KR20040034660A - The structure of a new memory and its operating method. - Google Patents

The structure of a new memory and its operating method. Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A structure of a semiconductor memory device and its driving method are provided to simplify a production structure by integrating various volatile memories and to improve productivity, and to reduce power consumption and a driving voltage. CONSTITUTION: A memory device is based on a selection transistor for switch constituted on a semiconductor substrate and a ferroelectric capacitor. A structure of a memory unit cell and its driving method are based on the selection transistor for switch and the ferroelectric capacitor. And in a memory block, unit bundle of the unit cell or memory are arranged longitudinally and laterally. Data is recorded in the memory device based on the ferroelectric capacitor, and the stored data is recovered. Signals of several bit line pairs outputting data signals in several cells at the same time in one unit cell or one block are sensed and then one of the signals is selected.

Description

메모리 반도체 장치의 구조 및 그 구동 방식 {The structure of a new memory and its operating method.}Structure of a new memory and its operating method

본 발명은 반도체 메모리 장치의 구조 및 그 구동 방식에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 종래의 강유전체 메모리의 구조 및 구동 방식에다 종래의 DRAM에 사용하는 리프레쉬(Refresh)개념을 추가하여, 메모리에 저장된 데이터 상태를 양호하게 보존하기 위해 기능을 추가하여 안정적인 동작을 보장하는 메모리에 관한 특허이다.The present invention relates to a structure of a semiconductor memory device and a driving method thereof. More specifically, by adding a refresh concept used in a conventional DRAM to a structure and a driving method of a conventional ferroelectric memory, a function is added to secure a data state stored in the memory to ensure stable operation. A patent on memory.

종래의 강유전체 메모리와 DRAM(Dynamic RAM)의 특허 중, 미국 특허 4873664에, 강유전체 캐패시터를 적용한 메모리의 가장 기본적이고 중요한 특허로서, 플레인트선과 비트선 그리고 스위치용 선택 트랜지스터를 이용한 강유전체 메모리의 구동 방식이 기술되어 있고, 미국 특허 4809225에, SRAM에 강유전체 캐패시터를 추가하여, 전원이 단절되었을 경우에 데이터를 보관하는 기능이 기술되어 있으며, DRAM(Dynamic RAM)에서의 데이터 회복 기능인 리프레쉬(Refresh)기능은 종래의 제품에 현재 널리 적용되어 공지의 사실로 알려져 있다.Among the patents of the conventional ferroelectric memory and DRAM (Dynamic RAM), US patent 4873664, the most basic and important patent of the memory to which the ferroelectric capacitor is applied. In US Patent 4809225, a ferroelectric capacitor is added to SRAM to store data in the event of a power failure. The refresh function, which is a data recovery function in DRAM, is conventionally described. It is now widely applied to the products of which are known to the known facts.

강유전체 메모리에 적용된 종래의 기술로서, 강유전체 캐패시터 및 스위치용 선택 트랜지스터를 갖는 메모리셀이 매트릭스 형태로 배치되어 이루어져 있는, 반도체 기억 장치의 종래 예에 대하여 도.4를 참조하여 설명한다.A conventional example of a semiconductor memory device in which a memory cell having a ferroelectric capacitor and a select transistor for a switch is arranged in a matrix form as a conventional technique applied to a ferroelectric memory will be described with reference to FIG.

도.4에서 4개의 메모리셀(MC0, MC1, MC2, MC3)이 2행 2열의 매트릭스 형상으로 배치되어 있고, 메모리셀(MC0)은 1개의 강유전체 캐패시터(C0)와 1개의 스위치용 선택 트랜지스터(T0)로 구성되어 있으며, 이 반도체 기억 장치는 한 개의 트랜지스터와 한 개의 캐패시터(1T1C)로 구성된 동작 방식이다.In FIG. 4, four memory cells MC0, MC1, MC2, and MC3 are arranged in a matrix form of two rows and two columns, and the memory cell MC0 includes one ferroelectric capacitor C0 and one switch selection transistor ( T0), and this semiconductor memory device is an operation system composed of one transistor and one capacitor 1T1C.

비트선(BL0)과 비트선(BL 0 )의 한 쌍과, 또 다른 한 쌍인 비트선(BL1)과 비트선(BL 1 )은, 단위 셀의 신호를 읽는데 필요한 각각 쌍을 이룬 비트선으로서, 한 쌍의 비트선(BL0,BL 0 )중 신호 전달용 비트선(BL)는 스위치용 선택 트랜지스터(T0)의 드레인과, 기준 전압 제공용 비트선 바(BL 0)는, 비트선 신호 판독용 기준 전압 발생 회로를 구성하는 트랜지스터의 드레인과 접속되어 있다.A pair of the bit line BL 0 and the bit line BL 0 , and another pair of the bit line BL 1 and the bit line BL 1 , are paired bit lines necessary for reading a signal of a unit cell. The bit line BL for signal transmission among the pair of bit lines BL 0 and BL 0 is the drain of the select transistor T0 for switching, and the bit line bar BL 0 for providing the reference voltage is the bit line. It is connected to the drain of the transistor which comprises the signal reading reference voltage generator circuit.

워드선(WL0, WL1)은 워드선 방향으로 나열되는 메모리셀의 스위치용 선택 트랜지스터의 게이트들에 각각 접속되어 있다.The word lines WL 0 and WL 1 are connected to gates of the select transistors for switching of memory cells arranged in the word line direction, respectively.

셀 플레이트선(PL0, PL1)은, 워드선 방향으로 나열되는 메모리셀의 강유전체 캐패시터의 한 쌍의 전극중 트랜지스터와 연결되지 않은, 다른 쪽에 워드선과 나란히 캐패시터의 상부 전극에 접속되어 있다.The cell plate lines PL 0 and PL 1 are connected to the upper electrode of the capacitor in parallel with the word line on the other side of the pair of electrodes of the ferroelectric capacitors of the memory cells arranged in the word line direction.

센스 앰프(S/A0)의 입력단은, 도.4와 같이, 비트선 쌍을 구성하는 비트선(BL0,BL 0)과 접속되고, 센스 앰프(S/A0) 출력단은 한 쌍의 데이터버스선 (DL0,DL 0)과 접속되어 있으며, 또, 다른 센스 앰프(S/A1)도 비트선 쌍을 구성하는 비트선 (BL1,BL 1)과 한 쌍의 데이터 버스 선이(DL1,DL 1) S/A0와 같은 방식으로 접속되어 있다.As shown in Fig. 4, the input terminal of the sense amplifier S / A0 is connected to the bit lines BL 0 and BL 0 constituting the bit line pair, and the output terminal of the sense amplifier S / A0 is a pair of data buses. line which is connected to the (DL 0, DL 0), in addition, other sense amplifier (S / A1) is also the bit lines constituting the bit line pairs (BL 1, BL 1) and a pair of data bus lines (DL 1 , DL 1 ) is connected in the same manner as S / A0.

그리고, 종래의 구동 방식으로 비트선과 플레인트선사이에 강유전체 캐패시터와 스위치용 선택 트랜지스터가 존재하여 이들을 적절한 순서로 구동시켜 읽기, 기입, 저장하는 방식을 사용하고 있다. 이들의 동작은 도.6과 7의 파형 체계도의 방식처럼 구동된다. 도.4와 같이 구성된 반도체 기억 장치에서, 데이터를 기입하는 동작 및 판독하는 동작에 대하여 설명한다.In the conventional driving method, a ferroelectric capacitor and a switch selection transistor exist between the bit line and the plane line, and the driving method is used to read, write, and store them in an appropriate order. Their operation is driven in the manner of the waveform diagrams of Figs. In the semiconductor memory device configured as shown in Fig. 4, the operation of writing and reading data will be described.

우선, 메모리셀(MC0)에 데이터의 기입동작은, 데이터 기입의 대상이 되는 메모리셀을 구성하는 1개의 강유전체 캐패시터에, 도.9와 같이, 서로 상반된 분극 상태(D0 or D1)중 한 상태를 각각 발생시킴으로서 이루어진다. 즉, 도.4와 6과 같이,먼저 해당 비트선을 프리차지 하고 워드선(WL0)에 동작 신호 전압을 인가하여 스위치용 선택 트랜지스터(T0)를 온 "On"상태로 한 후, 셀 플레인트선(PL0)에 동작 신호 전압을 인가하여 강유전체 캐패시터 양단간에 동작 전압을 인가한다. 이때 양단간에 인가되는 전압에 의해, 강유전체 물질 내부에, 분극현상이 발생되는데 이 분극현상에 의해 도.9의 분극 상태인 D0나 D1 중 한 개의 상태가 설정된다.First, the data write operation to the memory cell MC0 is performed by one ferroelectric capacitor constituting the memory cell to which data is written, one of the polarization states D0 or D1 opposite to each other, as shown in FIG. By generating each. That is, as shown in Figs. 4 and 6, after precharging the corresponding bit line and applying an operation signal voltage to the word line WL 0 , the switch selection transistor T0 is turned ON and then the cell plane is turned on. An operating signal voltage is applied to the trace line PL 0 to apply an operating voltage between both ends of the ferroelectric capacitor. At this time, a polarization phenomenon is generated inside the ferroelectric material by the voltage applied between both ends, and this polarization phenomenon sets one of the polarization states D0 or D1 shown in FIG.

이때, 강유전체 캐패시터 양단간에 인가되는 전압의 극성에 따라 강유전체 물질의 분극 상태가 정해진다. 즉, 도.3과 같이, 플레인트선에는 하이(Hi) 전압을, 선택 트랜지스터의 소스측 전극에 로우(Low) 전압을 인가하면, 강유전체 캐패시터(CO)의 분극 상태는, 도.9와 같이, 상향으로 되어 특성 곡선상의 분극 상태가 상태 1로 되어 데이터 "D0"가 기록된다. 반면에, 비트선과 플레이트선 각각에 그 반대의 전압을 인가하면, 도.9와 같이, 강유전체 캐패시터(C0)의 분극 상태가 하향으로 되어 특성 곡선상의 분극 상태가 상태 4로 되어 데이터 "D1"이 기록된다.At this time, the polarization state of the ferroelectric material is determined according to the polarity of the voltage applied between the both ends of the ferroelectric capacitor. That is, as shown in Fig. 3, when the high voltage is applied to the plane line and the low voltage is applied to the source electrode of the selection transistor, the polarization state of the ferroelectric capacitor CO is as shown in Fig. 9. Upwards, the polarization state on the characteristic curve becomes state 1, and data "D0" is recorded. On the other hand, when the opposite voltage is applied to each of the bit line and the plate line, as shown in Fig. 9, the polarization state of the ferroelectric capacitor C0 is downward and the polarization state on the characteristic curve is state 4, so that the data "D1" is obtained. Is recorded.

다음에는 데이터의 판독 동작에 대하여 설명한다.Next, the data reading operation will be described.

위의 기입 동작에 의해 설정된 분극 상태를 판독하기 위해서, 도.4의 비트선 (BL0, BL1)을 로우 레벨이나 기준 전압의 수준으로 프리차지 (precharge)한다. 다음, 도 7와 같이, 워드선(WL0)에 하이(Hi) 전압을 인가하여 해당 스위치용 선택 트랜지스터(T0, T1)를 온"On"시켜, 비트선과 강유전체 캐패시터를 전기적으로 연결하여 강유전체 캐패시터의 구동을 준비한다. 그 후, 셀 플레이트(CP0)에 하이 전압을 인가하여 강유전체 캐패시터를 구동시킨다.In order to read the polarization state set by the above write operation, the bit lines BL 0 and BL 1 in Fig. 4 are precharged to a low level or a reference voltage level. Next, as shown in FIG. 7, a high voltage is applied to the word line WL 0 to turn on the select transistors T0 and T1 for the switch, thereby electrically connecting the bit line and the ferroelectric capacitor to form a ferroelectric capacitor. Prepare to drive. Thereafter, a high voltage is applied to the cell plate CP0 to drive the ferroelectric capacitor.

이때 강유전체 캐패시터에 이미 존재하는 분극 상태에 따라 강유전체 내부에 분극 반전이 일어나거나 이미 존재하는 분극 상태가 그대로 유지된다. 분극 반전이 일어나는 경우는, 발생되는 전하가 상대적으로 커 D1으로 판독되고, 분극 반전이 일어나지 않은 경우는, 무시할 수 있을 만큼 미미한 전하만 발생하여, D0로 판독이 된다. 이렇게, 각기 다른 분극 상태에 따라 다른 크기로 발생한 전하가 비트선으로 전달되면서 비트선(BL0, BL1)에 각기 다른 전압이 발생되고, 이 전압은 각기 쌍을 이룬 비트선 중 맞은 편에 있는 다른 비트선(BL 0,BL 1)의 기준 전압과 비교되어, 그 전압차는 센스 앰프(S/A0, S/A1)에서 증폭된다. 이렇게 1차로 증폭된 신호는, 데이터 버스에 전달되어 데이터 버스선의 신호 증폭용 2차 증폭단을 거쳐 (DL0DL 0, DL1DL 1)출력 되는데, 이때, 데이터 버스선의 출력이 하이(Hi) 전압이면 강유전체 캐패시터가 하향 분극 상태로 된 것에 대응하여 저장된 데이터가 "D1"로 판독되고, 반대로, 데이터 버스선의 출력이 로우(Low)이면 강유전체 캐패시터가 상향 분극 상태된 것에 대응하여 저장된 데이터가 "D0"로 판독된다. 이러한, 종래의 반도체 기억 장치에서는, 도.6과 도.7과 같이 기입과, 판독 동작하고 데이터의 원래 상태로 되돌려 주는 동작으로 구동을 완료한다.At this time, depending on the polarization state already present in the ferroelectric capacitor, the polarization reversal occurs inside the ferroelectric or the existing polarization state is maintained as it is. When polarization reversal occurs, the generated charge is relatively large and is read as D1. When polarization reversal does not occur, only negligible charges are generated and are read as D0. In this way, different voltages are generated in the bit lines BL 0 and BL 1 as charges having different magnitudes are transferred to the bit lines according to different polarization states, and these voltages are located on opposite sides of the paired bit lines. Compared with the reference voltages of the other bit lines BL 0 and BL 1 , the voltage difference is amplified by the sense amplifiers S / A0 and S / A1. The first amplified signal is transmitted to the data bus and then output (DL 0 and DL 0 , DL 1 and DL 1 ) through the second amplifying stage for signal amplification of the data bus line, wherein the output of the data bus line is high (Hi). ), The stored data is read as "D1" in response to the ferroelectric capacitor being in a downwardly polarized state. On the contrary, if the output of the data bus line is low, the stored data is corresponding to that in which the ferroelectric capacitor is polarized upward. Is read as D0 ". In such a conventional semiconductor memory device, driving is completed by an operation of writing and reading and returning data to its original state as shown in Figs.

이때 비트선에 전달되는 전하량는, 비트선 용량과 강유전체 캐패시터의 용량에 의해 분할되어 결정되므로, 도.7과 같이 T1과 T2사이에 스위치용 선택 트랜지스터의 워드선에 로우(Low) 전압을 인가하여 트랜지스터를 전기적으로 차단시켜, 플레이트선에 의한 부하의 영향을 최소화시켜 비트라인에 전달되는 전하량을 극대화한다.At this time, since the amount of charge transferred to the bit line is determined by dividing by the bit line capacity and the ferroelectric capacitor capacity, a low voltage is applied to the word line of the select transistor for switching between T1 and T2 as shown in FIG. Is electrically cut off to minimize the influence of the load by the plate line to maximize the amount of charge transferred to the bit line.

마지막으로, 종래의, 강유전체 캐패시터가 적용된, 메모리의 저장 동작에 대하여 설명하고자 한다. 저장 동작은 위의 기입 동작에서 설정된 분극 상태인, 도.9와 같이, 상향 분극 상태(D0)나 하향 분극 상태(D1)로 분극을 발생시켜, 강유전체 캐패시터의 양단에 인가된 신호가 제거된 뒤에도 분극 상태가 유지가 되는 강유전체 물질의 특성을 이용하여 발생된 분극을 그대로 유지하며, 저장된 데이터를 유지하는 방법을 사용한다. 즉, 저장 기간동안 외부에서 전압을 인가하지 않으면 물질 내부의 분극 상태는 변하지 않으므로 기입 당시 저장된 데이터는 그대로 보존된다.Finally, a storage operation of a memory to which a conventional ferroelectric capacitor is applied will be described. The storage operation generates polarization in the up polarization state D0 or in the down polarization state D1, as shown in Fig. 9, which is the polarization state set in the above write operation, even after the signal applied to both ends of the ferroelectric capacitor is removed. By using the characteristics of the ferroelectric material in which the polarization state is maintained, the polarization generated is maintained as it is, and a method of maintaining the stored data is used. That is, if no voltage is applied externally during the storage period, the polarization state inside the material does not change, and thus the data stored at the time of writing is preserved.

이렇게 1차로 기입한 후, 해당 워드선인(WL0, WL1)에 로우(Low) 전압을 인가하여 스위치용 선택 트랜지스터를 (T0, T1, T2, T3) 전기적으로 차단시키면 강유전체 커패시터는 비트선(BL0, BL1)과 전기적으로 단절된다. 다음, 플레이트선을 로우(Low) 전압으로 두면, 강유전체 캐패시터의(C0, C1, C2, C3)의 양단은 각각 "Low"상태가 되어, 전원이 제거된 상태가 된다. 이때, 강유전체 캐패시터 내에는 도.9에서의 분극 상태 1 혹은 상태 4의 위치가 되어, D0나 D1의 데이터로서 잔류하게 된다. 즉, D0는 상향 분극 상태인 1에서, D1은 하향 분극 상태인 4로 잔류하게 된다.After the primary writing, a low voltage is applied to the corresponding word lines WL 0 and WL 1 to electrically cut the switch selection transistors (T0, T1, T2, and T3). It is electrically disconnected from BL 0 , BL 1 ). Next, when the plate line is placed at a low voltage, both ends of C0, C1, C2, and C3 of the ferroelectric capacitor are in the "Low" state, respectively, and the power source is removed. At this time, the ferroelectric capacitor becomes the position of polarization state 1 or state 4 in Fig. 9, and remains as data of D0 or D1. That is, D0 remains at 1, which is in an upwardly polarized state, and D1 remains at 4, which is in a downwardly polarized state.

이러한, 종래의 저장 방식은 메모리에 적용된 강유전체 캐패시터의 특성이 이상적일 경우를 상정하여 수립된 것으로, 실제 제품에서는 분극 상태가 이상적이지 못하므로 저장된 데이터는 손상되는 결과를 초래한다. 그러므로, 종래의 구동방식으로는 비 휘발성 메모리의 요구를 다 충족시켜줄 수가 없다. 결과적으로, 도.9와 같이 강유전체 특성이 곡선 (curve) 1에서 곡선 (curve) 2로 변화가 발생하여 메모리 기능을 잃어버리는 현상이 발생하게 되어 강유전체 메모리 실용화에 걸림돌로 작용하고 있다.Such a conventional storage method is established assuming that the characteristics of the ferroelectric capacitor applied to the memory are ideal. In the actual product, since the polarization state is not ideal, the stored data is damaged. Therefore, the conventional driving method cannot satisfy all the requirements of the nonvolatile memory. As a result, as shown in Fig. 9, the ferroelectric characteristic changes from curve 1 to curve 2, resulting in the loss of memory function, which is an obstacle to the practical use of the ferroelectric memory.

종래의 강유전체 메모리 장치에서는, 강유전체 메모리의 동작을 위하여 도.5와 도.6와 같은 체계에 의해, 읽기와 기입만의 기능으로 동작시켰다. 그러므로, 강유전체 캐패시터내에 저장된 데이터는, 도.9와 같이, D0는 상태 "1"에서, D1은 상태 "4"의 상태로 기록되어 그의 주변에 전원을 제거하여도 각각의 분극 상태는 보존되어 그에 해당하는 데이터를 간직한다. 그러나, 이런 방법으로 데이터를 보관하여 두면, 캐패시터에 사용하는 강유전체 물질의 열화와 강유전체 캐패시터의 구조를 이루고 있는 강유전체 물질과 상,하부 전극의 계면에서 잔류하는, 잔류 전하가 분극동작을 방해하여 저장된 데이터를 손상시킨다. 이러한 결과는 강유전체 메모리의 신뢰성을 열화시키는 결과를 가져와 메모리 기능에 문제를 발생시킨다.In the conventional ferroelectric memory device, for the operation of the ferroelectric memory, the read and write functions are operated by the schemes shown in Figs. 5 and 6. Therefore, the data stored in the ferroelectric capacitor is recorded in the state " 1 " and the state D1 in the state " 4 " as shown in Fig. 9, so that each polarization state is preserved even when power is removed from the periphery thereof. Keep the corresponding data. However, if the data is stored in this manner, the stored data may be deteriorated due to the deterioration of the ferroelectric material used for the capacitor and the residual charge remaining at the interface between the upper and lower electrodes and the ferroelectric material forming the structure of the ferroelectric capacitor. Damage. This result in deterioration of the reliability of the ferroelectric memory, which causes problems in memory function.

이러한 분극작용의 열화로, 도.9와 같이, 강유전체 캐패시터의 특성 곡선은 곡선 (curve) 1에서 곡선 (curve) 2로 변질되어, DO에 대응하는 반응과정은 상태 1과 상태 2의 특성 곡선에서 상태 1'과 상태 2'의 특성 곡선으로 변질되어, 점차 비트선에 전달되는 신호 전압이 증대된다. 그 정도가 심해지면, 비트선에 전달되는 해당 데이터 전압이 기준 수준 이상으로 높아져, D0이 D1으로 판독되는 결과가 발생한다. 반대로, D1에 대응하는 반응 과정은 상태 4와 상태 2의 특성 곡선에서 상태 4'과 상태 2'의 특성 곡선으로 변질되어, 해당 비트선 신호 전압이 감소한다. 그 정도가 심해지면, 비트선에 전달되는 해당 데이터 전압이 기준 수준 이하로 낮아져, 도.10과 같이, D1이 D0로 판독되는 결과가 발생한다. 즉, 저장된 데이터가 변질되어 각기 상반된 데이터로 판독되어 메모리의 기능에 오동작이 발생하는 것이다.Due to this deterioration of polarization, as shown in Fig. 9, the characteristic curve of the ferroelectric capacitor is changed from curve 1 to curve 2, so that the reaction process corresponding to DO is performed in the characteristic curves of state 1 and state 2. Altered by the characteristic curves of states 1 'and 2', the signal voltage transmitted to the bit line gradually increases. If the degree becomes severe, the corresponding data voltage transferred to the bit line becomes higher than the reference level, resulting in D0 being read as D1. Conversely, the reaction process corresponding to D1 deteriorates from the characteristic curves of states 4 and 2 to the characteristic curves of states 4 'and 2', so that the corresponding bit line signal voltage is reduced. If the degree becomes severe, the corresponding data voltage transferred to the bit line is lowered below the reference level, resulting in a result of reading D1 to D0 as shown in FIG. That is, the stored data is deteriorated and read as the data which are opposite to each other, thereby causing a malfunction in the function of the memory.

다시 설명하면, 강유전체 캐패시터의 열화로 인해 강유전체 캐패시터의 특성 곡선의 변화가 발생하여, 도.9의 특성 곡선 (curve) 1의 2→1→3→5→4의 궤적을 따르는 특성 곡선에서, 특성 곡선 (curve) 2의 2'→1'→4'→5'의 궤적으로 변화된다. 이러한 결과로 전체 셀 어레이의 산포는 도.10과 같은 산포의 변화를 나타낸다. 즉, 산포 곡선 (curve) 1이 산포 곡선 (curve) 2로 열화되어, 도.9와 같이, 특성 곡선 2→1이 특성 곡선 2'→1'로 변하여, D0을 위한 전압이 판독 기준 전압을 넘어서고 D1을 위한 전압은 판독 기준 전압를 밑도는 경우가 발생하게 된다. 점차 이러한 현상이 심화되어 이런 셀 수가 증대하면, 도.10과 같이, D1 데이터가 D0로, D0이 D1으로 판독되는 failbit의 수가 증가한다. 이러 현상을 임프린트에 의한 열화라고 하는데 강유전체의 저장기능을 저하시키는 핵심적인 현상이다.In other words, the characteristic curve of the ferroelectric capacitor occurs due to the deterioration of the ferroelectric capacitor, and the characteristic curve in the characteristic curve following the trajectory of 2 → 1 → 3 → 5 → 4 of characteristic curve 1 of Fig. 9 The trajectory of curve 2 '2' → 1 '→ 4' → 5 'is changed. As a result, the spread of the entire cell array exhibits a change in dispersion as shown in FIG. That is, the dispersion curve 1 deteriorates to the dispersion curve 2, so that the characteristic curve 2 → 1 changes to the characteristic curve 2 '→ 1' as shown in Fig. 9, so that the voltage for D0 changes the read reference voltage. The voltage for D1 will fall below the read reference voltage. As this phenomenon gradually worsens and the number of such cells increases, as shown in Fig. 10, the number of failbits in which D1 data is read into D0 and D0 is read into D1 increases. This phenomenon is called deterioration due to imprint, and is a key phenomenon that degrades the storage function of the ferroelectric.

이번에 발명한 반도체 장치에서는, 도.7의 기능을 추가하여, 도.9와 같이, 특성 곡선 (curve) 1에서 특성 곡선 (curve) 2로 변질되는 것을 예방하는 구동 방식인 데이터 회복(Recovery) 동작을 추가하는 것이다. 즉, 강유전체 캐패시터에 데이터가 저장되어 있는 동안 주기적 혹은 비 주기적으로 이 기능을 적용하여 임프린트의 현상을 예방하여 저장기능을 보다 완전하게 유지하는 것이다. 즉, 셀에 데이터가 기입되어 저장되고 있는 동안, 일정한 주기로 자동적으로 회복(Recovery)시켜 주거나 데이터를 읽어 다시 써 주는 기능을 통하여, 기입되는 데이터가 임프린트 현상에 의해 손상되지 않도록 구동 환경을 조성한다. 이러한 구동 조건을 강유전체 물질 특성에 따라 적절히 조절하여, 저장기능이 최상의 조건으로 유지될 수 있도록 최적화한다.In the semiconductor device according to the present invention, a data recovery operation which is a driving method which prevents the change from the characteristic curve 1 to the characteristic curve 2 as shown in FIG. 9 by adding the function of FIG. 7. To add. That is, by applying this function periodically or non-periodically while data is stored in the ferroelectric capacitor, the imprint phenomenon is prevented to maintain the storage function more completely. That is, while the data is written and stored in the cell, the drive environment is created so that the written data is not damaged by the imprint phenomenon through the function of automatically recovering or reading and rewriting data at regular intervals. These operating conditions are appropriately adjusted according to the ferroelectric material properties to optimize the storage function to be maintained at the best condition.

이렇게 데이터 회복(recovery) 주기를 최적화하여 구동시 필요한 전력소모도 줄일 수 있다. 예를 들면, 종래의 DRAM(Dynamic Random Access Memory)에서는 각각 워드선에 15.6μs마다, 각 블록은 64ms마다 데이터를 회복해 주어야 하나, 이번 발명한 메모리는 1초나 1시간, 아니, 몇 시간 주기로 데이터를 회복해 주면 되기 때문에 데이터 유지에 필요한 구동 횟수가 그만큼 감소한다. 따라서, 그 만큼 해당 소모전력을 절약할 수 있다. 더구나, 이번 발명한 메모리는 동작을 위해 대기기간 동안에 캐패시터, 양단간에 전압을 걸어줄 필요가 없어 대기 기간 동안의 누설 전류 발생이 전혀 없어, 대기 기간동안 소모 전력을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 이러한 장점을 활용하여, 종래의 DRAM과 Pseudo-SRAM 그리고 SRAM의 소모 전력보다, 현저히 낮은 전력으로 구동이 가능하다.In this way, the data recovery cycle can be optimized to reduce power consumption during operation. For example, in conventional DRAM (Dynamic Random Access Memory), each word line has to recover data every 15.6μs and each block every 64ms. However, the memory of the present invention has a data of one second, one hour, or several hours. The number of driving required for data retention is reduced by that since Therefore, the power consumption can be saved by that much. In addition, the memory of the present invention does not need to apply a voltage between the capacitor and both ends during the standby period for operation, so that no leakage current is generated during the standby period, thereby significantly reducing the power consumption during the standby period. By utilizing these advantages, it can be driven at a significantly lower power than the power consumption of conventional DRAM, pseudo-SRAM and SRAM.

또한, 종래의 DRAM이나 SRAM의 단위 셀을 이루고 있는 캐패시터의 구조가 복잡하여, 점차 제조 공정의 한계에 이르고 있는 실정이다. 즉, 종래의 메모리에서 집적도가 높아짐에 따라 단위 셀당 허용되는 면적은 감소되고, 이러한 감소되는 면적에서 동일한 캐패시터의 용량을 실현하려고 하니, 캐패시터의 높이(stack cell)나 깊이(Trench cell)가 증가하게 되어, 공정에서 많은 기술적인 문제를 안겨주고있다. 추가 설명하면, 단위 캐패시터마다 30fF 내지 25fF의 용량을 구현하기 위하여, 도 12의 40과 같이 스택 (stack) 캐패시터의 높이가 점차 높아져, 도.13과 같이, 캐패시터의 높이가 약 1.8μm정도에 이러는 실정이다. 이러한 현상은 0.1μm의 제조 공정에서 대단한 부담으로 작용하고 있다. 반면, 강유전체 캐패시터를 이용하면 이것의 높이가 0.3이나 0.5μm정도로 낮아지므로 제조 공정상 어려운 점이 해소된다.In addition, the structure of a capacitor constituting a unit cell of a conventional DRAM or SRAM is complicated, and the limit of the manufacturing process is gradually reached. In other words, as the degree of integration in a conventional memory increases, the allowable area per unit cell decreases, and in attempting to realize the same capacitor capacity in such a reduced area, the capacitor's stack cell or depth cell increases. There are many technical problems in the process. In further detail, in order to realize a capacity of 30 fF to 25 fF per unit capacitor, the height of the stack capacitor is gradually increased as shown in 40 of FIG. 12, and as shown in FIG. 13, the height of the capacitor is about 1.8 μm. It is true. This phenomenon is a great burden in the manufacturing process of 0.1μm. On the other hand, when the ferroelectric capacitor is used, the height thereof is lowered to about 0.3 or 0.5 μm, thereby eliminating difficulties in the manufacturing process.

또한, 종래의 SRAM의 단위 셀 구성은 도.2과 같이 6개의 개별 소자로서 구성되어 있다. 이는 한 개의 트랜지스터와 한 개의 캐패시터로 구성된 DRAM이나 종래의 강유전체 메모리에 비해 많은 수의 소자들로 구성되어 있어 고집적화에 걸림돌이 되고 있다. 그래서 고집적 메모리는 주로 DRAM을 중심으로 발전하여 왔고 SRAM은 주로 안정적이고 고속의 동작이 필요한 곳에서 사용되어 왔다. 이번에 발명한 메모리는, 단위 셀의 구조가 SRAM보다, 간단한 한 개의 트랜지스터와 한 개의 캐패시터로 구성되어 있어 SRAM보다 고집적화에 용이하다.In addition, the unit cell structure of the conventional SRAM is configured as six individual elements as shown in FIG. This is an obstacle to high integration because it is composed of a large number of devices compared to a DRAM composed of one transistor and one capacitor or a conventional ferroelectric memory. Therefore, high density memory has been developed mainly around DRAM, and SRAM has been mainly used where stable and high speed operation is required. The memory of the present invention is composed of one transistor and one capacitor whose unit cell structure is simpler than that of SRAM, and is easier to integrate than SRAM.

끝으로, 종래의 메모리인 DRAM, Pseudo-SRAM, SRAM, 플레쉬(Flesh)나 EEPROM들이 공통적으로 겪는, Package나 대기에서 주입되는 방사선의 일종인 알파 광입자 (αparticle이나 cosmic Ray)에 의한, 데이터 손상의 문제를 해결할 수 있다. 즉, 이번에 발명한 메모리는 이러한 입자에 내성이 강한 강유전체 물질을 적용한 것이어서 이러한 입자들이 존재하는 상황에서, 우주 공간이나 대기중에서, 안정적인 동작이 가능하다. 따라서, 종래의 메모리를 보호하기 위해 인공위성이나 우주선에서 사용하는 무겁고 두꺼운 Tungsten의 용기를 사용할 필요가 없어, 이러한 장치에 소모되는 비용을 절약할 수 있다.Finally, data damage caused by alpha light particles (αparticle or cosmic ray), which is a type of radiation injected from a package or atmosphere, commonly experienced by conventional memories such as DRAM, Pseudo-SRAM, SRAM, Flash or EEPROM. You can solve the problem. In other words, the memory of the present invention employs a ferroelectric material that is resistant to such particles, so that stable operation is possible in the presence of such particles in space or in the atmosphere. Thus, there is no need to use the heavy and thick Tungsten vessels used in satellites or spacecraft to protect conventional memory, saving the cost of such devices.

도 1은 종래의 DRAM 셀의 등가 회로,1 is an equivalent circuit of a conventional DRAM cell,

도 2는 종래의 SRAM 셀의 등가회로,2 is an equivalent circuit of a conventional SRAM cell,

도 3은 실시예의 메모리 장치의 단위 셀의 등가 회로,3 is an equivalent circuit of a unit cell of the memory device of the embodiment;

도 4는 실시예의 메모리셀 어레이 등가 회로,4 is a memory cell array equivalent circuit of an embodiment;

도 5는 실시예의 센스 앰프,5 is a sense amplifier of an embodiment,

도 6은 종래 및 실시 예의 데이터 기입 체계도,6 is a data writing scheme of a conventional and embodiment;

도 7은 종래 및 실시 예의 데이터 판독 체계도,7 is a data reading scheme of a conventional and embodiment;

도 8은 발명한 실시 예의 데이터 복구 체계도,8 is a data recovery scheme of an embodiment of the invention;

도 9는 종래의 강유전체 캐패시터의 특성 곡선,9 is a characteristic curve of a conventional ferroelectric capacitor,

도 10은 종래의 강유전체 메모리의 데이터 분포도,10 is a data distribution diagram of a conventional ferroelectric memory;

도 11은 발명한 실시 예의 메모리 저장 특성 산포 곡선,11 is a memory storage characteristic distribution curve of the invention,

도 12는 종래의 DRAM 셀의 단면도,12 is a cross-sectional view of a conventional DRAM cell,

도 13은 종래의 DRAM 셀의 캐패시터의 단면도,13 is a cross-sectional view of a capacitor of a conventional DRAM cell;

도 14는 실시 예의 캐패시터의 단면도,14 is a cross-sectional view of a capacitor of the embodiment,

도 15는 발명한 메모리셀의 등가회로.15 is an equivalent circuit of the invention memory cell.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100 : 반도체 기판10a, b: 소자 층 및 웰 영역100: semiconductor substrate 10a, b: device layer and well region

11a, b: 소자 격리 영역 12a: 드레인 영역11a, b: device isolation region 12a: drain region

12b: 소스 영역13: 게이트 산화막12b: source region 13: gate oxide film

14: 게이트 전극20, 20a, 20b: 층간 절연막14: gate electrode 20, 20a, 20b: interlayer insulating film

30a: 드레인 전극30b: 소스 콘택 플러그30a: drain electrode 30b: source contact plug

40: 캐패시터 40a, c: 하, 상부 전극40: capacitor 40a, c: lower, upper electrode

40b: 유전체용 산화막 50: 플레이트선40b: oxide film for dielectric 50: plate line

* 도면의 용어 설명 *Explanation of Terms in Drawings

WL, WL0, WL1: 게이트 컨트롤용 워드선 및 워드선 및 그의 0와 1WL, WL 0 , WL 1 : word line and word line for gate control and its 0 and 1

BL, BL0, BL1: 신호 전달용 비트선 및 비트선 및 그의 0와 1BL, BL 0 , BL 1 : Bit line and bit line for signal transmission and its 0 and 1

BL,BL 0,BL 1: 신호 판독용 기준 전압 전달용 비트선 바 및 그의 0와 1 BL , BL 0 , BL 1 : Bit line bar for transmitting reference voltage for signal reading and its 0 and 1

PL, PL0, PL1: 강유전체 캐패시터 컨트롤용 플레이트선 및 그의 0와 1PL, PL 0 , PL 1 : plate wire for ferroelectric capacitor control and its 0 and 1

M1, M2 : 인버터 회로의 NMOS 트랜지스터 1, 2M1, M2: NMOS transistors 1 and 2 of the inverter circuit

M3, M4 : 인버터 회로의 PMOS 트랜지스터 3, 4M3, M4: PMOS transistors 3 and 4 of the inverter circuit

M5, M6 : 셀 선택 트랜지스터 5, 6M5, M6: cell select transistors 5, 6

Cx, C0, C1, C2, C3 : 강유전체 캐패시터 x, 0, 1, 2, 3Cx, C0, C1, C2, C3: ferroelectric capacitors x, 0, 1, 2, 3

Tx, T0,T1, T2, T3 : 스위치용 선택 트랜지스터 x, 0, 1, 2, 3Tx, T0, T1, T2, T3: Selection transistors for switches x, 0, 1, 2, 3

MCx, MC0, MC1, MC2, MC3 : 단위 메모리셀의 x, 0, 1, 2, 3MCx, MC0, MC1, MC2, MC3: x, 0, 1, 2, 3 of unit memory cell

DL0, DL1,DL 0,DL 1: 데이터 버스선 0, 1 과 데이터 버스선 바 0, 1DL 0 , DL 1 , DL 0 , DL 1 : Data bus lines 0, 1 and data bus lines 0, 1

S/A0, S/A1 : 센스 앰프 0, 1S / A0, S / A1: Sense Amplifier 0, 1

SAE, NPL: 센스 앰프의 구동 단자, 패턴되지 않은 플레이트 단SAE, NPL: Sense amplifier drive terminals, unpatterned plate ends

SB : 작은 단위 블록SB: small unit block

D1, D0, Trec.: 데이터 1와 0, 데이터 회복 주기D1, D0, T rec. : Data 1 and 0, data recovery cycle

Vx, VCC: 강유전체 캐패시터 양단간의 인가 전압, 내부 구동 전압Vx, V CC : applied voltage across the ferroelectric capacitor, internal drive voltage

VDD, Vss : 인버터의 회로의 전원으로 VDD는 하이"Hi" 전압, Vss는 로우(Low)V DD , Vss: The power supply for the inverter circuit. V DD is high "Hi" voltage and Vss is low.

전압Voltage

DRAM, SRAM : Dynamic Random Access Memory, Static Random Access MemoryDRAM, SRAM: Dynamic Random Access Memory, Static Random Access Memory

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 반도체 기억 장치에서 메모리의 단위 셀이 강유전체 캐패시터와 스위치용 선택 트랜지스터로 구성되어 있고, 강유전체 캐패시터는 분극 현상이 발생하여 데이터를 기억하는 강유전체 막과 한 쌍의 전극으로 구성되어 있으며, 두 개의 전극중 하부 전극인 한 쪽 전극은 스위칭용 선택 트랜지스터의 소스에 연결되어 있고, 다른 한 쪽 전극은 강유전체 케패시터를 구동하는 플레이트선과 연결되어 있다. 한편, 스위치용 선택 트랜지스터의 드레인은 비트선과 접속되어 한 개의 단위 셀을 구성하고 있다. 즉, 도.3과 같이 단위 셀(MCx)은 비트선(BL), 스위치용 선택 트랜지스터(Tx), 강유전체 캐패시터(Cx), 워드선(WL) 그리고 플레이트선(PL)으로 구성되어 있다.In order to achieve the above object, in the semiconductor memory device according to the present invention, a unit cell of a memory is composed of a ferroelectric capacitor and a switch selection transistor, and the ferroelectric capacitor has a pair of ferroelectric films for storing data due to polarization phenomenon. One electrode, which is a lower electrode of the two electrodes, is connected to the source of the switching select transistor, and the other electrode is connected to a plate line for driving the ferroelectric capacitor. On the other hand, the drain of the switch selection transistor is connected to the bit line to form one unit cell. That is, as shown in Fig. 3, the unit cell MCx is composed of a bit line BL, a switch selection transistor Tx, a ferroelectric capacitor Cx, a word line WL, and a plate line PL.

이러한 단위 셀들이, 도.4와 같이, 횡(X 방향)으로 나열되어 각기 다른 비트선(BL0, BL1)에 연결 되어있고, 횡(X 방향)으로 나열된 여러 개의 셀들은 동일한 워드선과 플레이트선들에 (WL0, PL0)각각 접속되어, 한 개의 소 블록(SB)을 형성한다. 이러한 소 블록이, 도.4와 같이, 종(Y 방향)으로 배열되어 각각의 비트선마다 여러 개의 스위치용 선택 트랜지스터가 병렬로 연결되어 하나의 큰 블록을 형성한다.These unit cells are arranged horizontally (X direction) and connected to different bit lines BL 0 and BL 1 , as shown in FIG. 4, and several cells listed horizontally (X direction) have the same word line and plate. (WL 0 , PL 0 ) are connected to the lines, respectively, to form one small block SB. These small blocks are arranged in the longitudinal direction (Y direction) as shown in Fig. 4, and several switching select transistors for each bit line are connected in parallel to form one large block.

한 개의 큰 블록에서, 각각 다른 비트선이 종(Y 방향)으로 연장되어 한 개의 큰 블록의 비트선들을 형성하고, 각각의 비트선(BL0, BL1)은, 도.5의 센스 앰프 (S/A)의 비트선(BL)과 연결되는 반면, 센스 앰프(S/A)의 다른 전극은 기준 전압을제공하는 기준 전압 비트선 바(BL)에 연결되어, 한 쌍의 비트선을 구성한다. 기준 전압을 제공하는 비트선 바(BL)는 기준 전압 발생용 회로에 연결되어 있다. 이 한 쌍의 비트선(BL,BL)은 오픈(Open) 비트선 구조나 폴디드(Folded) 비트선 구조로 회로 동작의 최적화 추구한다.In one large block, each bit line extends longitudinally (Y direction) to form one large block bit line, and each bit line BL 0 , BL 1 is a sense amplifier (Fig. 5). The other electrode of the sense amplifier S / A is connected to the reference voltage bit line bar BL , which provides a reference voltage, while being connected to the bit line BL of S / A, forming a pair of bit lines. do. The bit line bar BL providing the reference voltage is connected to the circuit for generating the reference voltage. The pair of bit lines BL and BL seeks to optimize circuit operation in an open bit line structure or a folded bit line structure.

본 발명에 관한 반도체 기억 장치에 의하면, 도.4와 같이, 플레이트선은 플레이트선을 구동하는 신호 발생기에 접속되어, 데이터를 읽은 동작에 필요한, 신호를 공급하는 회로로 연결되어 있고, 도.4에 도.5가 연결되어 한 개의 센스 회로를 구성한다. 이러한 센스 앰프가 도.4와 같이 한 개이상 나열되어(S/A0, S/A1) 한 개의 큰 블록을 구성한다. 각각의 센스 앰프의 출력단은 데이터 버스선(DLx,DLx)과 연결되어 있고, 셀 어레이 쪽에는 비트선과 스위치용 선택 트랜지스터와 연결되어 있어 강유전체 캐패시터에서 발생된 데이터 신호는 센스 앰프의 입력단으로 입력되어 센스 앰프에 의해 증폭되어 선택된 데이터 버스선을 통하여 출력단으로 나아간다.According to the semiconductor memory device according to the present invention, as shown in Fig. 4, the plate line is connected to a signal generator for driving the plate line, and connected to a circuit for supplying a signal necessary for the operation of reading data. Fig. 5 is connected to form one sense circuit. One or more such sense amplifiers are arranged as shown in Fig. 4 (S / A0, S / A1) to form one large block. An output terminal of each sense amplifier is connected with the data bus line (DLx, DL x), the cell array side is a data signal generated in the ferroelectric capacitor is associated with a selection transistor for bit line switches are input to the input terminal of the sense amplifier Amplified by the sense amplifier and advanced to the output through the selected data bus line.

또한, 도.4의 워드선(WL0, WL1)은 각각 워드선 선택 회로와 워드선에 신호를 입력하는 신호 발생기와 신호 발생기의 구동을 명령하는 제어 회로와 연결되어 있고, 플레이트선도, 워드선과 같은 방식으로, 플레인트선택 회로와 구동회로 그리고 구동을 명령하는 제어 회로로 연결되어 있다.In addition, the word lines WL 0 and WL 1 in Fig. 4 are respectively connected to a word line selection circuit and a signal generator for inputting signals to the word line and a control circuit for commanding the drive of the signal generator. In the same way as the line, it is connected to the plate select circuit, the drive circuit and the control circuit which commands the drive.

신호 발생기는, 단위 셀에서 발생하는 데이터 신호의 크기를 최적화할 수 있도록, 신호의 모양이며 주기를 조절할 수 있어야 하며, 구동을 명령하는 제어 회로 또한 단위 셀에서 발생하는 신호의 크기를 최적화할 수 있도록 필요한 시간을 조절하여야 한다.The signal generator should be able to adjust the shape and period of the signal so as to optimize the size of the data signal generated in the unit cell, and the control circuit for commanding the drive may also optimize the size of the signal generated in the unit cell. The time required must be adjusted.

이러한 큰 블록이 여러 개 모여 한 개의 메모리 제품을 구성하므로 이때에도 전체 구동조건에 맞게 블록의 위치며 연결선의 배치 및 전체적인 구성을 최적화하여야 한다. 최적화 기준은 구동 시간, 소모 전력 그리고 차지하는 면적을 기준으로 구동에 필요한 회로의 선택, 공동사용을 고려할 수 있다. 공동의 사용 대상으로는 신호발생기, 센스앰프...등이다.Since these large blocks are gathered together to form a memory product, the location of the blocks, the arrangement of the connection lines, and the overall configuration of the block must be optimized according to the overall driving conditions. Optimization criteria can consider the choice of circuits needed for driving, and shared use, based on drive time, power consumption and footprint. Common uses include signal generators, sense amplifiers ...

(동작)(action)

본 발명에 이용한 반도체 메모리 장치의 구조 및 그 구동 방식에서, 판독과 기입 방식은, 도.5와 6와 같이, 종래의 방식과 동일한 방식으로 구동하면 된다. 이번 발명에서 구현하고자 하는 것은 저장된 데이터를 보다 완전하게 회복하여 저장하는 방식에 관한 것이다.In the structure of the semiconductor memory device and the driving method thereof used in the present invention, the reading and writing method may be driven in the same manner as the conventional method, as shown in Figs. What is going to be implemented in the present invention relates to a method of recovering and storing the stored data more completely.

우선, 판독의 방식을 보면, 도.7과 같이, 비트선을 먼저 프리차지 (precharge)하여, 데이터를 판독하기 전 대기 상태의 수준으로, 비트선의 전압을 잡아준다. 이러한 비트선 상태에서 T0와 T1동안 워드선에 하이(Hi)를 인가하여 스위치용 선택 트랜지스터를 온 "On"상태로 하여 강유전체 캐패시터와 비트선을 전기적으로 접속 시켜준다. 그런 다음, 플레이트선에 하이(Hi)를 인가하여 강유전체 물질의 분극현상을 발생시킨다. 이때, 도.9와 같이 저장되어 있는 데이터가 D0인 경우는 도.9의 상태 1로 부터 상태 2의 경로를 따라 반응 하게되고, 반면, D1은 상태 4로 부터 상태 2를 거쳐 상태 1로 반응하게 된다. 이렇게 하면 D0의 경우는 상태 1과 상태 2차이 만큼 전하가 발생하게 되고, D1의 경우는 상태 1과 상태 4의 차이만큼 전하가 발생하여 D0보다는 D1이 비트선에 많은 전하를 전달하여, 이때 인가되는 비트라인의 전압의 크기를 읽어 D0와 D1으로 판독하게 된다.First, in the reading method, as shown in Fig. 7, the bit line is precharged first, and the voltage of the bit line is held at the level of the standby state before reading the data. In this bit line state, a high (Hi) is applied to the word line during T0 and T1 to turn on the switch selection transistor to an "on" state to electrically connect the ferroelectric capacitor and the bit line. Then, high (Hi) is applied to the plate line to generate polarization of the ferroelectric material. In this case, when the data stored as shown in FIG. 9 is D0, it reacts along the path of state 2 from state 1 of FIG. 9, while D1 reacts to state 1 through state 2 from state 4 Done. In this case, in the case of D0, charges are generated as much as the difference between state 1 and state. In case of D1, charges are generated by the difference between state 1 and state 4, so that D1 transfers more charge to the bit line than D0. The voltage level of the bit line is read and read into D0 and D1.

이렇게 전하가 전달되는 경우 강유전체 캐패시터와 비트선의 캐패시터 용량에 따라 전달되는 전하량이 달라지므로, 도.9와 같이 T1과 T2사이에 워드선을 잠시 전기적으로 차단시켜, 플레이트선에 병렬로 연결되어 있는 여러 개의 강유전체 캐패시터의 부하에의한 영향을 최소화할 수 있어, 비트선에 전달되는 전하를 최대화할 수 있다. 비트선에 전달된 미세한 전압은 T2와 T3 동안에 센스 앰프에의해 판독되어 증폭되고 D1은 하이(Hi)인 VDD수준을 향해, D0는 로우 (Low)인 Vss수준을 향해 증폭된다. 이렇게 증폭된 신호는 데이터 버스선으로 전달되고, 이 신호는 선택된 데이터 버스선의 증폭단을 거쳐 출력으로 외부에 전달된다.When the charge is transferred in this way, the amount of charge transferred varies depending on the capacitance of the ferroelectric capacitor and the bit line. Thus, as shown in FIG. 9, the word line is electrically interrupted between T1 and T2 for a short time to connect the multiple lines connected in parallel to the plate line. The influence of the load on the two ferroelectric capacitors can be minimized, thereby maximizing the charge transferred to the bit line. The minute voltage delivered to the bit line is read and amplified by the sense amplifier during T2 and T3, D1 is amplified toward the high V DD level, and D0 is amplified toward the low Vss level. The amplified signal is transmitted to the data bus line, and the signal is transmitted to the output through the amplification stage of the selected data bus line.

다음, 기입 동작을 보면, 도.6과 같이, 비트선을 먼저 프리차지 (precharge)한 상태에서 선택된 비트선을 로우(Low) 전압으로 인가하고 워드선에 하이(Hi) 전압을 인가하면 강유전체 캐패시터의 하부 전극이자 스위치용 선택 트랜지스터의 소스에 로우(Low) 전압이 인가된다. 이때 플레이트선에 구동 신호인 하이(Hi)를 인가하면 상향 분극 상태가 되어, 도.9와 같이, 분극 상태가 상태 1 위치가 되어 D0이 기록되며, 반대로, 도.6과 같이, 플레이트선을 로우(Low) 전압으로 인가하고 비트선을 하이(Hi) 전압으로 인가한 후 워드선을 하이(Hi)로 하면, 강유전체 캐패시터의 하부 전극은 비트선과 전기적으로 연결되어 강유전체 캐패시터의 분극 상태는 도.6과 같이 하향 분극 상태인 상태 4의 위치가 되어 D1이 기록된다.Next, in the write operation, as shown in FIG. 6, when the selected bit line is pre-charged and the high voltage is applied to the word line, the ferroelectric capacitor is applied. A low voltage is applied to the bottom electrode of and the source of the switch selection transistor. At this time, if the driving signal Hi is applied to the plate line, the state becomes upward polarization. As shown in Fig. 9, the polarization state becomes the state 1 position, and D0 is recorded. If the word line is made high after applying the low voltage and applying the bit line to the high voltage, the lower electrode of the ferroelectric capacitor is electrically connected to the bit line, so that the polarization state of the ferroelectric capacitor is shown in FIG. As shown in Fig. 6, the position becomes the position of state 4 in the downward polarization state, and D1 is recorded.

다음, 이번의 발명한 동작인 저장 데이터 회복 동작을 설명하기로 한다.도.7과 같이, 워드선에 하이(Hi) 전압을 인가하고, 플레이트선에도 하이(Hi) 전압을 인가해 주면, 도.9와 같이, D0는 곡선 (curve) 1상의 상태 1로부터 상태 2로의 특성 곡선을 따라 동작을 하게 되고, 반면, D1은 곡선 (curve) 1상에서 상태 4로 부터 상태 2를 거쳐 상태 1로 특성 곡선을 따라 동작한다. 이 과정에서 D0, D1은 각각 강유전체 물질의 분극 상태에 따라 각기 다른 양의 전하를 비트선에 전달하는데, 이렇게 전달된 전하는 비트선에 각기 다른 수준의 전압을 발생시킨다. 도.8의 T1과 T2사이의 구간이 이 동작을 나타내는데, 이 기간은 데이터 회복(Recovery)을 위해 대단히 중요한 역할을 한다. 이 구간의 타이밍을 조절하면, D1이나 D0상태에서 발생하는 임프린트(Imprint)현상을 최소화할 수 있기 때문이다. 실험적으로, 강유전체 캐패시터에 저장된 데이터의 손상은, 오랫동안 D1이나 D0을 저장한 후 상반된 분극 상태로 전환한 뒤 데이터를 판독할 경우, 임프린트 영향을 받아 D0 데이터는 증가하고 D1은 감소하는 방향으로 열화가 일어난다. 그러므로, 이 구간을 최대한 조절하여 D1이나 D0에서 오랫동안 같은 분극 상태로 데이터를 저장하는 것을 방지하여, 그 에의한 데이터 손상을 방지한다. 이번 발명의 핵심은 여기에 있다. 이 구간 동안 비트선에 발생한 신호는, 도.8과 같이 T2와 T3의 기간동안 D0는 로우(Low)상태로, D1은 하이(Hi) 상태로 증폭되어, 센스 앰프의 구동 전압인 VDD과 Vss의 전압 수준까지 충분히 증폭된다. 데이터 회복(Recovery) 동작에서는 증폭신호의 수준을 적절히 조절하여 주는 것이 데이터 신호를 회복하는데 대단히 중요하다. 왜냐하면, T3과 T4의 구간에서 강유전체 캐패시터에 분극 상태인 상태 1이나 상태 4로 만들기에 충분히 높은 전압이어야 하기 때문이다. 즉, 이 구간동안, 플레이트선에 로우(Low) 전압이, 비트선에 하이(Hi) 전압을 인가하여 강유전체 캐패시터 양단에 전압을 인가하면, 도.3과 같이, 강유전체 캐패시터 양단에 -Vx가 인가되는 결과가 된다. 결과적으로, T3과 T4기간동안 데이터가 재 기입되어, 도.9와 같이, D0의 셀은 상태 3에서 상태 1로 분극 상태가 복원되어 D0상태로 환원되고, 반면, D1은 상태 1로부터 상태 5를 거쳐 분극 상태가 상태 4로 되어 D1이 다시 복원되어 기입된다. 이런 전 과정, T0으로 부터 T4까지, 을, Data를 다시 새롭게 한다 하여, 데이터 회복(Recovery)라고 한다. 이 데이터 회복 (Data Recovery)기능을 추가하여 저장된 데이터를 주기적으로 새롭게 하여 저장 상태를 양호하게 보존하는 것이 이번 발명의 핵심이다.Next, the storage data recovery operation, which is the present invention, will be described. As shown in Fig. 7, a high voltage is applied to a word line and a high voltage is also applied to a plate line. As in .9, D0 acts along the characteristic curve from state 1 to state 2 on curve 1, while D1 characterizes state 1 through state 2 through state 2 on curve 1 Run along the curve. In the process, D0 and D1 respectively transfer different amounts of charge to the bit lines according to the polarization state of the ferroelectric material. The transferred charges generate different levels of voltage on the bit lines. The interval between T1 and T2 in Fig. 8 represents this operation, which plays a very important role for data recovery. This is because by adjusting the timing of this section, the imprint phenomenon occurring in the D1 or D0 state can be minimized. Experimentally, data corruption stored in ferroelectric capacitors is degraded in the direction that D0 data increases and D1 decreases due to imprint effect when data is read after switching to the opposite polarization state after storing D1 or D0 for a long time. Happens. Therefore, this section is adjusted as much as possible to prevent the data from being stored in the same polarization state for a long time in D1 or D0, thereby preventing data corruption. The core of this invention is here. The signal generated on the bit line during this period is amplified to D0 in a low state and D1 in a high state during the periods of T2 and T3 as shown in Fig. 8, and the driving voltage of the sense amplifier is V DD . It is fully amplified to the voltage level of Vss. In the data recovery operation, it is very important to properly adjust the level of the amplified signal to recover the data signal. This is because the voltage must be high enough to make the polarization state 1 or state 4 in the period between T3 and T4. That is, during this period, when a low voltage is applied to the plate line and a high voltage is applied to the bit line to apply the voltage across the ferroelectric capacitor, -Vx is applied across the ferroelectric capacitor as shown in FIG. Results. As a result, data is rewritten during the periods T3 and T4, and as shown in Fig. 9, the cell of D0 is restored from the state 3 to the state 1 and the state is reduced to the state D0, while D1 is restored from the state 1 to the state 5. Through this, the polarization state becomes state 4, and D1 is restored and written again. This entire process, from T0 to T4, is called data recovery by refreshing the data again. The core of the present invention is the addition of this data recovery function, which periodically refreshes the stored data to preserve the state of storage.

(실시예)(Example)

본 발명의 실시 예에 관한 반도체 기억 장치의 구조 및 그 구동 방식에 대하여 도 4∼도.11을 참조하여 설명한다. 도.4는 워드선, 플레이트선 그리고 비트선 각각 2개 라인으로 구성된 2 X 2 어레이 (array)로 구성되어 있다. 두 개의 비트선이 존재하고 각각 비트선마다 2개의 스위치용 선택 트랜지스터(MC0, MC2)가 종(Y방향)으로 동일한 비트선에 병렬로 연결되어 있고, 병렬로 연결된 각각 스위치용 선택 트랜지스터의 소스에 강유전체 메모리(C0, C2)가 각각 연결되어 있으며 각각의 캐패시터는 각기 다른 플레이트선(PL0, PL1)과 연결되어 있다. 이렇게 종(Y방향)으로 한 개의 열을 이루고 있고, 이러한 열이 횡(X방향)으로 한 개 이상 나열되어 한 개의 큰 블록을 이룬다.The structure and driving method thereof of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. Fig. 4 is composed of a 2 × 2 array composed of two lines, a word line, a plate line and a bit line. There are two bit lines, and two switch select transistors MC0 and MC2 for each bit line are connected in parallel to the same bit line in the longitudinal direction (Y direction). Ferroelectric memories C0 and C2 are connected, and each capacitor is connected to different plate lines PL 0 and PL 1 . Thus, one row is formed in the longitudinal direction (Y direction), and one or more rows are arranged in the horizontal direction (X direction) to form one large block.

한편, 도.4와 같이 횡(X방향)으로 워드선과 플레이트선(WL0와 PL0, WL1와 PL1)이 각각 한 쌍을 이루며 나란히 배열되어 각각 행을 이루고, 한 쌍마다 스위치용 선택 트랜지스터와 강유전체 캐패시터(MC0와 C0, MC1과 C1)가 각각 횡(X 방향)으로 나열되어 접속되어 있다. 이때 스위치용 선택 트랜지스터의 드레인은 각기 다른 비트선(BL0혹은 BL1)과, 소스는 강유전체 전극의 한 쪽 전극에 연결되어 있으며, 강유전체 캐패시터의 다른 한 쪽 전극의 각각은 플레이트선(PL0혹은 PL1)에 접속되어 있다. 이 단위 셀이 횡(X 방향)으로 2개씩 (MC0와 C0, MC1과 C1) 한 개의 행을 이루고 있고, 또 다른 단위 셀들인 MC2와 C2, MC3와 C3는 또 다른 행을 이루어, 두 개의 행이 종(Y방향)으로 병렬로 형성되어 있다. 이러한 메모리 구성이 짝수 개의 비트선을 형성하고, 짝수 개의 워드선 및 플레이트선을 형성하여 한 개의 큰 블록을 구성하고 있으며, 복수개의 블록이 여러 개 구성되어 전체 메모리를 구성한다. 이렇게 형성된 메모리 어레이에서 비트선은 센스 앰프를 거쳐 데이터 버스선의 신호 증폭단을 거쳐 출력으로 전달된다.On the other hand, as shown in Fig. 4, the word line and the plate line (WL 0 and PL 0 , WL 1 and PL 1 ) are arranged side by side in a row, each in a row, and each pair is selected for a switch in a horizontal (X direction) direction. The transistors and ferroelectric capacitors MC0 and C0, MC1 and C1 are arranged side by side in the X direction. At this time, the drain of the select transistor for the switch has a different bit line (BL 0 or BL 1 ), the source is connected to one electrode of the ferroelectric electrode, each of the other electrode of the ferroelectric capacitor is a plate line (PL 0 or PL 1 ). These unit cells form one row horizontally (in the X direction) (MC0 and C0, MC1 and C1), and another unit cell, MC2 and C2, MC3 and C3, forms another row. It is formed in parallel with this species (Y direction). Such a memory configuration forms an even number of bit lines, an even number of word lines and a plate line to form one large block, and a plurality of blocks constitutes an entire memory. In the memory array thus formed, the bit line is transferred to the output via the sense amplifier and the signal amplifier of the data bus line.

그러면, 실시 예에 대한 반도체 메모리 기억 장치에 관한 데이터 기입하는 동작과 읽기 및 저장 방법에 대하여 설명하기로 한다.Next, an operation of writing data and a reading and storing method of the semiconductor memory device according to the embodiment will be described.

먼저, 기입하는 동작에 관하여는, 먼저 도.4의 제 1열에서 메모리셀의 소 블록(SB)내의 메모리셀(MC0)의 강유전체 캐패시터(C0)에 데이터를 기입하는 경우에 대하여 설명하고자 한다. 데이터를 기입하는 경우 스위치용 선택 트랜지스터 게이트(WL0)에 하이(Hi) 수준의 신호 전압을 인가하여 스위치용 선택 트랜지스터를 온"On" 상태로 한다. 이때 1열의 스위치용 선택 트랜지스터 "MC1"도 동시에 온 "On"상태로 되어 강유전체 캐패시터인 C0, C1이 각각 비트선 BL0와 BL1과 전기적으로 연결되어 비트선과 플레이트선의 전위상태에 따라 상향 분극 상태인 D0이 되거나, 하향 분극 상태인 D1으로 기입된다. 즉, 도.6과 같이, 강유전체 캐패시터의 하부 전극이 접속되어 있는, 스위치용 선택 트랜지스터의 소스는 비트선의 전위와 동일한 전위인 로우(Low) 전압으로 지정되고, 그 캐패시터의 상부 전극과 접속되어 있는 플레이트선은 하이(Hi) 전압으로 지정되어, 강유전체 캐패시터가 상향 분극 상태가 되어 D0이 기입된다. 반면, 상부 전극인 플레이트선이 로우(Low) 전압으로 프리차지 (precharge)된 상태에서 하부 전극엔 선택 트랜지스터를 통하여 비트선의 하이 (Hi) 전압이 인가되면, 강유전체 캐패시터는 하향 분극 상태로 전환되어 D1 상태가 기입된다.First, the writing operation will first be described in the case where data is written into the ferroelectric capacitor C0 of the memory cell MC0 in the small block SB of the memory cell in the first column of FIG. When writing data, a high voltage signal voltage is applied to the switch select transistor gate WL 0 to turn the switch select transistor on. At this time, the switch selection transistors "MC1" for one column are also turned on at the same time. On, the ferroelectric capacitors C0 and C1 are electrically connected to the bit lines BL 0 and BL 1 , respectively, so that the polarization state is upward depending on the potential state of the bit lines and the plate lines. Is D0, or is written as D1, which is in a downward polarization state. That is, as shown in Fig. 6, the source of the switch selection transistor, to which the lower electrode of the ferroelectric capacitor is connected, is designated at a low voltage which is the same potential as the potential of the bit line, and is connected to the upper electrode of the capacitor. The plate line is designated with a high voltage, so that the ferroelectric capacitor is in an upward polarization state and D0 is written. On the other hand, when the high voltage of the bit line is applied to the lower electrode through the select transistor in the state where the plate line, which is the upper electrode, is precharged to the low voltage, the ferroelectric capacitor is converted to the downward polarization state to D1. The state is written.

이러한 분극현상에 의해, C0에는 D0 혹은 D1이 기입되는데, 1열에 있는 다른 캐패시터인 C1에는 BL1에 플레이트선과 동일한 전압을 인가하여, 분극 현상이 일어나지 않도록 전기적인 조건을 인가하여 C1에 저장되어 있는 데이터는 변화가 없이 그대로 유지한다. 즉, BL0에 로우(Low) 전압을, BL1에는 하이(Hi) 전압으로 프리차지 (precharge)하고 플레이트선에 하이(Hi) 전압을 인가한 후, 워드선"WL0"에 하이(Hi) 전압을 인가하면, 스위치용 선택 트랜지스터인 CM0, CM1이 동시에 온 "On" 되면서, C0에는 D0이 되어 저장되어 있는 데이터에는 변화가 없다.Due to this polarization phenomenon, D0 or D1 is written to C0. The other capacitor C1 in column 1 is applied to BL 1 with the same voltage as the plate line, and electrical conditions are stored in C1 to prevent polarization. The data remains unchanged. That is, after a low voltage is applied to BL 0 , a high voltage is applied to BL 1 , a high voltage is applied to the plate line, and then a high voltage is applied to the word line “WL 0 ”. When voltage is applied, the switch selection transistors CM0 and CM1 are turned on at the same time, and C0 becomes D0 and there is no change in the stored data.

한편, 도.4의 2열중 C3에 D1을 기입하고자 하는 경우, 도.6과 같이 BL0는 로우(Low) 전압으로, BL1은 하이(Hi) 전압으로 프리차지 (precharge)한 후, 해당 플레이트선인 PL1에 로우(Low) 전압으로 인가한다. 다음, 2열의 워드선인 WL1에 하이(Hi) 전압을 인가하면, 먼저 인가된, 비트선과 플레이트선 간의 전압 차에 의해 C3은 하향 분극 상태가 되어 C3에는 D1이 기록되고, C2에는 양단간에 전압 차가 없어 기입동작이 발생하지 않는다. 한편, 비트선 BL0에는 하이(Hi) 전압으로, BL1은 로우(Low) 전압을 인가하고, 플레이트선에는 하이(Hi) 전압으로 인가한 후, 해당 워드선인 WL1에 하이(Hi) 전압을 인가하면 C3에 상향 분극현상을 나타나게 되어 D0이 입력된다.On the other hand, to write D1 to C3 in the two columns of Fig. 4, BL 0 is a low voltage, BL 1 is precharged to a high voltage, as shown in Fig. The low voltage is applied to PL 1 , the plate line. Next, when a high voltage is applied to the word lines WL 1 of two columns, the voltage difference between the bit line and the plate line, which is applied first, causes C3 to be in a downward polarization state, so that D1 is written to C3, and voltage between C2 is applied to C2. There is no difference, so writing operation does not occur. On the other hand, after applying a high voltage to the bit line BL 0 and a low voltage to BL 1 and applying a high voltage to the plate line, the high voltage is applied to the corresponding word line WL 1 . When is applied, upward polarization phenomenon appears at C3, and D0 is input.

다음에, 읽기 동작에 관하여 설명하기로 한다. 먼저, 도.4의 1열에서 C0의 데이터를 읽는 동작에 대하여 설명하자. 도.7과 같이, 먼저, 비트선 BL0와 BL1을 프리차지 (precharge) 상태인 로우(Low) 전압으로 잡아준다. 다음, 해당 워드선인 WL0에 하이(Hi)를 입력하여 강유전체의 하부 전극인 스위치용 선택 트랜지스터의 소스와 비트선을 전기적으로 연결시킨다. 마지막으로, 플레이트선에 하이(Hi)를 인가하면 강유전체 캐패시터의 상부 전극에는 하이(Hi) 전압이, 하부 전극에는 로우(Low) 전압이 인가되어, 도.9와 같이, 강유전체 캐패시터의 분극반응 상태가 D0은 상태 1에서 상태 2의 경로를 따라 반응하고, D1은 상태 4에서 2를 거쳐 1의 경로를 따라 반응하게 된다. 따라서, D0은 적은 전하를 발생하고 D1은 상대적으로 많은 전하를 발생하게 되어, 적은 전하는 D0으로, 많은 전하는 D1로 판독된다. 이러한 과정을통하여 C0에 데이터가 판독되고 나면, 원래 저장되어 있던 분극 상태인 D0의 분극 상태는 변화가 없으나 D1의 분극 상태는 반전된다. 즉, D1은 D0의 상태로 변화된다.Next, the read operation will be described. First, the operation of reading the data of C0 in the first column of Fig. 4 will be described. As shown in Fig. 7, first, bit lines BL 0 and BL 1 are set to a low voltage in a precharge state. Next, a high input Hi is applied to the word line WL 0 to electrically connect the bit line and the source of the select transistor for the switch, which is a lower electrode of the ferroelectric. Finally, when high is applied to the plate line, a high voltage is applied to the upper electrode of the ferroelectric capacitor and a low voltage is applied to the lower electrode. As shown in Fig. 9, the polarization reaction state of the ferroelectric capacitor is performed. D0 reacts along the path of state 2 in state 1 and D1 reacts along the path of 1 through state 2 in state 4. Thus, D0 produces less charge and D1 generates relatively more charge, so that less charge is D0 and more charge is read as D1. After the data is read to C0 through this process, the polarization state of the originally stored polarization state D0 remains unchanged, but the polarization state of D1 is reversed. That is, D1 changes to the state of D0.

이때, 원래의 데이터를 복원하기 위해 재 기입(Rewrite)하는 과정을 통하여 데이터를 다시 기입하여야 한다. 이 동작이 도.7의 T1과 T3사이에서 이루어진다. 즉, T1과 T2사이에서 데이터 신호가 비트선에 전달된 후, 센스 앰프에 의해 D1 데이터 신호는 하이(Hi)인 VDD를 향해 증가하고 D0 데이터 신호는 Vss의 전압을 향해 감소된다. 다음, T2와 T3사이에서 충분히 증폭된 신호들이, 스위치용 선택 트랜지스터를 통하여 그것의 소스와 연결되어 있는, 강유전체 캐패시터의 하부 전극에 인가된다. 이때, 캐패시터의 다른 전극인 플레이트선은 로우(Low) 전압으로 인가되어 있어, 도.3에 -Vx가 인가된다. 이 과정에서 D0은, 도.9와 같이, 분극 상태의 상태 1을 유지하고, D1은 상태 1→3→5→4의 경로를 통하여 재 자리로 되돌아 오게된다. 이렇게 판독 과정에서 파괴된 데이터는 재 기입되어 복원된다.At this time, the data must be rewritten through a process of rewriting to restore the original data. This operation is performed between T1 and T3 in FIG. That is, after the data signal is transferred to the bit line between T1 and T2, the D1 data signal is increased toward V DD which is high by the sense amplifier and the D0 data signal is reduced toward the voltage of Vss. The signals amplified sufficiently between T2 and T3 are then applied to the bottom electrode of the ferroelectric capacitor, which is connected to its source via a switch select transistor. At this time, the plate line, which is another electrode of the capacitor, is applied at a low voltage, and -Vx is applied to FIG. In this process, D0 maintains state 1 in a polarized state, as shown in Fig. 9, and D1 returns to its position through the path of states 1 → 3 → 5 → 4. The data destroyed in the reading process is rewritten and restored.

다음은, 실시 예에서 저장된 데이터의 회복 기능에 대하여 설명하기로 한다. 강유전체 캐패시터의 C2에 데이터를 저장하고 있는 동안 도.4와 같이 데이터 회복(Recovery)기능을 수행하는 것을 포함한다. 이 기능은 도.8과 같은 방법으로 가능하다. 이 기능과 판독과 다른 점은, 앞에서 설명한 것과 같이, 판독은 저장된 데이터를 가능한 한 빠르게 판독할 수 있도록 구동하여야 하므로 도.7의 T0에서 T4까지 모든 구간을 가능한 한 짧게 진행해야 한다. 반면, 데이터 회복(Recovery) 기능은, 도.8의 T1과 T2사이에 발생하는, 분극 상태의 반전(D1↔D0)에서 임프린트가예방되므로 이 구간을 조절하여 분극기능이 최대한 유지되도록 조절하여야 한다. 또한, 분극 기능 회복을 위해서는, 캐패시터 양단간에 충분한 수준의 전계가 인가되어야 하므로 비트선에 충분한 전압이 인가되도록 T3과 T4 구간도 최적화하여야 한다. 즉, 증폭된 비트선 신호의 수준이, VDD이나 Vss의 전압의 수준으로, 충분히 증폭될 수 있도록 T2와 T3구간을 조절해 줘야한다.Next, a recovery function of the data stored in the embodiment will be described. While the data is stored in the ferroelectric capacitor C2, the data recovery function is performed as shown in FIG. This function is possible in the same manner as shown in FIG. The difference between this function and the readout is that, as described above, the readout must be driven to read the stored data as quickly as possible, so that all sections from T0 to T4 in Fig. 7 should be made as short as possible. On the other hand, since the imprint is prevented at the inversion of the polarization state (D1↔D0) occurring between T1 and T2 of FIG. 8, the data recovery function should be adjusted to maintain the polarization function as much as possible. . In addition, in order to restore the polarization function, a sufficient electric field must be applied between the both ends of the capacitor, and thus, the T3 and T4 sections must be optimized so that sufficient voltage is applied to the bit line. That is, the level of the amplified bit line signal should be adjusted to the level of the voltage of V DD or Vss so that the sections T2 and T3 can be sufficiently amplified.

일반적으로, 종래의 메모리에서는 판독의 동작 중 비트선의 신호가 비트선 센스 앰프에 의해 VDD과 Vss 전압까지 충분히 증폭되지 못한다. 이는 센스 앰프를 구성하는 트랜지스터의 면적이 적어 한정된 면적에서 충분히 큰 전류를 구현할 수 없기 때문이다.In general, in conventional memory, the bit line signal is not sufficiently amplified to the V DD and Vss voltages by the bit line sense amplifier during the read operation. This is because the transistors constituting the sense amplifier are small in size, so that a sufficiently large current cannot be realized in a limited area.

예를 들어, C2에 D0이 기록되어 있다고 하자. 도.8과 같이 도.4의 BL0와 BL1을 프리차지 (precharge)한 후, 스위치용 선택 트랜지스터의 워드선에 하이(Hi) 전압을 인가하여 온 "On"상태로 하고, 플레이트선에도 하이(Hi) 전압을 인가하면, 도.8과 같이, 강유전체 캐패시터인 C2에 저장되어 있는 데이터가 판독된다. 이때 도.8의 T1과 T2 기간 동안 비트선에 거의 무시할 수 있는 미미한 신호만 발생되어, 다음 단계인 T2와 T3기간 동안 비트선(BL)에는 로우(Low)신호가, 기준 전압용 비트선 바(BL)에는 기준 전압이 인가되어, 비트선(BL)의 전압이 기준 전압 이하로 인지되어, 비트선(BL)의 수준이 Vss 전압으로 접근한다. 결과적으로, 도.8과 같이, 비트선(BL)은 D0의 전위가 된다. 이때, 도.9와 같이, 강유전체 캐패시터에는 분극 상태의 상태 3에서 상태 1로 동작이 전개되어 C2의 D0상태에는 변화가 발생하지 않는다.For example, assume that D0 is recorded in C2. As shown in Fig. 8, after pre-charging BL 0 and BL 1 in Fig. 4, a high voltage is applied to the word line of the switch select transistor to make it ON, and the plate line is also turned on. When a high voltage is applied, as shown in Fig. 8, the data stored in the ferroelectric capacitor C2 is read. At this time, only a negligible signal is generated in the bit line during the periods T1 and T2 of FIG. (BL) is applied to the reference voltage, the voltage of the bit lines (BL) are recognized below the reference voltage, the level of the bit line (BL) to access the voltage Vss. As a result, as shown in Fig. 8, the bit line BL becomes the potential of D0. At this time, as shown in Fig. 9, the ferroelectric capacitor develops the operation from the state 3 of the polarization state to the state 1, so that no change occurs in the D0 state of C2.

반면, D1의 경우는, 도.9와 같이, 분극 상태 4→2→1의 과정으로 반응하게 되는데, 반전 상태인 1의 위치에 일정 시간을 두면, 하향 분극 상태인 상태 4의 위치에서 발생하는 임프린트 현상이 예방된다. 즉, 분극 상태 D1에서 발생하는 임프린트 현상은 반전된 D0의 분극 상태를 활용하여 예방하며, D0의 경우는 D1상태를 활용하여 그 열화 현상을 예방한다. 이것은 물질 내부에서 임프린트를 유발시키는 편향된 강한 전장의 영향을 최소화하여 물질의 분극 현상의 방해요소를 최소화하자는 것이다. 이를 위해, 도.8과 같이, T1과 T2사이 시간을 최적화하여 임프린트 현상을 최소화하는 조건을 잡는 것이 필요하다. 그런 다음, T2와 T3사이에 다시 데이터를 기록해 주면, 임프린트 영향이 최소화된 상태인 양호한 데이터를 확보하게 된다. 이러한 과정을 통하여 상업적으로 요구되는 동작 조건을 충족시키는 메모리를 확보할 수 있다. 그러므로, 이 발명에서는 데이터 회복(recovery) 기능을 좌우하는 T1과 T2의 기간을 최적화하는 것이 대단히 중요하다.On the other hand, in the case of D1, as shown in Fig. 9, it reacts in the process of polarization state 4 → 2 → 1, but if a certain time is placed at the position of inversion 1, it occurs at the position of state 4 in the downward polarization state. Imprint phenomenon is prevented. That is, the imprint phenomenon occurring in the polarization state D1 is prevented by using the inverted polarization state of D0, and in the case of D0, the deterioration phenomenon is prevented by utilizing the D1 state. This is to minimize the influence of the polarized strong electric field causing the imprint inside the material to minimize the disturbance of the polarization of the material. To this end, as shown in Fig. 8, it is necessary to optimize the time between T1 and T2 to minimize the imprint phenomenon. Then, if data is recorded again between T2 and T3, good data with the imprint effect is minimized. Through this process, it is possible to secure a memory that satisfies commercially required operating conditions. Therefore, in this invention, it is very important to optimize the period of T1 and T2 that influence the data recovery function.

DRAM, Pseudo-SRAM, SRAM의 메모리의 상이한 특성 및 동작을 한 개의 메모리로 통합하여 구현할 수 있음은, 물론 각기 갖고 있는 동작 특성이나 동작상의 취약점을 해소하는 효과가 있고 장차 비 휘발성 메모리까지 통합한 궁극적인 메모리 구현을 위한 효과가 있다.It is possible to integrate and implement different characteristics and operations of DRAM, pseudo-SRAM, and SRAM memory into one memory, and to solve the operating characteristics and operational weaknesses of each, and ultimately integrate nonvolatile memory in the future. There is an effect for in-memory implementation.

우선, 발명한 메모리는 동작의 특성상 현재의 비 휘발성 메모리에 비해 현저히 낮은 전력으로 구동이 가능하여 전력 소모를 혁신적으로 감축할 수 있어 통신용소자의 에 적합한 특성을 갖고 있다. 즉, 현재의 DRAM의 데이터 저장 시간인 (refresh time) 수백 ms보다 1000배 이상의 오랫동안 보존할 수 있어 약 수 시간 아니 그 보다 더 길어 수 십 시간은 충분히 가능하다. 그러므로, 현재 단위 워드선마다 당 15.6us마다 주기적으로 신호가 입력되어져야 하고 단위 블록당 64ms마다 주기적으로 신호를 입력시켜 데이터를 다시 써야하는 한계를 극복하여, 도.11과 같이, 적어도 몇 시간당 한번의 데이터를 회복하는 주기를 사용할 수 있어 저장한 데이터를 유지하는데 필요한 전력 소모가 현저히 감소한다. 즉, 데이터 회복(Recovery)주기로서 1시간에 한번의 데이터 회복(Recovery)주기나 하루에 한번의 주기를 가정하면 된다. 이를 경우, DRAM과 Pseudo-SRAM의 Self-Refresh 동작에서 소모 전류량이 각각 수 mA와 수십 uA인데 비해 수 uA로 감소하여 종래의 메모리 전력 소모의 1%이하에서도 데이터를 보존할 수 있다. 이는 바테리를 사용하는 이동 통신용에 적합한 메모리로서 적합한 특성이다.First of all, the memory of the present invention can be driven at a significantly lower power than the current non-volatile memory due to the characteristics of the operation, and thus it is possible to innovatively reduce the power consumption. That is, it can be stored for more than 1000 times longer than the refresh time of the current DRAM data storage time (hundreds of ms), which is about several hours or longer, and tens of hours are sufficient. Therefore, the signal must be input periodically every 15.6us per unit word line and the data must be periodically rewritten every 64ms per unit block to overcome the limitation of rewriting data. As shown in Fig. 11, at least once every several hours. The frequency of data recovery can be used, which significantly reduces the power consumption required to maintain the stored data. In other words, it may be assumed that one data recovery cycle per hour or one cycle per day is used as the data recovery cycle. In this case, the current consumption in the self-refresh operation of the DRAM and the pseudo-SRAM is reduced to several uA compared to several mA and several tens of uA, respectively, so that data can be preserved even under 1% of conventional memory power consumption. This is a suitable property as a memory suitable for mobile communication using batteries.

더구나, 종래의 메모리는 외부에서 입사하는 알파 광입자나 우주선과 같은 방사선에 의해 저장된 데이터가 손상되는 치명적인 단점을 갖고 있어 이를 방지하기 위해 다소 복잡하고 어려운 기술이 요구되나, 이번 발명한 메모리는 외부 입사 파에 대한 강한 내성을 갖고 있어 우주선이나 외계의 공간에서 안정적으로 동작한다. 즉, 인공위성이나 우주선에서 별도의 장치 없이 안정적으로 사용이 가능하므로, 현재 사용되고 있는 별도 무겁고 큰 Tungsten 상자를 필요치 않아 비용절감이 된다.In addition, the conventional memory has a fatal disadvantage that data stored by radiation such as alpha light particles or cosmic rays from the outside is damaged and requires a rather complicated and difficult technology to prevent this, but the memory of the present invention is an external incident wave It has a strong resistance to, and works reliably in spacecraft or alien space. In other words, since satellites or spacecraft can be used stably without a separate device, there is no need for a separate heavy and large Tungsten box that is currently in use, thereby reducing costs.

또한, 이번의 발명한 메모리는 제조 기술이 간단하여 종래의 DRAM기술이 안고 있는 제조기술의 어려움을 해결할 수 있다. 즉, DRAM에서 단위 캐패시터마다 30fF 내지 25fF같은 용량을 유지하기 위하여 도. 12와 13의 40에 해당하는 스택 (stack) 구조의 캐패시터의 높이가 점차 높아져 현재는 캐패시터의 높이가 약 1.8μm정도의 높이에 이르는 실정이다. 이는 0.1μm의 공정에서 대단한 부담으로 작용하고 있다. 이렇게 높은 캐패시터의 높이가 0.3μm로 줄어들어 제조 기술상의 어려움을 해결하여 준다. 메모리 기술은 이러한 제조기술의 문제를 해결하고자 막대한 장비 투자와 개발비용이 드는데 이러한 비용을 절감할 수 있어 보다 많은 이익 창출이 가능하다. 그리고, 발명한 메모리 기술은, 종래의 메모리에 비해 단순한 단위 셀 구조이므로 같은 기술로 DRAM 및 SRAM보다 고집적을 구현할 수 있는 장점을 갖고 있다. 따라서, 현재 통신용 메모리로 사용되고 있는 Pseudo-SRAM을 더욱 쉽게 보다 저렴한 비용으로 구현할 수 있다.In addition, the memory of the present invention has a simple manufacturing technology, which can solve the manufacturing difficulties of the conventional DRAM technology. That is, to maintain a capacity such as 30fF to 25fF per unit capacitor in DRAM. As the stack height of the stack structure corresponding to 40 of 12 and 13 increases, the current height of the capacitor reaches about 1.8 μm. This is a huge burden in the 0.1 μm process. The height of this high capacitor is reduced to 0.3μm to solve manufacturing difficulties. Memory technology has enormous equipment investment and development costs to solve these manufacturing problems, which can reduce these costs and generate more profit. In addition, the inventive memory technology has a simple unit cell structure compared to a conventional memory, and thus has the advantage of enabling higher integration than DRAM and SRAM using the same technology. Therefore, Pseudo-SRAM, which is currently used as a communication memory, can be easily implemented at a lower cost.

또한, 이번에 발명한 메모리로서 다양하게 구조를 갖고 있는 종래의 휘발성 메모리들을 통합할 수 있어 DRAM과 SRAM 및 Pseudo-SRAM등의 제조 및 개발 과정을 간소화할 수 있다. 따라서, 개발 및 제조비용을 절감할 뿐 아니라 한 개의 메모리구조로서 여러 가지 기능을 구현할 수 있으므로 제조 비용 및 과정을 혁신적으로 간소화할 수 있다. 즉, 한 개의 제품으로 다양한 시스템에 응용이 가능하여 이에 수반되는 비용절감의 효과 및 반도체 산업의 효율을 높이는 효과가 있다.In addition, the memory of the present invention can integrate conventional volatile memories having various structures, thereby simplifying the manufacturing and development process of DRAM, SRAM, and pseudo-SRAM. Therefore, not only the development and manufacturing cost can be reduced, but also various functions can be implemented as a single memory structure, thereby simplifying the manufacturing cost and the process. That is, one product can be applied to various systems, thereby reducing the cost and enhancing the efficiency of the semiconductor industry.

끝으로, 종래의 강유전체 메모리는 그 기대되는 특성의 우수성에도 불구하고 신뢰성의 한계로 개발의 대한 관심이 줄어가고 있는 상황에서, 이번의 발명한 메모리는 종래의 강유전체 메모리의 기술로써 이익을 창출하므로 소모적 개발 현실을타개할 수도 있다. 나아가, 창출된 이익은 연구투자의 여력을 제공하여 강유전체 기술 개발을 더욱 용이하게 하여 이상적인 메모리의 완성을 위한 기반조성을 가능하게 한다.Finally, in the situation where conventional ferroelectric memory is less interested in development due to the limitation of reliability despite the superiority of its expected characteristics, the memory of the present invention is consumable because it generates profit with the technology of conventional ferroelectric memory. It can also break development reality. Furthermore, the generated profits provide the investment for research, making it easier to develop ferroelectric technology, thus enabling the foundation for the completion of the ideal memory.

Claims (18)

메모리 반도체 장치의 구조 및 그 구동 방식에 관한 특허로서, 반도체 기판 위에 구성된 스위치용 선택 트랜지스터와 강유전 체캐패시터를 기반으로 한 메모리 장치와;A patent on a structure of a memory semiconductor device and a driving method thereof, comprising: a memory device based on a select transistor for a switch and a ferroelectric capacitor formed on a semiconductor substrate; 상기 스위치용 선택 트랜지스터와 강유전 체캐패시터 기반으로 한 메모리 단위 셀의 구조 및 그 구동 방식과;A structure of a memory unit cell based on the switch selection transistor and a ferroelectric capacitor and a driving method thereof; 상기 단위 셀이나 메모리의 단위 묶음이 규칙적으로 종으로 횡으로 나열되어 이루어진 메모리 블록의 구조와;A structure of a memory block in which the unit bundles of the unit cells or the memory are regularly arranged horizontally and vertically; 상기 강유전체캐패시터 기반의 메모리 장치에 데이터를 기록하는 방식과 저장된 데이터를 회복하는 방법을 포함한 구동 방식과;A driving method including a method of writing data into the ferroelectric capacitor-based memory device and a method of recovering stored data; 상기 단위 셀이나 한 블록에서 여러 개의 셀에 있는 데이터 신호들이 동시에 출력되는 여러 개의 비트선 쌍의 신호들을 감지하여 이들 중 한 개의 신호를 선택하여 읽는 방식과;Detecting a signal of a plurality of bit line pairs in which data signals in a plurality of cells in the unit cell or a block are output at the same time, and selecting and reading one of these signals; 상기 선택 트랜지스터와 강유전체 캐패시터를 기반으로 이루어진 메모리가 반도체 제품의 일부분으로 포함되어 복합 반도체 장치.And a memory based on the selection transistor and the ferroelectric capacitor as part of the semiconductor product. 상기 제 1항에서, 반도체 기반으로 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs), 인디움 포스 파이드(InP), 게르마늄(Germanium)중 한 개로 이루어진 반도체 장치.The semiconductor device of claim 1, wherein the semiconductor device comprises one of silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), and germanium. 상기 제 1항에서, 선택 트랜지스터의 종류에 있어서 상호 보정 공정(CMOS)공정으로 위에 이루어진 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor)중 한 개로 이루어진 반도체 장치.The semiconductor device of claim 1, wherein the semiconductor is composed of one of a metal oxide silicon field effect transistor (MOSFET), a bipolar junction transistor (BJT), and a field effect transistor (FET) formed in a mutual compensation process (CMOS) process. Device. 상기 제 1항에서, 강유전체 캐패시터의 구조에 강유전체 물질로는 PZT(PbwZrxOyTiz), SBT(SrwBixTayOz), BST(BiwSrxTayOz)계열의 물질을 포함한 분극 현상을 갖고 있는 임의의 강유전체 물질과, 전극으로는 전기의 전도성을 갖는 한 개이상의 산화막이거나 메탈 물질로 이루어진 반도체 장치.The ferroelectric material in the structure of the ferroelectric capacitor, PZT (Pb w Zr x O y Ti z ), SBT (Sr w Bi x Ta y O z ), BST (Bi w Sr x Ta y O z ) A semiconductor device comprising any ferroelectric material having a polarization phenomenon including a series of materials, and at least one oxide film or metal material having electrical conductivity as an electrode. 위의 제 1 항에 있어서, 단위 셀의 구조에 있어서 강유전체 캐패시터의 한 전극이 선택 트랜지스터의 소스에 연결되어 있고, 다른 한 전극은 플레이트선으로 연결되어 있는 구조에서, 도.15와 같이, 한 개이상의 강유전체 캐패시터가 공통된 소스를 사용하면서 직렬로 연결되어 있고, 각각의 강유전체 캐패시터는 별도의 플레이트선을 갖고 있는 반도체 장치.The structure according to claim 1, wherein in the structure of the unit cell, one electrode of the ferroelectric capacitor is connected to the source of the selection transistor, and the other electrode is connected to the plate line. A semiconductor device in which the above ferroelectric capacitors are connected in series using a common source, and each ferroelectric capacitor has a separate plate line. 위의 제 5에서, 단위 셀의 구동 방식에 있어서, 각각의 플레이트선은 각자 독립적으로 구동되고, 선택된 강유전체 캐패시터에 해당되는 플레이트선에는 구동 신호가 입력되고, 대기 상태의 다른 플레이트선은 오픈(Open)된 상태에서 동작을 대기하는 방식으로, 공통된 한 개의 스위치용 선택 트랜지스터와 비트선을 통하여판독하는 방법.In the above fifth, in the driving method of the unit cell, each plate line is driven independently of each other, a drive signal is input to the plate line corresponding to the selected ferroelectric capacitor, and the other plate line in the standby state is open. Reads through a common selection transistor and a bit line for a common switch in a waiting manner. 제 1 항에 있어서, 한 개의 블록을 이루는 방식에 있어서 단위 셀이 횡으로 종으로 나열되어 NOR, OR, NAND, AND 형식 중 한 개의 블록 구조를 갖는 반도체 장치.The semiconductor device of claim 1, wherein the unit cells are arranged horizontally in the form of one block and have one block structure among NOR, OR, NAND, and AND formats. 제 1항에서 단위 셀에 데이터를 기입하는 방법에 있어서, 1개 이상의 데이터에 해당하는 분극 상태를 동일한 캐패시터에 기입하여, D0와 D1을 포함한, 2개 이상의 복수 개의 데이터를 기록하는 방법.2. A method of writing data in a unit cell according to claim 1, wherein the polarization state corresponding to one or more data is written in the same capacitor, and two or more data including D0 and D1 are recorded. 제 8항에 있어서, 복수 데이터를 기록하는 방식으로, 플레이트선이나 비트선의 입력신호의 전압의 수준을 조절하여, 이에 대응하는 각기 다른 전압에 맞는 분극 상태를 발생시켜, 2개 이상의 복수개의 데이터를 기록하는 방법.9. The method of claim 8, wherein a plurality of pieces of data are recorded by adjusting a level of voltage of an input signal of a plate line or a bit line to generate a polarization state corresponding to different voltages. How to record. 제 1항에 있어서, 강유전체 캐패시터에 기록된 데이터를 보전하거나 유지하는 방식에 있어서, 플레이트선을 통하여 신호를 입력하여 강유전체 캐패시터의 저장된 데이터를 판독하고, 이 신호를 비트선과 센스 앰프를 통하여 증폭하여, 이 증폭된 신호를 다시 역으로 강유전체 캐패시터에 재 기입하는 방식.The method according to claim 1, wherein the data stored in the ferroelectric capacitor is preserved or retained by inputting a signal through a plate line to read the stored data of the ferroelectric capacitor, and amplifying the signal through a bit line and a sense amplifier. A method of rewriting the amplified signal back to the ferroelectric capacitor. 제 1항에 있어서, 강유전체 캐패시터에 저장된 데이터를 보전하는 방식에 있어서, 읽혀질 강유전체 캐패시터에 있는 데이터를 읽고 증폭된 신호로 재 기록하는 방법을 포함하고, 동작 기간중 대기 상태에서 쉬고 있는 셀에도 정기적으로 데이터를 읽고 다시 기록하는 방법과, 이 두 가지 방법을 병합하여 구동하는 방법.The method of claim 1, further comprising: a method of preserving data stored in the ferroelectric capacitor, the method of reading data from the ferroelectric capacitor to be read and rewriting the data into an amplified signal, wherein the cell is periodically rested in the standby state during the operation period. How to read and rewrite data, and how to drive the two together. 위의 11항에서 대기하고 있는 셀에 정기적으로 데이터를 보존하는 방식에서, 한 개 이상의 플레이트선과 비트선을 동시에 구동하여, 이 두 종류의 라인과 연관된 임의의 개수의 셀에 있는 데이터를 동시에 회복하여 보존하는 방법.In the method of regularly storing data in the cell waiting in the above paragraph 11, one or more plate lines and bit lines are driven simultaneously to recover data in any number of cells associated with these two types of lines simultaneously. How to preserve. 위 11항에 있어서, 임프린트에 의해 열화를 방지하기 위한 방법으로, 셀 데이터를 회복하는 방법 중에서 데이터가 기입된 상태의 분극 상태와 상반된 분극 상태로 전환하여 그 상태에 둠으로서 임프린트를 방지하는 방법.12. The method of claim 11, wherein the method of preventing deterioration by imprinting includes switching to a polarization state opposite to a polarization state of a state in which data is written and resting the cell data in the state. 위 13항에 있어서, 임프린트에 의해 열화되는 정도를 최소화하는 방식으로, 저장된 데이터와는 상반된 분극 상태에 있는 대기하는 시간을 조절하여, 열화정도를 최소화하는 방법.The method of claim 13, wherein the waiting time in the polarization state opposite to the stored data is adjusted in a manner of minimizing the degree of degradation by imprint. 위의 12항에서 한 개이상의 플레이트선을 구동하기에 필요한 제어회로, 신호 발생회로를 사용하는 반도체 장치.12. The semiconductor device using the control circuit and the signal generating circuit required to drive one or more plate lines in the above 12. 위의 제 1항에서, 한 개이상의 비트선의 쌍이 횡으로 나열되어 있는 구조에서 여러 개의 비트선 중 한 쌍의 비트선들 선택하고 난 후 공통으로 사용하는 센스 앰프에 연결시켜 주어 데이터를 감지하는 증폭하는 방법.The method of claim 1, wherein in a structure in which one or more pairs of bit lines are arranged horizontally, a pair of bit lines are selected from a plurality of bit lines, and then connected to a common sense amplifier to amplify the data. Way. 위의 14항에서, 비트선에 필요한 신호를 증폭하여 신호의 수준을 조절하는 방법으로, 비트선 신호의 수준을 감지 회로를 적용하는 것과 이 결과를 사용하여 센스 앰프의 증폭 정도를 조절하는 방법.15. The method of claim 14, wherein the signal level of the bit line is amplified to adjust the level of the signal, applying a sense circuit to the level of the bit line signal, and using the result to adjust the amplification degree of the sense amplifier. 제 1항에서의 복합 반도체 장치에서, 강유전체 캐패시터와 스우치용 선택 트랜지스터를 기반으로 하여 데이터 저장 및 회복 기능을 갖는, 메모리의 일부가 포함된 임의의 복합 반도체 장치.The composite semiconductor device according to claim 1, wherein any composite semiconductor device including a portion of a memory having a data storage and recovery function based on the ferroelectric capacitor and the select transistor for the stitch.
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