KR20030002227A - 기준전압의 마진을 높이는 기준전압 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FeRAM의 기준전압의 마진을 높이는 기준전압 생성 장치에 관한 것으로 이를 위한 본 발명은, 단위 트랜지스터와 제1 면적을 갖는 강유전체 캐패시터로 구성되어 강유전체 메모리 셀의 다수의 부비트라인을 구동하는 기준전압 발생 장치에 있어서, 기준 워드라인; 기준 셀 플레이트 라인; 일측은 상기 다수의 부비트라인에 공통으로 연결되고 게이트는 상기 기준 워드라인에 연결되어 상기 다수의 부비트라인에 기준전압을 공급하는 트랜지스터; 및 일측은 상기 트랜지스터의 타측에 연결되고 타측은 기준 셀 플레이트 라인에 연결되되, 상기 제1 면적보다 큰 제 2 면적을 갖는 강유전체 캐패시터를 포함하여 이루어진다.

Description

기준전압의 마진을 높이는 기준전압 발생장치{Refence generator for increasing reference voltage margine}

본 발명은 FeRAM에 관한 것으로, 특히 FeRAM의 기준전압을 생성하는 기준전압 발생회로에 관한 것이다.

먼저, 강유전체 캐패시터(이하 "FeRAM"이라한다)는 캐패시터의 상부전극과 하부전극 사이에 유전율이 수백에서 수천에 이르는 Pb(Zr, Ti)O3, PZT, SrBi₂Ta₂O₉, SBT등을 사용하는 캐패시터로 상기 상부전극과 하부전극은 주로 Pt, Ru, Ir,등을 사용하거나, RuO₂, IrO₂과 같은 산화물을 사용한다.

상기 FeRAM의 특성을 살펴보면, 도 1은 강유전체 물질을 유전체로 사용하는 캐패시터의 양단 전압과 유기된 전하량(Q)의 관계를 도시한 그래프로서, 전압과 전하량 사이에 히스테리시스 관계가 있음을 도시한다.

도 1을 참조하면, 상기 FeRAM은 외부에서 전기장을 가하여 분극을 형성후 전기장을 제거하여도 잔류 분극이 존재하여, 그 방향이 역전될 수 있는것을 알수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전계를 가하여 전압축과 전하축의 양의 방향으로 전계가 형성되면 양의 방향으로 분극을 형성하고 외부에서 공급되는 전계를 끊어도 잔류 분극이 일정량 이상으로는 감소되지 않게 되어 데이터를 유지할 수 있게 된다.

도 2는 FeRAM의 셀 구조를 도시한 것으로 FeRAM은 다수의 워드라인(W₀∼ W_N))과 다수의 셀 플레이트 라인(CP0 ∼ CP_N)으로 구성된 격자 구조상에 각각 하나의 트랜지스터(T₀∼ T_N)와 강유전체 캐패시터(C₀∼ C_N)로 구성되어 있는것을 볼 수 있는데, 이것은 기존의 DRAM과 유사한 구조를 가지나 강유전체 캐패시터를 사용함으로서 DRAM과는 달리 리프레쉬를 하지 않아도 된다.

FeRAM과 DRAM의 구동 방식에 있어서 가장 큰 차이점은, DRAM의 경우 데이터를 저장하는 캐패시터의 한쪽 전극인 셀 플레이트(cell plate)가 항상 구동 전압의 절반인 Vcc/2로 고정되어 있는데 반하여 FeRAM의 경우에는 각각의 메모리 셀을 구동시킬 때마다 셀 플레이트의 전압도 0에서 구동전압까지 구동된다는 것이다.

따라서, 워드라인에 의하여 선택된 셀은 데이터를 독출하기 전에 셀 플레이트의 전압을 먼저 구동하여야 하였다.

또한, DRAM에서는 캐패시터에 저장된 데이터와 Vcc/2로 고정된 정비트라인과 부비트라인의 전위를 비교함으로서 센싱하지만 FeRAM에서는 상기한 바와 같이 셀 플레이트가 먼저 구동된후 캐패시터에 저장된 데이터가 하이 레벨일때와 로우 레벨일때 비트라인의 전압 상승분의 차이를 이용하여 센싱한다.

따라서, FeRAM에서는 캐패시터에 저장된 데이터가 하이 레벨인지 로우 레벨인지를 구별하기 위하여 캐패시터의 저장된 데이터가 하이 레벨일때 비트라인 전압 상승분과 로우 레벨일때 비트라인 전압 상승분의 중간값에 해당하는 전압을 생성하는 기준전압 생성 장치가 별도로 필요하였다.

도 3a와 도 3b를 참조하여 종래의 FeRAM의 문제점을 살펴보도록 한다.

도 3a는 종래의 기준전압 생성장치를 나타낸다.

도 3a를 참조하면, 메모리 셀과 동일한 구조를 가지며 기준 워드라인에 각각의 게이트가 연결되고 기준 셀 플레이트 라인에 각각의 캐패시터의 일측이 연결되는 제1(10a), 제2 기준 셀(20a)로 구성되며, 제1 기준 셀(10a)은 항상 하이 레벨의 데이터를 저장하고 제2 기준셀(20a)은 항상 로우 레벨의 데이터를 저장하며, 상기 제1 기준셀(10a)과 제2 기준셀(20a)의 부비트라인은 공동으로 연결되어 구성된다.

도 3a를 참조하여 상기의 기준전압 생성장치의 동작을 살펴보도록 한다.

먼저 기준 워드라인(RWL)을 구동하고 이어서 기준 셀 플레이트 라인(RCP)을 구동하면, 상기 제1 기준셀(10a)과 제2 기준셀(20a)의 부비트라인(/BL0, /BL1)에서 동시에 소정의 전압 상승분(ΔV_BL1,ΔV_BL0)이 발생된다.

여기서, 상기 ΔV_BL1은 셀 플레이트 라인을 구동시 강유전체 캐패시터에 저장된 데이터가 하이 레벨일때 비트라인의 전위를 상승시키는 전압이고, ΔV_BL0은 셀 플레이트 라인을 구동시 강유전체 캐패시터에 저장된 데이터가 로우 레벨일때 비트라인의 전위를 상승시키는 전압이다.

상기 제1 기준셀(10a)과 제2 기준셀(20a)의 부비트라인을 공동 결선하였으므로, 그 전압의 크기는 (ΔV_BL1+ ΔV_BL0)/2가 되어 메모리 셀에 하이 레벨이 저장되었을시 상승되는 전압(ΔV_BL1)보다는 작고 메모리 셀에 로우 레벨이 저장되었을시 상승되는 전압(ΔV_BL0)보다는 작게 되므로,메모리 셀에 저장되어 있는 데이터가 하이 레벨인지 로우 레벨인지를 구분할 수 있게 된다.

도 3b는 종래의 다른 기준전압 생성장치를 도시한 것이다.

도 3b는 상기 도 3a의 구성과 동일하되, 상기 제1 기준셀과 제2 기준셀의 부비트라인이 공동으로 결선되지 않는 것이 특징이며, 강유전체로 이루어진 캐패시터가 상기 도 3a에 도시된 것에 비하여 큰 면적을 갖도록 하고 상기 제1 기준셀(10b)과 제2 기준셀(20b)에 로우 레벨의 데이터를 저장하도록 구성된다.

상기 도 3b의 강유전체 캐패시터가 도 3a에 도시된 강유전체 캐패시터에 비하여 면적이 두배인경우 각각의 기준셀에서 생성되는 기준전압은 V_BL∼ 2Q₀/C_BL이 되므로 V_BL1과 V_BL0사이의 전압을 생성하게 되어 메모리 셀에 저장된 데이터가 하이 레벨인지 로우 레벨인지를 구분할 수 있게 된다.

여기서, 상기 Q₀는 강유전체 캐패시터의 극성을 반전시키지 않는 범위의 전하량, 즉 논 스위칭 전하량을 뜻한다.

그러나, 다른 메모리 소자와 마찬가지로 FeRAM 또한 제조 공정중 각각의 셀을 구성하는 트랜지스터, 콘택, 캐패시터와 같은 단위 소자의 특성이 셀마다 달라지게 되므로, FeRAM에서 발생되는 하이 레벨의 데이터와 로우 레벨의 데이터를 읽을때 발생하는 비트라인의 전압분포를 도시한 도 4에 도시된 바와 같이, ΔV_BL1은 1200㎷ ∼ 1500㎷ 범위의 전압 분포를 가지고 ΔV_BL0의 전압은 360㎷ ∼ 480㎷의 분포를 가진다.

따라서, 상기 제1 기준셀(10b)과 제2 기준셀(20b)도 메모리 셀과 동일한 구성을 가지고 있으므로, 기준셀에서 발생되는 기준전압 역시 ΔV_BL1∼ ΔV_BL0의 전압 분포와 유사한 전압 분포를 가지게되어 상기 메로리 셀의 데이터를 구분하기 위한최소 신호 마진은 하이 레벨의 데이터인 경우 ΔV_BL1의 최소값과 기준전압의 최대값의 차이에 의하여 결정되고 데이터가 로우 레벨인 경우 ΔV_BL0의 최대값과 기준전압의 최소값의 차이에 의해 결정된다.

그러므로, 메모리 셀에서 발생되는 ΔV_BL1과 ΔV_BL0와 기준전압의 전압 분포에 의해 FeRAM의 최소신호 마진이 감소하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, FeRAM의 최소신호 마진을 충분히 확보하는 균일한 기준전압을 생성하는 기준전압 생성기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 강유전체의 P-E 특성곡선.

도 2는 FeRAM의 셀 구조를 도시한 도면.

도 3a는 종래의 FeRAM의 기준전압 발생장치.

도 3b는 종래의 다른 FeRAM의 기준전압 발생장치.

도 4는 FeRAM의 비트라인 신호전압의 분포도.

도 5는 본 발명에 따른 기준전압 발생장치.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : NMOS 200 : 강유전체 캐패시터

본 발명은 FeRAM의 기준전압의 마진을 높이는 기준전압 생성 장치에 관한 것으로 이를 위한 본 발명은, 단위 트랜지스터와 제1 면적을 갖는 강유전체 캐패시터로 구성되어 강유전체 메모리 셀의 다수의 부비트라인을 구동하는 기준전압 발생 장치에 있어서, 기준 워드라인; 기준 셀 플레이트 라인; 일측은 상기 다수의 부비트라인에 공통으로 연결되고 게이트는 상기 기준 워드라인에 연결되어 상기 다수의 부비트라인에 기준전압을 공급하는 트랜지스터; 및 일측은 상기 트랜지스터의 타측에 연결되고 타측은 기준 셀 플레이트 라인에 연결되되, 상기 제1 면적보다 큰 강유전체 캐패시터를 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 5는 본 발명에 따른 기준전압 발생장치의 일실시예를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 단위 트랜지스터(100)와 소정의 면적을 갖는 강유전체 캐패시터(200)로 구성되어 강유전체 메모리 셀의 다수의 부비트라인을 구동하는 기준전압 발생 장치에 있어서, 기준 워드라인; 기준 셀 플레이트 라인; 일측은 상기 다수의 부비트라인(BL₀∼ BL_N)에 공통으로 연결되고 게이트는 상기 기준 워드라인(RWL)에 연결되어 상기 다수의 부비트라인에 기준전압을 공급하는 트랜지스터(100) 및 일측은 상기 트랜지스터(100)의 타측에 연결되고 타측은 기준 셀 플레이트 라인(RCP)에 연결되되, 상기 소정 면적보다 큰 강유전체 캐패시터를 포함하여 이루어진다.

이하, 도 5를 참조하여 상기한 구성의 기준전압 발생장치의 동작을 상세히 설명하도록 한다.

상기 도 5에 도시된 다수의 비트라인이 2개만 있고 기준셀의 강유전체 캐패시터의 면적은 메모리셀의 강유전체 캐패시터의 면적에 두배이며, 기준셀의 강유전체 캐패시터에는 로우 레벨이 차지된 경우를 가정하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 강유전체의 극성을 변화시키는 전하량을 논 스위칭 전하량(Q₀)라 하고, 극성을 변화시키지 않는 전하량을 스위칭 전하량(Q₁)이라 하며, 강유전체 메모리의 캐패시턴스를 C_BL이라 할때, 비트라인이 2개이고 강유전체 캐패시터의 면적이 메모리셀의 강유전체 캐패시터에 비하여 두배이면, 노드 1에 공급되는 기준전압의 범위는 2 ㆍΔV_BL0∼ 2Q₀/C_BL가 된다.

즉, 도 3a 도 3b에 도시된 종래의 기준전압 발생장치에서 생성되는 전압에 비하여 로우 레벨과 하이 레벨의 기준이 높아짐으로서 기준전압의 마진폭이 증가하게 된다.

상기 강유전체 캐패시터의 면적은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.

메모리 셀의 강유전체 케패시터의 면적 × 기준셀에 공동으로 연결되는 비트라인의 수 × 비례상수

여기서 상기 비례상수는 1.5 또는 1.5 보다 약간 큰 값이 된다.

또한, 상기 기준셀의 강유전체 캐패시터에 하이 레벨이 차지된 경우에는, 상기 비례상수의 값을 0.7 또는 그보다 작게 설정하면 된다.

즉, 상기 기준셀의 강유전체 캐패시터에 로우 레벨이 차지될때보다 더 적은면적을 소모할 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같이, 본 발명의 기준전압 발생장치는 하나의 트랜지스터와 강유전체 캐패시터를 사용하여 다수의 비트라인에 최소신호 마진을 충분히 확보하는 균일한 기준전압을 공급한다.

Claims (1)

1. 단위 트랜지스터와 제1 면적을 갖는 강유전체 캐패시터로 구성되어 강유전체 메모리 셀의 다수의 부비트라인을 구동하는 기준전압 발생 장치에 있어서,

   기준 워드라인;

   기준 셀 플레이트 라인;

   일측은 상기 다수의 부비트라인에 공통으로 연결되고 게이트는 상기 워드라인에 연결되어 상기 다수의 부비트라인에 기준전압을 공급하는 트랜지스터; 및

   일측은 상기 트랜지스터의 타측에 연결되고 타측은 기준 셀 플레이트 라인에 연결되되, 상기 제1 면적보다 큰 제 2 면적을 갖는 강유전체 캐패시터

   를 포함하여 이루어지는 기준전압 발생장치.