KR20010113299A - 강유전체 메모리 소자의 기준전압 생성 셀 및 그 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저장 온도에 따라 기준전압이 변하지 않으면서도 산포도가 작은 안정적인 기준전압을 생성할 수 있는, 비파괴 기준전압 생성 셀 및 그 구동 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명의 장치는 강유전체 메모리 소자의 기준전압 생성 셀에 있어서, 비트라인 및 스토리지 노드 사이에 연결되며, 자신의 게이트가 기준워드라인에 연결되는 제1 트랜지스터; 상기 스토리지 노드 및 기준플레이트라인 사이에 연결되는 강유전체 커패시터; 스토리지 노드 및 접지전원단 사이에 연결되며, 자신의 게이트가 기준이퀄라이즈라인에 연결되는 제2 트랜지스터를 포함하고, 본 발명의 방법은, 상기 기준플레이트라인 및 상기 기준이퀄라이즈라인을 소정 시간 동안 제1 레벨로 구동하여, 상기 강유전체 커패시터의 양단에 소정 크기의 음의 전압을 인가하는 제1 단계; 상기 기준워드라인 및 상기 기준플레이트라인을 상기 제1 레벨로 구동하여 상기 비트라인으로 상기 기준전압을 유기하는 제2 단계; 및 상기 기준이퀄라이즈라인을 상기 제1 레벨로 구동하여 상기 강유전체 커패시터를 초기 분극 상태로 프리차지시키는 제3 단계를 포함한다.

Description

강유전체 메모리 소자의 기준전압 생성 셀 및 그 구동 방법{REFERENCE CELL FOR GENERATING REFERENCE VOLTAGE IN FERROELECTRIC MEMORY DEVICE AND DRIVING METHOD THEREOF}

본 발명은 강유전체 커패시터 메모리 셀을 사용한 비휘발성 강유전체 메모리 소자에 관한 것으로, 특히 메모리 셀에 저장된 정보의 '읽기' 시 감지 증폭 동작의 기준이 되는 전압을 생성하는 기준전압 생성 셀과 그 구동 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 강유전체 메모리 소자의 데이터 읽기 동작은 데이터를 저장하고 있는 강유전체 커패시터 양단에 전압을 인가하여 유기되는 전하량의 변화 정도를 감지하여 데이터화함으로써 강유전체 커패시터에 저장된 정보를 읽는다.

먼저, 강유전체 커패시터의 특성을 먼저 설명하자면, 도 1은 강유전체 커패시터의 이력 곡선으로서, 강유전체 물질을 유전체로 사용하는 커패시터 양단의 전압(V)과 유기된 전하량(P(Q)) 사이에 히스테리시스 관계가 있음을 보여준다.

도 1을 참조하면, 강유전체 커패시터는 양단의 전압이 "0"V일 때 유기된 전하량이 +Pr, -Pr 두 가지 상태로 존재하여 전원의 공급이 없어도 2진 형태의 데이터를 저장할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 강유전체 커패시터는 비휘발성 메모리 소자의 기억수단으로 이용된다.

또한, 강유전체 커패시터의 양단에 인가되는 전압의 방향과 크기에 따라 강유전체 내의 분극상태가 변화하고, 강유전체 커패시터에 저장된 정보는 커패시터 양단에 전압을 인가할 때 이동되는 전하량의 크기를 감지하여 데이터화 한다.

이러한 강유전체 커패시터에 저장된 정보를 읽기 위해서는,워드라인(wordline)을 열고 커패시터 양단에 전압을 가하면, 저장된 정보("0" 또는 "1")에 따라 정비트라인은 서로 다른 전압 V0 또는 V1을 갖게 된다. 이 전압 V0, V1은 소신호이기 때문에 감지 증폭기를 이용하여 증폭시켜 주어야 하는데, 이 V0, V1을 증폭시켜주기 위해서는 V0과 V1 사이의 값을 갖는 기준전압(reference voltage)이 부비트라인에 인가되어야 한다. 즉, 부비트라인에 인가된 기준전압에 비하여 정비트라인의 전압(V0 또는 V1)이 더 낮은지 혹은 더 높은 지를 감지 증폭기에서 감지하여 증폭한 후 셀에 저장된 정보가 '0'인지 '1'인지를 판독하게 된다.

따라서, 기준전압 생성 셀은 V0과 V1 사이의 값을 가지며, 산포도가 작은 안정적인 기준전압을 생성하여야 한다.

이러한 기준전압을 생성하기 위한 종래의 기준전압 생성 셀은 크게 두 가지 종류, 즉 파괴 기준전압 생성 셀 및 비파괴 기준전압 생성 셀이 있다.

먼저, 파괴 기준전압 생성 셀은 도 1에 도시된 +Pr과 -Pr 상태의 두 개의 강유전체 커패시터를 구비하고, 상기 강유전체 커패시터의 양단에 음의 전압을 인가하여 그에 따라 각각의 강유전체 커패시터로부터 유기되는 전하량, 즉 Qs, Qns의 평균값으로 기준전압을 생성한다. 이러한 파괴 기준전압 생성 셀은 저장 온도에 따른 기준전압의 변화가 거의 없는 대신에, 강유전체 커패시터의 특성으로 인해 Qs의 산포도가 커져 기준전압의 분포가 넓다는 단점을 가진다.

다음으로, 비파괴 기준전압 생성 셀은 도 1에 도시된 -Pr 상태를 가지는 한 개의 강유전체 커패시터를 구비하고, 이 강유전체 커패시터를 데이터 저장 셀의 강유전체 커패시터보다 크게 구성함으로써 산포도가 작은 Qns만을 이용하여 기준전압을 생성한다. 이러한 비파괴 기준전압 생성 셀은 산포도가 작은 Qns만을 이용하여 기준전압을 생성함으로써 기준전압의 산포도가 작은 반면에, 저장 온도에 따른 특성이 파괴 기준전압 생성 셀에 비해 나쁘다. 즉, 비파괴 기준전압 생성 셀을 고온에 두는 경우, -Pr 상태가 감소, Qns가 커짐에 따라 기준전압이 상승하게 된다.

도 2는 파괴 기준전압 생성 셀 및 비파괴 기준전압 생성 셀 각각에 대한 저장 온도 및 유기되는 전하량 변화 사이의 관계 특성을 나타내는 그래프로서, 상술한 바와 같이 파괴 기준전압 생성 셀의 경우, 온도에 따라 유기되는 전하량의 변화가 거의 없는 반면에, 비파괴 기준전압 생성 셀의 경우, 온도가 높아짐에 따라 유기되는 전하량의 변화가 커진다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 저장 온도에 따라 기준전압이 변하지 않으면서도 산포도가 작은 안정적인 기준전압을 생성할 수 있는, 비파괴 기준전압 생성 셀 및 그 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 강유전체 커패시터의 이력 곡선.

도 2는 파괴 기준전압 생성 셀 및 비파괴 기준전압 생성 셀 각각에 대한 저장 온도 및 유기되는 전하량의 변화 사이의 관계 특성을 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비파괴 기준전압 생성 셀의 회로도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 도 3의 비파괴 기준전압 생성 셀을 구동하기 위한 신호 타이밍도.

도 5는 초기 상태의 강유전체 커패시터, 고온 하에서 열화된 강유전체 커패시터 및 본 발명의 비파괴 기준전압 생성 셀에 의해 열화가 제거된 강유전체 커패시터 각각에 대한 이력 곡선.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

C1 : 강유전체 커패시터

T1 : 스위칭 트랜지스터 T2 : 이퀄라이징 트랜지스터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 강유전체 메모리 소자의 기준전압 생성 셀에 있어서, 비트라인 및 스토리지 노드 사이에 연결되며, 자신의 게이트가 기준워드라인에 연결되는 제1 트랜지스터; 상기 스토리지 노드 및 기준플레이트라인 사이에 연결되는 강유전체 커패시터; 스토리지 노드 및 접지전원단 사이에연결되며, 자신의 게이트가 기준이퀄라이즈라인에 연결되는 제2 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 방법은, 상기 기준플레이트라인 및 상기 기준이퀄라이즈라인을 소정 시간 동안 제1 레벨로 구동하여, 상기 강유전체 커패시터의 양단에 소정 크기의 음의 전압을 인가하는 제1 단계; 상기 기준워드라인 및 상기 기준플레이트라인을 상기 제1 레벨로 구동하여 상기 비트라인으로 상기 기준전압을 유기하는 제2 단계; 및 상기 기준이퀄라이즈라인을 상기 제1 레벨로 구동하여 상기 강유전체 커패시터를 초기 분극 상태로 프리차지시키는 제3 단계를 포함하여 이루어진다.

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.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비파괴 기준전압 생성 셀의 회로도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 비파괴 기준전압 생성 셀은, 종래의 비파괴 기준전압 생성 셀의 구조(1T1C)와 동일하게 1개의 강유전체 커패시터(C1)와 1개의 스위칭 트랜지스터(T1)를 구비하되, 강유전체 커패시터(C1)와 스위칭 트랜지스터(T1)의 연결점, 즉 스토리지 노드(SN)와 접지전원단 사이에 연결되는 이퀄라이징 트랜지스터(T2)를 더 구비한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 비파괴 기준전압 생성 셀은 비트라인(B/L) 및 스토리지 노드(SN) 사이에 연결되며 자신의 게이트가 기준워드라인(REF_W/L)에 연결되는 스위칭 트랜지스터(T1)와, 스토리지 노드(SN) 및 기준플레이트라인(REF_PL)사이에 연결되는 강유전체 커패시터(C1)와, 스토리지 노드(SN) 및 접지전원단 사이에 연결되며 자신의 게이트가 기준이퀄라이즈라인(REF_EQ)에 연결되는 이퀄라이징 트랜지스터(T2)로 구성된다.

여기서, 비트라인(B/L)은 데이터 저장 셀의 정비트라인일 수도 있고, 부비트라인일 수도 있다.

상기한 바와 같이 구성되는 비파괴 기준전압 생성 셀을 구동하기 위한 신호 타이밍도가 도 4에 도시되어 있다.

도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 비파괴 기준전압 생성 셀 및 그 구동 방법에 대해 설명한다.

먼저, 칩인에이블신호(CEB)를 "로우(low)"로 구동하여 본 발명의 비파괴 기준전압 생성 셀을 포함하는 강유전체 메모리 소자를 활성화시킨다.

다음으로, 기준플레이트라인(REF_PL) 및 기준이퀄라이즈라인(REF_EQ)을 소정 시간 동안 "하이"로 구동하여 강유전체 커패시터(C1)의 양단에 음의 전압을 인가한다(도 4의 "A" 구간). 여기서, 비파괴 기준전압 생성 셀이 고온 저장되어 강유전체 커패시터(C1)의 -Pr 상태가 감소되어 있는 경우라면, 강유전체 커패시터(C1)의 양단에 인가되는 음의 전압으로 인해 강유전체 커패시터(C1)가 "가"(도 1)의 분극 상태로 변하게 되고, 소정 시간 후(기준플레이트라인(REF_PL)과 기준이퀄라이즈라인(REF_EQ)이 "로우"로 떨어지면)에 강유전체 커패시터(C1)의 양단 전압이 다시 "0V"가 되어 원래의 -Pr 상태로 돌아가게 된다. 따라서, 비파괴 기준전압 생성 셀에서 문제가 되었던 고온으로 인한 강유전체 커패시터의 -Pr 감소가원래의 -Pr 상태로 복구되어, 고온 저장된 비파괴 기준전압 생성 셀에서도 안정적인 기준전압을 생성할 수 있게 된다.

이어서, 종래와 동일하게 기준워드라인(REF_W/L)을 열고 동시에 기준플레이트라인(REF_PL)을 "하이"로 구동하여 강유전체 커패시터(C1)에 저장된 데이터를 읽음으로써 기준전압을 생성한다(도 4의 "B" 구간).

마지막으로, 기준이퀄라이즈라인(REF_EQ)을 "하이"로 구동하여 강유전체 커패시터(C1)의 상태를 -Pr 상태로 프리차지시킨다(도 4의 C"구간).

도 5는 초기 상태의 강유전체 커패시터, 고온 하에서 열화된 강유전체 커패시터 및 본 발명의 비파괴 기준전압 생성 셀에 의해 열화가 제거된 강유전체 커패시터 각각에 대한 이력 곡선이다.

도 4 및 도 5를 참조하여, 고온 저장된 상태에서의 비파괴 기준전압 생성 셀의 기준전압 생성 동작을 보다 구체적으로 설명하면 아래와 같다.

본 발명의 비파괴 기준전압 생성 셀은 기준전압 생성 전에 도 4의 "A" 구간에서와 같이 강유전체 커패시터(C1)의 양단에 음의 전압을 인가하여 고온으로 인해 감소된 -Pr 상태("나")를 "가"의 분극 상태로 변화시키고, 다시 강유전체 커패시터(C1)의 양단에 "0V"전압을 걸어 정상적인 -Pr 상태("다")로 회복시킨 후 도 4의 "B" 구간에서와 같이 기준전압을 생성한다. 따라서, 본 발명의 비파괴 기준전압 생성 셀은 고온 저장 하에서도 안정적인 기준전압을 생성할 수 있게 된다.

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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 산포도가 작은 Qns를 이용하여 기준전압을 생성하고, 고온으로 인한 열화 현상을 기준전압 생성 전에 제거함으로써 안정적인 기준전압을 생성할 수 있다.

또한, 본 발명은 기준전압을 안정적으로 생성함으로써 전체 강유전체 메모리 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 강유전체 메모리 소자의 기준전압 생성 셀에 있어서,

   비트라인 및 스토리지 노드 사이에 연결되며, 자신의 게이트가 기준워드라인에 연결되는 제1 트랜지스터;

   상기 스토리지 노드 및 기준플레이트라인 사이에 연결되는 강유전체 커패시터;

   스토리지 노드 및 접지전원단 사이에 연결되며, 자신의 게이트가 기준이퀄라이즈라인에 연결되는 제2 트랜지스터

   를 포함하여 이루어지는 기준전압 생성 셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 강유전체 커패시터는,

   양단의 전압이 "0V"일 때 유기되는 전하량이 상대적으로 적은 제1 분극 상태로 존재하는 기준전압 생성 셀.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 트랜지스터는,

   상기 제1 트랜지스터가 턴-온되어 상기 비트라인과 상기 강유전체 커패시터 사이의 전하 공유가 이루어지기 전에 소정 시간 동안 턴-온되는 기준전압 생성 셀.
4. 제 1 항의 기준전압 생성 셀을 구동하기 위한 방법에 있어서,

   상기 기준플레이트라인 및 상기 기준이퀄라이즈라인을 소정 시간 동안 제1 레벨로 구동하여, 상기 강유전체 커패시터의 양단에 소정 크기의 음의 전압을 인가하는 제1 단계;

   상기 기준워드라인 및 상기 기준플레이트라인을 상기 제1 레벨로 구동하여 상기 비트라인으로 상기 기준전압을 유기하는 제2 단계; 및

   상기 기준이퀄라이즈라인을 상기 제1 레벨로 구동하여 상기 강유전체 커패시터를 초기 분극 상태로 프리차지시키는 제3 단계

   를 포함하여 이루어지는, 기준전압 생성 셀을 구동하기 위한 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 강유전체 커패시터의 초기 분극 상태는,

   양단의 전압이 "0V"일 때 유기되는 전하량이 상대적으로 적은 제1 분극 상태인, 기준전압 생성 셀을 구동하기 위한 방법.