JPH1139882A - 強誘電体メモリ装置 - Google Patents
強誘電体メモリ装置Info
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- JPH1139882A JPH1139882A JP19120797A JP19120797A JPH1139882A JP H1139882 A JPH1139882 A JP H1139882A JP 19120797 A JP19120797 A JP 19120797A JP 19120797 A JP19120797 A JP 19120797A JP H1139882 A JPH1139882 A JP H1139882A
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- G11C11/22—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements
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Abstract
おけるリファレンス電圧発生方法を提供する。 【解決手段】 メモリセルと同一形状の強誘電体容量を
用いたダミーセルDMC1、DMC2は、予め読み出し
時に分極が反転しない分極方向に設定されている。セン
スアンプSA1には読み出し時に意図的にオフセットを
持たせるためにトランジスタT1とT2が付加されてい
る。読み出し時には、ダミーセル側のトランジスタをO
N、メモリセル側のトランジスタをOFFとする。T
1、T2のサイズは、見かけ上リファレンス電位を分極
が非反転の時のビット線読み出し電位よりもわずかに高
くするものを選ぶ。
Description
憶装置に関し、特に強誘電体材料を用いた強誘電体記憶
装置の読み出しに関するものである。
C型)メモリセルを用いた強誘電体メモリ装置では、メ
モリセルから読み出されたデータの0/1を判定するた
めにリファレンス電圧を発生する必要がある。その一つ
として、ダミーセルを用いる技術がある。このようなダ
ミーセル構成の一つの方式として、例えば特開平7−1
92476号、特開平7−93978号に開示されたも
のが挙げられる。すなわち、2つの強誘電体キャパシタ
にそれぞれデータ“1”と“0”を書き込んだダミーセ
ルを用意し、両ダミーセルからデータを読み出し、それ
を平均することによりリファレンス電位を発生させる方
式である。前記特開平7−93978に開示された方式
について図6を用いて説明する。図において、ダミーセ
ルDMCa1、DMCa2にはデータ“1”、“0”が
書き込まれている。ダミーセルDMCa1、DMCa2
は、ビット線BLa1、BLa2をプリチャージ後、ワ
ード線DWLa1、DWLa2により選択され、ビット
線BLa1、BLa2にそれぞれ“1”および“0”に
相当する信号電位を発生させる。次いで、ビット線短絡
信号によりトランジスタTSW1をオンすることでビッ
ト線上に“1”と“0”の中間に相当する電圧を発生さ
せることができる。ここで、TSW1をオフし、ビット
線BLa1を再プリチャージ後、メモリセルMCa1か
ら読み出しを行えば、ビット線BLa1はメモリセルM
Ca1から読み出した“1”もしくは“0”に相当する
電位となり、ビット線BLa2は“1”と“0”の中間
に相当する電位となるため、1トランジスタ1キャパシ
タ型の強誘電体メモリ装置を構成することが可能とな
る。さらに、特開平7−192476では、ダミーセル
で生成した参照電位を電位記憶部で記憶し、以後の参照
電位生成はダミーセルで行わない構成としている。これ
により、ダミーセルの膜疲労による劣化を抑えることが
可能となる。
は、例えば、特開平2−301093、あるいは米国特
許第4873664号に開示されたものが挙げられる。
すなわち、ダミーセルの強誘電体キャパシタのサイズを
メモリセルのそれと異ならしめ、これを用いてリファレ
ンス電位を発生させる方式である。特開平2−3010
93に開示された方式について図7を用いて説明する。
図において、メモリセルMCa1はワード線WLa1に
より選択され、プレート線PLa1が駆動されることに
よりビット線BLa1に信号電位を発生させる。また、
ダミーセルDMCa1はワード線DWLa1によって選
択され、プレート線DPLa1が駆動されることにより
ビット線BLa2にリファレンス電位を発生させる。こ
こで、ダミーセルのキャパシタサイズをメモリセルのそ
れよりも小さくし、且つリファレンス電位を発生させる
ときは常に分極反転がおこるようにその分極方向を設定
しておく。
量がDCFa1の分極反転時の容量よりも小さいものを
用いる。その結果、DCFa1の容量はCFa1の分極
反転時の容量よりも小さく、分極非反転時の容量よりも
大きくなる。従って、BLa2にデータ“1”と“0”
の中間に相当する信号電位を発生させることができる。
前記の手法ではDCFa1の大きさをCFa1のそれよ
り小さいとしたが、米国特許第4873664号に開示
されているように、DCFa1の大きさをCFa1のそ
れよりも大きくし、且つリファレンス電位を発生させる
ときには常に分極が反転しないように分極の方向を設定
することにより、同様の効果を得ることが可能である。
さらに、ダミーセル構成の別の方法として、特開平5−
114741に開示されたものが挙げられる。すなわ
ち、ダミーセルキャパシタを通常の常誘電体膜を用いた
キャパシタとし、ダミーセルキャパシタの蓄積電荷を利
用して、プリチャージ電位がデータ“1”と“0”の中
間に相当する電位になるように、読み出された信号電位
を昇圧するものである。
る。図において、メモリセルキャパシタCFa1の両端
にはVCC/2が外部から供給されている。また、メモ
リセルMCa1は、ワード線WLa1によって選択さ
れ、ビット線BLa1に信号電位を発生させる。また、
ダミーセルキャパシタDCa1はダミーセルワード線D
WLa1によって選択され、ビット線BLa1の電位を
昇圧する。読み出し時には、まず、ビット線BLa1、
BLa2をVCCにプリチャージしてから、ワード線W
La1を選択してデータをビット線上に読み出し、次に
ダミーセルワード線DWLa1を選択してビット線電位
を昇圧する。このときダミーセルの容量値は、昇圧した
ときのビット線電位が、データ“1”のときはプリチャ
ージ電位よりも高く、かつデータ“0”のときはプリチ
ャージ電位より低くなるようなものを用いる。その結
果、BLa2のプリチャージ電位をリファレンス電位と
して、センスアンプSAによってデータの検出が可能と
なる。
ステリシス特性において、分極が反転した場合と非反転
の場合とでは、膜特性の疲労により、読み出し動作回数
に対して図5に示すような分極電荷量の変化が起こる。
すなわち、分極反転時は読み出し動作回数の増加にした
がって分極電荷量が減少し、分極非反転時は、読み出し
動作回数にあまり依存せず分極電荷量は一定となる。従
って、第一のダミーセル、すなわち図6に示したよう
な、それぞれデータ“1”と“0”を書き込んだ2つの
ダミーセルからデータを読み出し、それを平均すること
によりリファレンス電位を発生させる方式に関しては、
メモリセルとダミーセルのアクセス頻度の違いにより、
多数回使用するうちに正確なリファレンス電圧が発生で
きなくなるという問題があった。この問題は特開平7−
192476においても同じである。
に示したような、ダミーセルキャパシタのサイズをメモ
リセルキャパシタのそれと異ならしめ、これを用いてリ
ファレンス電位を発生させる方式に関しては、メモリセ
ルキャパシタの容量値を予め見積もった上で、ダミーセ
ルキャパシタの分極反転時と、分極非反転時の容量値を
見積もってキャパシタサイズを決めなければならないた
め、ダミーセルキャパシタサイズの設計が難しいという
問題があった。これは、第三のダミーセル、すなわち、
図8に示したようなダミーセルキャパシタに通常の常誘
電体膜を用いた場合においても同様である。本発明はこ
のような点に鑑みてなされたものであり、その目的とす
るところは、強誘電体を用いた半導体記憶装置におい
て、1トランジスタ1キャパシタ型メモリセルで必要と
されるリファレンス電圧の発生方法に関する前記の問題
を解決し、信頼性の高い読み出し回路を具備した強誘電
体メモリ装置を提供することである。
め、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、強誘電体膜を
用いたキャパシタ1個とMOSトランジスタ1個とで構
成されるモメリセルが複数接続されたビット線と、前記
ビット線2本と接続されたセンスアンプの組み合わせを
複数有し、前記強誘電体膜の分極方向を2情報に対応さ
せて記憶する強誘電体メモリ装置において、前記ビット
線それぞれに前記メモリセルと構成およびキャパシタサ
イズが同じダミーセルを1個ずつ接続し、前記センスア
ンプは読み出し時に意図的にアンバランスを持たせてオ
フセットを発生させる手段を有し、前記ダミーセルの分
極非反転読み出し信号電位とセンスアンプのオフセット
を用いて発生させる電位を基準にしてメモリセルデータ
を読み出すことを特徴とする強誘電体不揮発メモリを提
供する。
たせる手段として、前記センスアンプに接続される第1
のビット線側と第2のビット線側にそれぞれ1個ずつM
OSトランジスタを付加し、読み出し時に前記MOSト
ランジスタのどちらか一方をONさせることを特徴とす
る強誘電体不揮発メモリを提供する。更に、前記センス
アンプにオフセットを持たせるために前記MOSトラン
ジスタが、PMOSトランジスタあるいは、NMOSト
ランジスタである強誘電体不揮発メモリを提供する。こ
のように本発明では、強誘電体の分極が、非反転の場合
の分極電荷量を参照して読み出しリファレンス電位を発
生する。図5に示すように強誘電体の分極が非反転の場
合では、分極電荷量は読み出し動作回数に対する依存性
が非常に小さい。従って、メモリセルとダミーセルのア
クセス頻度の違いによるリファレンス電位の不正確性と
いう問題は除去できる。また、ダミーセルのキャパシタ
サイズをメモリセルと同一とすることにより、キャパシ
タサイズの設計が容易となる。
する。図1は、本発明の第1の実施の形態を示すもの
で、本発明の不揮発性半導体記憶装置の基本的な回路構
成を示したものである。隣接する2本のビット線BL
1、BL2の一端末には両ビット線の電位差を増幅して
データを検出するセンスアンプSA1が接続されてい
る。センスアンプSA1は、意図的にアンバランスさせ
てオフセットを持たせるために、PMOSトランジスタ
T1およびT2を従来のラッチ型センスアンプのPMO
Sトランジスタと並列に付加される。ここで、T1とT
2のチャネル幅Wは、センスアンプにわずかなオフセッ
トを加えて、図5に示すように、見かけ上リファレンス
電位を分極が非反転のときのビット線読み出し電位より
もわずかに高くするものを選ぶ。
パシタCF1とセルトランジスタTC1とからなる。強
誘電体キャパシタの一方の端子はプレート線PL1と接
続され、もう一方の端子はセルトランジスタTC1のソ
ース・ドレイン端子の一方と接続される。また、セルト
ランジスタのもう一方のソース・ドレイン端子はビット
線BL1と接続され、ゲート端子はワード線WL1と接
続される。この他のメモリセルMC2やダミーセルDM
C1、DMC2も同様の回路構成であり、構造及び素子
サイズも同等である。次に、図1の回路の読み出し動作
を説明する。ここでダミーセルキャパシタDCF1およ
びDCF2は、予め読み出し時に分極が反転しない分極
方向に設定しておく。まず、ビット線BL1、BL2を
GND電位にプリチャージする。次に、ワード線WL1
を“H”レベルにしてメモリセルMC1を選択しプレー
ト線PL1を“H”にすることによりビット線BL1に
データを読み出す。また、リファレンス電圧を発生させ
るためにワード線DWL2を“H”にしてダミーセルD
MC2を選択し、プレート線DPL2を“H”にするこ
とにより、BL2に分極非反転時の電荷が読み出され
る。ここで、センスアンプSA1をアンバランスさせる
PMOSトランジスタT1をOFF、T2をONにして
からセンスアンプを活性化させる。
に示すように強誘電体が非反転の場合の読み出し電位よ
りも高く、反転した場合の読み出し電位よりも低いもの
となる。したがって、ビット線BL1、BL2の電位
は、メモリセルが反転した場合は、図3(a)に示すよ
うにメモリセル側のビット線電位が高電位、ダミーセル
側が低電位になり、メモリセルが非反転の場合は、図3
(b)に示すようにメモリセル側が低電位、ダミーセル
側が高電位になるため、正しい読み出し動作が実現でき
る。また、ダミーセルは読み出し時に分極が反転しない
ため、反転した場合に生じる疲労の問題、すなわちメモ
リセルとのアクセス頻度の違いによるリファレンス電位
の不正確性という問題は発生しない。図2は、本発明に
よる第2の実施形態を示した図である。メモリセルおよ
びダミーセルの構成は第1の実施例と同様である。セン
スアンプSA2はビット線BL1とBL2の一端末に設
けられており、オフセットを加えるためのNMOSトラ
ンジスタT3およびT4が、従来のラッチ型センスアン
プのNMOSトランジスタに並列に付加されている。
る。第1の実施の形態と同様、ダミーセルDMC1およ
びDMC2は、予め読み出し時に分極が反転しない分極
方向に設定しておく。まず、ビット線BL1、BL2を
GNDプリチャージする。次に、ワード線WL1を
“H”レベルにしてメモリセルMC1を選択しプレート
線PL1を“H”にすることによりビット線BL1にデ
ータを読み出す。リファレンス電位はワード線DWL2
を“H”にしてプレート線DPL2を“H”にすること
により、BL2に分極非反転時の電荷が読み出される。
ここで、センスアンプをアンバランスさせるNMOSト
ランジスタT3をON、T4をOFFにしてからセンス
アンプを活性化させる。これにより、BL2上のビット
線電位が見かけ上、メモリセルの非反転読み出し電位よ
りも高く、反転読み出し時よりも低いものとなるため、
正しい読み出し動作が実現できる。また、ダミーセルは
読み出し時に分極が反転しないため、図1に示した実施
例と同様、メモリセルとのアクセス頻度の違いによるリ
ファレンス電位の不正確性という問題は発生しない。
セルは読み出し時に分極の反転が起こらないため、ダミ
ーセルキャパシタの膜疲労による劣化を抑制でき、メモ
リセルとのアクセス頻度の違いによるリファレンス電位
の不正確性という問題を除去することができる。また、
ダミーセルキャパシタサイズはメモリセルと同一とする
ことができるため、キャパシタサイズの設計が容易とな
る。
態を示す回路図。
態を示す回路図。
ータ読み出し時のビット線電位の変化を示す図。 (b)本発明の強誘電体メモリ装置におけるデータ読み
出し時のビット線電位の変化を示す図。
量の変化を示す図。
めの回路図。
めの回路図。
めの回路図。
ランジスタ T3、T4 オフセットを持たせるためのNMOSト
ランジスタ WL1、WL2 ワード線 DWL1、DWL2 ダミーワード線 PL1、PL2 プレート線 DPL1、DPL2 ダミープレート線 BL1、BL2 ビット線 MC1、MC2 メモリセル DMC1、DMC2 ダミーセル CF1、CF2、DCF1、DCF2 強誘電体キャ
パシタ TC1、TC2、DTC1、DTC2 セルトランジ
スタ
Claims (4)
- 【請求項1】 強誘電体膜を用いたキャパシタ1個とM
OSトランジスタ1個とで構成されるモメリセルが複数
接続されたビット線と、前記ビット線2本と接続された
センスアンプの組み合わせを複数有し、前記強誘電体膜
の分極方向を2情報に対応させて記憶する強誘電体メモ
リ装置において、前記ビット線それぞれに前記メモリセ
ルと構成およびキャパシタサイズが同じダミーセルを1
個ずつ接続し、前記センスアンプは読み出し時に意図的
にアンバランスを持たせてオフセットを発生させる手段
を有し、前記ダミーセルの分極非反転読み出し信号電位
とセンスアンプのオフセットを用いて発生させる電位を
基準にしてメモリセルデータを読み出すことを特徴とす
る強誘電体メモリ装置。 - 【請求項2】 センスアンプにオフセットを持たせる手
段として、前記センスアンプに接続される第1のビット
線側と第2のビット線側にそれぞれ1個ずつMOSトラ
ンジスタを付加し、読み出し時に前記MOSトランジス
タのどちらか一方をONさせる請求項1に記載の強誘電
体メモリ装置。 - 【請求項3】 センスアンプにオフセットを持たせるた
めの前記MOSトランジスタが、PMOSトランジスタ
である請求項2に記載の強誘電体メモリ装置。 - 【請求項4】 センスアンプにオフセットを持たせるた
めの前記MOSトランジスタが、NMOSトランジスタ
である請求項2に記載の強誘電体メモリ装置。
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