JPH10112190A - Nonvolatile ferroelectric substance memory - Google Patents

Nonvolatile ferroelectric substance memory

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JPH10112190A
JPH10112190A JP8264064A JP26406496A JPH10112190A JP H10112190 A JPH10112190 A JP H10112190A JP 8264064 A JP8264064 A JP 8264064A JP 26406496 A JP26406496 A JP 26406496A JP H10112190 A JPH10112190 A JP H10112190A
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JP
Japan
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voltage
potential
vcc
bit line
rewriting
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JP8264064A
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Japanese (ja)
Inventor
Miki Takeuchi
幹 竹内
浩 ▲吉▼田
Hiroshi Yoshida
Hiroyuki Tanigawa
博之 谷川
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Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
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Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a ferroelectric substance memory suitable for a low voltage operation by setting an accumulation potential to two values of a voltage higher than a power source potential and 0V at the time of rewriting information. SOLUTION: In an information rewriting operation, a word line W1 is activated in a state in which bit line pair BL1, BB1 are precharged to the half of a power source voltage Vcc. Potentials of 0V or Vcc are complementary held in accumulation parts SN(1, 1) SB(1, 1) and a signal voltage is generated in between the bit line pair BL1, BB1 by the activation of the work line W1. A sense amplifier SA1 amplifies this signal to hold it at the potential of 0V or Vcc. When a rewriting voltage is applied on the bit line pairs BL1, BB1, the rewriting of information is executed. Here, a voltage Vbh higher than a voltage in which the power source voltage Vcc and threshold voltages of switching transistors are added is applied as the rewriting voltage. Then, either the SN(1, 1) or the SB(1, 1) of the accumulation parts becomes an accululation potential near to the voltage Vbh.

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、強誘電体を用いた
不揮発性半導体メモリに係り、特に低電圧動作に好適な
メモリの動作方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory using a ferroelectric substance, and more particularly to a memory operation method suitable for low-voltage operation.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体を用いたメモリ,フェロ・エレ
クトリック・ランダム・アクセス・メモリ(FERA
M)は、強誘電体の分極方向で記憶を行う不揮発メモリ
である。強誘電体メモリは、たとえば強誘電体キャパシ
タとスイッチングトランジスタとでメモリセルを構成す
ることができる。
2. Description of the Related Art Memory using ferroelectrics, ferroelectric random access memory (FERA)
M) is a nonvolatile memory that stores data in the polarization direction of the ferroelectric. In a ferroelectric memory, for example, a memory cell can be constituted by a ferroelectric capacitor and a switching transistor.

【0003】このような強誘電体メモリは、たとえば1
996年電子情報通信学会英文誌C分冊E79−C巻の
第234から242頁(IEICE Transactions on
Electronics, vol.E79−C, no.2, pp.234−2
42,1996)に記されている。この例では、電源オ
ン時にプレート電位をVcc/2(Vccは電源電
圧)、ビット線電位をVss(Vssは接地電位)とす
ることにより不揮発情報を読み出し、揮発情報に変換す
る。すなわち、強誘電体の分極をVcc/2程度の電圧
により一方向に揃え、この際、分極が反転したか否かを
判定して、不揮発情報を検知し、これを強誘電体キャパ
シタの蓄積電位としての揮発情報に変換する。通常動作
時は、プレート電位をVcc/2、ビット線プリチャー
ジ電位もVcc/2とするDRAM動作により、揮発情
報の読み出し及び書込みを行う。ところで、通常動作に
おいて揮発情報の書換えを行った場合、不揮発情報も同
時に書換えられる。これは、プレート電位Vcc/2に
対して、蓄積電位が0またはVccに設定され、強誘電
体キャパシタに±Vcc/2の電圧が印加されるためで
ある。
Such a ferroelectric memory has, for example,
996, IEICE Transactions on, Vol. E79-C, pages 234-242 (IEICE Transactions on
Electronics, vol.E79-C, no.2, pp.234-2
42, 1996). In this example, when the power is turned on, the non-volatile information is read out by converting the plate potential to Vcc / 2 (Vcc is the power supply voltage) and the bit line potential to Vss (Vss is the ground potential), and is converted into volatile information. That is, the polarization of the ferroelectric is aligned in one direction by a voltage of about Vcc / 2. At this time, it is determined whether or not the polarization has been inverted, and the non-volatile information is detected. Is converted to volatile information. During normal operation, volatile information is read and written by a DRAM operation in which the plate potential is Vcc / 2 and the bit line precharge potential is also Vcc / 2. By the way, when volatile information is rewritten in normal operation, nonvolatile information is also rewritten at the same time. This is because the accumulation potential is set to 0 or Vcc with respect to the plate potential Vcc / 2, and a voltage of ± Vcc / 2 is applied to the ferroelectric capacitor.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記強誘電体メモリに
おいて、不揮発情報の読み出し及び書換えに際して強誘
電体キャパシタに印加される電圧がVcc/2をこえる
ことはない。ところで、LSIシステムの消費電力が電
源電圧に大きく依存することから、システムの標準的な
電源電圧は年と共に低下する傾向にある。したがって、
強誘電体メモリに要求される動作電圧は今後下がってい
くことが予想され、また、この結果強誘電体メモリ自身
の消費電力も下げることができる。しかし、一方では強
誘電体メモリの不揮発情報の読み出し及び書換えを行う
ためには、強誘電体キャパシタへの印加電圧としては分
極反転を引き起こすだけの十分高い電圧が必要である。
上記文献に提示された強誘電体メモリは、上記文献の中
で詳細に説明されているように、動作速度,消費電流,
集積度,許容読み出し回数,信頼性などの諸特性におい
て極めて優れた性能を有する。
In the above ferroelectric memory, the voltage applied to the ferroelectric capacitor at the time of reading and rewriting of nonvolatile information does not exceed Vcc / 2. By the way, since the power consumption of an LSI system largely depends on the power supply voltage, the standard power supply voltage of the system tends to decrease with the year. Therefore,
The operating voltage required for the ferroelectric memory is expected to decrease in the future, and as a result, the power consumption of the ferroelectric memory itself can be reduced. However, on the other hand, in order to read and rewrite the nonvolatile information of the ferroelectric memory, a voltage applied to the ferroelectric capacitor needs to be high enough to cause polarization inversion.
The ferroelectric memory presented in the above-mentioned document, as described in detail in the above-mentioned document, has an operation speed, current consumption,
It has extremely excellent performance in various characteristics such as the degree of integration, the allowable number of readings, and reliability.

【0005】本発明の目的はこの強誘電体メモリを改良
することにより、優れた性能を有しかつより低電圧で動
作する強誘電体メモリを得ることにある。
An object of the present invention is to improve this ferroelectric memory to obtain a ferroelectric memory having excellent performance and operating at a lower voltage.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の強誘電体メモリ
では、電源オン後に不揮発情報を揮発情報に変換した
後、揮発情報を検知して通常動作を行う。通常動作時の
揮発情報読み出し後の再書込み動作に際して、蓄積電位
を0V以上,外部電源電圧Vcc以下の範囲の二値に設
定する。一方、情報書換え時には、蓄積電位をVccよ
り高い電圧Vbhと0Vとの二値に設定する。プレート
電位は0VとVccとのほぼ中間に設定する(図1及び
図3)。
In the ferroelectric memory according to the present invention, after the nonvolatile information is converted into volatile information after the power is turned on, the volatile information is detected and the normal operation is performed. In a rewrite operation after reading volatile information in a normal operation, the storage potential is set to a binary value in a range of 0 V or more and an external power supply voltage Vcc or less. On the other hand, at the time of information rewriting, the storage potential is set to two values, that is, a voltage Vbh higher than Vcc and 0 V. The plate potential is set almost at the midpoint between 0 V and Vcc (FIGS. 1 and 3).

【0007】本発明の強誘電体メモリのワード線は、メ
インワード線と、これと異なる配線層で形成されメモリ
セルに接続したサブワード線とで構成され、複数の該サ
ブワード線は制御回路を介して共通のメインワード線に
接続している。該制御回路は、活性化されたメインワー
ド線に接続する複数のサブワード線のうち一部のみを活
性化させる機能を有する(図4)。
The word line of the ferroelectric memory according to the present invention comprises a main word line and a sub word line formed of a different wiring layer and connected to a memory cell, and the plurality of sub word lines are connected via a control circuit. Connected to a common main word line. The control circuit has a function of activating only a part of the plurality of sub-word lines connected to the activated main word line (FIG. 4).

【0008】あるいは、本発明の強誘電体メモリでは、
選択されたメモリセルに接続するワード線は、上記再書
込み動作時には電圧Vwに設定され、一方、上記書換え
動作時には、メモリセルのスイッチングトランジスタの
ゲート容量を介したビット線による昇圧で、Vwよりさ
らに高い電圧Vwhに設定される(図6)。
Alternatively, in the ferroelectric memory of the present invention,
The word line connected to the selected memory cell is set to the voltage Vw at the time of the rewriting operation, while the word line connected to the selected memory cell is boosted by the bit line via the gate capacitance of the switching transistor of the memory cell at the time of the rewriting operation. It is set to a high voltage Vwh (FIG. 6).

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】図1は強誘電体メモリの書換え動
作及び読み出し動作を示す、本発明の一実施例である。
図1(a)に、動作に係る主要部分の構成を示す。メモ
リセルMC(1,1)は、二つの強誘電体キャパシタと
二つのスイッチングトランジスタとからなり、相補的な
ビット線対BL1,BB1に接続している。BL1,B
B1に生じる信号は差動センスアンプSA1により検
知,増幅される。BL1またはBB1のいずれか一方
に、情報書換え時に、電源電圧Vccより高い電圧を供
給する手段(昇圧電圧供給手段)を有する。MC(1,
1)はワード線W1により選択される。
FIG. 1 is an embodiment of the present invention showing a rewrite operation and a read operation of a ferroelectric memory.
FIG. 1A shows a configuration of a main part related to the operation. The memory cell MC (1, 1) includes two ferroelectric capacitors and two switching transistors, and is connected to complementary bit line pairs BL1 and BB1. BL1, B
The signal generated at B1 is detected and amplified by the differential sense amplifier SA1. Either BL1 or BB1 has a unit (step-up voltage supply unit) for supplying a voltage higher than the power supply voltage Vcc when rewriting information. MC (1,
1) is selected by the word line W1.

【0010】図1(b)に、図1(a)の構成における
情報書換え動作を示す。BL1,BB1をVcc/2に
プリチャージした状態で、W1を0VからVwの電位に
する。図1(a)のSN(1,1)及びSB(1,1)
には、0VまたはVccの電位が相補的に保持されてお
り、W1の活性化によりBL1,BB1に信号電圧が生
じる。SA1をオンすると、SN(1,1),SB
(1,1)に保持されていた情報に応じて、BL1,BB
1はそれぞれ0VまたはVccに増幅される。Vwはス
イッチングトランジスタのしきい電圧とVccとを足し
た値よりも大きく設定されており、したがって、この時
点のSN(1,1),SB(1,1)の電位はW1活性化前
の電位と一致している。ここで、書換え電圧がBL1,
BB1に対して相補的に与えられ、情報の書換えが行わ
れる。書換え電圧は、最終的にはVccより高いVb
h、及び0Vが与えられる。書換え電圧がVbhに達す
る時点までにはW1はワードドライバから電気的に切り
離されており、スイッチングトランジスタのゲート容量
を介したBL1,BB1からの昇圧により、Vwよりさ
らに高い電位Vwhに達する。したがって、SN(1,
1),SB(1,1)のいずれかは、Vbhに近い電位
となる。なお、W1が昇圧される理由は、BL1,BB
1の一方がVccから0Vに下がるのに対して、他方は
0VからVbh(>Vcc)に上がるからである。以上
で揮発情報,不揮発情報の両方の書換えが終了し、W1
を非活性にした後、SA1をオフする。
FIG. 1B shows an information rewriting operation in the configuration of FIG. 1A. While BL1 and BB1 are precharged to Vcc / 2, W1 is changed from 0V to the potential of Vw. SN (1,1) and SB (1,1) in FIG.
Have complementary potentials of 0 V or Vcc, and activation of W1 generates signal voltages at BL1 and BB1. When SA1 is turned on, SN (1,1), SB
According to the information held in (1, 1), BL1, BB
1 are amplified to 0V or Vcc, respectively. Vw is set to be higher than the sum of the threshold voltage of the switching transistor and Vcc. Therefore, the potentials of SN (1,1) and SB (1,1) at this time are the potentials before the activation of W1. Matches. Here, the rewrite voltage is BL1,
BB1 is supplied complementarily, and information is rewritten. The rewrite voltage finally becomes Vb higher than Vcc.
h and 0V are provided. By the time the rewrite voltage reaches Vbh, W1 is electrically disconnected from the word driver, and reaches a potential Vwh higher than Vw by boosting from BL1 and BB1 via the gate capacitance of the switching transistor. Therefore, SN (1,
Either 1) or SB (1, 1) has a potential close to Vbh. The reason why W1 is boosted is that BL1, BB
This is because one of the 1 drops from Vcc to 0V, while the other rises from 0V to Vbh (> Vcc). Thus, rewriting of both volatile information and nonvolatile information is completed, and W1
Is turned off, then SA1 is turned off.

【0011】図1(c)は、図1(a)の構成における
情報読み出し動作を示すものである。W1を活性化し、
SA1をオンするまでは、図1(b)と同様である。B
L1,BB1電位の0V及びVccへの増幅後、SA1
にラッチされたデータのメモリ外部への読み出しが行わ
れる。この読み出し方法はDRAMと同様であり、BL
1,BB1の電位差はデータバスへの接続の影響で一時
的にVccより小さくなる。メモリ外部への読み出しを
終了し、データバスへの接続を解除すると、BL1,B
B1電位は再び0V及びVccに回復し、SN(1,
1),SB(1,1)への揮発情報の再書込みが行われ
る。W1を非活性にした後、SA1をオフすると、一連
の読み出し動作を終了する。図1(b)の揮発情報,不
揮発情報両方の書換え、及び図1(c)の揮発情報の読
み出し及び再書込みで、プレート電位PLはVcc/2
に固定される。
FIG. 1C shows an information reading operation in the configuration of FIG. 1A. Activate W1,
Until SA1 is turned on, it is the same as FIG. B
After amplifying the potentials of L1 and BB1 to 0 V and Vcc, SA1
Is read out of the memory. This reading method is the same as that of DRAM, and BL
The potential difference between 1 and BB1 temporarily becomes smaller than Vcc due to the influence of the connection to the data bus. When the reading to the outside of the memory is completed and the connection to the data bus is released, BL1, B
The B1 potential returns to 0 V and Vcc again, and SN (1,
1), rewriting of volatile information to SB (1, 1) is performed. When W1 is deactivated and SA1 is turned off, a series of read operations is completed. In rewriting both the volatile information and the nonvolatile information in FIG. 1B and reading and rewriting of the volatile information in FIG. 1C, the plate potential PL becomes Vcc / 2.
Fixed to

【0012】次に、図2により図1における本発明の実
施例の効果を説明する。図2は、強誘電体キャパシタ膜
への印加電圧に対する、強誘電体キャパシタの電荷量Q
の関係を示す、いわゆる強誘電体キャパシタのヒステリ
シス曲線である。図2(a)は、図1の実施例の場合に
保持される不揮発信号電荷量を示した。図1(b)の書
換え動作時にたとえばBL1の電位がVbhに設定され
ると、強誘電体キャパシタの状態は図2(a)中のAU
点となる。その後、電源がオフされると、電源オフ後の
強誘電体キャパシタの状態は、図2(a)中のA1点と
なる。なお、読み出し及びリフレッシュ動作が書換え動
作後に行われても、図1(c)から明らかなように負の
膜印加電圧がかかることはないので、分極部分反転によ
る残留分極値の目減りはほとんどなく、電源オフ後の状
態はやはりA1点と考えてよい。一方、同様にして、対
となるBB1に接続されている強誘電体キャパシタの状
態は、書換え動作時には図2(a)中のAD点であり、
電源オフ後にはA0点となる。この結果、A1点とA0
点の電荷量の差が、不揮発信号電荷量となる。
Next, the effect of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows the charge amount Q of the ferroelectric capacitor with respect to the voltage applied to the ferroelectric capacitor film.
Is a so-called hysteresis curve of a ferroelectric capacitor. FIG. 2A shows the amount of nonvolatile signal charge held in the case of the embodiment of FIG. If, for example, the potential of BL1 is set to Vbh during the rewriting operation in FIG. 1B, the state of the ferroelectric capacitor is changed to AU in FIG. 2A.
Points. Thereafter, when the power is turned off, the state of the ferroelectric capacitor after the power is turned off is point A1 in FIG. Note that even if the read and refresh operations are performed after the rewrite operation, no negative film applied voltage is applied as apparent from FIG. 1C, so that the remanent polarization value is hardly reduced due to partial polarization inversion. The state after the power is turned off may be regarded as point A1. On the other hand, similarly, the state of the ferroelectric capacitor connected to the paired BB1 is the AD point in FIG.
After the power is turned off, the point becomes A0. As a result, the points A1 and A0
The difference between the charge amounts at the points is the nonvolatile signal charge amount.

【0013】図2(b)は、書換え動作時のBL1の電
位をVccとする従来の場合の不揮発信号量を示したも
のである。この場合は、BL1に接続する強誘電体キャ
パシタの状態は、書換え時には図2(b)中のBU点で
あり、電源オフ後にはB1点となる。一方、BL0に接
続する強誘電体キャパシタの状態は、書換え時には図2
(b)中のBD点であり、電源オフ後にはB0点とな
る。BD点及びB0点は、図2(a)中のAD点及びA
0点にほぼ一致する。
FIG. 2B shows the amount of nonvolatile signals in the conventional case where the potential of BL1 during the rewrite operation is set to Vcc. In this case, the state of the ferroelectric capacitor connected to BL1 is point BU in FIG. 2B at the time of rewriting, and point B1 after power-off. On the other hand, the state of the ferroelectric capacitor connected to BL0 is as shown in FIG.
This is the BD point in (b), and becomes the B0 point after the power is turned off. The BD point and the B0 point are the AD point and the A point in FIG.
It almost coincides with zero point.

【0014】従来の書換え動作では、B1点とB0点の
電荷量の差が、不揮発信号電荷量となる。不揮発信号量
が非常に小さくなっているのは、図2の場合、動作電圧
の半分Vcc/2が強誘電体キャパシタの抗電圧(Q=
0となる電圧であり、分極反転を引き起こすに必要な電
圧の目安)に近い低電圧であるためである。
In the conventional rewriting operation, the difference between the charges at points B1 and B0 is the amount of nonvolatile signal charges. The reason why the amount of non-volatile signals is very small is that in FIG. 2, half of the operating voltage Vcc / 2 is the coercive voltage (Q =
This is because the voltage is 0, which is low, which is close to the voltage necessary for causing polarization inversion.

【0015】このように、本実施例によれば、Vcc/
2が強誘電体キャパシタの抗電圧に近いような低電圧で
強誘電体メモリを動作させても、十分な不揮発信号量が
得られる。また、ビット線電圧を負方向にも降圧し、正
負対称的に十分な膜印加電圧を確保する場合に比べて、
回路構成が簡単で、消費電力も小さい。
As described above, according to the present embodiment, Vcc /
Even when the ferroelectric memory is operated at a low voltage close to the coercive voltage of the ferroelectric capacitor, a sufficient amount of nonvolatile signals can be obtained. Also, as compared with the case where the bit line voltage is stepped down in the negative direction and a sufficient film applied voltage is secured
Simple circuit configuration and low power consumption.

【0016】すなわち、ビット線電圧を負方向にも振る
場合は、ワード線電圧もオフ時に負電圧とする必要があ
る。このため、負電圧生成回路をビット線降圧用及びワ
ード線オフ電圧用に新たに設けることになるが、ビット
線への負電圧供給時にもワード線電圧が変動しないため
には、十分大きな駆動力を持つ負電圧生成回路が必要と
なり、チップ面積の増大を招く。また、消費電力も大き
くなる。これに対して、本発明の実施例では、昇圧電圧
を生成する回路のみ必要であり、チップ面積や消費電力
を小さくできる。
That is, when the bit line voltage is also applied in the negative direction, the word line voltage must be a negative voltage when the bit line is off. For this reason, a negative voltage generating circuit is newly provided for stepping down the bit line and for turning off the word line. However, a sufficiently large driving force is required so that the word line voltage does not fluctuate even when the negative voltage is supplied to the bit line. Therefore, a negative voltage generation circuit having the following is required, which causes an increase in chip area. In addition, power consumption also increases. On the other hand, in the embodiment of the present invention, only a circuit for generating a boosted voltage is required, and the chip area and power consumption can be reduced.

【0017】さらに、本発明の実施例は、DRAMで知
られているビット線プリチャージ電位を二値の蓄積電位
の中間よりも低く設定する手法(たとえば電子情報通信
学会創立70周年記念総合全国大会予稿,第2分冊,第
249頁,昭和62年)とは異なり、通常読み出し動作
後の再書込み時にはビット線プリチャージ電位Vcc/
2に対して、蓄積電位は0VまたはVccである。すな
わち、高電位側を昇圧電圧とする必要がない。したがっ
て、昇圧回路の消費電力を低減できる。
Further, the embodiment of the present invention provides a technique for setting the bit line precharge potential known in DRAM to be lower than the middle of the binary storage potential (for example, the 70th anniversary general meeting of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers). Proceedings, 2nd volume, p. 249, 1987), the bit line precharge potential Vcc /
For 2, the storage potential is 0 V or Vcc. That is, it is not necessary to set the high potential side to the boosted voltage. Therefore, the power consumption of the booster circuit can be reduced.

【0018】図3は本発明の強誘電体メモリに供給され
る電圧関係を示す本発明の一実施例である。外部電源V
ccに対して、周辺回路の動作電圧はVccである。昇
圧回路はVccより高い電圧Vbhを発生し、書換え時
にビット線へ供給する。なお、通常読み出し動作後の再
書込み時には、ビット線電位は0またはVccとする。
本発明の実施例では、ビット線への昇圧電圧の供給を書
換え時にのみ行い、読み出し動作時(およびそれに続く
再書込み動作時)には昇圧電圧の供給を行わないので、
低消費電力のメモリが得られる。
FIG. 3 is an embodiment of the present invention showing the relationship between voltages supplied to the ferroelectric memory of the present invention. External power supply V
The operating voltage of the peripheral circuit is Vcc with respect to cc. The booster circuit generates a voltage Vbh higher than Vcc and supplies it to the bit line at the time of rewriting. At the time of rewriting after the normal read operation, the bit line potential is set to 0 or Vcc.
In the embodiment of the present invention, the supply of the boosted voltage to the bit line is performed only at the time of rewriting, and the boosted voltage is not supplied at the time of the read operation (and at the time of the subsequent rewrite operation).
A memory with low power consumption can be obtained.

【0019】以下の図4から図7により、より具体的な
メモリアレー構成例とその動作を示す。
FIGS. 4 to 7 show a more specific example of a memory array configuration and its operation.

【0020】図4は強誘電体メモリのアレー構成を示
す、本発明の一実施例である。メモリマットMT(1,
1)には、ワード線(W1など)とビット線対(BL1,
BB1など)の交点に、図1と同様なメモリセル(MC
(1,1)など)がマトリックスに配置されている。ワ
ード線は、サブワードドライバ1などにより活性化され
る。サブワードドライバ1は、ワード線に平行なメイン
ワード線MW1とビット線に平行信号線X1の交点とし
て活性化され、MT(1,1)内の横一列のメモリセル
のみを選択する。ビット線対は、少なくともセンスアン
プ(SA1など),プリチャージ回路(PC1など)、
及びセンスアンプをメインアンプMAに接続するための
スイッチを備えている。センスアンプおよびプリチャー
ジ回路は通常のDRAMと同様な回路である。
FIG. 4 is an embodiment of the present invention showing an array configuration of a ferroelectric memory. The memory mat MT (1,
1) includes a word line (such as W1) and a bit line pair (BL1,
At the intersection of BB1 and the like, a memory cell (MC
(1, 1) etc. are arranged in a matrix. The word line is activated by the sub-word driver 1 or the like. The sub-word driver 1 is activated as an intersection of a main word line MW1 parallel to a word line and a parallel signal line X1 to a bit line, and selects only one row of memory cells in MT (1, 1). The bit line pair includes at least a sense amplifier (such as SA1), a precharge circuit (such as PC1),
And a switch for connecting the sense amplifier to the main amplifier MA. The sense amplifier and the precharge circuit are similar to those of a normal DRAM.

【0021】プリチャージ回路は信号線PCSの活性化
により、MT(1,1),MT(1,2)などのビット
線対を同時にVpc電位にプリチャージする。SAドラ
イバは、ワード線に平行な信号線MY1とビット線に平
行な信号線Xp、Xnの交点として活性化され、MT
(1,1)のセンスアンプのみを動作させる。センスア
ンプに読み出された信号は、信号線たとえばY1の活性
化とスイッチSWの働きによりMAに接続され、チップ
外部に出力される。ワード線に平行な信号線は、Xドラ
イバXD1などにより制御され、ビット線に平行な方向
の信号線は、RXドライバとYデコーダからなるYD1
などで制御される。
The precharge circuit simultaneously precharges bit line pairs such as MT (1, 1) and MT (1, 2) to the potential Vpc by activating the signal line PCS. The SA driver is activated as an intersection of the signal line MY1 parallel to the word line and the signal lines Xp and Xn parallel to the bit line,
Only the (1,1) sense amplifier is operated. The signal read by the sense amplifier is connected to the MA by activating the signal line, for example, Y1 and the function of the switch SW, and is output to the outside of the chip. A signal line parallel to the word line is controlled by an X driver XD1 or the like, and a signal line parallel to the bit line is a YD1 comprising an RX driver and a Y decoder.
And so on.

【0022】図5は図4を構成するドライバ回路の具体
的な例を示す。図5(a)は、サブワードドライバの回
路である。X1が0Vの状態で、MW1が0VからVc
cへ、MWB1がVccから0Vへ変化すると、nチャ
ネル電界効果トランジスタMOS1のゲート電位は、ほ
ぼVccからしきい電圧分下がった程度となる。ここ
で、X1が0Vから昇圧電圧Vch(>Vcc)へ変化
すると、MOS1のゲート電圧がゲート容量により昇圧
されると共に、W1の電位がVchとなる。この様に、
サブワードドライバ1がMW1とX1の交点として活性
化される。
FIG. 5 shows a specific example of the driver circuit constituting FIG. FIG. 5A shows a sub word driver circuit. When X1 is 0V, MW1 is changed from 0V to Vc.
When MWB1 changes from Vcc to 0V to c, the gate potential of the n-channel field effect transistor MOS1 becomes substantially lower than Vcc by the threshold voltage. Here, when X1 changes from 0 V to the boosted voltage Vch (> Vcc), the gate voltage of MOS1 is boosted by the gate capacitance, and the potential of W1 becomes Vch. Like this
The sub-word driver 1 is activated as an intersection between MW1 and X1.

【0023】図5(b)は、SAドライバの回路であ
る。プリチャージ回路PCN,PCPはセンスアンプ非
活性化時にSAN,SAPをそれぞれVcc,0Vにす
る。
FIG. 5B shows a circuit of the SA driver. The precharge circuits PCN and PCP set SAN and SAP to Vcc and 0 V, respectively, when the sense amplifier is inactivated.

【0024】PCSは、MY1の反転信号とする。SA
ドライバ活性化時には、XnはVccから0Vへ、Xp
は0VからVccへ変化し、書換え時にはVccからさ
らに昇圧電圧Vchになる。MY1はVcc(したがっ
てPCSが0Vでプリチャージ回路非活性)であり、し
たがってSAP,SANがそれぞれVcc(書換え時は
Vch),0Vとなり、センスアンプを活性化する。
PCS is an inverted signal of MY1. SA
When the driver is activated, Xn goes from Vcc to 0V, Xp
Changes from 0V to Vcc, and at the time of rewriting, further increases from Vcc to the boosted voltage Vch. MY1 is Vcc (therefore, PCS is 0V and the precharge circuit is inactive), and therefore SAP and SAN become Vcc (Vch at rewriting) and 0V, respectively, activating the sense amplifier.

【0025】図5(c)は、RXドライバの回路であ
り、Xpドライバ,Xnドライバ,Xjドライバからな
る。XpドライバによりXpが与えられ、センスアンプ
活性化信号SAS及びMX1がともにVccのときVc
cまたはVchの高電位に、それ以外の時Vssのプリ
チャージ電位になる。ここで、MT(1,1)内のYi
(i=1,2,...)のいずれかが活性化され、かつ
書換え信号WEがハイレベルの時、高電位はVchとな
り、それ以外はVccとなる。XnドライバによりXn
が与えられ、SAS及びMX1がともにVccのとき0
Vに、それ以外の時Vccのプリチャージ電位になる。
Xjドライバはたとえば図5(a)のX1を与えるもの
であり、通常DRAMに用いられる昇圧電圧のドライバ
と同様に構成できる。
FIG. 5C shows an RX driver circuit, which comprises an Xp driver, an Xn driver, and an Xj driver. When Xp is supplied by the Xp driver and both sense amplifier activation signals SAS and MX1 are at Vcc, Vc
It becomes the high potential of c or Vch, and becomes the precharge potential of Vss otherwise. Here, Yi in MT (1, 1)
When any one of (i = 1, 2,...) Is activated and the rewrite signal WE is at a high level, the high potential is Vch, and otherwise the potential is Vcc. Xn by Xn driver
, And when SAS and MX1 are both at Vcc, 0
To V, otherwise at Vcc precharge potential.
The Xj driver gives, for example, X1 in FIG. 5A, and can be configured in the same manner as a driver of a boosted voltage usually used for a DRAM.

【0026】図6は、図4及び図5のメモリアレー構成
における、書換え動作波形を示すものである。書換え時
にはWEをハイレベルとする。以下MC(1,1)を書
換える場合を示す。PCSによりプリチャージを終了す
ると共に、MW1,MY1のメイン選択線を活性化す
る。プリチャージ電位VpcはVcc/2である。MWB1
はロウレベルにする。次に、X1をハイレベルとし、ワ
ード線W1を活性化する。SASによりXp,Xnを活
性化し、センスアンプを起動する。この結果、MC
(1,1)に格納されていた揮発情報が、センスアンプ
にラッチされる。ここまでは、通常動作時の読み出し動
作と同様である。次にY1選択により書換えデータをセ
ンスアンプに送る。Y1選択後、しばらくしてXpが昇
圧電圧Vchとなり、ビット線も昇圧電圧となる。この
時点までに、MW1はロウレベルとなりW1はフローテ
ィング状態となっているので、ビット線の電位上昇によ
りW1もスイッチングトランジスタのゲート容量を介し
て昇圧される。次に、MWB1をハイレベルにしてW1
を非活性状態に戻す。最後に、センスアンプを非活性化
するとともにPCSをハイレベルにして、ビット線対を
Vcc/2にプリチャージする。
FIG. 6 shows rewrite operation waveforms in the memory array configuration of FIGS. 4 and 5. At the time of rewriting, WE is set to a high level. Hereinafter, a case in which MC (1, 1) is rewritten will be described. Precharging is terminated by the PCS, and the main selection lines of MW1 and MY1 are activated. The precharge potential Vpc is Vcc / 2. MWB1
Is set to low level. Next, X1 is set to the high level to activate the word line W1. Xp and Xn are activated by the SAS to activate the sense amplifier. As a result, MC
The volatile information stored in (1, 1) is latched by the sense amplifier. Up to this point, the operation is the same as the read operation in the normal operation. Next, the rewrite data is sent to the sense amplifier by selecting Y1. After a short time after the selection of Y1, Xp becomes the boosted voltage Vch, and the bit line also becomes the boosted voltage. By this point, MW1 is at a low level and W1 is in a floating state, so that W1 is also boosted through the gate capacitance of the switching transistor due to the potential rise of the bit line. Next, MWB1 is set to a high level to set W1.
To the inactive state. Finally, the sense amplifier is deactivated and PCS is set to the high level to precharge the bit line pair to Vcc / 2.

【0027】図7は図4及び図5のメモリアレー構成に
おける、電源オン時の不揮発情報の読み出し動作、及び
揮発情報への変換動作を示すものである。本発明の強誘
電体メモリでは、図7の動作を行った後、図1(a),
図6の書換え動作、及び図1(b)の読み出し動作によ
る通常動作に移行する。
FIG. 7 shows a read operation of the nonvolatile information and a conversion operation to the volatile information when the power is turned on in the memory array configuration of FIGS. 4 and 5. In the ferroelectric memory of the present invention, after performing the operation of FIG.
The operation shifts to the normal operation based on the rewrite operation in FIG. 6 and the read operation in FIG.

【0028】図7で、プレートPLの電位をVssにし
たままで、ビット線プリチャージ電位VpcをVccフ
ローティングとする。ワード線たとえばW1を活性化す
ると、強誘電体キャパシタの分極方向に対応した信号
が、ビット線に発生する。これをセンスアンプにより検
知,増幅する。この分極方向から蓄積電位(たとえばS
N(1,1),SB(1,1)電位)への変換動作を、所望
のメモリセルすべてについて行う。変換動作終了後、ワ
ード線を非活性にした状態で、PLをVcc/2に昇圧
する。これに伴い、蓄積電位は0VおよびVccから、
それぞれVcc/2および3Vcc/2程度となる。次
にDRAMのリフレッシュと同様な動作をすべてのメモ
リセルについて行う。以降、図1及び図6に説明した通
常の書換え,読み出し動作を行う。
In FIG. 7, the bit line precharge potential Vpc is set to Vcc floating while the potential of the plate PL is kept at Vss. When a word line such as W1 is activated, a signal corresponding to the polarization direction of the ferroelectric capacitor is generated on the bit line. This is detected and amplified by the sense amplifier. The storage potential (for example, S
The conversion operation to the N (1,1) and SB (1,1) potentials is performed for all desired memory cells. After completion of the conversion operation, PL is boosted to Vcc / 2 with the word line inactive. Accordingly, the storage potential changes from 0 V and Vcc to
They are about Vcc / 2 and 3 Vcc / 2, respectively. Next, the same operation as the DRAM refresh is performed for all the memory cells. Thereafter, the normal rewriting and reading operations described in FIGS. 1 and 6 are performed.

【0029】以上、図4から図7に説明した実施例によ
れば、次の効果が得られる。(1)昇圧電圧を供給する
ビット線は、MT(1,1)内のみで良いので、昇圧回
路の消費電力を低減でき、また駆動能力も小さくできる
ので少ない占有面積で実現できる。(2)ビット線から
蓄積部に昇圧電圧を与えるとき、ワード線電圧はビット
線とのカップリングにより昇圧するので、本強誘電体メ
モリの昇圧電圧は1種類でよい(ただし、読み出し時の
ワード線電位と書換え時のビット線電位を同じとす
る)。したがって、昇圧系の回路構成を簡単にできる。
According to the embodiment described above with reference to FIGS. 4 to 7, the following effects can be obtained. (1) Since the bit line for supplying the boosted voltage only needs to be provided in the MT (1, 1), the power consumption of the booster circuit can be reduced, and the driving capability can be reduced, so that the occupation area can be reduced. (2) When a boosted voltage is applied from the bit line to the storage unit, the word line voltage is boosted by coupling with the bit line, so that only one type of boosted voltage is required for the present ferroelectric memory (however, the word at the time of reading is required The line potential is the same as the bit line potential at the time of rewriting.) Therefore, the circuit configuration of the boosting system can be simplified.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明の強誘電体メモリによれば、高
速,低消費電流,高集積,高寿命,高信頼性で、かつ低
電圧動作に適したメモリが得られる。
According to the ferroelectric memory of the present invention, a memory having high speed, low current consumption, high integration, long life, high reliability, and suitable for low voltage operation can be obtained.

【0031】さらに、ワード線を階層構造にする本発明
の強誘電体メモリによれば、昇圧すべきビット線の数を
少なくできるので、昇圧回路の占有面積及び消費電流を
低減できる。
Further, according to the ferroelectric memory of the present invention in which word lines have a hierarchical structure, the number of bit lines to be boosted can be reduced, so that the area occupied by the booster circuit and the current consumption can be reduced.

【0032】さらに、ワード線電位をビット線とのカッ
プリングにより昇圧する本発明の強誘電体メモリによれ
ば、簡単な回路構成でメモリセルの蓄積部に昇圧電圧を
与えることができる。
Further, according to the ferroelectric memory of the present invention in which the word line potential is boosted by coupling with the bit line, the boosted voltage can be applied to the storage section of the memory cell with a simple circuit configuration.

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

【図1】本発明の強誘電体メモリの説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram of a ferroelectric memory of the present invention.

【図2】本発明の効果を説明する強誘電体キャパシタの
ヒステリシス曲線図。
FIG. 2 is a diagram showing a hysteresis curve of a ferroelectric capacitor for explaining an effect of the present invention.

【図3】本発明の強誘電体メモリの供給電圧の説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of a supply voltage of the ferroelectric memory of the present invention.

【図4】本発明の強誘電体メモリのアレー構成の説明
図。
FIG. 4 is an explanatory diagram of an array configuration of a ferroelectric memory according to the present invention.

【図5】図4の要素回路の具体例の説明図。FIG. 5 is an explanatory diagram of a specific example of the element circuit in FIG. 4;

【図6】図4における書換え動作波形図。FIG. 6 is a rewrite operation waveform diagram in FIG. 4;

【図7】図4における不揮発情報の読み出し及び揮発情
報への変換動作の説明図。
FIG. 7 is an explanatory diagram of an operation of reading nonvolatile information and converting it to volatile information in FIG. 4;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

W1…ワード線、BL1,BB1…ビット線対、SN
(1,1),SB(1,1)…蓄積部、MC(1,1)
…メモリセル、PL…プレート。
W1 word line, BL1, BB1 bit line pair, SN
(1, 1), SB (1, 1) ... storage unit, MC (1, 1)
... memory cells, PL ... plates.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲吉▼田 浩 東京都小平市上水本町5丁目20番1号 日 立超エル・エス・アイ・エンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 谷川 博之 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor ▲ Yoshi ▼ Hiroshi Tachikawa Hiroshi Tanigawa 5-72-1, Kamimizuhoncho, Kodaira-shi, Tokyo In-house, Ltd. Hitachi, Ltd. Semiconductor Division

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】強誘電体キャパシタと電界効果トランジス
タとを有するメモリセルをビット線とワード線の交点に
マトリックスに配置して構成した半導体メモリにおい
て、上記強誘電体キャパシタの分極方向を検知し、上記
キャパシタの二値の蓄積電位としての情報に変換する第
一の動作モードと、上記キャパシタの二値の蓄積電位を
検知し再書込みする第二の動作モードと、上記キャパシ
タの上記二値の蓄積電位を反転させ情報書換えを行う第
三の動作モードとを含み、上記第一の動作モードは、上
記強誘電体キャパシタのプレートを接地電位とし、上記
ビット線を電源電圧にほぼ等しい第一のプリチャージ電
位に設定して上記分極方向の検知を行い、複数回の検知
動作の後、上記プレートを電源電圧と接地電圧とのほぼ
中間の電位に設定する動作を含み、上記第二の動作モー
ドでは、上記プレートが電源電圧と接地電圧とのほぼ中
間の電位に設定され、上記第二の動作モードの再書込み
時には、ビット線に接地電圧にほぼ等しい電圧、または
電源電圧にほぼ等しい電圧の二値の電圧のいずれかが与
えられ、上記第三の動作モードにおいては、上記プレー
トが電源電圧と接地電圧とのほぼ中間の電位に設定さ
れ、上記第三の動作モードの情報書換え時には、ビット
線に接地電圧にほぼ等しい電圧、または電源電圧より大
きい電圧のいずれかの電圧が与えられることを特徴とす
る強誘電体メモリ。
In a semiconductor memory in which memory cells each having a ferroelectric capacitor and a field-effect transistor are arranged in a matrix at the intersection of a bit line and a word line, a polarization direction of the ferroelectric capacitor is detected. A first operation mode in which information is converted to binary storage potential of the capacitor, a second operation mode in which binary storage potential of the capacitor is detected and rewritten, and the binary storage of the capacitor is performed. A first operation mode in which the potential of the ferroelectric capacitor is set to the ground potential and the bit line is set to a first power supply voltage substantially equal to the power supply voltage. The polarization direction is detected by setting the charge potential, and after a plurality of detection operations, the plate is set to a potential substantially intermediate between the power supply voltage and the ground voltage. In the second operation mode, the plate is set to a potential substantially intermediate between the power supply voltage and the ground voltage, and when rewriting in the second operation mode, a voltage substantially equal to the ground voltage is applied to the bit line. Or a binary voltage of a voltage substantially equal to the power supply voltage, and in the third operation mode, the plate is set to a potential substantially intermediate between the power supply voltage and the ground voltage, A ferroelectric memory, wherein at the time of rewriting information in the operation mode, either a voltage substantially equal to the ground voltage or a voltage higher than the power supply voltage is applied to the bit line.
【請求項2】請求項1において、上記ワード線は、これ
と異なる配線層で形成されたメインワード線に第一の制
御回路を介して接続しており、該第一の制御回路は、活
性化された上記メインワード線に接続する複数の上記ワ
ード線のうち一部のみを活性化させる機能を有し、上記
第三の動作モードにおける電源電圧より大きい電圧は、
上記活性化されたワード線に交差するビット線に対して
のみ与えられる強誘電体メモリ。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said word line is connected to a main word line formed of a different wiring layer through a first control circuit. Has a function of activating only a part of the plurality of word lines connected to the main word line, and a voltage higher than the power supply voltage in the third operation mode,
A ferroelectric memory provided only to a bit line crossing the activated word line.
【請求項3】請求項1において、上記第三の動作モード
における電源電圧より大きい電圧が上記ビット線に供給
された時には、上記ワード線を活性化する第二の制御回
路と活性化されたワード線とは電気的に切り離されてい
る強誘電体メモリ。
3. A method according to claim 1, wherein a second control circuit for activating said word line and an activated word when a voltage higher than a power supply voltage in said third operation mode is supplied to said bit line. Ferroelectric memory that is electrically separated from lines.
JP8264064A 1996-10-04 1996-10-04 Nonvolatile ferroelectric substance memory Withdrawn JPH10112190A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004192778A (en) * 2002-12-09 2004-07-08 Hynix Semiconductor Inc Nonvolatile ferroelectric memory device

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