KR20000027379A - Ferroeelctric random access memory devices having improved sensing margin - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An FRAM device is provided to improve a sensing margin and extend a life of the memory by pre charging a bit line to a power supplied voltage(Vcc) and setting a reference voltage for sensing to the Vcc. CONSTITUTION: A memory cell(650) includes a first and a second ferroelectric capacitors(FC1,FC2) connected in serial between a first and a second plate lines(PL1,PL2), and an NMOS transistor(TR) connected to a node between the plate lines(PL1,PL2). A sensing amplifier(640) senses and amplifies voltage differency between a positive bit line(BL) and a negative bit line(/BL). A data input part(610) is transferred a positive and a negative data to the BL and /BL corresponding to a write enable signal. A bit line precharge part(620) pre charges the BL and /BL to a power supplied voltage(Vcc) corresponding to a second control signal. A high voltage driver(660) operates a word line(WL) and the first plate line(PL1) by 2Vcc.

Description

개선된 센싱 마진을 갖는 강유전체기억소자Ferroelectric memory device with improved sensing margin

본 발명은 강유전체기억소자(Ferroelectric RAM, FeRAM)에 관한 것으로, 특히 데이터 센싱 마진이 개선된 강유전체기억소자에 관한 것이다.The present invention relates to a ferroelectric memory (Ferroelectric RAM, FeRAM), and more particularly to a ferroelectric memory device with improved data sensing margin.

잘 알려진 바와 같이, 강유전체 물질을 사용하는 커패시터는 커패시터 양단의 전압과 유기된 전하량과의 관계가 히스테리시스 곡선의 관계를 갖는다. 도1a는 단자 a, b 사이에 형성된 강유전체커패시터의 심볼을 나타낸 것이고, 도면1b는 강유전체커패시터를 등가적으로 나타낸 것이며, 도1c는 커패시터의 양단자 a, b 사이의 전압에 따른 전하량의 관계를 도식화 한 것이다. 도1a, 도1b 및 도1c를 참조하면, 강유전체커패시터 a, b 양단의 전위차가 없을 때 분극에 의해 유지되는 전하량은 '가', '나' 두 가지 상태로 존재하게 되므로 전원의 공급이 없어도 2진 형태의 데이터를 저장할 수 있다. a, b 양 단자의 전위차가 없을 때의 저장된 '1'의 정보를 '가'의 상태로 하고, '0'의 정보를 '나'의 상태로 볼 때, 저장된 정보를 읽어내기 위해 단자 b에 일정 전압(V)을 인가하게 되면, '가'의 위치에 있던 분극은 '다'의 상태로 끌려 내려가 Q1만큼의 전하량을 발생하게 된다. 이때 스위칭을 일으킬 수 있는 전압(Vc)을 넘어 분극의 상태가 변하게 되므로, 도1b에 나타난 바와 같이 스위칭시의 비선형커패시턴스(Csw) 성분과 스위칭 하지 않을 때의 선형커패시턴스(Cln) 성분을 동시에 가지게 된다. 또한 '나'의 위치에 있던 분극은 역시 '다'의 상태로 끌려내려 가고, 이때는 스위칭이 일어나지 않으므로 선형커패시턴스(Cln)만 존재하며, Q0만큼의 전하량을 발생시키게 된다. 이 두 상태 변화에 의한 전하량의 차에 의해 강유전체커패시터는 비휘발성 메모리소자의 기억수단으로 사용되어진다.As is well known, capacitors using ferroelectric materials have a hysteresis curve in the relationship between the voltage across the capacitor and the amount of charged charge. FIG. 1A shows a symbol of a ferroelectric capacitor formed between terminals a and b, and FIG. 1B shows an equivalent of a ferroelectric capacitor, and FIG. 1C shows a relationship of charge amount according to voltage between both terminals a and b of a capacitor. It is. Referring to FIGS. 1A, 1B, and 1C, when there is no potential difference across the ferroelectric capacitors a and b, the amount of charge maintained by polarization exists in two states, 'a' and 'b', so that no power is supplied. It can store binary data. When the information of '1' is stored as 'A' when there is no potential difference between a and b terminals, and the information of '0' is displayed as 'I', the terminal b is read to read the stored information. When a certain voltage (V) is applied, the polarization at the 'ga' position is dragged to the 'da' state to generate the amount of charge as Q1. At this time, since the state of polarization changes beyond the voltage (Vc) that can cause switching, as shown in FIG. 1B, the nonlinear capacitance (Csw) component during switching and the linear capacitance (Cln) component when not switching are simultaneously present. . In addition, the polarization at the 'I' position is also dragged to the 'D' state, and since no switching occurs, only the linear capacitance (Cln) exists and generates a charge amount as Q0. Due to the difference in the amount of charge caused by these two state changes, the ferroelectric capacitor is used as a storage means for the nonvolatile memory device.

현재 강유전체커패시터를 이용한 다양한 형태의 메모리 셀이 제안되고 있으며, 그 중의 하나는 한 개의 트랜지스터와 두 개의 강유전체커패시터를 이용하여 메모리 셀을 구성하는 것이다 (A High Density 1T/2C Cell with Vcc/2 Reference Level for High Stable FeRAM : IEDM 97-863 ∼ 866). 그런데, 종래에는 이러한 메모리 셀을 구동하는데 있어, Vcc/2 전압을 기준전압으로 사용하고 있기 때문에, 강유전체커패시터가 가지고 있는 고유의 노화(Fatigue) 현상에 의해서 메모리로서의 신뢰성에 문제를 주게되는 바, 이를 이하에서 구체적으로 설명하겠다.Currently, various types of memory cells using ferroelectric capacitors have been proposed, and one of them is to construct a memory cell using one transistor and two ferroelectric capacitors (A High Density 1T / 2C Cell with Vcc / 2 Reference Level for High Stable FeRAM: IEDM 97-863-866). However, in the conventional driving of such a memory cell, since the Vcc / 2 voltage is used as the reference voltage, the inherent aging phenomenon of the ferroelectric capacitor causes a problem in reliability as a memory. It will be described in detail below.

한 개의 트랜지스터와 두 개의 강유전체커패시터를 이용한 메모리 셀의 구성과, 그 구성에서 이를 구동하는 종래기술 및 그 구동방법에서의 문제점을 순서적으로 설명한다.The configuration of a memory cell using one transistor and two ferroelectric capacitors, and the problems in the related art and the driving method for driving the same in the configuration will be described in order.

먼저, 한 개의 트랜지스터와 두 개의 강유전체커패시터를 이용한 메모리 셀의 구성을 살펴본다. 이 구성의 기술적 원리는 도2에서 보여지는 바와 같이, 서로 다른 커패시턴스를 갖는 두 개의 커패시터(C1, C2)가 직렬로 연결되어 질 때, 한쪽단을 접지시키고 다른 한쪽단에 특정전압 Vcc을 인가하면, 커패시터 C1의 커패시턴스가 클 때 양 커패시터(C1, C2) 간의 노드 V0에 유기되는 전압은 Vcc/2보다 낮은 전압이 되고, 커패시터 C2의 커패시턴스가 클 때 노드 V0에 유기되는 전압은 Vcc/2보다 높은 전압이 된다. 도3은 이러한 원리를 이용하여 메모리 셀을 구성한 셀 회로도를 나타낸다. 도3에 도시된 바와 같이, 동일한 값의 커패시턴스를 갖는 제1 및 제2 강유전체커패시터(FC1, FC2)를 제1플레이트라인(PL1)과 제2플레이트라인(PL2) 사이에 직렬로 연결하고, 메모리 셀 트랜지스터(Memory Cell Transistor)(TR)의 소스에 양 커패시터(FC1, FC2) 간의 노드 V0을 연결하고, 트랜지스터(TR)의 드레인에 비트라인(BL)을 연결하고, 트랜지스터(TR)의 게이트에 워드라인(WL)을 연결하면 메모리 셀로서 사용할 수 있게 된다.First, the configuration of a memory cell using one transistor and two ferroelectric capacitors will be described. The technical principle of this configuration is that when two capacitors C1 and C2 having different capacitances are connected in series, as shown in Fig. 2, when one end is grounded and a specific voltage Vcc is applied to the other end, When the capacitance of capacitor C1 is large, the voltage induced at node V0 between both capacitors C1 and C2 becomes lower than Vcc / 2, and when the capacitance of capacitor C2 is larger, the voltage induced at node V0 is greater than Vcc / 2. High voltage. 3 shows a cell circuit diagram of a memory cell using this principle. As shown in FIG. 3, the first and second ferroelectric capacitors FC1 and FC2 having capacitances of the same value are connected in series between the first and second plate lines PL1 and PL2, and the memory A node V0 between both capacitors FC1 and FC2 is connected to a source of a memory cell transistor TR, a bit line BL is connected to a drain of the transistor TR, and a gate of the transistor TR is connected. When the word line WL is connected, it can be used as a memory cell.

다음, 종래에는 이러한 구성을 갖는 강유전체기억소자를 읽기(read) 구동함에 있어, 감지증폭기에서 데이터를 센싱하기 위한 기준전압(Vref)을 Vcc/2로 사용하고(이것은 다시 말하면 "비트라인을 Vcc/2로 프리차지한다"라는 의미이다), 워드라인을 Vcc + Vtn(셀 트랜지스터의 문턱전압)으로 구동하며, 제1플레이트라인 PL1을 Vcc, 제2플레이트라인 PL2를 접지전압으로 각각 구동하는 방법을 사용하였다. 도4는 종래의 구동방법을 간략히 나타낸 도표로서, 도4 및 도3을 참조하여 종래방법에 따른 읽기(Read) 동작을 구체적으로 살펴본다. 먼저, 메모리 셀에 “1”의 정보를 쓰기 위해 플레이트라인 PL1과 플레이트라인 PL2를 접지시키고 워드라인 WL을 구동하여 노드 V0에 Vcc를 인가한 후 양단의 전위차를 없애주기 위해 커패시터 FC1과 커패시터 FC2의 양단을 접지시켜 준다. 그러면 커패시터 FC1의 분극은 도1c에서의 '나' 점에 위치하고, 커패시터 FC2의 분극은 도1c에서의 '가' 점에 위치하게 된다. 그후 “1”의 정보를 읽기 위해 비트라인을 Vcc/2로 프리차지하고(이에 의해 기준전압라인의 전압레벨이 결정됨), 워드라인을 Vcc + Vtn으로, 플레이트라인 PL1을 Vcc로 구동시켜 주면, 커패시터 FC1의 분극 방향은 스위칭되며, 커패시터 FC2의 분극 방향은 그대로 유지된다. 결국, 앞에서 설명한 바와 같이 커패시터 FC1은 선형커패시턴스 성분과 비선형커패시턴스 성분을 동시에 가지게 되고, 커패시터 FC2는 선형커패시턴스의 성분만 가지게 되므로, 커패시터 FC2의 커패시턴스보다 커패시터 FC1의 커패시턴스가 커지게 된다. 그리하여 커패시터 FC1과 FC2 사이의 노드에 유기되는 전압 V0은 Vcc/2보다 높은 전위를 갖게되고 이 전압은 비트라인 BL에 기생하는 커패시턴스와 차지를 공유하여 비트라인 BL에 Vcc/2보다 높은 전압을 갖게 하여 Vcc/2로 프리차지 되어있는 선택되지 않은 BL_bar(기준전압라인)와 비교하여 감지증폭기를 통해 Vcc와 접지전압으로 증폭되어 진다. 한편, 메모리 셀에 “0”의 정보를 쓰기 위해서는, 플레이트라인 PL1과 플레이트라인 PL2를 Vcc 전압으로 하고 워드라인 WL을 구동하여 노드 V0에 접지전압을 인가한다. 그러면 커패시터 FC1의 분극은 도1c에서의 '가' 점에 위치하고, 커패시터 FC2의 분극은 도1c에서의 '나' 점에 위치하게 된다. 그후 “0”의 정보를 읽기 위해서는 앞서 "1"의 정보를 읽기 위한 방법과 동일하게 비트라인을 Vcc/2로 프리차지하고(이에 의해 기준전압라인의 전압레벨이 결정됨), 워드라인을 Vcc + Vtn으로, 플레이트라인 PL1을 Vcc로, 플레이트라인 PL2를 접지전압으로 구동시켜 주면, 커패시터 FC1의 분극 방향은 유지되고, 커패시터 FC2의 분극 방향은 스위칭된다. 결국, 커패시터 FC1은 선형커패시턴스 성분만 가지며, 커패시터 FC2는 선형커패시턴스의 성분과 비선형커패시턴스 성분을 동시에 가지게 되므로, 커패시터 FC1의 커패시턴스보다 커패시터 FC2의 커패시턴스가 커지게 된다. 그리하여 커패시터 FC1과 FC2 사이의 노드에 유기되는 전압 V0은 Vcc/2보다 낮은 전위를 갖게되고 이 전압은 Vcc/2로 프리차지 되어있는 선택되지 않은 BL_bar(기준전압라인이 됨)와 비교하여 감지증폭기를 통해 접지전압과 Vcc으로 각각 증폭되어 진다.Next, in reading and driving a ferroelectric memory device having such a configuration, a reference voltage Vref for sensing data in a sense amplifier is conventionally used as Vcc / 2 (that is, the "bit line Vcc / Precharge to 2), and drive the word line at Vcc + Vtn (threshold voltage of the cell transistor), and drive the first plate PL1 to Vcc and the second plate line PL2 to ground voltage, respectively. Used. 4 is a diagram briefly illustrating a conventional driving method, and a read operation according to the conventional method will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 3. First, the plate line PL1 and the plate line PL2 are grounded to write the information of “1” to the memory cell, and the word line WL is driven to apply Vcc to the node V0. Then, to eliminate the potential difference between both ends of the capacitor FC1 and the capacitor FC2, Ground both ends. Then, the polarization of the capacitor FC1 is located at the point 'I' in FIG. 1C, and the polarization of the capacitor FC2 is located at the point 'I' in FIG. 1C. After that, precharge the bit line to Vcc / 2 (this determines the voltage level of the reference voltage line) to read the information of “1”, then drive the word line to Vcc + Vtn and the plate line PL1 to Vcc. The polarization direction of FC1 is switched and the polarization direction of capacitor FC2 is maintained. As a result, as described above, the capacitor FC1 has both a linear capacitance component and a nonlinear capacitance component, and the capacitor FC2 has only a linear capacitance component, so that the capacitance of the capacitor FC1 becomes larger than that of the capacitor FC2. Thus, the voltage V0 induced at the node between the capacitors FC1 and FC2 has a potential higher than Vcc / 2, which shares a charge with the parasitic capacitances on the bitline BL, resulting in a voltage higher than Vcc / 2 on the bitline BL. This is amplified to Vcc and ground voltage through the sense amplifier compared to the unselected BL_bar (reference voltage line) precharged to Vcc / 2. On the other hand, in order to write "0" information to the memory cell, the plate line PL1 and the plate line PL2 are set to Vcc voltage, and the word line WL is driven to apply a ground voltage to the node V0. Then, the polarization of the capacitor FC1 is located at the point 'ga' in FIG. 1c, and the polarization of the capacitor FC2 is located at the point 'b' in FIG. 1c. Then, in order to read the information of "0", precharge the bit line to Vcc / 2 in the same manner as the method of reading the information of "1" (this determines the voltage level of the reference voltage line), and sets the word line to Vcc + Vtn. Therefore, when the plate line PL1 is driven to Vcc and the plate line PL2 is driven to the ground voltage, the polarization direction of the capacitor FC1 is maintained, and the polarization direction of the capacitor FC2 is switched. As a result, capacitor FC1 has only a linear capacitance component, and capacitor FC2 has a component of linear capacitance and a nonlinear capacitance component at the same time, so that capacitance of capacitor FC2 becomes larger than that of capacitor FC1. Thus, the voltage V0 induced at the node between capacitors FC1 and FC2 has a potential lower than Vcc / 2, which is compared to the unselected BL_bar (which becomes the reference voltage line) precharged to Vcc / 2. It is amplified to ground voltage and Vcc respectively through.

이상에서 설명한 바와 같이, 종래에는 Vcc/2 전압을 기준전압으로 사용하고 있는바, 이에 의해 스위칭 횟수가 증가함에 의해서 센싱 마진이 감소하게 된다. 즉, 읽기 동작시 커패시터 FC1과 FC2 중 하나는 스위칭을 하게되는데, 강유전체커패시터는 스위칭 횟수가 증가함에 따라 도5에서와 같이 차지가 점차 감소하게 되는 노화(Fatigue) 현상을 가지고 있으므로, 사용횟수가 증가하면서 센싱 마진이 떨어지는 것이다. 이는 메모리의 신뢰성에 큰 문제가 아닐 수 없다.As described above, conventionally, the Vcc / 2 voltage is used as the reference voltage. As a result, the sensing margin decreases as the number of switching increases. That is, during the read operation, one of the capacitors FC1 and FC2 switches, and since the ferroelectric capacitor has a aging phenomenon in which the charge gradually decreases as shown in FIG. 5, the number of times of use increases. While the sensing margin is falling. This is a big problem for memory reliability.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 데이터 센싱 마진이 개선된 강유전체기억소자를 제공하는 것에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object thereof is to provide a ferroelectric memory device having an improved data sensing margin.

도1a는 강유전체 커패시터의 심볼을 나타낸 도면,1A shows a symbol of a ferroelectric capacitor;

도1b는 강유전체 커패시터의 등가 회로도,1B is an equivalent circuit diagram of a ferroelectric capacitor;

도1c는 강유전체 커패시터의 특성을 보여주는 히스테리시스 곡선,Figure 1c is a hysteresis curve showing the characteristics of the ferroelectric capacitor,

도2는 하나의 트랜지스터와 두 개의 강유전체커패시터로 이루어진 셀의 동작원리를 설명하기 위한 개념도,2 is a conceptual diagram illustrating the operation principle of a cell composed of one transistor and two ferroelectric capacitors;

도3은 하나의 트랜지스터와 두 개의 강유전체커패시터로 이루어진 셀 회로도,3 is a cell circuit diagram consisting of one transistor and two ferroelectric capacitors;

도4는 종래기술에 따른 강유전체기억소자의 구동을 나타내는 도표,4 is a diagram showing the driving of a ferroelectric memory device according to the prior art;

도5는 강유전체커패시터의 특성인 노화(Fatigue) 현상을 보여주는 도면,5 is a view showing a aging phenomenon, which is a characteristic of a ferroelectric capacitor;

도6은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전체기억소자의 일부 회로도,6 is a partial circuit diagram of a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention;

도7은 도6에서 "1"의 데이터를 읽을 경우 각 신호의 타이밍도와 그에 따른 강유전체커패시터 양단의 로직 상태와 히스테리시스 곡선의 분극 상태를 나타낸 도면,7 is a timing diagram of each signal when the data of " 1 " is read in FIG. 6, and thus a logic state of both ends of the ferroelectric capacitor and a polarization state of the hysteresis curve;

도8은 2Vcc 전위를 생성시키기 위한 펌핑회로의 일예시도,8 is an exemplary diagram of a pumping circuit for generating a 2 Vcc potential;

도9는 종래기술에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 전압 파형도,9 is a voltage waveform diagram showing a simulation result in the prior art;

도10은 본 발명에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 전압 파형도.Fig. 10 is a voltage waveform diagram showing a simulation result in the present invention.

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

610: 데이터입력부 620 : 비트라인프리차지부610: data input unit 620: bit line precharge unit

630 : 비트라인풀다운부 640 : 감지증폭부630: bit line pull-down unit 640: detection amplifier unit

650 : 메모리 셀 660 : 고전압구동부650: memory cell 660: high voltage driver

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강유전체기억소자는, 제1플레이트라인과 제2플레이트라인 사이에 직렬 접속된 제1 및 제2 강유전체커패시터와, 소스가 상기 제1강유전체커패시터와 상기 제2 강유전체커패시터 사이의 노드에 접속되고 게이트가 워드라인에 접속되며 드레인에 정비트라인이 접속된 엔모스트랜지스터로 이루어진 메모리 셀; 상기 정비트라인과 기준전압라인으로서의 부비트라인 사이의 전압차를 감지증폭하는 감지증폭수단; 쓰기인에이블신호에 응답하여 상기 정 및 부 비트라인에 각각 정 및 부 데이터를 전달하는 데이터입력수단; 제1제어신호에 응답하여 상기 정비트라인과 상기 부비트라인을 접지전원전압으로 풀다운시키기 위한 비트라인풀다운수단; 제2제어신호에 응답하여 상기 정비트라인과 상기 부비트라인을 상기 공급전원전압(Vcc)으로 프리차지시키기 위한 비트라인프리차지수단; 및 공급전원전압(Vcc)의 약 2배 정도의 고전압(2Vcc)으로 상기 워드라인과 상기 제1플레이트라인을 구동하기 위한 고전압구동수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The ferroelectric memory device of the present invention for achieving the above object, the first and second ferroelectric capacitors connected in series between the first and the second plate line, the source is the first ferroelectric capacitor and the second ferroelectric capacitor A memory cell comprising an MOS transistor connected to a node therebetween, a gate connected to a word line, and a constant bit line connected to a drain; Sensing amplifying means for sensing and amplifying a voltage difference between the positive bit line and the sub bit line as a reference voltage line; Data input means for transferring positive and negative data to the positive and negative bit lines in response to a write enable signal; Bit line pull-down means for pulling down the positive bit line and the sub bit line to a ground power supply voltage in response to a first control signal; Bit line precharge means for precharging the positive bit line and the sub bit line to the supply power supply voltage Vcc in response to a second control signal; And high voltage driving means for driving the word line and the first plate line at a high voltage of about 2 times the supply power voltage Vcc.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 워드라인 및 플레이트라인을 2Vcc로 구동하며, 비트라인이 Vcc로 프리차지(즉, 센싱을 위한 기준전압을 Vcc로 설정)하는 것에 그 특징적 구성을 갖는 것으로서, 종래의 기술과 같은 면적을 갖는 커패시터로 약 2배가량의 전압을 비트라인에 유기시킬수 있어 센싱 마진 증가로 인해 보다 안정적인 센싱동작이 가능하게 되고, 메모리의 수명을 연장시켜 줄 수 있다. 즉, 사용횟수가 증가함에 따라 전하량이 적어져 비트라인에 유기되어 지는 전위가 작아지므로써 발생되는 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.The present invention having such a configuration is characterized in that the word line and the plate line are driven at 2 Vcc, and the bit line is precharged at Vcc (that is, the reference voltage for sensing is set at Vcc). Capacitors with the same area as in the above can induce about twice the voltage on the bit line, which enables more stable sensing operation and longer memory life due to increased sensing margin. That is, as the number of times of use increases, the amount of charges decreases, thereby reducing the potential induced in the bit line, thereby solving the problems of the related art.

또한 종래기술에서는 Vcc/2를 내부에 생성시켜 기준전압으로 이용하기 때문에, 내부적인 요인에 의해 Vcc/2의 전위가 변동을 일으키게 되면, 그만큼 안정성에 문제가 되어 정보를 읽어내는데 있어서 오동작을 일으킬 가능성이 존재하게 되는데, 본 발명에서는 Vcc를 기준전압으로 이용하기 때문에 이러한 종래 문제점을 극복하여 기억소자로서의 안정적인 동작을 이룰수 있다.In addition, in the prior art, since Vcc / 2 is generated internally and used as a reference voltage, if the potential of Vcc / 2 fluctuates due to internal factors, there is a possibility of malfunction in reading information due to stability problems. In the present invention, since Vcc is used as the reference voltage, this conventional problem can be overcome to achieve stable operation as a memory device.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.

도6은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전체기억소자의 일부 회로도를 나타낸다. 도6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 강유전체기억소자는 두 개의 강유전체커패시터(FC1, FC2)와 하나의 트랜지스터(TR)가 단위 셀(650)을 이룬다. 즉, 제1플레이트라인(PL1)과 제2플레이트라인(PL2)사이에 직렬 접속된 제1 및 제2 강유전체커패시터(FC1, FC2)와, 소스가 상기 제1강유전체커패시터(FC1)와 상기 제2 강유전체커패시터(FC2) 사이의 노드 V0에 접속되고 게이트가 워드라인(WL)에 접속되며 드레인에 정비트라인(BL)이 접속된 엔모스트랜지스터(TR)에 의해 단위 셀(650)이 구성된다. 그리고, 본 발명의 강유전체기억소자는 정비트라인(BL)과 기준전압라인으로서의 부비트라인(/BL) 사이의 전압차를 감지증폭하는 감지증폭부(640)와, 쓰기인에이블신호(WE)에 응답하여 정 및 부비트라인(BL, /BL)에 각각 정 및 부 데이터(Din)를 전달하는 데이터입력부(610)와, 제1제어신호(pbl)에 응답하여 정 및 부비트라인(BL, /BL)을 접지전원전압으로 풀다운시키기 위한 비트라인풀다운부(630)를 포함하고 있으며, 제2제어신호(hpl)에 응답하여 정비트라인(BL)과 부비트라인(/BL)을 상기 공급전원전압(Vcc)으로 프리차지시키기 위한 비트라인프리차지부(620), 및 공급전원전압(Vcc)의 약 2배 정도의 고전압(2Vcc)으로 워드라인(WL)과 제1플레이트라인(PL1)을 구동하기 위한 고전압구동부(660)를 포함하고 있다. 제1제어신호(hpl)는 읽기 구동 직전에 활성화되어 비트라인프리차지부(620)를 인에이블시키므로서 읽기 구동 직전에 정 및 부비트라인(BL, /BL)을 공급전압 Vcc로 프리차지 시킨다. 제2제어신호(pbl)는 읽기 구동시에 비활성화된다.6 is a circuit diagram of a part of a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, in the ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention, two ferroelectric capacitors FC1 and FC2 and one transistor TR form a unit cell 650. That is, the first and second ferroelectric capacitors FC1 and FC2 connected in series between the first play line PL1 and the second play line PL2 and the source are the first ferroelectric capacitor FC1 and the second. The unit cell 650 is formed by an enMOS transistor TR connected to a node V0 between the ferroelectric capacitors FC2, a gate connected to a word line WL, and a positive bit line BL connected to a drain. In addition, the ferroelectric memory device of the present invention includes a sense amplifier 640 for sensing and amplifying a voltage difference between the positive bit line BL and the sub bit line / BL as a reference voltage line, and a write enable signal WE. A data input unit 610 for transmitting positive and negative data Din to the positive and sub bit lines BL and / BL, respectively, and a positive and sub bit line BL in response to the first control signal pbl. , And a bit line pull-down unit 630 for pulling down the / BL to a ground power supply voltage. The bit line pull down unit 630 is connected to the positive bit line BL and the sub bit line / BL in response to the second control signal hpl. The bit line precharge unit 620 for precharging to the supply power supply voltage Vcc, and the word line WL and the first plate line PL1 at a high voltage (2Vcc) that is about twice the supply power supply voltage Vcc. It includes a high voltage driver 660 for driving. The first control signal hpl is activated just before the read drive to enable the bit line precharge unit 620 to precharge the positive and sub bit lines BL and / BL to the supply voltage Vcc just before the read drive. . The second control signal pbl is deactivated during the read driving.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 강유전체기억소자는, 워드라인 및 플레이트라인이 2Vcc로 구동하며, 비트라인이 Vcc로 프리차지(즉, 센싱을 위한 기준전압을 Vcc로 설정)하는 것에 그 특징적 구성을 갖는 것으로서, 이하에서는 도6과 같은 강유전체기억소자의 동작을 구체적으로 살펴본다.In the ferroelectric memory device according to the embodiment of the present invention having such a configuration, the word line and the plate line are driven at 2 Vcc, and the bit lines are precharged at Vcc (that is, the reference voltage for sensing is set to Vcc). In this regard, the operation of the ferroelectric memory device as shown in FIG. 6 will be described in detail.

도7은 도6에서 "1"의 데이터를 읽을 경우 각 신호의 타이밍도와 그에 따른 강유전커패시터 양단의 로직 상태와 히스테리시스 곡선의 분극 상태를 나타낸 도면으로서, 이와 도6을 함께 참조하여 강유전체기억소자의 동작을 구체적으로 살펴본다.FIG. 7 is a timing diagram of each signal when the data of “1” is read in FIG. 6, and a logic state of both ends of the ferroelectric capacitor and a polarization state of the hysteresis curve. FIG. Look specifically at.

“1”의 정보를 쓰기 위해 제1플레이트라인 PL1과 제2플레이트라인 PL2를 접지시키고, 데이터입력부(610)를 통해 Vcc를 입력하고 고전압구동부(660)를 통해 워드라인 WL을 구동하여 트랜지스터(TR)를 턴온시켜 노드 V0에 Vcc를 인가한 후 양단의 전위차를 없애 주면 도7a의 '가' 영역에서와 같이 커패시터 FC1의 분극상태는 c점에 위치하고, 커패시터 FC2의 분극상태는 e점에 위치하게 된다. 저장된 정보를 읽기 위해서 제2제어신호 hpl 신호를 '로우'로 하면 비트라인쌍은 Vcc로 프리차지 되고, 워드라인 WL1과 플레이트 라인 PL1의 전위를 2Vcc로 구동하여 주면, 도7a의 '나' 영역에서와 같이 커패시터 FC1의 분극은 d점에 위치하고, 커패시터 FC2의 분극상태는 h점에 위치하게 된다. 이때 강유전체로 구성된 커패시터는 도1c에서와 같이 히스테리시스 곡선의 특성을 가지게 되는데 커패시터 FC1은 분극의 상태가 c점에서 d점으로 스위칭하게되고, 분극이 바뀌게 되어 앞에서 설명한 바와 같이 선형커패시턴스 성분과 비선형커패시턴스 성분을 동시에 가지게 되고, 커패시터 FC2의 분극상태는 변하지 않게 때문에 선형커패시턴스의 성분만 가지게 되므로, 커패시터 FC2의 커패시턴스보다 커패시터 FC1의 커패시턴스가 커지게 된다. 그리하여 커패시터 FC1과 FC2 사이에 유기되는 노드의 전압 V0은 Vcc보다 높은 전위를 갖게되고 이 전압은 비트라인에 BL에 기생하는 커패시턴스와 차지를 공유하여 비트라인 BL에 Vcc보다 높은 전압을 갖게 된다. 그리고, Vcc로 프리차지 되어있는 선택되지 않는 부비트라인 /BL과 정비트라인 BL의 전압레벨이 감지증폭부(640)를 통해 각각 접지전압과 Vcc로 증폭되어진다. 이 경우에 도7에 보여지는 바와 같이 Vcc로 비트라인을 프리차지하고 제1플레이트라인의 전압을 2Vcc로 하여 주면, Vcc/2로 비트라인을 프리차지하고 플레이트를 Vcc로 구동하는 종래보다(도4)보다, 비트라인에 유기되는 전압과 기준전압과의 차이가 커지게 된다. 그 이유는 스위칭 되는 커패시터가 가지게 되는 비선형커패시턴스와 선형커패시턴스의 합과 스위칭 되지 않은 커패시터가 가지게 되는 선형커패시턴스의 차이가 플레이트라인을 2Vcc로 구동하여 줄 때가 더 크기 때문에 두 커패시터 사이에 유기되는 전위가 더욱 커지게 되는 것이다.The first play line PL1 and the second play line PL2 are grounded to write information of “1”, Vcc is input through the data input unit 610, and the word line WL is driven through the high voltage driver 660 to transmit the transistor (TR). After turning on), apply Vcc to node V0, and remove the potential difference between both ends. do. If the second control signal hpl signal is 'low' to read the stored information, the bit line pair is precharged to Vcc, and the potential of the word line WL1 and the plate line PL1 is driven to 2Vcc. As in, the polarization of capacitor FC1 is located at point d, and the polarization state of capacitor FC2 is located at point h. At this time, the capacitor composed of the ferroelectric has the characteristics of the hysteresis curve as shown in FIG. Since the polarization state of the capacitor FC2 is not changed at the same time, since only the component of the linear capacitance is included, the capacitance of the capacitor FC1 becomes larger than the capacitance of the capacitor FC2. Thus, the voltage V0 of the node induced between the capacitors FC1 and FC2 has a potential higher than Vcc, which shares a charge with the parasitic capacitance of the BL in the bitline, and thus has a voltage higher than Vcc in the bitline BL. The voltage levels of the non-selected sub bit line / BL and the positive bit line BL which are precharged to Vcc are amplified to the ground voltage and Vcc through the sense amplifier 640, respectively. In this case, as shown in Fig. 7, precharging the bit line with Vcc and setting the voltage of the first play line to 2 Vcc, compared with the conventional method of precharging the bit line with Vcc / 2 and driving the plate at Vcc (Fig. 4). In addition, the difference between the voltage induced on the bit line and the reference voltage becomes larger. The reason is that the difference between the sum of the nonlinear capacitance and the linear capacitance of the switched capacitor and the linear capacitance of the unswitched capacitor is larger when driving the plateline at 2 Vcc, so that the induced potential between the two capacitors is higher. It will grow big.

도8은 워드라인(WL)과 플레이트라인(PL)을 2Vcc로 만들어 주기 위한 고전압구동부(660)의 일예시적인 회로도 및 타이밍도로서, 클럭(CLK)에 동기되어 로직 '하이' 레벨의 입력을 두배로 펌핑시키는 펌핑회로로 실시 구성되어 있다.FIG. 8 is an exemplary circuit diagram and timing diagram of a high voltage driver 660 for making the word line WL and the plate line PL 2Vcc. The logic 'high' level input is synchronized with the clock CLK. It consists of a pumping circuit which pumps twice.

도9는 종래기술에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 전압 파형도이고, 도10은 본 발명에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 전압 파형도로서, 두 강유전체커패시터의 면적을 같게 하고, 비트라인에 기생되는 커패시터를 일정하게 한 후, 비트라인을 Vcc/2로 프리차지 시키고 PL1을 Vcc로 구동시켜주면(종래기술, 도9 참조), 약 1.75V가 비트라인에 유기되고, 기준전압과의 센싱마진은 약 0.25V가 된다. 그러나 비트라인을 Vcc로 프리차지 시키고, 플레이트라인(PL1)을 2Vcc로 구동시켜 주면(본 발명, 도11 참조) 비트라인에 유기되는 전압은 약 3.5V가 되어, Vcc(3V)로 프리차지 되어 있는 기준전압과의 차이는 0.5V가 되어 센싱마진은 두배 정도로 커지게 된다. 센싱이 끝난 후의 동작은 앞에서 설명한 바와 동일하다.9 is a voltage waveform diagram showing simulation results in the prior art, and FIG. 10 is a voltage waveform diagram showing simulation results in the present invention, in which two ferroelectric capacitors have the same area, and capacitors parasitic on the bit line are uniform. After precharging the bit line to Vcc / 2 and driving PL1 to Vcc (prior art, see FIG. 9), about 1.75V is induced in the bit line and the sensing margin with reference voltage is about 0.25V. do. However, if the bit line is precharged to Vcc and the plate line PL1 is driven to 2Vcc (see FIG. 11, the present invention), the voltage induced in the bitline becomes about 3.5V, and is precharged to Vcc (3V). The difference from the reference voltage is 0.5V and the sensing margin is doubled. The operation after the sensing is completed is the same as described above.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

본 발명은 워드라인 및 플레이트라인을 2Vcc로 구동하며, 비트라인이 Vcc로 프리차지(즉, 센싱을 위한 기준전압을 Vcc로 설정)하는 것에 그 특징적 구성을 갖는 것으로서, 종래의 기술과 같은 면적을 갖는 커패시터로 약 2배가량의 전압을 비트라인에 유기시킬수 있어 센싱 마진 증가로 인해 보다 안정적인 센싱동작이 가능하게 되고, 메모리의 수명을 연장시켜 줄 수 있다.The present invention is characterized in that the word line and the plate line are driven at 2 Vcc, and the bit lines are precharged at Vcc (i.e., the reference voltage for sensing is set at Vcc). With the capacitor having about twice the voltage can be induced to the bit line, the increased sensing margin allows more stable sensing operation and can extend the life of the memory.

또한 종래기술에서는 Vcc/2를 칩 내부에서 생성하여 기준전압으로 이용하기 때문에, 내부적인 요인에 의해 Vcc/2의 전위가 변동을 일으키게 되면, 그만큼 안정성에 문제가 되어 정보를 읽어내는데 있어서 오동작을 일으킬 가능성이 존재하게 되는데, 본 발명에서는 Vcc를 기준전압으로 이용하기 때문에 이러한 종래 문제점을 극복하여 기억소자로서의 안정적인 동작을 이룰수 있다.In addition, in the prior art, since Vcc / 2 is generated inside the chip and used as a reference voltage, if the potential of Vcc / 2 fluctuates due to internal factors, there is a problem in stability and malfunction in reading information. There is a possibility, but in the present invention, since Vcc is used as the reference voltage, this conventional problem can be overcome to achieve stable operation as a memory device.

Claims (3)

강유전체기억소자에 있어서,In ferroelectric memory device, 제1플레이트라인과 제2플레이트라인 사이에 직렬 접속된 제1 및 제2 강유전체커패시터와, 소스가 상기 제1강유전체커패시터와 상기 제2 강유전체커패시터 사이의 노드에 접속되고 게이트가 워드라인에 접속되며 드레인에 정비트라인이 접속된 엔모스트랜지스터로 이루어진 메모리 셀;A first and a second ferroelectric capacitor connected in series between the first and second plate lines, a source connected to a node between the first ferroelectric capacitor and the second ferroelectric capacitor, a gate connected to a word line, and a drain A memory cell comprising an MOS transistor having a constant bit line connected thereto; 상기 정비트라인과 기준전압라인으로서의 부비트라인 사이의 전압차를 감지증폭하는 감지증폭수단;Sensing amplifying means for sensing and amplifying a voltage difference between the positive bit line and the sub bit line as a reference voltage line; 쓰기인에이블신호에 응답하여 상기 정 및 부 비트라인에 각각 정 및 부 데이터를 전달하는 데이터입력수단;Data input means for transferring positive and negative data to the positive and negative bit lines in response to a write enable signal; 제1제어신호에 응답하여 상기 정비트라인과 상기 부비트라인을 접지전원전압으로 풀다운시키기 위한 비트라인풀다운수단;Bit line pull-down means for pulling down the positive bit line and the sub bit line to a ground power supply voltage in response to a first control signal; 제2제어신호에 응답하여 상기 정비트라인과 상기 부비트라인을 상기 공급전원전압(Vcc)으로 프리차지시키기 위한 비트라인프리차지수단; 및Bit line precharge means for precharging the positive bit line and the sub bit line to the supply power supply voltage Vcc in response to a second control signal; And 공급전원전압(Vcc)의 약 2배 정도의 고전압(2Vcc)으로 상기 워드라인과 상기 제1플레이트라인을 구동하기 위한 고전압구동수단High voltage driving means for driving the word line and the first plate line at a high voltage (2 Vcc) approximately twice the supply power voltage (Vcc). 을 포함하여 이루어진 강유전체기억소자.Ferroelectric memory device comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고전압구동수단은, 클럭에 동기되어 로직 '하이' 레벨을 두배로 펌핑시키는 펌핑회로로 구성됨을 특징으로 하는 강유전체기억소자.And the high voltage driving means comprises a pumping circuit configured to pump a logic 'high' level twice in synchronization with a clock. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제1제어신호는 읽기 구동시 초기에 활성화되며, 상기 제2제어신호는 읽기 구동시 비활성화되는 제어신호임을 특징으로 하는 강유전체기억소자.And the first control signal is initially activated during read driving, and the second control signal is a control signal deactivated during read driving.
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