JPH09185890A - Ferroelectric storage device - Google Patents

Ferroelectric storage device

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Publication number
JPH09185890A
JPH09185890A JP8000492A JP49296A JPH09185890A JP H09185890 A JPH09185890 A JP H09185890A JP 8000492 A JP8000492 A JP 8000492A JP 49296 A JP49296 A JP 49296A JP H09185890 A JPH09185890 A JP H09185890A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
memory device
ferroelectric
electrode
memory cell
Prior art date
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Pending
Application number
JP8000492A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Sakata
健 阪田
Tomonori Sekiguchi
知紀 関口
Katsutaka Kimura
勝高 木村
Hiroki Fujisawa
宏樹 藤澤
Kazuhiko Kajitani
一彦 梶谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP8000492A priority Critical patent/JPH09185890A/en
Publication of JPH09185890A publication Critical patent/JPH09185890A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a sufficient signal voltage from a memory cell and to obtain the sufficient S/N by providing a charge transfer element to a signal line. SOLUTION: A memory cell MC is made up of a ferroelectric capacitor using a ferroelectric material for the insulator and an NMOSFET. Then a control signal FPC is used to turn off a precharge switch PC. Then a word line W is set to a word lien voltage VCH at selection to select a cell MC. The NMOSFET in the cell MC is conductive and a voltage being a difference between a voltage VDH of a data line D and a plate voltage VPL is fed to the ferroelectric capacitor and residual polarization is read by the data line as charges. In this case, the voltage of the line D changes tentatively but the voltage of the line D is restored to the voltage VDH at precharge again by the NMOSFET of the charge transfer element BBD. As a result the charges read from the ferroelectric capacitor to the line D are transferred to a node NSA.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は強誘電体記憶装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ferroelectric memory device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来技術による強誘電体メモリの基本的
構成例を図4に示す。同図で、MCは、メモリセルであ
り、例えば、PZTなどの強誘電体を絶縁膜とした強誘
電体キャパシタとNMOSトランジスタで構成される。
この強誘電体キャパシタの残留分極により情報を記憶す
る。強誘電体キャパシタの一方の電極はNMOSトラン
ジスタに接続され、他方の電極(プレート電極)には電
源電圧VCCの2分の1の電圧(VCC/2)が供給さ
れている。ここでは、簡単のためメモリセルMCを1個
しか示していないが、データ線Dに複数個が接続され、
ワード線Wにより選択されてデータ線Dと信号の授受を
行う。PCは、プリチャージ用スイッチであり、データ
線Dを接地電圧VSSにプリチャージする。
2. Description of the Related Art FIG. 4 shows a basic configuration example of a ferroelectric memory according to the prior art. In the figure, MC is a memory cell, and is composed of, for example, a ferroelectric capacitor having a ferroelectric such as PZT as an insulating film and an NMOS transistor.
Information is stored by the remanent polarization of this ferroelectric capacitor. One electrode of the ferroelectric capacitor is connected to the NMOS transistor, and the other electrode (plate electrode) is supplied with a voltage (VCC / 2) that is half the power supply voltage VCC. Although only one memory cell MC is shown here for simplicity, a plurality of memory cells MC are connected to the data line D.
It is selected by the word line W and exchanges a signal with the data line D. PC is a precharge switch and precharges the data line D to the ground voltage VSS.

【0003】この構成の動作を、図5に示すタイミング
波形を用いて説明する。待機状態では、制御信号FPC
によりプリチャージ用スイッチPCがオンしており、デ
ータ線Dは、接地電圧VSSにプリチャージされてい
る。動作の際には、制御信号FPCによりプリチャージ
用スイッチPCをオフにする。そこで、ワード線Wを選
択時のワード線電圧VCHとすることにより、メモリセ
ルMCを選択する。メモリセルMC中のNMOSトラン
ジスタがオンになり、強誘電体キャパシタにデータ線D
とプレート電極の電圧差であるVCC/2の電圧が加わ
り、残留分極が電荷としてデータ線Dに読み出される。
それにより、データ線Dの電圧が変化し、制御信号FS
AによりセンスアンプSAを起動して、データ線Dの電
圧を増幅して、情報を判別する。ワード線Wを下げて、
メモリセルMC中のNMOSトランジスタをオフにする
ことにより、メモリセルMCへの再書き込みが行われ
る。その後、制御信号FSAによりセンスアンプの動作
SAを止め、制御信号FPCによりプリチャージ用スイ
ッチをオンにして、待機状態に戻す。
The operation of this configuration will be described with reference to the timing waveforms shown in FIG. In the standby state, the control signal FPC
Accordingly, the precharge switch PC is turned on, and the data line D is precharged to the ground voltage VSS. During operation, the control signal FPC turns off the precharge switch PC. Therefore, the memory cell MC is selected by setting the word line W to the word line voltage VCH at the time of selection. The NMOS transistor in the memory cell MC is turned on, and the data line D is added to the ferroelectric capacitor.
And a voltage of VCC / 2, which is the voltage difference between the plate electrode and the plate electrode, is applied, and the residual polarization is read out to the data line D as an electric charge.
As a result, the voltage of the data line D changes and the control signal FS
The sense amplifier SA is activated by A, the voltage of the data line D is amplified, and information is discriminated. Lower the word line W,
Rewriting to the memory cell MC is performed by turning off the NMOS transistor in the memory cell MC. After that, the operation SA of the sense amplifier is stopped by the control signal FSA, and the precharge switch is turned on by the control signal FPC to return to the standby state.

【0004】この動作での強誘電体キャパシタの動き
を、図6に示すヒステリシス特性を用いて説明する。同
図で、横軸はプレート電極を基準として強誘電体キャパ
シタに加わる電圧、縦軸は分極を含めて強誘電体キャパ
シタが保持する電荷量である。待機状態の強誘電体キャ
パシタに電圧が印加されていない状態で、強誘電体キャ
パシタは残留分極を保持し、蓄えている情報に応じて図
3上の点PS0,PS1のいずれかの位置をとる。メモ
リセルMCからデータ線Dに信号を読み出す際に、デー
タ線Dがプレート電極を基準にして−VCC/2にプリ
チャージされているので、データ線容量CDは図6上で
傾き−CDの負荷直線LL0,LL1で表される。この
直線とヒステリシス曲線との交点PR0,PR1が、強
誘電体キャパシタが読み出し時にとる点である。一方、
書き込みはデータ線DをVSS,VCCのいずれかにし
て、図6上の点PW0,PW1とすることにより行われ
る。
The movement of the ferroelectric capacitor in this operation will be described with reference to the hysteresis characteristic shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the voltage applied to the ferroelectric capacitor with the plate electrode as a reference, and the vertical axis represents the amount of charge held by the ferroelectric capacitor including polarization. In the state where no voltage is applied to the ferroelectric capacitor in the standby state, the ferroelectric capacitor holds the remanent polarization and takes one of the points PS0 and PS1 in FIG. 3 according to the stored information. . When the signal is read from the memory cell MC to the data line D, since the data line D is precharged to −VCC / 2 with reference to the plate electrode, the data line capacitance CD has a slope of −CD in FIG. It is represented by straight lines LL0 and LL1. The points of intersection PR0 and PR1 between this straight line and the hysteresis curve are points taken by the ferroelectric capacitor during reading. on the other hand,
Writing is performed by setting the data line D to either VSS or VCC to set points PW0 and PW1 in FIG.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】この動作では、‘0’
を読み出す場合には分極が反転しないのに対し、‘1’
を読み出す場合に分極を反転させて、信号電圧に差を得
る。しかし、‘1’読み出し時に、書き込み時に比べて
小さな電圧しか強誘電体キャパシタに加わらないので、
完全には分極反転せず、残留分極の一部しか読み出せな
い。この信号として得られる電荷量は、ヒステリシス形
状の影響を受けるが、データ線容量CDが小さく、負荷
直線の傾きが小さいほど小さくなる。また、データ線容
量CDを大きくして、信号電荷量を大きくすると、信号
電荷がデータ線容量に分配されて信号電圧が定まるため
に、信号電圧は小さくなる。したがって、データ線容量
を変えても得られる信号電圧の大きさには限界がある。
この特性については、1995アイ・イー・イー・イー イ
ンターナショナル ソリッド−ステート サーキッツ
コンファレンス ダイジェスト オブ テクニカル ペ
ーパーズ、71頁(1995 IEEE International Solid-Sta
te Circuits Conference Digest of Technical Pap
ers, p. 71, )に示されている。このような特性によ
り、強誘電体キャパシタのヒステリシス特性によっては
十分な信号電圧を得られず、十分なS/Nが得られな
い。低電圧でヒステリシス特性が飽和しない領域で動作
させる場合、この問題はより深刻である。
In this operation, "0" is set.
When reading out, the polarization is not inverted, whereas '1'
When reading out, the polarization is inverted to obtain the difference in signal voltage. However, when reading '1', a smaller voltage is applied to the ferroelectric capacitor than when writing, so
The polarization is not completely inverted, and only part of the remanent polarization can be read. The amount of charge obtained as this signal is affected by the hysteresis shape, but becomes smaller as the data line capacitance CD is smaller and the slope of the load line is smaller. Further, when the data line capacitance CD is increased to increase the signal charge amount, the signal charge is distributed to the data line capacitance and the signal voltage is determined, so that the signal voltage decreases. Therefore, there is a limit to the magnitude of the signal voltage that can be obtained even if the data line capacitance is changed.
About this property, 1995 IEE International Solid-State Circuits
Conference Digest of Technical Papers, p. 71 (1995 IEEE International Solid-Sta
te Circuits Conference Digest of Technical Pap
ers, p. 71,). Due to such characteristics, a sufficient signal voltage cannot be obtained and a sufficient S / N cannot be obtained depending on the hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor. This problem is more serious when operating in a region where the hysteresis characteristic is not saturated at a low voltage.

【0006】本発明の目的は、強誘電体キャパシタを用
いたメモリセルから十分な信号電圧を得て、十分なS/
Nを得ることにある。
An object of the present invention is to obtain a sufficient signal voltage from a memory cell using a ferroelectric capacitor and to obtain a sufficient S /
To get N.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の特徴は、複数のメモリセルと、上記複数のメ
モリセルと信号の授受を行う信号線とを有し、上記複数
のメモリセルの各々は強誘電体を絶縁膜としたキャパシ
タとトランジスタとを含んで構成される強誘電体記憶装
置において、上記信号線に電荷転送素子を設けたことに
ある。
A feature of the present invention for achieving the above object is to have a plurality of memory cells and a signal line for exchanging signals with the plurality of memory cells. Each of the cells is provided with a charge transfer element on the signal line in a ferroelectric memory device including a capacitor having a ferroelectric insulating film and a transistor.

【0008】電荷転送素子を用いることにより、強誘電
体キャパシタのヒステリシス特性の形状やデータ線容量
の大きさに依らず、読み出し時に所望の電圧を強誘電体
キャパシタに印加することができ、本発明の目的が達成
される。
By using the charge transfer element, a desired voltage can be applied to the ferroelectric capacitor at the time of reading regardless of the shape of the hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor and the size of the data line capacitance. The purpose of is achieved.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本発明の基本的構成例を、図1に
示す。電荷転送素子BBDを、データ線Dとセンスアン
プSAとの間に設けたことが特長である。同図で電荷転
送素子BBDは、ソースフォロワモードで動作するNM
OSトランジスタである。MCは、メモリセルであり、
例えば、PZTなどの強誘電体を絶縁膜とした強誘電体
キャパシタとNMOSトランジスタで構成される。この
強誘電体キャパシタの残留分極により情報を記憶する。
強誘電体キャパシタの一方の電極はNMOSトランジス
タに接続され、他方の電極(プレート電極)にはプレー
ト電圧VPLが供給されている。ここでは、簡単のため
メモリセルMCを1個しか示していないが、データ線D
に複数個が接続され、ワード線Wにより選択されてデー
タ線Dと信号の授受を行う。PCは、プリチャージ用ス
イッチであり、プリチャージ電圧VPCをノードNSA
に供給する。
1 shows an example of the basic configuration of the present invention. The feature is that the charge transfer element BBD is provided between the data line D and the sense amplifier SA. In the figure, the charge transfer device BBD is an NM operating in a source follower mode.
OS transistor. MC is a memory cell,
For example, it is composed of a ferroelectric capacitor having a ferroelectric material such as PZT as an insulating film and an NMOS transistor. Information is stored by the remanent polarization of this ferroelectric capacitor.
One electrode of the ferroelectric capacitor is connected to the NMOS transistor, and the other electrode (plate electrode) is supplied with the plate voltage VPL. Although only one memory cell MC is shown here for simplicity, the data line D
Are connected to the data line D and are selected by the word line W to exchange signals with the data line D. PC is a switch for precharge, which supplies the precharge voltage VPC to the node NSA.
To supply.

【0010】この構成例の動作を、図2に示すタイミン
グ波形を用いて説明する。待機状態では、制御信号FP
Cによりプリチャージ用スイッチPCがオンしており、
ノードNSAはプリチャージ電圧VPCにプリチャージ
されている。同時にデータ線Dは、電荷転送素子BBD
により、そのNMOSトランジスタのしきい値電圧VT
だけ制御電圧VHから低い電圧VDH(=VH−VT)
となっている。
The operation of this configuration example will be described with reference to the timing waveforms shown in FIG. In the standby state, the control signal FP
The precharging switch PC is turned on by C,
The node NSA is precharged to the precharge voltage VPC. At the same time, the data line D is connected to the charge transfer device BBD.
The threshold voltage VT of the NMOS transistor
Only the control voltage VH and the lower voltage VDH (= VH-VT)
It has become.

【0011】動作の際には、制御信号FPCによりプリ
チャージ用スイッチPCをオフにする。そこで、ワード
線Wを選択時のワード線電圧VCHとすることにより、
メモリセルMCを選択する。メモリセルMC中のNMO
Sトランジスタがオンになり、強誘電体キャパシタにデ
ータ線Dの電圧VDHとプレート電圧VPLの差の電圧
が加わり、残留分極が電荷としてデータ線Dに読み出さ
れる。
During operation, the control signal FPC turns off the precharge switch PC. Therefore, by setting the word line W to the word line voltage VCH at the time of selection,
The memory cell MC is selected. NMO in memory cell MC
The S transistor is turned on, the voltage of the difference between the voltage VDH of the data line D and the plate voltage VPL is applied to the ferroelectric capacitor, and the residual polarization is read out to the data line D as electric charge.

【0012】それにより、データ線Dの電圧が一時的に
変化するが、電荷転送素子BBDのNMOSトランジス
タにより、データ線Dは再びプリチャージ時の電圧VD
Hに戻る。その結果、強誘電体キャパシタからデータ線
Dに読み出された電荷は、ノードNSAに転送される。
すなわち、データ線容量CDLからメモリセルMCに移
動する電荷量に応じて、ノードNSAの寄生容量CSA
からデータ線容量CDLへ電荷が移動する。
As a result, the voltage of the data line D temporarily changes, but the NMOS transistor of the charge transfer element BBD causes the data line D to recharge the voltage VD at the time of precharging.
Return to H. As a result, the charges read from the ferroelectric capacitor to the data line D are transferred to the node NSA.
That is, according to the amount of charge transferred from the data line capacitance CDL to the memory cell MC, the parasitic capacitance CSA of the node NSA.
The charges move from the data line capacitance CDL to the data line capacitance CDL.

【0013】そして、制御信号FSAによりセンスアン
プSAを起動して、ノードNSAの電圧を増幅して、情
報を判別する。読み出された情報が‘1’の場合、デー
タ線はVDHを保つ。‘0’の場合、ノードNSA及び
データ線Dは‘0’の書き込み電圧VDLまで引き下げ
られる。この情報を外部へ転送することにより読み出し
動作が行われる。
Then, the sense amplifier SA is activated by the control signal FSA, the voltage of the node NSA is amplified, and information is discriminated. When the read information is "1", the data line maintains VDH. In the case of "0", the node NSA and the data line D are pulled down to the write voltage VDL of "0". A read operation is performed by transferring this information to the outside.

【0014】また、外部から与えられた情報に応じてデ
ータ線Dの電圧を制御することにより書き込み動作が行
われる。ワード線Wを下げて、メモリセルMC中のNM
OSトランジスタをオフにすることにより、メモリセル
MCへの再書き込みが行われる。その後、制御信号FS
Aによりセンスアンプの動作SAを止め、制御信号FP
Cによりプリチャージ用スイッチをオンにして、待機状
態に戻す。なお、強誘電体キャパシタに加わる電圧は、
強誘電体を通じて流れるリーク電流等により減衰してい
く。
Further, the write operation is performed by controlling the voltage of the data line D according to the information given from the outside. The word line W is lowered and the NM in the memory cell MC is
Rewriting to the memory cell MC is performed by turning off the OS transistor. After that, the control signal FS
The operation SA of the sense amplifier is stopped by A, and the control signal FP
The precharge switch is turned on by C to return to the standby state. The voltage applied to the ferroelectric capacitor is
It is attenuated by leakage current flowing through the ferroelectric substance.

【0015】この構成例の効果を、図3に示す強誘電体
キャパシタのヒステリシス特性を用いて説明する。同図
で、横軸はプレート電極を基準として強誘電体キャパシ
タに加わる電圧、縦軸は分極を含めて強誘電体キャパシ
タが保持する電荷量である。
The effect of this configuration example will be described using the hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the voltage applied to the ferroelectric capacitor with the plate electrode as a reference, and the vertical axis represents the amount of charge held by the ferroelectric capacitor including polarization.

【0016】待機状態の強誘電体キャパシタに電圧が印
加されていない状態では、強誘電体キャパシタは残留分
極を保持し、蓄えている情報に応じて図3上の点PS
0,PS1のいずれかの位置をとる。メモリセルMCか
らデータ線Dに信号を読み出す際に、データ線DはVD
Hに保たれるので、図3上の点PRとなる。
When no voltage is applied to the ferroelectric capacitor in the standby state, the ferroelectric capacitor holds the remanent polarization, and the point PS on FIG. 3 is retained according to the stored information.
It takes either 0 or PS1 position. When a signal is read from the memory cell MC to the data line D, the data line D is VD
Since it is kept at H, it becomes the point PR on FIG.

【0017】一方、書き込みはデータ線DをVDL,V
DHのいずれかにして、図3上の点PW0,PW1とす
ることにより行われる。読み出し時に、‘1’書き込み
時と同じ大きさの電圧が印加され、点PRと点PW1は
一致しているので、残留分極を完全に読み出すことがで
き、‘0’と‘1’とで読み出される電荷量の差は2Q
rとなる。したがって、従来に比べて大きな信号量が得
られる。
On the other hand, for writing, the data line D is set to VDL, V
This is performed by setting the points PW0 and PW1 in FIG. At the time of reading, the same voltage as that at the time of writing "1" is applied, and since the point PR and the point PW1 coincide with each other, the remanent polarization can be completely read out, and the read out by "0" and "1". 2Q difference in the amount of charge
r. Therefore, a larger amount of signal can be obtained as compared with the conventional one.

【0018】また、本構成ではセンスアンプの入力とな
る信号電圧は、残留分極Qrとセンスアンプ部の寄生容
量CSAにより定まり、データ線容量CDLに依らな
い。寄生容量CSAは、データ線容量CDLに比べて小
さな容量値にできるので、より大きな信号電圧が得られ
る。なお、分極反転を行わない‘1’読み出し時にも
(Qs−Qr)の電荷量が読み出される。この電荷によ
り電荷転送素子BBDに加わる電圧が大きくなり、電荷
転送が高速に行われる。
Further, in this configuration, the signal voltage to be the input of the sense amplifier is determined by the remanent polarization Qr and the parasitic capacitance CSA of the sense amplifier section, and does not depend on the data line capacitance CDL. Since the parasitic capacitance CSA can have a smaller capacitance value than the data line capacitance CDL, a larger signal voltage can be obtained. Note that the charge amount of (Qs−Qr) is also read at the time of “1” reading without polarization inversion. This charge increases the voltage applied to the charge transfer element BBD, and the charge is transferred at high speed.

【0019】次に、本発明の具体的構成例を図7に示
す。同図で、MCAL,MCARはメモリセルアレーで
あり、MCALとMCARの間に配置されたセンスアン
プ部SABを共有する。また、複数のメモリセルアレー
とセンスアンプ部に共通にカラムデコーダYDECが設
けられ、メモリセルアレー上をカラム選択線YSが通過
している。
Next, FIG. 7 shows a concrete example of the configuration of the present invention. In the figure, MCAL and MCAR are memory cell arrays and share a sense amplifier section SAB arranged between MCAL and MCAR. Further, a column decoder YDEC is provided commonly to the plurality of memory cell arrays and the sense amplifier section, and the column selection line YS passes over the memory cell array.

【0020】センスアンプ部SABは具体的には以下の
ように構成される。メモリセルアレーMCAL中のデー
タ線対D0bLとD0tL,D1bLとD1tL,…
に、電荷転送ゲートSHLG0,SHLG1,…が接続
される。また、メモリセルアレーMCAR中のデータ線
対D0bRとD0tR,D1bRとD1tR,…に、電
荷転送ゲートSHRG0,SHRG1,…が接続され
る。電荷転送ゲートは、読み出し時の電荷転送の役割
と、左右のデータ線対を選択する役割を兼ねている。電
荷転送ゲートSHLG0,とSHRG0,SHLG1と
SHRG1,…の間に、プリチャージ回路PC0,PC
1,…、センスアンプSA0,SA1,…、入出力ゲー
トIOG0,IOG1,…が設けられる。なお、プリチ
ャージ回路は、高いプリチャージ電圧VPCを容易に供
給できるように、PMOSトランジスタで構成される。
The sense amplifier section SAB is specifically constructed as follows. Data line pairs D0bL and D0tL, D1bL and D1tL, ... In the memory cell array MCAL.
Are connected to the charge transfer gates SHLG0, SHLG1 ,. Further, charge transfer gates SHRG0, SHRG1, ... Are connected to the data line pairs D0bR and D0tR, D1bR and D1tR, ... In the memory cell array MCAR. The charge transfer gate has a role of transferring charges at the time of reading and a role of selecting the left and right data line pairs. Precharge circuits PC0, PC are provided between the charge transfer gates SHLG0, SHRG0, SHLG1, SHRG1 ,.
, Sense amplifiers SA0, SA1, ..., I / O gates IOG0, IOG1 ,. The precharge circuit is composed of PMOS transistors so that the high precharge voltage VPC can be easily supplied.

【0021】メモリセルアレーMCAL,MCARの構
成例を、図8に示す。ワード線W0,W1,…と、デー
タ線対D0bとD0t,D1bとD1t,…の交点に、
メモリセルMC2が配置されて、メモリセルアレーMC
A2が構成されている。メモリセルMC2は、強誘電体
を絶縁膜とした2個の強誘電体キャパシタと2個のNM
OSトランジスタにより構成される。この2個の強誘電
体キャパシタの残留分極により、情報を相補的に記憶す
る。強誘電体キャパシタの一方の電極はNMOSトランジス
タに接続され、他方の電極(プレート電極)はプレート
線P0,P1,…に接続される。なお、このプレート線
は、分割した配線とせずに一枚の電極としても良く、そ
の方がプロセス的に容易であり高集積化に適している。
A configuration example of the memory cell arrays MCAL and MCAR is shown in FIG. At the intersections of the word lines W0, W1, ... And the data line pairs D0b and D0t, D1b and D1t ,.
The memory cell array MC is provided with the memory cell MC2.
A2 is configured. The memory cell MC2 is composed of two ferroelectric capacitors and two NMs each of which uses a ferroelectric as an insulating film.
It is composed of an OS transistor. Information is stored complementarily by the residual polarization of these two ferroelectric capacitors. One electrode of the ferroelectric capacitor is connected to the NMOS transistor, and the other electrode (plate electrode) is connected to the plate lines P0, P1 ,. It should be noted that this plate line may be a single electrode instead of being a divided wiring, which is easier in terms of process and suitable for high integration.

【0022】図7に示した構成の動作を、図9に示すタ
イミング波形を用いて説明する。同図では、メモリセル
アレーMCAL中でワード線W0を選択して、データ線
対D0bL,D0tLに信号を読み出す場合について示
している。プレート線P0,P1,…は、中間電圧VP
Lに保たれる。待機状態では、制御信号FPCbにより
プリチャージ回路PC0中のPMOSトランジスタがオ
ンしており、ノードNSAb,NSAtはプリチャージ
電圧VPCにプリチャージされている。また、制御信号
SHL,SHRの両方共電圧VHとなっており、データ
線対D0bLとD0tL,D0bRとD0tRは、電荷
転送ゲートSHLG0,SHRG0により、NMOSト
ランジスタのしきい値電圧VTだけ制御電圧VHから低
い電圧VDH(=VH−VT)となっている。ここで、
制御信号SHRにより、電荷転送ゲートSHRG0中の
NMOSトランジスタをオフにし、データ線対D0bR
とD0tRをノードSAb,SAtから分離する。
The operation of the configuration shown in FIG. 7 will be described using the timing waveform shown in FIG. The figure shows a case where the word line W0 is selected in the memory cell array MCAL and a signal is read to the data line pair D0bL, D0tL. The plate lines P0, P1, ...
Is kept at L. In the standby state, the PMOS transistor in the precharge circuit PC0 is turned on by the control signal FPCb, and the nodes NSAb and NSAt are precharged to the precharge voltage VPC. Further, both the control signals SHL and SHR are at the voltage VH, and the data line pairs D0bL and D0tL, D0bR and D0tR are changed from the control voltage VH by the threshold voltage VT of the NMOS transistor by the charge transfer gates SHLG0 and SHRG0. It is a low voltage VDH (= VH-VT). here,
The control signal SHR turns off the NMOS transistor in the charge transfer gate SHRG0, and the data line pair D0bR
And D0tR are separated from the nodes SAb and SAt.

【0023】次に、制御信号FPCbによりプリチャー
ジ回路PC0をオフにする。そこで、ワード線W0を選
択時のワード線電圧VCHとすることにより、メモリセ
ルMC2を選択する。選択されたメモリセルMC2中の
NMOSトランジスタがオンになり、2個の強誘電体キ
ャパシタの一方が分極反転し、残留分極が電荷としてデ
ータ線対D0bL,D0tLに読み出される。ここで、
データ線対D0bL,D0tLの電圧が一時的に変化し
ても、電荷転送ゲートSHLG0により、データ線Dは
再びプリチャージ時の電圧VDHに戻る。
Next, the precharge circuit PC0 is turned off by the control signal FPCb. Therefore, the memory cell MC2 is selected by setting the word line W0 to the word line voltage VCH at the time of selection. The NMOS transistor in the selected memory cell MC2 is turned on, one of the two ferroelectric capacitors undergoes polarization reversal, and the remanent polarization is read out as a charge to the data line pair D0bL, D0tL. here,
Even if the voltages of the data line pair D0bL and D0tL change temporarily, the data line D returns to the voltage VDH at the time of precharge again by the charge transfer gate SHLG0.

【0024】その結果、強誘電体キャパシタからデータ
線Dに読み出された電荷は、ノードNSAb,NSAt
に転送される。そして、制御信号CSNを低レベルの電
圧VDLに下げることにより、センスアンプSA0中の
NMOSトランジスタがオンする。このとき、制御信号
CSPはプリチャージ電圧VPCに保たれ、NMOSトラン
ジスタの電流によりノードNSAb,NSAtの電圧が
下がると、センスアンプSA0中のPMOSトランジス
タもオンする。したがって、センスアンプSA0によ
り、ノードNSAb,NSAtは正帰還増幅されて、一
方が電圧VPCに他方が電圧VDLになる。同時に、電
荷転送ゲートSHRG0を通じて、データ線対D0b
L,D0tLは、一方が電圧VDHに他方が電圧VDL
になり、選択されているメモリセルMC2中の2個の強
誘電体キャパシタの一方が分極反転する。
As a result, the charges read from the ferroelectric capacitor to the data line D are stored in the nodes NSAb and NSAt.
Is forwarded to Then, by lowering the control signal CSN to the low level voltage VDL, the NMOS transistor in the sense amplifier SA0 is turned on. At this time, the control signal CSP is maintained at the precharge voltage VPC, and when the voltage of the nodes NSAb and NSAt decreases due to the current of the NMOS transistor, the PMOS transistor in the sense amplifier SA0 also turns on. Therefore, the nodes NSAb and NSAt are positively feedback-amplified by the sense amplifier SA0, so that one becomes the voltage VPC and the other becomes the voltage VDL. At the same time, through the charge transfer gate SHRG0, the data line pair D0b
One of L and D0tL is the voltage VDH and the other is the voltage VDL.
Then, one of the two ferroelectric capacitors in the selected memory cell MC2 is polarization-inverted.

【0025】図9では示していないが、ここでカラムデ
コーダYDECによりカラム選択線YS0を選択し、入
出力ゲートIOG0をオンにして、ノードNSAb,N
SAtと入出力線対IOb,IOtの間で信号の授受を
行うことにより、読み出し/書き込み動作が実現され
る。そして、ワード線W0を下げて、メモリセルMC2
中のNMOSトランジスタをオフにすることにより、メモリ
セルMC2への再書き込みが行われる。その後、制御信
号CSNをプリチャージ電圧VPCに戻し、センスアン
プSA0の動作を止め、制御信号FPCbによりプリチ
ャージ回路PC0をオンにする。そして、制御信号SH
Rにより、電荷転送ゲートSHRG0中のNMOAトランジ
スタをオンにし、データ線対D0bRとD0tRをノー
ドSAb,SAtに結合させ、待機状態に戻す。
Although not shown in FIG. 9, the column decoder YDEC selects the column selection line YS0, the input / output gate IOG0 is turned on, and the nodes NSAb and NSAb are turned on.
A read / write operation is realized by exchanging signals between the SAt and the input / output line pair IOb, IOt. Then, the word line W0 is lowered and the memory cell MC2
Rewriting to the memory cell MC2 is performed by turning off the inside NMOS transistor. After that, the control signal CSN is returned to the precharge voltage VPC, the operation of the sense amplifier SA0 is stopped, and the precharge circuit PC0 is turned on by the control signal FPCb. Then, the control signal SH
The R turns on the NMOA transistor in the charge transfer gate SHRG0, couples the data line pair D0bR and D0tR to the nodes SAb and SAt, and returns to the standby state.

【0026】この実施例のように、データ線を対線構成
にして差動増幅を行うセンスアンプを用いた構成は、雑
音の小さい動作が可能であり、そこに電荷転送素子を用
いることにより信号電圧が大きくなり、高S/N化でき
る。すなわち、安定な高速動作が可能になる。
As in the present embodiment, the structure using the sense amplifier for differential amplification with the data line paired can be operated with less noise, and by using the charge transfer element there, a signal transfer can be performed. The voltage is increased and the S / N ratio can be increased. That is, stable high speed operation becomes possible.

【0027】センスアンプ部SABを左右のメモリセル
アレーMCAL,MCARで共有することによりセンス
アンプ部の占有面積を低減でき、さらに、電荷転送ゲー
トを左右のデータ線対を選択する役割にも用いることに
より、電荷転送素子による面積増加を無くすことができ
る。また、この実施例では、カラムデコーダを複数のセ
ンスアンプ部で共有することにより、カラムデコーダの
占有面積の低減を図っている。このとき、複数のセンス
アンプ部の全てを同時に活性化する必要は無く、外部か
ら入力されるアドレス信号に応じて所望のセンスアンプ
部のみを活性化し、非選択のセンスアンプ部は待機状態
のままとしてよい。その場合、非選択のセンスアンプ部
SABの入出力線対IOb,IOtをノードSAb,S
Atと同じプリチャージ電圧VPCに保つことにより、
不要な電流が入出力線対に流れることを防止できる。
By sharing the sense amplifier section SAB between the left and right memory cell arrays MCAL and MCAR, the area occupied by the sense amplifier section can be reduced, and the charge transfer gate can be used also for the role of selecting the left and right data line pairs. As a result, the area increase due to the charge transfer element can be eliminated. In addition, in this embodiment, the column decoder is shared by a plurality of sense amplifier sections to reduce the occupied area of the column decoder. At this time, it is not necessary to activate all of the plurality of sense amplifier sections at the same time, only the desired sense amplifier section is activated according to the address signal input from the outside, and the non-selected sense amplifier section remains in the standby state. Good as In that case, the input / output line pair IOb, IOt of the non-selected sense amplifier section SAB is connected to the nodes SAb, S.
By maintaining the same precharge voltage VPC as At,
It is possible to prevent unnecessary current from flowing to the input / output line pair.

【0028】以上では、図7に示した構成で、図8に示
したメモリセルMC2内の2個の強誘電体キャパシタの
一方を分極反転させ残留分極により情報を記憶する不揮
発モードの動作を説明した。同一の構成で強誘電体キャ
パシタを分極反転させず、通常のキャパシタとして用い
る揮発モードの動作も可能である。
The operation in the non-volatile mode in which one of the two ferroelectric capacitors in the memory cell MC2 shown in FIG. 8 has the configuration shown in FIG. did. It is possible to operate in the volatile mode used as a normal capacitor without polarization reversal of the ferroelectric capacitor with the same configuration.

【0029】その動作タイミングを図10に示す。プレ
ート線P0,P1,…を、プリチャージ時のデータ線対
と同じ電圧VDHにするほかは、図9に示した不揮発モ
ードの動作と同様に各制御信号により動作を行う。この
とき、データ線は電圧VDHからVDLまでの振幅で常
にプレート線よりも低い電圧であるので、メモリセルM
C2内の2個の強誘電体キャパシタは同じ分極の向きを
保つ。したがって、メモリセルMC2はツインセルと呼
ばれるダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(D
RAM)のセルと同様に動作する。
The operation timing is shown in FIG. The plate lines P0, P1, ... Are set to the same voltage VDH as the data line pair at the time of precharging, except that the operation is performed by each control signal as in the nonvolatile mode operation shown in FIG. At this time, since the data line has an amplitude from the voltage VDH to VDL and is always lower than that of the plate line, the memory cell M
The two ferroelectric capacitors in C2 keep the same polarization orientation. Therefore, the memory cell MC2 is a dynamic random access memory (D
It operates similarly to a cell of RAM).

【0030】図10で、ワード線W0をVCHに上げ
て、メモリセルから蓄積電荷を読み出す際に、電荷転送
ゲートSHLG0により、ノードNSAb,NSAtに
電荷が転送される。蓄積電荷がデータ線の寄生容量に分
配されず、センスアンプ部の寄生容量で信号電圧が定ま
り、図9に示した動作と同様に電荷転送により大きな信
号電圧が得られる。
In FIG. 10, when the word line W0 is raised to VCH and the accumulated charge is read from the memory cell, the charge transfer gate SHLG0 transfers the charge to the nodes NSAb and NSAt. The accumulated charge is not distributed to the parasitic capacitance of the data line, the signal voltage is determined by the parasitic capacitance of the sense amplifier section, and a large signal voltage can be obtained by charge transfer as in the operation shown in FIG.

【0031】このように、強誘電体キャパシタに分極反
転をさせない揮発モードの動作では、強誘電体キャパシ
タに疲労を起こさないため、動作回数が制限されない。
通常は図10に示した揮発モードの動作で蓄積電荷で情
報を保持し、電源オフ時に残留分極に退避し、電源オン
時に残留分極を読み出して蓄積電荷へとリコールするこ
とにより、動作回数の制限の無い不揮発メモリを実現で
きる。この退避動作は、図10に示した動作において、
データ線対D0bL,D0tLをVDL,VDHに増幅
した状態で、プレート線P0を電圧VPLにしてから、
ワード線をVSSに下げることにより実現できる。ま
た、リコール動作は、図9に示した動作において、デー
タ線対D0bL,D0tLをVDL,VDHに増幅した
状態で、プレート線P0を電圧VDHにしてから、ワー
ド線をVSSに下げることにより実現できる。
As described above, in the volatile mode operation in which the polarization reversal is not applied to the ferroelectric capacitor, the ferroelectric capacitor is not fatigued, so that the number of operations is not limited.
Normally, information is held by accumulated charge in the volatile mode operation shown in FIG. 10, saved in remnant polarization when the power is off, and the residual polarization is read out when the power is on and recalled to the accumulated charge, thereby limiting the number of operations. A non-volatile memory can be realized. This save operation is the same as the operation shown in FIG.
In the state where the data line pair D0bL, D0tL is amplified to VDL, VDH, the plate line P0 is set to the voltage VPL,
This can be achieved by lowering the word line to VSS. The recall operation can be realized by lowering the word line to VSS after setting the plate line P0 to the voltage VDH in the state shown in FIG. 9 in which the data line pair D0bL and D0tL is amplified to VDL and VDH. .

【0032】図10では、図7に示した構成で、図8に
示したメモリセルMC2内の2個の強誘電体キャパシタ
の両者の分極の向きを揃えた不揮発モードの動作を説明
した。同一の構成で2個の強誘電体キャパシタの分極を
逆向きにしつつ読み出し時に分極反転を行わない動作も
可能である。
In FIG. 10, the operation in the non-volatile mode in which the polarization directions of both of the two ferroelectric capacitors in the memory cell MC2 shown in FIG. 8 are aligned in the configuration shown in FIG. 7 has been described. With the same configuration, it is possible to perform an operation in which the polarization of the two ferroelectric capacitors is reversed but the polarization is not inverted at the time of reading.

【0033】その動作タイミングを図11に示す。デー
タ線対D0bL,D0tLを、プレート線P0,P1,
…と同じ電圧VPLにプリチャージするほかは、図9に
示した揮発モードの動作と同様に各制御信号により動作
を行う。すなわち、プリチャージの電圧を供給する信号
線SPCをプレート電圧VPLにする。これにより、ノ
ードNSAb,NSAt及びデータ線対D0bL,D0
tLとD0bR,D0tRは全て、電圧VPLにプリチ
ャージされる。ワード線W0をVCHに上げて、メモリ
セルから蓄積電荷を読み出す際に、プレート線とデータ
線が同じ電圧であるので、強誘電体キャパシタには、元
々蓄えていた蓄積電荷の再配分による電圧しか加わら
ず、残留分極は保たれる。なおこのとき、電荷転送ゲー
トSHLG0は電荷転送を行わず、左右のデータ線対を
選択するゲートとしての役割だけを果たす。センスアン
プSA0により信号電圧を正帰還増幅し、データ線対を
電圧VDL,VDHまで開くことにより、メモリセルに
信号電荷が再書き込みされる。このとき、強誘電体キャ
パシタに電圧が加わるが、分極の向きは読み出す前と同
じである。ただし、書き込み動作により、データ線を反
転させると、強誘電体キャパシタの分極の向きは反転す
る。
The operation timing is shown in FIG. The data line pair D0bL, D0tL is connected to the plate lines P0, P1,
Other than precharging to the same voltage VPL as that of ..., It operates by each control signal similarly to the operation in the volatile mode shown in FIG. That is, the signal line SPC that supplies the precharge voltage is set to the plate voltage VPL. As a result, the nodes NSAb and NSAt and the data line pair D0bL and D0.
All of tL, D0bR and D0tR are precharged to the voltage VPL. When the word line W0 is raised to VCH and the accumulated charge is read from the memory cell, the plate line and the data line have the same voltage. Therefore, the ferroelectric capacitor has only the voltage due to the redistribution of the accumulated charge originally stored. The remnant polarization is maintained without being added. At this time, the charge transfer gate SHLG0 does not perform charge transfer and serves only as a gate for selecting the left and right data line pairs. The signal voltage is positively feedback-amplified by the sense amplifier SA0 and the data line pair is opened to the voltages VDL and VDH, whereby the signal charge is rewritten in the memory cell. At this time, a voltage is applied to the ferroelectric capacitor, but the polarization direction is the same as that before reading. However, when the data line is reversed by the write operation, the polarization direction of the ferroelectric capacitor is reversed.

【0034】この動作では、読み出し時には強誘電体キ
ャパシタの分極を反転させず疲労を起こさないため、動
作回数を伸ばすことができる。通常はこの動作で蓄積電
荷を読み出し、電源オン時にも不揮発モードの動作によ
り残留分極を読み出して蓄積電荷へとリコールすること
により、電源オフ時に電荷から分極に情報を変換する退
避動作なしで、十分な動作回数を保証した不揮発メモリ
を実現できる。
In this operation, the polarization of the ferroelectric capacitor is not inverted at the time of reading and fatigue is not caused, so that the number of operations can be extended. Normally, this operation reads the accumulated charge, and even when the power is turned on, the residual polarization is read by the operation in the non-volatile mode and recalled to the accumulated charge. It is possible to realize a non-volatile memory with a guaranteed number of operations.

【0035】なお、この動作では、電荷転送を行わない
ので、制御信号SHLを十分に高い電圧VCHにするこ
とにより、センスアンプによるデータ線対の駆動を高速
化してサイクル時間を短縮することができる。また、プ
リチャージをプレート電圧VPLで行うので、プリチャ
ージ回路PC0をオフにするとき、制御信号FPCbは
電圧VDHで良い。
Since charge transfer is not performed in this operation, the control signal SHL is set to a sufficiently high voltage VCH to speed up the driving of the data line pair by the sense amplifier and shorten the cycle time. . Further, since the precharge is performed by the plate voltage VPL, the control signal FPCb may be the voltage VDH when the precharge circuit PC0 is turned off.

【0036】以上では、図8に示したように、2個の強
誘電体キャパシタと2個のNMOSトランジスタを用い
たメモリセルMC2により構成されたメモリセルアレー
MCA2を用いる場合について説明したが、メモリセルを1
個の強誘電体キャパシタと1個のNMOSトランジスタ
で構成することも可能である。
In the above, as shown in FIG. 8, a memory cell array composed of a memory cell MC2 using two ferroelectric capacitors and two NMOS transistors.
The case of using MCA2 was explained, but 1 memory cell is used.
It is also possible to configure with one ferroelectric capacitor and one NMOS transistor.

【0037】そのメモリセルアレーの例を、図12に示
す。同図のメモリセルアレーMCA1では、ワード線W1
0,W11,…と、データ線対D10bとD10t,D
11bとD11t,…のいずれか一方との交点に、メモ
リセルMC1が配置される。これは、DRAMで一般に
用いられている折り返し型データ線構成の2交点メモリ
セルと同様な配置である。このメモリセルMC1は、図
8のメモリセルMC2に比べ、素子数が少ないので、高
集積化に適している。しかし、データ線対の一方としか
信号の授受を行わないため、図9に示したような不揮発
モードの動作で、読み出し時にデータ線対の他方に参照
電圧を発生させなければならない。そこで、ダミーワー
ド線DW0,DW1と、データ線対D10bとD10
t,D11bとD11t,…のいずれか一方との交点
に、2個の強誘電体キャパシタを含んだダミーセルDC
1を設けている。この2個のキャパシタは、それぞれ、
メモリセルMC1の強誘電体キャパシタの半分のキャパ
シタ面積とする。一方のキャパシタは、プレート電極を
VPLとして、読み出し時に分極反転を行う。他方のキ
ャパシタは、プレート電極をVDHとして、常に同じ分
極の向きを保ち分極反転を行わない。
An example of the memory cell array is shown in FIG. In the memory cell array MCA1 shown in the figure, the word line W1
0, W11, ..., Data line pair D10b and D10t, D
The memory cell MC1 is arranged at the intersection of either 11b or D11t, .... This is an arrangement similar to a two-intersection memory cell having a folded data line structure generally used in DRAM. The memory cell MC1 has a smaller number of elements than the memory cell MC2 of FIG. 8, and is suitable for high integration. However, since signals are exchanged with only one of the data line pairs, the reference voltage must be generated in the other of the data line pairs during reading in the operation in the non-volatile mode as shown in FIG. Therefore, the dummy word lines DW0 and DW1 and the data line pair D10b and D10 are used.
A dummy cell DC including two ferroelectric capacitors at the intersection of any one of t, D11b and D11t ,.
1 is provided. These two capacitors are
The capacitor area is half that of the ferroelectric capacitor of the memory cell MC1. One of the capacitors uses the plate electrode as VPL to perform polarization reversal at the time of reading. The other capacitor has the plate electrode as VDH and always maintains the same polarization direction and does not perform polarization reversal.

【0038】このような原理に基づくダミーセルについ
ては、例えば特開平2−110893 号に開示されている。こ
の方式のダミーセルは、メモリセルの強誘電体キャパシ
タが分極反転する場合としない場合のちょうど半分の電
荷量をデータ線に読み出そうとするものであるが、従来
の方式では強誘電体キャパシタから読み出される残留分
極の量がヒステリシス特性の形状に依存し、このような
構成のダミーセルでもちょうど中間の信号量を得ること
が出来ない。しかし、本発明では、電荷転送を用いるこ
とにより、強誘電体キャパシタから残留分極を完全に読
み出すことが出来るため、ダミーセルから所望の電荷量
を得て、‘0’と‘1’とのちょうど中間の参照電圧を
発生できる。
A dummy cell based on such a principle is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-110893. The dummy cell of this method attempts to read out exactly half the amount of charge to the data line in the case where the ferroelectric capacitor of the memory cell does or does not undergo polarization inversion. The amount of remanent polarization read out depends on the shape of the hysteresis characteristic, and even a dummy cell having such a configuration cannot obtain an intermediate signal amount. However, in the present invention, since the remanent polarization can be completely read out from the ferroelectric capacitor by using the charge transfer, a desired charge amount can be obtained from the dummy cell and the intermediate value between “0” and “1” can be obtained. Can generate a reference voltage of.

【0039】図7から図12を用いて説明した構成及び
動作では、プリチャージ電圧VPC,制御電圧VHなど
種々の電圧を用いている。次に、これらの電圧の発生方
法を説明する。
In the configuration and operation described with reference to FIGS. 7 to 12, various voltages such as the precharge voltage VPC and the control voltage VH are used. Next, a method of generating these voltages will be described.

【0040】図13に本発明による強誘電体記憶装置の
電源系の構成例を示す。強誘電体記憶装置のチップCH
Pの外部からの電源電圧VCCを、そのままプリチャー
ジ電圧VPCとして用いることが特長である。また、外
部からの接地電圧VSSを、そのままデータ線の低レベ
ルの電圧VDLとして用いる。
FIG. 13 shows a structural example of the power supply system of the ferroelectric memory device according to the present invention. Ferroelectric memory device chip CH
The feature is that the power supply voltage VCC from the outside of P is used as it is as the precharge voltage VPC. Further, the ground voltage VSS from the outside is used as it is as the low level voltage VDL of the data line.

【0041】図13で、PVSSは接地電圧VSSが供
給される電源端子であり、PVCC電源電圧VCCが供
給される電源端子である。GHは電荷転送の制御に用い
られる制御電圧VHを発生する降圧回路であり、DRA
Mなどで用いられ周知の電圧リミッタ回路と同様に構成
され、電荷転送の際に電荷転送素子に用いるNMOSト
ランジスタが飽和領域で動作するように、電源電圧VC
Cを降圧して制御電圧VHを供給する。GDHは高レベ
ルのデータ線の電圧VDHを発生する降圧回路であり、
参照用のNMOSトランジスタMDHとバイアス電流源
CDHとバッファ回路BDHで構成される。NMOSト
ランジスタMDHは、電荷転送素子として用いるNMO
Sトランジスタと同じしきい値電圧VTを持つように、
チャネル長やサブストレートの電圧などを同じにする。
NMOSトランジスタMDHとバイアス電流源CDHは
ソースフォロワを構成し、バイアス電流源CDHの電流
を十分に小さくすることにより、制御電圧VHよりしき
い値電圧VTだけ低い電圧を出力する。この電圧を、バ
ッファ回路BDHにより供給する。
In FIG. 13, PVSS is a power supply terminal to which the ground voltage VSS is supplied, and is a power supply terminal to which the PVCC power supply voltage VCC is supplied. GH is a step-down circuit that generates a control voltage VH used to control charge transfer.
The power supply voltage VC is configured in the same manner as a well-known voltage limiter circuit used in M or the like so that the NMOS transistor used in the charge transfer element during charge transfer operates in the saturation region.
C is stepped down and the control voltage VH is supplied. GDH is a step-down circuit that generates a high level data line voltage VDH,
It is composed of a reference NMOS transistor MDH, a bias current source CDH, and a buffer circuit BDH. The NMOS transistor MDH is an NMO used as a charge transfer element.
To have the same threshold voltage VT as the S transistor,
Make the channel length and substrate voltage the same.
The NMOS transistor MDH and the bias current source CDH form a source follower, and by sufficiently reducing the current of the bias current source CDH, a voltage lower than the control voltage VH by a threshold voltage VT is output. This voltage is supplied by the buffer circuit BDH.

【0042】このように参照用のNMOSトランジスタ
MDHを用いて降圧回路VDHを構成することにより、
トランジスタ特性がばらついてもそれに見合って、制御
電圧VHよりしきい値電圧VTだけ低い電圧VDHを供
給できる。
By thus forming the step-down circuit VDH using the reference NMOS transistor MDH,
Even if the transistor characteristics vary, the voltage VDH lower than the control voltage VH by the threshold voltage VT can be supplied correspondingly.

【0043】GPLは、プレート電圧VPLを発生する
分圧回路であり、データ線の高レベルの電圧VDHと低
レベルの電圧VDLの中間の電圧を供給する。GCHは
選択時のワード線の電圧VCHを発生する昇圧回路であ
り、例えば周知のチャージポンプ回路で構成され、メモ
リセルのNMOSトランジスタが電圧VDHを書き込め
るように、電源電圧VCCを昇圧してワード線電圧VC
Hを供給する。なお、入出力バッファや制御回路などの
周辺回路は、電源電圧VCCと接地電圧VSSで動作さ
せる。
GPL is a voltage dividing circuit for generating the plate voltage VPL and supplies an intermediate voltage between the high level voltage VDH and the low level voltage VDL of the data line. GCH is a booster circuit that generates the voltage VCH of the word line at the time of selection, and is composed of, for example, a well-known charge pump circuit and boosts the power supply voltage VCC so that the NMOS transistor of the memory cell can write the voltage VDH. Voltage VC
Supply H. The peripheral circuits such as the input / output buffer and the control circuit are operated with the power supply voltage VCC and the ground voltage VSS.

【0044】この構成のように、外部から供給される電
圧VCCとVSSを、そのままデータ線の充放電に用い
る電圧VPCとVDLとすることにより、データ線の充
放電によるピーク電流が大きくても、安定した動作がで
きる。また、VCHやVHなど他の内部電圧をチップ内
で発生させることにより、VCCとVSSによる単一外
部電源での動作が可能になる。
As in this configuration, the voltages VCC and VSS supplied from the outside are set as the voltages VPC and VDL used for charging / discharging the data lines as they are, even if the peak current due to charging / discharging the data lines is large. Stable operation is possible. Further, by generating another internal voltage such as VCH or VH in the chip, it is possible to operate with a single external power supply by VCC and VSS.

【0045】別な電源系の構成例を、図14に示す。外
部からの電源電圧VCCを、そのままデータ線の高レベ
ルの電圧VDHとして用いることが特長である。また、
外部からの接地電圧VSSを、そのままデータ線の低レ
ベルの電圧VDLとして用いる。
FIG. 14 shows another configuration example of the power supply system. The feature is that the power supply voltage VCC from the outside is used as it is as the high level voltage VDH of the data line. Also,
The ground voltage VSS from the outside is used as it is as the low level voltage VDL of the data line.

【0046】図14で、PVSS,PVCCは、それぞ
れ接地電圧VSS,電源電圧VCCが供給される電源端
子である。GPCはプリチャージ電圧VPCを発生する
昇圧回路であり、電源電圧VCCを十分に昇圧して供給
する。この出力電圧を、ワード線電圧VCHとしても用
いる。GHUは電荷転送の制御に用いられる制御電圧V
Hを発生する降圧回路であり、参照用のNMOSトラン
ジスタMHとバイアス電流源CHとバッファ回路BHで
構成され、昇圧回路GPCにより昇圧された電圧VPC
を降圧する。NMOSトランジスタMHは、電荷転送素
子として用いるNMOSトランジスタと同じしきい値電
圧VTを持つように、チャネル長などを同じにする。バ
イアス電流源CHの電流を十分に小さくし、電圧VDH
よりしきい値電圧VTだけ高い電圧をバッファ回路BH
により供給する。このように構成することにより、トラ
ンジスタ特性がばらついてもそれに見合って、電圧VD
Hよりしきい値電圧VTだけ高い電圧VHを供給でき
る。GPLは、プレート電圧VPLを発生する分圧回路
である。なお、入出力バッファや制御回路などの周辺回
路は、電源電圧VCCと接地電圧VSSで動作させる。
In FIG. 14, PVSS and PVCC are power supply terminals to which the ground voltage VSS and the power supply voltage VCC are supplied, respectively. GPC is a booster circuit that generates a precharge voltage VPC, and sufficiently boosts and supplies the power supply voltage VCC. This output voltage is also used as the word line voltage VCH. GHU is a control voltage V used for controlling charge transfer
This is a step-down circuit for generating H, which is composed of an NMOS transistor MH for reference, a bias current source CH, and a buffer circuit BH, and is a voltage VPC boosted by a step-up circuit GPC.
Step down. The NMOS transistor MH has the same channel length and the like so as to have the same threshold voltage VT as the NMOS transistor used as the charge transfer element. The current of the bias current source CH is made sufficiently small and the voltage VDH is
A voltage higher than the threshold voltage VT by a buffer circuit BH
Supplied by With this configuration, even if the transistor characteristics vary, the voltage VD
A voltage VH higher than H by a threshold voltage VT can be supplied. GPL is a voltage dividing circuit that generates the plate voltage VPL. The peripheral circuits such as the input / output buffer and the control circuit are operated with the power supply voltage VCC and the ground voltage VSS.

【0047】この構成のように、外部から供給される電
圧VCCとVSSを、そのままデータ線の高レベルと低
レベルの電圧VDHとVDLとすることにより、外部電
源電圧とデータ線振幅が同じになり、外部電源電圧の低
電圧化が可能になる。また、通常の動作時に図11に示
したような動作を行う場合、その様な動作では制御電圧
VHを用いないので降圧回路GHの動作を止めておくこ
とができる。また、プリチャージ電圧VPCも用いない
ので、昇圧回路GPCはワード線電圧VCH文の供給能
力で良く、チャージポンプの周波数を落すなどして消費
電力を低減できる。
As in this configuration, the voltages VCC and VSS supplied from the outside are directly used as the high-level and low-level voltages VDH and VDL of the data line, so that the external power supply voltage and the data line amplitude become the same. It is possible to reduce the external power supply voltage. Further, when the operation shown in FIG. 11 is performed during the normal operation, the operation of the step-down circuit GH can be stopped because the control voltage VH is not used in such operation. Further, since the pre-charge voltage VPC is not used, the booster circuit GPC has only the ability to supply the word line voltage VCH statement, and the power consumption can be reduced by lowering the frequency of the charge pump.

【0048】以上に説明した構成だけでなく、本発明は
その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、図7に示したプリチャージ回路PC0,PC
1,…をPMOSトランジスタではなくNMOSトラン
ジスタで構成することも可能である。その場合に図9に
示したような動作を行うためには、図9中の制御信号F
PCbと逆相の信号で、VDLからVPCまでの電圧に
対してPMOSトランジスタをオン/オフできる振幅の
信号にすれば良い。NMOSトランジスタで構成するこ
とにより、電荷転送ゲートと接近して配置することがで
き、場合によってはレイアウトが容易になる。また、図
7中の電荷転送ゲートSHRG0,SHRG1,…及び
SHLG0,とSHRG0,SHLG1とSHRG1,
…をNMOSトランジスタではなくPMOSトランジス
タで構成することも可能である。その場合、センスアン
プ部のプリチャージ電圧及びプレート電圧とデータ線の
電圧などの高低関係を逆にすれば良い。そのとき、プレ
ート電圧を接地電圧と同じにして、電源オフ時にプレー
ト電圧が変化しないようにできる。そうすることによ
り、電源オフ時に強誘電体キャパシタに電圧が加わる恐
れがなくなり安定した動作が可能である。さらに、メモ
リセルを強誘電体キャパシタとPMOSトランジスタで
構成することも可能である。
In addition to the configuration described above, the present invention can be variously modified without departing from the spirit thereof.
For example, the precharge circuits PC0 and PC shown in FIG.
It is also possible to configure 1, ... With NMOS transistors instead of PMOS transistors. In this case, in order to perform the operation as shown in FIG. 9, the control signal F in FIG.
A signal having a phase opposite to that of PCb may be used as a signal having an amplitude capable of turning on / off the PMOS transistor with respect to the voltage from VDL to VPC. By using an NMOS transistor, it can be arranged close to the charge transfer gate, and in some cases the layout becomes easy. Further, the charge transfer gates SHRG0, SHRG1, ... And SHLG0, SHRG0, SHLG1 and SHRG1, in FIG.
It is also possible to configure ... With PMOS transistors instead of NMOS transistors. In that case, the relationship between the precharge voltage and the plate voltage of the sense amplifier and the voltage of the data line may be reversed. At that time, the plate voltage can be made equal to the ground voltage so that the plate voltage does not change when the power is turned off. By doing so, there is no risk of voltage being applied to the ferroelectric capacitor when the power is off, and stable operation is possible. Further, the memory cell can be composed of a ferroelectric capacitor and a PMOS transistor.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明によれば、強誘電体を絶縁膜とし
た強誘電体キャパシタとMOSトランジスタとでメモリ
セルが構成された強誘電体記憶装置において、読み出し
時に強誘電体キャパシタに十分な電圧を印加して残留分
極を完全に読み出し、高いS/Nを得ることができる。
According to the present invention, in a ferroelectric memory device in which a memory cell is composed of a ferroelectric capacitor having a ferroelectric material as an insulating film and a MOS transistor, it is sufficient for the ferroelectric capacitor at the time of reading. A high S / N can be obtained by applying a voltage to completely read out the remanent polarization.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の基本的な構成例を示す回路図。FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration example of the present invention.

【図2】図1に示した構成例の動作タイミングチャー
ト。
FIG. 2 is an operation timing chart of the configuration example shown in FIG.

【図3】図1に示した構成例の動作を説明する強誘電体
キャパシタのヒステリシス特性図。
FIG. 3 is a hysteresis characteristic diagram of a ferroelectric capacitor for explaining the operation of the configuration example shown in FIG.

【図4】従来技術による構成例を示す回路図。FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example according to a conventional technique.

【図5】従来技術による構成例の動作タイミングチャー
ト。
FIG. 5 is an operation timing chart of a configuration example according to the related art.

【図6】従来技術による構成例の動作を説明する強誘電
体キャパシタのヒステリシス特性図。
FIG. 6 is a hysteresis characteristic diagram of a ferroelectric capacitor for explaining an operation of a configuration example according to a conventional technique.

【図7】本発明の具体的構成例のセンスアンプ部を示す
回路図。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a sense amplifier section of a specific configuration example of the present invention.

【図8】メモリセルが2個の強誘電体キャパシタと2個
のMOSトランジスタで構成されたメモリセルアレーを
示す回路図。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a memory cell array in which a memory cell is composed of two ferroelectric capacitors and two MOS transistors.

【図9】図7に示した構成例の動作タイミングチャー
ト。
9 is an operation timing chart of the configuration example shown in FIG.

【図10】図7に示した構成例の揮発モードの動作タイ
ミングチャート。
10 is an operation timing chart of a volatile mode of the configuration example shown in FIG.

【図11】図7に示した構成例の揮発モードの別な動作
の動作タイミングチャート。
11 is an operation timing chart of another operation in the volatile mode of the configuration example shown in FIG.

【図12】メモリセルが1個の強誘電体キャパシタと1
個のMOSトランジスタで構成されたメモリセルアレー
を示す回路図。
FIG. 12 shows a ferroelectric capacitor having one memory cell and one memory cell.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a memory cell array composed of individual MOS transistors.

【図13】電源系の構成例を示すブロック図。FIG. 13 is a block diagram showing a configuration example of a power supply system.

【図14】電源系の別の構成例を示すブロック図。FIG. 14 is a block diagram showing another configuration example of a power supply system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

BBD…電荷転送素子、D…データ線、MC…メモリセ
ル、PC…プリチャージ回路、SA…センスアンプ、W
…ワード線。
BBD ... Charge transfer element, D ... Data line, MC ... Memory cell, PC ... Precharge circuit, SA ... Sense amplifier, W
... word line.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤澤 宏樹 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 梶谷 一彦 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hiroki Fujisawa 2326 Imai, Ome City, Tokyo, Hitachi, Ltd. Device Development Center (72) Inventor Kazuhiko Kajiya 2326 Imai, Ome City, Tokyo Hitachi, Ltd. Device Development Center Within

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】複数のメモリセルと、上記複数のメモリセ
ルと信号の授受を行う信号線とを有し、上記複数のメモ
リセルの各々は強誘電体を絶縁膜としたキャパシタとト
ランジスタとを含んで構成される強誘電体記憶装置にお
いて、上記信号線に電荷転送素子を設けたことを特徴と
する強誘電体記憶装置。
1. A plurality of memory cells and a signal line for exchanging signals with the plurality of memory cells, wherein each of the plurality of memory cells includes a capacitor and a transistor using a ferroelectric material as an insulating film. A ferroelectric memory device including: a ferroelectric memory device, wherein a charge transfer element is provided on the signal line.
【請求項2】請求項1において、上記トランジスタはM
OSトランジスタであり、上記MOSトランジスタのゲー
ト電極は上記メモリセルを選択する選択線に接続され、
上記MOSトランジスタのドレイン電極とソース電極の
何れか一方は上記信号線に接続され他方は上記キャパシ
タの電極に接続される強誘電体記憶装置。
2. The transistor according to claim 1, wherein the transistor is M
An OS transistor, the gate electrode of the MOS transistor is connected to a select line for selecting the memory cell,
A ferroelectric memory device in which one of a drain electrode and a source electrode of the MOS transistor is connected to the signal line and the other is connected to an electrode of the capacitor.
【請求項3】請求項1において、上記複数のメモリセル
の何れかが選択され上記メモリセルから上記信号線に信
号が読み出される際、読み出された後の上記信号線の電
圧は読み出される前の電圧と実質的に同じである強誘電
体記憶装置。
3. The method according to claim 1, wherein when any one of the plurality of memory cells is selected and a signal is read from the memory cell to the signal line, the voltage of the signal line after being read is not yet read. A ferroelectric memory device that is substantially the same as the voltage of the.
【請求項4】請求項3において、上記電荷転送素子はM
OSトランジスタであり、上記MOSトランジスタのしき
い値電圧により、上記信号線の電圧が定まる強誘電体記
憶装置。
4. The charge transfer device according to claim 3, wherein the charge transfer element is M.
A ferroelectric memory device which is an OS transistor and in which the voltage of the signal line is determined by the threshold voltage of the MOS transistor.
【請求項5】請求項1において、上記電荷転送素子の出
力端子をプリチャージするプリチャージ手段と、上記電
荷転送素子の出力を判別するセンスアンプとを有する強
誘電体記憶装置。
5. A ferroelectric memory device according to claim 1, comprising a precharge means for precharging an output terminal of the charge transfer element and a sense amplifier for discriminating an output of the charge transfer element.
【請求項6】請求項5において、上記信号線は、上記プ
リチャージ手段及び上記電荷転送素子を介してプリチャ
ージされる強誘電体記憶装置。
6. The ferroelectric memory device according to claim 5, wherein the signal line is precharged via the precharge means and the charge transfer element.
【請求項7】請求項5において、上記プリチャージ手段
には、上記信号線が通常の動作でとりうる電圧範囲に含
まれない電圧が供給される強誘電体記憶装置。
7. The ferroelectric memory device according to claim 5, wherein the precharge means is supplied with a voltage which is not included in a voltage range of the signal line in a normal operation.
【請求項8】請求項1において、上記キャパシタの一方
の電極には、上記信号線が通常の動作でとりうる電圧範
囲の中間の電圧が少なくとも所望の期間に供給される強
誘電体記憶装置。
8. The ferroelectric memory device according to claim 1, wherein one electrode of the capacitor is supplied with a voltage in the middle of a voltage range of the signal line in a normal operation for at least a desired period.
【請求項9】複数のデータ線と、上記複数のデータ線に
交わるように配置された複数のワード線と、上記複数の
データ線と上記複数のワード線の所望の交点に配置され
た複数のメモリセルと、上記複数のデータ線に対応して
設けられ読み出し信号を検出するセンスアンプとを有
し、上記複数のメモリセルの各々は、強誘電体を絶縁膜
としたキャパシタを含む強誘電体記憶装置において、上
記複数のデータ線は、メモリセルの書き込み動作の際
に、第1の電圧あるいは第2の電圧をとり、上記複数の
データ線各々と対応するセンスアンプとに、それぞれソ
ース電極とドレイン電極が接続されたMOSトランジス
タを設け、上記MOSトランジスタのゲート電極には、
上記第1の電圧から上記第2の電圧までの電圧範囲に含
まれない第3の電圧が、少なくとも所望の期間供給さ
れ、上記MOSトランジスタに少なくとも所望の期間、
上記MOSトランジスタと上記センスアンプが接続され
たノードにプリチャージ手段を設け、上記プリチャージ
手段に、上記第1の電圧から上記第2の電圧までの電圧
範囲に含まれない第4の電圧が供給される強誘電体記憶
装置。
9. A plurality of data lines, a plurality of word lines arranged to intersect the plurality of data lines, and a plurality of plurality of data lines arranged at desired intersections of the plurality of data lines and the plurality of word lines. A ferroelectric substance including a memory cell and a sense amplifier provided corresponding to the plurality of data lines for detecting a read signal, each of the plurality of memory cells including a capacitor having a ferroelectric substance as an insulating film. In the memory device, the plurality of data lines take a first voltage or a second voltage during a write operation of a memory cell, and a source electrode and a sense electrode corresponding to each of the plurality of data lines are provided. A MOS transistor connected to the drain electrode is provided, and the gate electrode of the MOS transistor is
A third voltage that is not included in the voltage range from the first voltage to the second voltage is supplied for at least a desired period, and the MOS transistor is supplied for at least the desired period.
Precharge means is provided at the node where the MOS transistor and the sense amplifier are connected, and the precharge means is supplied with a fourth voltage not included in the voltage range from the first voltage to the second voltage. Ferroelectric memory device.
【請求項10】請求項9において、上記複数のデータ線
は、対線で構成される強誘電体記憶装置。
10. The ferroelectric memory device according to claim 9, wherein the plurality of data lines are paired.
【請求項11】請求項9において、上記第1の電圧と上
記第2の電圧の一方と、上記第3の電圧との差は、上記
MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値と実効的に
同じである強誘電体記憶装置。
11. The difference between one of the first voltage and the second voltage and the third voltage is effectively the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor. The same ferroelectric memory device.
【請求項12】請求項9において、上記複数のメモリセ
ルの各々は、上記キャパシタは、第1の電極と第2の電
極とを有し、上記第1電極に、上記第1の電圧と上記第
2の電圧との中間である第5の電圧が、少なくとも所望
の期間に供給され、ゲート電極が上記複数のワード線の
一つに接続され、ドレイン電極とソース電極の何れか一
方は上記複数のデータ線の一つに接続され、他方は上記
キャパシタの上記第2の電極に接続されるMOSトラン
ジスタとを含んで構成される強誘電体記憶装置。
12. The memory device according to claim 9, wherein each of the plurality of memory cells has the capacitor having a first electrode and a second electrode, and the first electrode has the first voltage and the second electrode. A fifth voltage intermediate between the second voltage and the second voltage is supplied for at least a desired period, the gate electrode is connected to one of the plurality of word lines, and one of the drain electrode and the source electrode is connected to the plurality of the plurality of word lines. Of the data line, and a MOS transistor connected to the second electrode of the capacitor and the other of the data lines.
【請求項13】請求項12において、上記複数のメモリ
セルの各々は、2個のキャパシタと、2個のMOSトラ
ンジスタとで構成される強誘電体記憶装置。
13. The ferroelectric memory device according to claim 12, wherein each of the plurality of memory cells includes two capacitors and two MOS transistors.
【請求項14】請求項12において、上記複数のメモリ
セルの各々は、1個のキャパシタと、1個のMOSトラ
ンジスタとで構成される強誘電体記憶装置。
14. The ferroelectric memory device according to claim 12, wherein each of the plurality of memory cells includes one capacitor and one MOS transistor.
【請求項15】請求項9において、上記第3の電圧を発
生する手段を有する強誘電体記憶装置。
15. A ferroelectric memory device according to claim 9, further comprising means for generating the third voltage.
【請求項16】請求項15において、上記第1の電圧と
上記第4の電圧を、それぞれ外部から供給する手段を有
する強誘電体記憶装置。
16. A ferroelectric memory device according to claim 15, further comprising means for supplying the first voltage and the fourth voltage from the outside.
【請求項17】請求項15において、上記第1の電圧と
上記第2の電圧が、それぞれ外部から供給される段を有
する強誘電体記憶装置。
17. A ferroelectric memory device according to claim 15, wherein each of the first voltage and the second voltage has a stage supplied from the outside.
【請求項18】複数のデータ線と、上記複数のデータ線
に交わるように配置された複数のワード線と、上記複数
のデータ線と上記複数のワード線の所望の交点に配置さ
れた複数のメモリセルと、上記複数のデータ線に対応し
て設けられ読み出し信号を検出するセンスアンプとを有
し、上記複数のメモリセルの各々は、強誘電体を絶縁膜
としたキャパシタを含む強誘電体記憶装置において、上
記複数のワード線によりメモリセルを選択した際に、上
記データ線の電圧を、上記ワード線の駆動前と駆動後と
で実効的に同じにする機構を有することを特徴とする強
誘電体記憶装置。
18. A plurality of data lines, a plurality of word lines arranged so as to intersect with the plurality of data lines, and a plurality of word lines arranged at desired intersections of the plurality of data lines and the plurality of word lines. A ferroelectric substance including a memory cell and a sense amplifier provided corresponding to the plurality of data lines for detecting a read signal, each of the plurality of memory cells including a capacitor having a ferroelectric substance as an insulating film. In the memory device, when a memory cell is selected by the plurality of word lines, there is provided a mechanism for making the voltage of the data line effectively the same before and after driving the word line. Ferroelectric memory device.
【請求項19】請求項18において、上記機構は電荷転
送を用いる強誘電体記憶装置。
19. The ferroelectric memory device according to claim 18, wherein the mechanism uses charge transfer.
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