に基づいて、電圧を零としたとき第１の分極状態を呈
   する第１の記憶内容と第２の分極状態を呈する第２の記
   憶内容とのうちいずれか一方の記憶内容を保持する記憶
   用強誘電体コンデンサを用いた記憶方法において、 少なくとも記憶内容の読出時に、記憶用強誘電体コンデ
   ンサに対し負荷用コンデンサを直列に電気的に接続し、 読出時に直列に電気的に接続された記憶用強誘電体コン
   デンサおよび負荷用コンデンサに対し、第１の分極状態
   を生じさせる電圧と異なる極性の読出用電圧を印加し、 読出用電圧が印加された状態において、記憶用強誘電体
   コンデンサに発生する分圧に基づいて記憶内容を判定
   し、 判定した記憶内容に対応する分極状態を回復するための
   再書込電圧を記憶用強誘電体コンデンサに印加するよう
   構成するとともに、 負荷用コンデンサとして記憶用強誘電体コンデンサとほ
   ぼ同一特性の強誘電体コンデンサを用い、 読出用電圧の絶対値が、第１の分極状態を回復するため
   の第１の再書込電圧の絶対値より小さいかまたはほぼ同
   一となるよう構成したこと、 を特徴とする強誘電体コンデンサを用いた記憶方法。