KR19990026117A - Nonvolatile Memory Device with Ferroelectric Memory Cells - Google Patents

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KR19990026117A
KR19990026117A KR1019970048100A KR19970048100A KR19990026117A KR 19990026117 A KR19990026117 A KR 19990026117A KR 1019970048100 A KR1019970048100 A KR 1019970048100A KR 19970048100 A KR19970048100 A KR 19970048100A KR 19990026117 A KR19990026117 A KR 19990026117A
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KR1019970048100A
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Inventor
황유상
이미향
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윤종용
삼성전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 강유전체 램 (FRAM) 장치는 메모리 셀의 강유전체 커패시터와 다른 면적을 갖는 강유전체 커패시터를 구비한 레퍼런스 셀들의 어레이를 제공한다. 상기 각 레퍼런스 셀의 강유전체 커패시터에 의해서 레퍼런스 레벨에 해당하는 양의 전하를 비스위칭 (non-switching) 영역에서 얻을 수 있게 되었다. 이로써, 레퍼런스 셀의 내구성 (endurance)이 향상된다.The ferroelectric RAM (FRAM) device according to the present invention provides an array of reference cells having a ferroelectric capacitor having a different area than the ferroelectric capacitor of the memory cell. The ferroelectric capacitors of the respective reference cells allow the amount of charge corresponding to the reference level to be obtained in the non-switching region. This improves the endurance of the reference cell.

Description

강유전체 메모리 셀을 구비한 불 휘발성 메모리 장치(NON-VOLATILE MEMORY DEVICE HAVING FERROELECTRIC MEMORY CELL)NON-VOLATILE MEMORY DEVICE HAVING FERROELECTRIC MEMORY CELL

본 발명은 불 휘발성 메모리 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 강유전체 커패시터를 구비한 불 휘발성 메모리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory device, and more particularly, to a nonvolatile memory device having a ferroelectric capacitor.

최근(recently), 전원 오프시 조차 데이터를 유지하는 기능을 갖는 불 휘발성 메모리는 히스테리시스 특성(hysteresis characteristic)을 보이는 PZT와 같은 강유전 물질의 사용을 통해 실현되어 왔다. 메모리 셀에 그러한 강유전 물질을 사용함으로써, 불 휘발성 메모리는 간단한 구조로 구현될 수 있다. 강유전체 랜덤 액세스 메모리 (FRAM : Ferroelectric Random Access Memory)는 불 휘발성의 특성을 가지며, 고속 저전압 동작이 가능하기 때문에 많은 메모리 칩 메이커들의 관심과 경쟁이 고조되고 있다.Recently, nonvolatile memory having the ability to retain data even at power off has been realized through the use of ferroelectric materials, such as PZT, which exhibit a hysteresis characteristic. By using such ferroelectric materials in the memory cell, the nonvolatile memory can be implemented with a simple structure. Ferroelectric Random Access Memory (FRAM) is non-volatile, and high-speed, low-voltage operation is drawing attention and competition from many memory chip makers.

강유전체 커패시터와 스위칭 트랜지스터로 구성된 메모리 셀은 강유전체 커패시터(CF: Ferroelectric Capacitor)의 전기적 분극 상태에 따라 데이터의 논리적 상태('1' 또는 '0')를 저장한다. 강유전체 커패시터 (CF)의 양단에 전압이 인가될 때, 전계(electric field)의 방향에 따라 강유전 물질이 분극(polarization)되고, 그러한 분극 상태가 변하는 스위칭 드레솔드 전압(switching threshold voltage)을 강제 전압(coercive voltage)이라 한다. 그리고, 메모리 셀에 저장된 데이터를 독출하기 위해서, 강유전체 커패시터의 양 전극들 사이의 전압차를 인가하여 비트 라인에 여기되는 전하량의 변화로 메모리 셀에 저장된 데이터의 상태가 감지된다.A memory cell composed of a ferroelectric capacitor and a switching transistor stores a logical state ('1' or '0') of data according to an electrical polarization state of a ferroelectric capacitor (C F ). When a voltage is applied across the ferroelectric capacitor C F , the ferroelectric material is polarized according to the direction of the electric field, and a forced voltage is applied to a switching threshold voltage at which the polarization state changes. It is called (coercive voltage). In order to read the data stored in the memory cell, a voltage difference between both electrodes of the ferroelectric capacitor is applied to detect a state of the data stored in the memory cell due to a change in the amount of charge excited on the bit line.

도 1은 1T/1C 강유전체 메모리 셀을 보여준다. 메모리 셀 (MC)는 하나의 스위칭 트랜지스터 (Tr)와 하나의 강유전체 커패시터 (CF) (1-비트당 1-트랜지스터 및 1-커패시터 : 1T/1C)로 구성된다. 스위칭 트랜지스터 (Tr)은 강유전체 커패시터 (CF)의 일 전극과 비트 라인 (BL)에 각각 접속된 두 개의 주전극들, 즉 드레인 전극과 소오스 전극을 가지며, 워드 라인 (WL)에 접속된 게이트 전극을 갖는다. 강유전체 커패시터 (CF)의 다른 전극은 플레이트 라인 (PL)에 접속된다.1 shows a 1T / 1C ferroelectric memory cell. The memory cell MC is composed of one switching transistor Tr and one ferroelectric capacitor C F (one transistor per 1 bit and 1 capacitor 1T / 1C). The switching transistor Tr has two main electrodes connected to one electrode of the ferroelectric capacitor C F and the bit line BL, that is, a drain electrode and a source electrode, and a gate electrode connected to the word line WL. Has The other electrode of the ferroelectric capacitor C F is connected to the plate line PL.

도 2는 강유전체 커패시터의 히스테리시스 특성을 보여주는 그래프이다. 그리고, 도 3은 종래 기술에 따른 강유전체 램 장치의 동작 타이밍도를 보여준다. 다시 도 2를 참조하면, 상기 그래프의 횡좌표(abscissa)는 커패시터의 두 전극들 사이의 전위차 즉, 커패시터 양단의 전압(volts)을 나타내고, 종좌표(ordinate)는 상기 강유전 물질의 자발 분극 (spontaneous polarization)에 따라 그것의 표면에 유기되는 전하의 양 즉, 분극도(μC/cm2)를 나타낸다.2 is a graph showing hysteresis characteristics of a ferroelectric capacitor. 3 shows an operation timing diagram of a ferroelectric RAM device according to the prior art. Referring again to FIG. 2, the abscissa of the graph represents the potential difference between two electrodes of the capacitor, that is, the voltages across the capacitor, and the ordinate represents the spontaneous polarization of the ferroelectric material. Depending on the amount of charge induced on its surface, that is, the degree of polarization (μC / cm 2 ).

0V의 전압이 인가되어서 강유전 물질로 아무런 전계가 인가되지 않으면, 대체로, 분극 도메인들(polarization domains)은 불균일하고 분극이 발생되지 않는다. 커패시터 양단의 전압이 양의 방향으로 증가될 때, 분극도(또는 전하량)는 0(zero)으로부터 양의 분극 영역 내의 점 A까지 증가한다. 점 A에서, 모든 도메인들은 한 방향으로 분극되고, 점 A에서의 분극도는 최대값에 이르게 된다. 이때, 분극도 즉, 강유전 물질이 보유하는 전하의 양은 QS로 표시되고, 커패시터 양단에 인가된 전압의 크기가 동작 전압 (Vcc)이다. 이후, 커패시터 양단의 전압이 다시 0V까지 떨어지더라도, 분극도는 0까지 낮아지지 않고 점 B에 잔류하게 된다. 이와 같은 잔류 분극에 따라서 강유전 물질이 보유하는 전하의 양 즉, 잔류 분극도는 Qr로 표시된다. 다음, 커패시터 양단의 전압이 음의 방향으로 증가하면, 분극도는 점 B로부터 음의 전하 분극 영역 내의 점 C로 변한다.(도 2에서 곡선 21). 점 C에서, 강유전 물질의 모든 도메인들은 점 A에서의 분극 방향에 반대가 되는 방향으로 분극된다. 이때, 분극도는 -QS로 표시되고, 커패시터 양단에 인가된 전압의 크기는 -Vcc이다. 이후, 커패시터 양단의 전압이 다시 0V까지 떨어지더라도, 분극값은 0까지 떨어지지 않고 점 D에 잔류하게 된다. 이때의 잔류 분극도는 -Qr로 표시된다. 커패시터 양단에 인가되는 전압의 크기가 다시 한 번 양의 방향으로 증가하게 되면, 강유전 물질의 분극도는 점 D에서 점 A로 변한다.If a voltage of 0 V is applied so that no electric field is applied to the ferroelectric material, the polarization domains are generally non-uniform and no polarization occurs. When the voltage across the capacitor increases in the positive direction, the polarization degree (or amount of charge) increases from zero to point A in the positive polarization region. At point A, all domains are polarized in one direction, and the degree of polarization at point A reaches a maximum. At this time, the polarization degree, that is, the amount of charge retained by the ferroelectric material is represented by Q S , and the magnitude of the voltage applied across the capacitor is the operating voltage Vcc. Thereafter, even if the voltage across the capacitor drops back to 0V, the polarization degree does not decrease to 0 but remains at point B. According to such residual polarization, the amount of charge possessed by the ferroelectric material, that is, the residual polarization degree, is represented by Qr. Next, as the voltage across the capacitor increases in the negative direction, the polarization degree changes from point B to point C in the negative charge polarization region (curve 21 in FIG. 2). At point C, all domains of the ferroelectric material are polarized in a direction opposite to the direction of polarization at point A. In this case, the polarization degree is represented by -Q S , and the magnitude of the voltage applied across the capacitor is -Vcc. Then, even if the voltage across the capacitor drops back to 0V, the polarization value does not drop to 0 but remains at point D. Residual polarization degree at this time is represented by -Qr. When the magnitude of the voltage across the capacitor once again increases in the positive direction, the polarization of the ferroelectric material changes from point D to point A.

상기한 바와 같이, 전계를 발생하기 위한 전압이 두 전극 사이에 강유전 물질이 삽입된 강유전체 커패시터로 한 번 인가되면, 이후 상기 전극들이 플로팅 상태(floating state)로 설정되더라도 자발 분극에 따른 분극 방향은 유지된다. 자발 분극으로 인한 강유전 물질의 표면 전하(surface charge)는 누설 등에 의해 자연적으로 손실되지 않는다. 분극도가 0이 되도록 반대 방향으로 전압이 인가되지 않는다면, 분극 방향은 그대로 유지된다.As described above, when a voltage for generating an electric field is applied once to a ferroelectric capacitor having a ferroelectric material inserted between two electrodes, the polarization direction according to spontaneous polarization is maintained even after the electrodes are set to a floating state. do. The surface charge of the ferroelectric material due to spontaneous polarization is not naturally lost by leakage or the like. If no voltage is applied in the opposite direction such that the polarization degree is zero, the polarization direction is maintained as it is.

다음에는 FRAM의 기입/독출은 위에서 기술한 바와 같은 분극 반전에 의해 수행된다. 따라서, FRAM의 동작 속도는 분극 반전 시간에 의해 결정된다. 강유전체 커패시터의 분극 반전 속도는 커패시터의 면적, 강유전체 박막의 두께, 인가 전압 등에 따라서 결정되나, 통상 ns 단위이다. 이는 μs 단위의 독출/기입 시간을 갖는 EEPROM이나 플래시 메모리와 비교할 때 훨씬 빠른 속도로 동작 가능함을 의미한다.Next, writing / reading of the FRAM is performed by polarization inversion as described above. Thus, the operating speed of the FRAM is determined by the polarization inversion time. The polarization inversion rate of the ferroelectric capacitor is determined according to the area of the capacitor, the thickness of the ferroelectric thin film, the applied voltage and the like, but is usually in the unit of ns. This means that it can run much faster compared to EEPROM or flash memory with read / write times in μs.

다시 도 2를 참조하면, 분극 상태가 점 (B)에 있는 강유전체 커패시터 (CF)에 데이터 '1'이 저장되어 있다고 가정하자. 고전압 레벨 (여기서, 전원 전압:Vcc)이 워드 라인 (WL)으로 인가됨에 따라 스위칭 트랜지스터 (Tr)가 도전되고, 그리고 음의 전압(-Vcc)이 비트 라인 (BL)과 플레이트 라인 (PL)을 통해 강유전체 커패시터 (CF)에 인가될 때, 강유전체 커패시터 (CF)의 분극 (P)는 상태점 (B)에서 상태점 (C)를 통해 상태점 (D)로 변한다. 이 상태 천이에 해당하는 전하 (dQ1)은 스위칭 트랜지스터 (Tr)를 통해 비트 라인 (BL)과 강유전체 커패시터 (CF) 사이에 전달된다. 전하 전달 (charge transfer)은 비트 라인 (BL)과 접속된 감지 회로 (도 4 참조)에 의해서 검출되며, 그것은 데이터 값 '1'이 메모리 셀 (MC)로부터 독출되었음을 의미한다. 메모리 셀 (MC)로부터 데이터 '1'를 독출한 후, 비트 라인 (BL) 상의 동일한 데이터 '1'은 플레이트 라인 (PL)의 전압을 낮춤으로써 메모리 셀 (MC)로 재기입(write back)된다. 이 기입 결과는 상태점 (D)로부터 상태점 (A)로 역 상태 천이(reverse state transient)을 수반한다.Referring back to FIG. 2, assume that data '1' is stored in the ferroelectric capacitor C F having the polarization state at point B. As the high voltage level (here, the power supply voltage: Vcc) is applied to the word line WL, the switching transistor Tr is conducted, and the negative voltage (-Vcc) is connected to the bit line BL and the plate line PL. through change of a ferroelectric capacitor (C F), when applied to the ferroelectric capacitor (C F) polarization (P) is the state that (B) state point (D) via the state point (C) in the. The charge dQ1 corresponding to this state transition is transferred between the bit line BL and the ferroelectric capacitor C F through the switching transistor Tr. Charge transfer is detected by the sense circuit (see FIG. 4) connected with the bit line BL, which means that the data value '1' has been read from the memory cell MC. After reading data '1' from the memory cell MC, the same data '1' on the bit line BL is written back to the memory cell MC by lowering the voltage of the plate line PL. . This write result involves reverse state transient from state point D to state point A. FIG.

반면에, 분극 상태가 점 (D)에 있는 강유전체 커패시터 (CF)에 데이터 '0'가 저장된 경우, 앞의 가정에서와 같이, 고전압 레벨 (여기서, 전원 전압 Vcc)이 워드 라인 (WL)으로 인가됨에 따라 스위칭 트랜지스터 (Tr)가 도전 (ON)되고 음의 전압이 비트 라인 (BL)과 플레이트 라인 (PL)을 통해 강유전체 커패시터 (CF)에 인가될 때, 그것의 분극 (P)은 상태점 (D)에서 상태점 (C)로 변한 후 다시 상태점 (D)로 회귀한다. 이 상태 천이에 해당하는 전하 (dQ0)는 스위칭 트랜지스터 (Tr)을 통해 비트 라인 (BL)과 강유전체 커패시터 (CF) 사이에 전달된다. 전하 전달은 비트 라인 (BL)과 접속된 감지 회로 (도 4 참조)에 의해서 검출되며, 그것은 데이터 값 '0'가 메모리 셀 (MC)로부터 독출됨을 의미한다.On the other hand, if the data '0' is stored in the ferroelectric capacitor C F with the polarization state at point D, as in the previous assumption, the high voltage level (here, the supply voltage Vcc) goes to the word line WL. When applied, the switching transistor Tr conducts (ON) and when a negative voltage is applied to the ferroelectric capacitor C F via the bit line BL and the plate line PL, its polarization P is in a state Change from point (D) to status point (C) and then return to status point (D) again. The charge dQ0 corresponding to this state transition is transferred between the bit line BL and the ferroelectric capacitor C F through the switching transistor Tr. The charge transfer is detected by the sense circuit (see FIG. 4) connected with the bit line BL, which means that the data value '0' is read out from the memory cell MC.

상술한 1T/1C 구조의 강유전체 램 (FRAM) 장치에서, 하나의 비트 라인에 대응하는 레퍼런스 셀은 비트 라인에 관련된 메모리 셀들과 함께 스위치 동작을 한다. 예컨대, 하나의 비트 라인에 관련된 메모리 셀들이 100 개라고 가정하자. 이러한 경우, 하나의 비트 라인에 대응하는 100 개의 메모리 셀들에 대한 기입/독출 동작이 이루어질 때, 감지 회로 (도 4 참조)에 레퍼런스 레벨을 제공하기 위한 하나의 비트 라인에 관련된 하나의 레퍼런스 셀은 100 배의 스위칭 동작이 요구된다. 결국, 레퍼런스 셀의 강유전체 커패시터의 내구성 (endurance)이 열화된다.In the above-described ferroelectric RAM (FRAM) device of 1T / 1C structure, a reference cell corresponding to one bit line performs a switch operation together with memory cells related to the bit line. For example, assume that there are 100 memory cells associated with one bit line. In this case, when a write / read operation is performed on 100 memory cells corresponding to one bit line, one reference cell associated with one bit line for providing a reference level to the sensing circuit (see FIG. 4) is 100. Double switching operation is required. As a result, the endurance of the ferroelectric capacitor of the reference cell is degraded.

따라서 본 발명의 목적은 내구성이 향상된 레퍼런스 셀을 구비한 강유전체 램 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a ferroelectric ram device having a reference cell with improved durability.

도 1은 1T/1C 강유전체 메모리 셀의 등가 회로도;1 is an equivalent circuit diagram of a 1T / 1C ferroelectric memory cell;

도 2는 일반적인 강유전체 커패시터의 히스테리시스 특성을 보여주는 그래프;2 is a graph showing hysteresis characteristics of a typical ferroelectric capacitor;

도 3은 종래 기술에 따른 메모리 셀 및 레퍼런스 셀의 플레이트 라인들을 구동하기 위한 펄스들의 타이밍도;3 is a timing diagram of pulses for driving plate lines of a memory cell and a reference cell according to the prior art;

도 4는 강유전체 램 장치의 구성을 보여주는 블럭도;4 is a block diagram showing the configuration of a ferroelectric RAM device;

도 5는 본 발명에 따른 메모리 셀 및 레퍼런스 셀의 플레이트 라인들을 구동하기 위한 펄스들의 타이밍도,5 is a timing diagram of pulses for driving plate lines of a memory cell and a reference cell according to the present invention;

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 메모리 셀 어레이 20 : 행 디코더 회로10: memory cell array 20: row decoder circuit

30 : 감지 회로 40 : 감지구동 레벨 발생회로30: sensing circuit 40: sensing drive level generating circuit

50 : 레퍼런스 셀 어레이 60 : 열 디코더 회로50: reference cell array 60: column decoder circuit

70 : 열 선택 회로70: column selection circuit

상술한 바와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일특징에 의하면, 강유전체 램 장치에 있어서: 워드 라인들, 비트 라인들, 상기 워드 라인들에 대응하는 플레이트 라인들, 그리고 각각이 강유전체 커패시터와 스위칭 트랜지스터를 구비하며, 상기 강유전체 커패시터의 일 전극이 대응하는 스위칭 트랜지스터를 통해서 대응하는 비트 라인에 접속되고, 그것의 타 전극이 대응하는 플레이트 라인에 접속되며, 상기 스위칭 트랜지스터의 제어 전극이 대응하는 워드 라인에 접속되는 메모리 셀들의 메모리 셀 어레이와; 상기 비트 라인들에 각각 대응하는 레퍼런스 비트 라인들, 레퍼런스 워드 라인, 상기 레퍼런스 워드 라인에 대응하는 레퍼런스 플레이트 라인, 그리고 상기 레퍼런스 비트 라인들에 각각 대응하는 레퍼런스 셀들을 구비한 레퍼런스 셀 어레이와; 상기 메모리 셀 어레이의 워드 라인들 중 하나의 워드 라인과 상기 레퍼런스 워드 라인을 각각 선택하기 위한 선택 신호들과 비선택된 워드 라인들을 위한 비선택 신호들과 상기 선택된 워드 라인 및 레퍼런스 워드 라인들을 구동하기 위한 펄스 신호를 발생하는 행 디코더와; 상기 메모리 셀들 중 선택된 메모리 셀의 데이터 비트에 대응하는 레벨, 그리고 상기 선택된 메모리 셀에 대응하는 레퍼런스 셀로부터 데이터 비트들에 각각 대응하는 레벨들의 평균 레벨을 갖는 레퍼런스 레벨을 받아들여서 상기 선택된 데이터 비트의 레벨을 감지하기 위한 감지부를 포함하고; 상기 각 레퍼런스 셀은 대응하는 비트 라인에 관련된 메모리 셀들의 강유전체 커패시터의 면적과 다르게 구성되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, in a ferroelectric RAM device: word lines, bit lines, plate lines corresponding to the word lines, and each of the ferroelectric capacitor and switching transistor And one electrode of the ferroelectric capacitor is connected to a corresponding bit line through a corresponding switching transistor, the other electrode thereof is connected to a corresponding plate line, and the control electrode of the switching transistor is connected to a corresponding word line. A memory cell array of memory cells connected; A reference cell array having reference bit lines respectively corresponding to the bit lines, reference word lines, reference plate lines corresponding to the reference word lines, and reference cells respectively corresponding to the reference bit lines; Select signals for selecting one of the word lines and the reference word line of the word lines of the memory cell array and unselected signals for unselected word lines, and for driving the selected word lines and reference word lines. A row decoder for generating a pulse signal; A level of the selected data bit by accepting a reference level having a level corresponding to data bits of a selected memory cell among the memory cells, and an average level of levels corresponding to data bits, respectively, from a reference cell corresponding to the selected memory cell; It includes a sensing unit for sensing the; Each reference cell is configured to be different from the area of the ferroelectric capacitor of the memory cells associated with the corresponding bit line.

이 실시예에 있어서, 상기 감지부에 공급되는 상기 레퍼런스 레벨은 상기 각 레퍼런스 셀의 비스위칭 동작에 의해서 제공되는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the reference level supplied to the sensing unit is provided by a non-switching operation of each reference cell.

이 실시예에 있어서, 상기 레퍼런스 셀 어레이로 인가되는 펄스 신호는 상기 메모리 셀 어레이로 인가되는 펄스 신호와 중첩되지 않도록 인가되는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the pulse signal applied to the reference cell array is applied so as not to overlap with the pulse signal applied to the memory cell array.

이와같은 장치에 의해서, 레퍼런스 셀의 강유전체 커패시터의 스위칭 동작이 아닌 비스위칭 동작에 의해서 레퍼런스 레벨을 얻을 수 있다.With such a device, a reference level can be obtained by a non-switching operation rather than a switching operation of the ferroelectric capacitor of the reference cell.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강유전체 램 장치의 구성을 보여주는 블럭도가 도 4에 도시되어 있다. 그리고, 본 발명에 따른 동작 타이밍도가 도 5에 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 행들과 열들을 규정하는 기판 상의 셀 어레이 영역 (10)에 대응하는 행들을 따라서 m개의 워드 라인들 (WL1)∼(WLm) 및 m 개의 플레이트 라인들 (PL1)∼(PLm)이 각각 신장한다. 또, 대응하는 열들을 따라서 n 개의 비트 라인들 (BL1)∼(BLn)이 신장한다. m 개의 워드 라인들 (WL1)∼(WLm)과 n 개의 비트 라인들 (BL1)∼(BLn)이 교차하는 점들에 m×n 개의 강유전체 메모리 셀들이 매트릭스 형태로 형성된다.A block diagram showing the configuration of a ferroelectric ram device according to a preferred embodiment of the present invention is shown in FIG. And, the operation timing diagram according to the present invention is shown in FIG. Referring to FIG. 4, m word lines WL1 to WLm and m plate lines PL1 to PLm along rows corresponding to the cell array region 10 on the substrate defining the rows and columns. ) Elongate respectively. Further, n bit lines BL1 to BLn extend along the corresponding columns. m x n ferroelectric memory cells are formed in a matrix form at points where m word lines WL1 to WLm and n bit lines BL1 to BLn intersect.

각 메모리 셀은 하나의 스위칭 트랜지스터 (Trij) (여기서, i=1∼m, j=1∼n)와 강유전체 커패시터 (CFij)로 구성된다. 커패시터 (CFij)의 두 전극들 사이에는 강유전 물질이 삽입되어 있다. 스위칭 트랜지스터 (Trij)의 전류 통로 (current path) 즉, 드레인-소오스 채널(darin-source channel)은 대응하는 강유전체 커패시터 (CFij)의 한 전극과 대응하는 비트 라인 (BLj) 사이에 접속된다. 상기 스위칭 트랜지스터 (Trij)의 게이트는 대응하는 워드 라인 (WLi)에 접속된다. 구체적인 예를들면, 메모리 셀 (MC11)에서, 스위칭 트랜지스터 (T11)의 전류 통로는 강유전체 커패시터 (C11)의 한 전극과 비트 라인 (BL1) 사이에 접속되고, 그것의 게이트는 워드 라인 (WL1)에 접속된다. 또한, 상기 강유전체 커패시터 (C11)의 다른 전극은 대응하는 플레이트 라인 (PL1)에 접속된다.Each memory cell is composed of one switching transistor Trij (where i = 1 to m, j = 1 to n) and a ferroelectric capacitor C F ij. A ferroelectric material is inserted between the two electrodes of the capacitor C F ij. The current path of the switching transistor Trij, i.e., the drain-source channel, is connected between one electrode of the corresponding ferroelectric capacitor C F ij and the corresponding bit line BLj. The gate of the switching transistor Trij is connected to the corresponding word line WLi. For example, in the memory cell MC11, the current path of the switching transistor T11 is connected between one electrode of the ferroelectric capacitor C11 and the bit line BL1, and its gate is connected to the word line WL1. Connected. The other electrode of the ferroelectric capacitor C11 is also connected to the corresponding plate line PL1.

다시 도 4를 참조하면, 워드 라인들 (WL1)∼(WLm)과 플레이트 라인들 (PL1)∼(PLm)은 행 디코더 회로 (20)에 접속된다. 상기 행 디코더 회로 (20)는 하나의 워드 라인을 선택하고, 그리고 상기 선택된 워드 라인에 대응하는 플레이트 라인 상으로 강유전 물질의 모든 분극 도메인들이 소정의 방향으로 완전히 분극되도록 하는 전압 레벨의 펄스 신호를 인가한다.Referring again to FIG. 4, the word lines WL1 to WLm and the plate lines PL1 to PLm are connected to the row decoder circuit 20. The row decoder circuit 20 selects one word line and applies a pulse signal of a voltage level such that all polarization domains of the ferroelectric material are completely polarized in a predetermined direction onto the plate line corresponding to the selected word line. do.

각 비트 라인들 (BL1)∼(BLn)의 한 끝은 래치 감지 회로 (30)에 접속되고, 다른 한 끝은 열 선택 회로 (70)에 접속된다. 상기 감지 회로 (30)은 도시된 바와 같이 감지 구동 레벨 발생 회로 (40)으로부터의 2 개의 감지 구동 라인들 (SAP) 및 (SAN) 그리고 레퍼런스 셀 어레이 (50)에 연결된 n 개의 레퍼런스 비트 라인들 (RBL1)∼(RBLn)과 접속되며, 도면에는 도시되지 않았지만, 감지 회로 (30)가 n 개의 래치 감지 증폭기들 (latch sense amplifiers)로 구성됨은 이 분야의 지식을 습득한 자들에게 잘 알려져 있다.One end of each of the bit lines BL1 to BLn is connected to the latch sensing circuit 30, and the other end is connected to the column select circuit 70. The sense circuit 30 includes two sense drive lines SAP and SAN from the sense drive level generation circuit 40 and n reference bit lines connected to the reference cell array 50 as shown. Although connected to RBL1)-(RBLn) and not shown in the figure, it is well known to those skilled in the art that the sense circuit 30 consists of n latch sense amplifiers.

레퍼런스 셀 어레이 (reference cell array) (50)은, 통상적으로 잘 알려진 바와 같이, 선택된 메모리 셀에 저장된 데이터 '1' 또는 '0'의 기준이 되는 레벨을 대응하는 비트 라인들을 통해서 상기 감지 회로 (30)의 래치 감지 증폭기들로 제공한다. 그리고, 열 선택 회로 (80)은, 이 분야의 통상적인 지식을 습득한 자들에게 잘 알려져 있는 바와 같이, n 개의 NMOS 트랜지스터들(도시되지 않음)을 구비한다. 상기 각 선택 트랜지스터들의 전류 통로는 대응하는 비트 라인 (BLj)와 대응하는 데이터 라인 (DLy)(여기서, y=1∼k) 사이에 접속된다. 상기 각 트랜지스터들은 열 디코더 회로 (70)으로부터의 각 열 선택 신호들 (Y1)∼(Yn)에 의해서 턴-온/오프된다.A reference cell array 50, as is generally well known, is provided with the sense circuit 30 through bit lines corresponding to a reference level of data '1' or '0' stored in a selected memory cell. Latch sense amplifiers. And, the column select circuit 80 is provided with n NMOS transistors (not shown), as is well known to those skilled in the art. The current path of each of the select transistors is connected between a corresponding bit line BLj and a corresponding data line DLy (where y = 1 to k). Each of these transistors is turned on / off by respective column select signals Y1 to Yn from the column decoder circuit 70.

통상적으로, 1T/1C FRAM은 데이터 '1'의 경우 스위칭 영역 (switching region)을 사용하고, 데이터 '0'의 경우 스위칭되지 않는 영역 (non-switching region)을 사용하여 메모리 셀에 데이터를 저장하게 된다. 그리고, FRAM은 저장된 데이터를 감지하기 위한 레퍼런스 레벨이 요구된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 비트 라인에 대응하는 메모리 셀들은 m 개이고, 도면에는 도시되지 않았지만, 일반적으로 하나의 비트 라인에 대응하는 레퍼런스 셀은 하나로 구성된다. 따라서, 하나의 비트 라인에 대응하는 각 메모리 셀의 데이터를 매회 독출할 때, 레퍼런스 셀은 항상 스위칭 동작이 이루어진다. 그 결과, 하나의 비트 라인에 대응하는 레퍼런스 셀은 스위칭 횟수에 비례하는 피로 (fatigue)에 취약하게 된다. 잘 알려진 바와 같이, 피로는 강유전체 커패시터의 모든 도메인들의 스위칭 동작시 발생하는 현상으로 비스위칭 동작을 이용하게 되면 그러한 현상은 발생하지 않는다.Typically, 1T / 1C FRAM uses a switching region for data '1' and a non-switching region for data '0' to store data in memory cells. do. In addition, the FRAM requires a reference level for sensing stored data. As shown in FIG. 4, there are m memory cells corresponding to one bit line, and although not shown in the drawing, in general, reference cells corresponding to one bit line are configured as one. Therefore, when reading data of each memory cell corresponding to one bit line every time, the reference cell always performs a switching operation. As a result, the reference cell corresponding to one bit line is vulnerable to fatigue proportional to the number of switching. As is well known, fatigue is a phenomenon that occurs during the switching operation of all domains of a ferroelectric capacitor, and this phenomenon does not occur when using a non-switching operation.

따라서, 본 발명에 따른 레퍼런스 셀 어레이를 구성하는 각 레퍼런스 셀의 강유전체 커패시터는 스위칭 동작시 변화되는 전하량과 비스위칭 동작시 변화되는 전하량의 평균 전하량을 발생할 수 있는 면적을 갖는 것으로 구성된다. 예컨대, 64k FRAM의 경우, 9μm2레퍼런스 셀 커패시터는 스위칭시 6.12pC 그리고 비스위칭시 2.61pC에 해당하는 량의 전하를 유기시킨다. 종래 FRAM은 레퍼런스 레벨을 얻기 위해 레퍼런스 셀의 스위칭 및 비스위칭 동작에 의해서 발생한 분극도 즉, 변화된 전하량에 대응하는 전압들을 평균하여 이용하였다. 결국, 9μm2레퍼런스 셀 커패시터를 사용하는 경우 앞서 설명된 바와 같이 스위칭시 6.12pC 그리고 비스위칭시 2.61pC의 전하가 발생하기 때문에, 본 발명에 따른 각 레퍼런스 셀은 스위칭 및 비스위칭시의 평균값인 4.365pC을 비스위칭될 때 유기할 수 있는 15μm2의 면적을 갖는 강유전체 커패시터로 구성된다. 아울러, 도 5에 도시된 바와 같이, 메모리 셀과 레퍼런스 셀에 대응하는 플레이트 라인으로 인가되는 펄스 신호들은 상호 중첩되지 않도록 인가된다. 따라서, 레퍼런스 셀의 스위칭 동작을 이용하지 않기 때문에 레퍼런스 셀에 대한 재기입(write back) 동작이 요구되지 않으며, 그 결과 레퍼런스 셀에 대응하는 플레이트 라인은 도 5에서 알 수 있듯이 센싱 시점에 활성화되는 하나의 펄스 신호에 의해서 구동된다.Therefore, the ferroelectric capacitor of each reference cell constituting the reference cell array according to the present invention is configured to have an area capable of generating an average charge amount of the charge amount changed during the switching operation and the charge amount changed during the non-switching operation. For example, for a 64k FRAM, a 9μm 2 reference cell capacitor induces a charge of 6.12pC for switching and 2.61pC for de-switching. In order to obtain a reference level, a conventional FRAM is used by averaging polarizations generated by switching and unswitching operations of a reference cell, that is, voltages corresponding to a changed amount of charge. As a result, when using a 9 μm 2 reference cell capacitor, as described above, since the charge of 6.12 pC during switching and 2.61 pC during non-switching occurs, each reference cell according to the present invention has an average value of 4.365 during switching and non-switching. It consists of a ferroelectric capacitor with an area of 15 μm 2 that can be induced when unswitched pC. In addition, as shown in FIG. 5, pulse signals applied to the plate line corresponding to the memory cell and the reference cell are applied not to overlap each other. Therefore, since the switching operation of the reference cell is not used, a write back operation for the reference cell is not required. As a result, as shown in FIG. 5, the plate line corresponding to the reference cell is activated at the time of sensing. It is driven by the pulse signal of.

상기한 바와같이, 비스위칭 영역만을 이용한 레퍼런스 셀을 구비함으로써 레퍼런스 셀의 피로 현상을 줄일 수 있고, 그리고 강유전체 램 장치의 신뢰성이 향상된다.As described above, by providing the reference cell using only the non-switching region, the fatigue phenomenon of the reference cell can be reduced, and the reliability of the ferroelectric ram device is improved.

Claims (3)

강유전체 램 장치에 있어서:In ferroelectric ram devices: 워드 라인들, 비트 라인들, 상기 워드 라인들에 대응하는 플레이트 라인들, 그리고 각각이 강유전체 커패시터와 스위칭 트랜지스터를 구비하며, 상기 강유전체 커패시터의 일 전극이 대응하는 스위칭 트랜지스터를 통해서 대응하는 비트 라인에 접속되고, 그것의 타 전극이 대응하는 플레이트 라인에 접속되며, 상기 스위칭 트랜지스터의 제어 전극이 대응하는 워드 라인에 접속되는 메모리 셀들의 메모리 셀 어레이와;Word lines, bit lines, plate lines corresponding to the word lines, each having a ferroelectric capacitor and a switching transistor, wherein one electrode of the ferroelectric capacitor is connected to the corresponding bit line through a corresponding switching transistor A memory cell array of memory cells whose other electrodes are connected to corresponding plate lines and whose control electrodes of the switching transistors are connected to corresponding word lines; 상기 비트 라인들에 각각 대응하는 레퍼런스 비트 라인들, 레퍼런스 워드 라인, 상기 레퍼런스 워드 라인에 대응하는 레퍼런스 플레이트 라인, 그리고 상기 레퍼런스 비트 라인들에 각각 대응하는 레퍼런스 셀들을 구비한 레퍼런스 셀 어레이와;A reference cell array having reference bit lines respectively corresponding to the bit lines, reference word lines, reference plate lines corresponding to the reference word lines, and reference cells respectively corresponding to the reference bit lines; 상기 메모리 셀 어레이의 워드 라인들 중 하나의 워드 라인과 상기 레퍼런스 워드 라인을 각각 선택하기 위한 선택 신호들과 비선택된 워드 라인들을 위한 비선택 신호들과 상기 선택된 워드 라인 및 레퍼런스 워드 라인들을 구동하기 위한 펄스 신호를 발생하는 행 디코더와;Select signals for selecting one of the word lines and the reference word line of the word lines of the memory cell array and unselected signals for unselected word lines, and for driving the selected word lines and reference word lines. A row decoder for generating a pulse signal; 상기 메모리 셀들 중 선택된 메모리 셀의 데이터 비트에 대응하는 레벨, 그리고 상기 선택된 메모리 셀에 대응하는 레퍼런스 셀로부터 데이터 비트들에 각각 대응하는 레벨들의 평균 레벨을 갖는 레퍼런스 레벨을 받아들여서 상기 선택된 데이터 비트의 레벨을 감지하기 위한 감지부를 포함하고;A level of the selected data bit by accepting a reference level having a level corresponding to data bits of a selected memory cell among the memory cells, and an average level of levels corresponding to data bits, respectively, from a reference cell corresponding to the selected memory cell; It includes a sensing unit for sensing the; 상기 각 레퍼런스 셀은 대응하는 비트 라인에 관련된 메모리 셀들의 강유전체 커패시터의 면적과 다르게 구성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 램 장치.Wherein each reference cell is configured differently from an area of a ferroelectric capacitor of memory cells associated with a corresponding bit line. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 감지부에 공급되는 상기 레퍼런스 레벨은 상기 각 레퍼런스 셀의 비스위칭 동작에 의해서 제공되는 것을 특징으로 하는 강유전체 램 장치.And the reference level supplied to the sensing unit is provided by a non-switching operation of each reference cell. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 레퍼런스 셀 어레이로 인가되는 펄스 신호는 상기 메모리 셀 어레이로 인가되는 펄스 신호와 중첩되지 않도록 인가되는 것을 특징으로 하는 강유전체 램 장치.And the pulse signal applied to the reference cell array is applied so as not to overlap with the pulse signal applied to the memory cell array.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100296917B1 (en) * 1999-06-28 2001-07-12 박종섭 Apparatus for generating reference voltage in ferroelectric memory device
KR20140130064A (en) * 2013-04-30 2014-11-07 인텔 모바일 커뮤니케이션스 게엠베하 Phase interpolator

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