KR20040106659A - Nonvolatile ferroelectric memory device - Google Patents

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KR20040106659A KR1020030037454A KR20030037454A KR20040106659A KR 20040106659 A KR20040106659 A KR 20040106659A KR 1020030037454 A KR1020030037454 A KR 1020030037454A KR 20030037454 A KR20030037454 A KR 20030037454A KR 20040106659 A KR20040106659 A KR 20040106659A
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Abstract

PURPOSE: A ferroelectric memory device is provided to increase the lifetime and the reliability of the products by previously preventing the deterioration of the reference cells. CONSTITUTION: A ferroelectric memory device includes a memory cell(520) and a reference cell(540). The memory cell is provided with a first transistor and a first ferroelectric capacitor. The source-drain path of the first transistor is connected between the first bit line and the first node. The first ferroelectric capacitor is connected between the first node and the first plate line. The reference cell is provided with a second transistor and a second ferroelectric capacitor. The source-drain path of the second transistor is connected to the second bit line and the second node and the gate of the second transistor is connected to the word line. And, the second ferroelectric capacitor is connected between the second node and the second plate line.

Description

강유전체 메모리 장치{NONVOLATILE FERROELECTRIC MEMORY DEVICE}Ferroelectric memory device {NONVOLATILE FERROELECTRIC MEMORY DEVICE}

본 발명은 반도체 소자중 하나인 비휘발성 강유전체메모리장치(FeRAM : Ferroelectric Random Access Memory))에 관한 것으로, 특히 강유전체 메모리장치에서의 기준전압 발생 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile ferroelectric random access memory (FeRAM), which is one of semiconductor devices, and more particularly to a method of generating a reference voltage in a ferroelectric memory device.

잘 알려진 바와 같이, 비휘발성 강유전체 메모리 장치 즉, FeRAM은 DRAM(Dynamic Random Access Memory)정도의 데이터 처리 속도를 갖고, 전원의 오프(off)시에도 데이터가 보존되는 특성 때문에 차세대 기억소자로 주목받고 있다.As is well known, a nonvolatile ferroelectric memory device, that is, FeRAM, has attracted attention as a next-generation memory device because of its data processing speed as high as DRAM (Dynamic Random Access Memory) and data retention even when the power supply is turned off. .

FeRAM은 DRAM과 거의 유사한 셀 구조 즉, 하나의 스위칭 소자(트랜지스터)와 하나의 커패시터로 구성되는 1T/1C 구조의 단위 셀을 갖는 기억소자로서 커패시터의 재료로 강유전체를 사용하여 강유전체의 특성인 높은 잔류분극을 이용한 것이다. 이와 같은 잔류분극 특성으로 인해 전계를 제거하여도 데이터가 지워지지 않는다.FeRAM is a memory device having a cell structure similar to DRAM, that is, a unit cell having a 1T / 1C structure composed of one switching element (transistor) and one capacitor. Polarization is used. Due to this residual polarization characteristic, data is not erased even when the electric field is removed.

도 1은 통상적인 강유전체의 히스테리시스 루프를 나타낸 특성도이다.1 is a characteristic diagram showing a hysteresis loop of a conventional ferroelectric.

도 1을 참조하면, 전계에 의해 유기된 분극이 전계를 제거하여도 잔류분극(또는 자발분극)의 존재로 인하여 소멸되지 않고, 일정량(d상태, a상태)을 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 불휘발성 강유전체 메모리 셀은 스위칭전하(Q1)와 비스위칭전하(Q0)를 각각 로직 '1' 및 로직 '0'으로 대응시켜 기억소자로 응용한 것이다.Referring to FIG. 1, it can be seen that the polarization induced by the electric field does not disappear due to the presence of residual polarization (or spontaneous polarization) even when the electric field is removed, and maintains a certain amount (d state, a state). In the nonvolatile ferroelectric memory cell, the switching charge Q1 and the non-switching charge Q0 correspond to logic '1' and logic '0', respectively, to be applied as memory devices.

도 2는 통상적인 강유전체메모리의 단위 셀(Cell) 회로도이다.2 is a unit cell circuit diagram of a conventional ferroelectric memory.

도 2를 참조하면, 단위 셀은 로우(Row) 방향으로 형성되는 워드라인 WL 및 플레이트라인 PL과, 워드라인 WL 및 플레이트라인 PL을 가로지르는 방향으로 형성된 비트라인 BL과, 게이트가 워드라인 WL에 연결되고 드레인이 비트라인 BL에 연결되는 스위칭 트랜지스터 TR과, 트랜지스터 TR의 소스와 플레이트라인 PL 사이에 연결된 강유전체 커패시터 FC를 포함하여 구성된다. 이와 같은 단위 셀이 복수개 배치되어 셀 어레이부를 구성하게 된다.Referring to FIG. 2, a unit cell includes a word line WL and a plate line PL formed in a row direction, a bit line BL formed in a direction crossing the word line WL and a plate line PL, and a gate is formed in the word line WL. And a switching transistor TR connected with the drain connected to the bit line BL, and a ferroelectric capacitor FC connected between the source of the transistor TR and the plate line PL. A plurality of such unit cells are arranged to form a cell array unit.

한편, 강유전체 메모리를 구동하기 위해서는 기준전압이 필요시 된다. 예컨대 단위 셀에 저장된 데이터를 읽기 위해서는 정비트라인 BL에 전달된 데이터 전압이 미세하기 때문에, 이를 부비트라인 /BL에 전달된 기준전압과 비교 증폭하여야 한다.On the other hand, a reference voltage is required to drive the ferroelectric memory. For example, in order to read the data stored in the unit cell, since the data voltage transferred to the positive bit line BL is minute, it must be compared and amplified with the reference voltage transferred to the subbit line / BL.

도 3a 및 도 3b는 종래기술에 따른 기준전압 발생 원리를 설명하기 위한 회로도로서, 기준셀부(340)와, 메모리셀부(320) 및 센스앰프부(360)을 함께 도시하고 있다.3A and 3B are circuit diagrams for explaining a principle of generating a reference voltage according to the related art, and show a reference cell unit 340, a memory cell unit 320, and a sense amplifier unit 360 together.

도 3a를 참조하면, 기준셀은 메모리 셀과 실질적으로 같은 크기(도면에 x1로 표현 됨)의 강유전체 커패시터를 갖는 두개의 셀을 이용하고, 어느한 셀의 데이터 '1'과 다른 셀의 데이터 '0' 사이의 평균신호를 비트라인 BL0, BL1에 전달하여 그 신호가 기준신호로서 사용되도록 한 방식이다. 이때 기준셀과 메모리셀은 동일한 레벨의 공급전원 Vdd를 사용하여 동작전원이 동일하다. 도면에서, RWL은 기준셀의 워드라인을, RPL은 기준셀의 플레이트라인을 각각 나타낸다.Referring to FIG. 3A, a reference cell uses two cells having ferroelectric capacitors of substantially the same size as the memory cell (represented by x1 in the drawing), and data '1' of one cell and data ' The average signal between 0 'is transmitted to the bit lines BL0 and BL1 so that the signal is used as a reference signal. At this time, the reference cell and the memory cell have the same operating power using the same supply power supply Vdd. In the figure, RWL represents a word line of a reference cell and RPL represents a plate line of a reference cell, respectively.

도 3b를 참조하면, 기준셀은 메모리 셀의 강유전체 커패시터보다 큰 크기(x3)의 강유전체 커패시터를 적용하고, 이의 비스위칭전하를 기준전압으로 생성하는 방법이다. 도면에 나타낸 x3은 기준셀의 강유전체커패시터가 메모리셀의 강유전체커패시터 보다 3배 크다는 의미이며, 실제 정확한 크기는 강유전체커패시터 특성과 셀 어레이 구조 등을 고려하여 정해야 할 것이다. 이때 기준 셀과 메모리셀은 동일한 전원전압에서 동작된다.Referring to FIG. 3B, a reference cell is a method of applying a ferroelectric capacitor having a larger size (x3) than a ferroelectric capacitor of a memory cell and generating a non-switching charge thereof as a reference voltage. X3 in the figure means that the ferroelectric capacitor of the reference cell is three times larger than the ferroelectric capacitor of the memory cell, and the actual exact size should be determined in consideration of the characteristics of the ferroelectric capacitor and the cell array structure. At this time, the reference cell and the memory cell are operated at the same power supply voltage.

그런데, 상기한 두 구조의 기준전압 발생 방식은 모두 같은 비트라인에 연결된 많은 수의 메모리 셀이 동작할 때마다 기준셀이 동작하는 구조를 갖고 있기 때문에, 메모리 셀에 비해 기준셀이 강유전체커패시터의 피로 및 절연 파괴(dielectric breakdown) 현상에 더 취약하게 된다.However, since the reference voltage generation method of the two structures has a structure in which the reference cell operates whenever a large number of memory cells connected to the same bit line operate, the reference cell is more fatigued than the memory cell. And more susceptible to dielectric breakdown.

한편, 강유전체를 사용하지 않고 CMOS 회로로 구현된 기준전압발생기를 사용하는 방법으로 기준전압을 생성할 수 있으나, 이때에는 온도변화 및 공정 변화에 의한 특성 변화가 문제시되어 소자의 동작 마진(margin) 확보에 문제점을 가지게 된다.On the other hand, it is possible to generate a reference voltage by using a reference voltage generator implemented in a CMOS circuit without using a ferroelectric, but at this time, it is a problem to change characteristics due to temperature change and process change, thereby securing an operating margin of the device. You will have problems with

본 발명은 상술한 제반 요구 사항에 따라 제안된 것으로서, 기준셀의 강유전체커패시터의 피로 및 절연파괴 현상을 개선하기 위한 FeRAM을 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention has been proposed in accordance with the above-described requirements, and an object thereof is to provide a FeRAM for improving fatigue and dielectric breakdown of ferroelectric capacitors in a reference cell.

도 1은 통상적인 강유전체의 히스테리시스 루프를 나타낸 특성도.1 is a characteristic diagram showing a hysteresis loop of a conventional ferroelectric.

도 2는 통상적인 강유전체메모리의 단위 셀(Cell) 회로도.2 is a unit cell circuit diagram of a conventional ferroelectric memory.

도 3a 및 도 3b는 종래기술에 따른 강유전체메모리장치의 기준전압 생성 원리를 보여주는 회로도.3A and 3B are circuit diagrams illustrating a reference voltage generation principle of a ferroelectric memory device according to the related art.

도 4는 강유전체커패시터의 동작 전압별 피로 특성을 보여주는 그래프.4 is a graph showing fatigue characteristics of operating voltages of ferroelectric capacitors.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 FeRAM 기준전압 생성 원리를 보여주는 단면도.5 is a cross-sectional view illustrating a principle of generating a FeRAM reference voltage according to a first embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 FeRAM 기준전압 생성 원리를 보여주는 단면도.6 is a cross-sectional view illustrating a principle of generating a FeRAM reference voltage according to a second embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 FeRAM에서의 셀 어레이를 보여주는 회로도.7 is a circuit diagram showing a cell array in FeRAM according to the present invention.

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

520 : 메모리셀부520: memory cell unit

540 : 기준셀부540: reference cell portion

560 : 센스앰프부560: sense amplifier unit

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강유전체메모리장치는, 제1비트라인과 제1노드 사이에 소오스-드레인 경로가 접속되고 게이트에 제1워드라인이 접속된 제1트랜지스터와 상기 제1노드와 제1플레이트라인 사이에 접속된 제1강유전체커패시터로 구성된 메모리셀; 제2비트라인과 제2노드 사이에 소오스-드레인 경로가 접속되고 게이트에 제2워드라인이 접속된 제2트랜지스터와 상기 제2노드와 제2플레이트라인 사이에 직렬접속된 적어도 두개의 제2강유전체커패시터로 구성된 기준셀; 및 상기 제1비트라인과 상기 제2비트라인에 연결되어 상기 제2비트라인의 신호를 기준전압 신호로하여 상기 제1비트라인의 데이터에 대응하는 전압을 감지 증폭하는 센스앰프를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, a ferroelectric memory device includes a first transistor connected to a source-drain path between a first bit line and a first node, and a first word line connected to a gate. A memory cell comprising a first ferroelectric capacitor connected between one play line; A second transistor having a source-drain path connected between a second bit line and a second node and a second word line connected to a gate, and at least two second ferroelectrics connected in series between the second node and the second plate line A reference cell composed of a capacitor; And a sense amplifier connected to the first bit line and the second bit line to sense and amplify a voltage corresponding to the data of the first bit line by using the signal of the second bit line as a reference voltage signal. It is done.

본 발명에서 상기 기준셀의 동작전압과 상기 메모리셀의 동작전압이 실질적으로 동일한 것이 바람직하고, 상기 기준셀은 제2강유전체커패시터의 스위칭 또는 비스위칭 전하를 이용하여 상기 기준전압을 생성한다.In the present invention, it is preferable that the operating voltage of the reference cell and the operating voltage of the memory cell are substantially the same, and the reference cell generates the reference voltage using the switching or unswitching charge of the second ferroelectric capacitor.

본 발명에서 상기 기준셀은 직렬 접속된 두개의 제2강유전체커패시터를 포함하고, 이때 강유전체커패시터의 스위칭전하를 이용하여 기준전압을 생성하는 경우 상기 제2강유전체커패시터는 각각 그 크기가 상기 제1강유전체커패시터의 크기의 약 1.5배인 것이 바람직하다.In the present invention, the reference cell includes two second ferroelectric capacitors connected in series. In this case, when the reference voltage is generated using switching charges of the ferroelectric capacitor, the second ferroelectric capacitors each have a size of the first ferroelectric capacitor. It is preferably about 1.5 times the size of.

또한, 본 발명에서 상기 기준셀은 직렬 접속된 두개의 제2강유전체커패시터를 포함하고, 이때 강유전체커패시터의 비스위칭전하를 이용하여 기준전압을 생성하는 경우 상기 제2강유전체커패시터는 각각 그 크기가 상기 제1강유전체커패시터의 크기의 약 6배인 것이 바람직하다.In addition, in the present invention, the reference cell includes two second ferroelectric capacitors connected in series. In this case, when the reference voltage is generated using the non-switching charge of the ferroelectric capacitor, the second ferroelectric capacitors each have a size of the second ferroelectric capacitor. It is preferably about six times the size of the ferroelectric capacitor.

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.

도 4는 동작전압별 강유전체커패시터의 피로특성을 나타낸 그래프이다.4 is a graph illustrating fatigue characteristics of ferroelectric capacitors according to operating voltages.

도 4를 참조하면, 공급전압이 낮을 수록 강유전체커패시터의 피로 특성이 크게 개선됨을 알 수 있다. 즉, 동작전압이 7V 및 5V일 때는 108횟수 이상의 스위칭 동작이 이루어지면 스위칭전하(Qsw)가 급격히 감소되는 반면에, 3V 동작전압에서는 108횟수 이상의 스위칭 동작이 이루져도 스위칭전하의 감소가 일어나지 않음을 알수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that as the supply voltage is lowered, the fatigue characteristics of the ferroelectric capacitor are greatly improved. That is, when the operating voltage is 7V and 5V, the switching charge Qsw is rapidly decreased when the switching operation is performed more than 10 8 times, while the switching charge is not reduced even when the switching operation is performed more than 10 8 times at the 3V operating voltage. It can be seen that.

결국, 기준셀의 동작전압을 메모리셀의 동작전압보다 작게 한다면 비록 기준셀이 메모리 셀보다 자주 동작하더라도 피로 특성이 크게 향상되어 기준셀의 열화에 의한 FeRAM 소자의 수명저하를 막을 수 있다.As a result, if the operating voltage of the reference cell is smaller than the operating voltage of the memory cell, even if the reference cell is operated more frequently than the memory cell, the fatigue characteristics are greatly improved, thereby preventing the life of the FeRAM device due to deterioration of the reference cell.

따라서, 본 발명은 기준셀의 강유전체커패시터를 직렬로 복수개 접속한 것이다. 이렇게, 기준셀의 강유전체커패시터를 복수개 직렬 접속하면, 기준셀과 메모리셀에 동일한 동작전압을 사용하면서도 실질적으로 기준셀의 각 강유전체커패시터에 인가되는 동작전압이 메모리셀의 강유전체 커패시터에 인가되는 동작전압보다 작아지게 된다. 이에 의해 기준셀의 강유전체커패시터들에 대한 피로 특성을 종래기술(기준셀에 하나의 강유전체커패시터를 사용하는 구성) 보다 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present invention, a plurality of ferroelectric capacitors of a reference cell are connected in series. In this way, when a plurality of ferroelectric capacitors of the reference cell are connected in series, while the same operating voltage is used for the reference cell and the memory cell, the operating voltage applied to each ferroelectric capacitor of the reference cell is substantially higher than the operating voltage applied to the ferroelectric capacitor of the memory cell. It becomes small. As a result, the fatigue characteristics of the ferroelectric capacitors of the reference cell can be improved compared to the prior art (a configuration in which one ferroelectric capacitor is used in the reference cell).

(제1실시예)(First embodiment)

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 기준전압발생 원리를 보여주는 회로도로서, 강유전체커패시터의 스위칭 전하를 사용하여 기준전압을 생성하는 경우에 대한 실시예이다.FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a reference voltage generation principle according to a first embodiment of the present invention, in which a reference voltage is generated using switching charges of a ferroelectric capacitor.

도 5를 참조하면, 데이터를 저장하고 있는 메모리셀부(520)와, 기준전압을 제공하는 기준셀부(540)와, 메모리셀부의 데이터에 대응하는 전압 레벨과 상기 기준셀부로부터 제공되는 기준전압 레벨을 비교 증폭하여 데이터를 감지하는 센스앰프부(560)를 포함하고 있다. 그리고, 기준셀과 메모리셀은 실질적으로 동일한 동작전압에서 구동된다.Referring to FIG. 5, a memory cell unit 520 storing data, a reference cell unit 540 providing a reference voltage, a voltage level corresponding to data of the memory cell unit, and a reference voltage level provided from the reference cell unit are described. A sense amplifier unit 560 for detecting and amplifying data is included. The reference cell and the memory cell are driven at substantially the same operating voltage.

메모리셀부(520)의 단위 메모리셀은 로우(Row) 방향으로 형성되는 워드라인 WL 및 플레이트라인 PL과, 워드라인 WL 및 플레이트라인 PL을 가로지르는 방향으로 형성된 비트라인 BL0과, 게이트가 워드라인 WL에 연결되고 드레인이 비트라인 BL0에 연결되는 스위칭 트랜지스터 TR과, 트랜지스터 TR의 소스와 플레이트라인 PL 사이에 연결된 강유전체 커패시터 FC를 포함하여 구성된다.The unit memory cell of the memory cell unit 520 includes a word line WL and a plate line PL formed in a row direction, a bit line BL0 formed in a direction crossing the word line WL and a plate line PL, and a gate of the word line WL. A switching transistor TR coupled to the bit line BL0 and a ferroelectric capacitor FC coupled between the source of the transistor TR and the plateline PL.

이와 같은 단위 메모리셀은 로우(Row) 및 컬럼(column) 방향으로 매트릭스 배열되어 복수개 구비되게 된다. 메모리셀의 어레이에 대해서는 이후 도 7을 참조하여 다시 설명될 것이다.Such unit memory cells are arranged in a matrix in a row and column direction so that a plurality of unit memory cells are provided. The array of memory cells will be described again later with reference to FIG. 7.

기준셀부(540)의 단위 기준셀은 로우(Row) 방향으로 형성되는 기준워드라인RWL 및 기준플레이트라인 RPL과, 기준워드라인 RWL 및 기준플레이트라인 RPL을 가로지르는 방향으로 형성된 비트라인 /BL0과, 게이트가 기준워드라인 RWL에 연결되고 드레인이 비트라인 /BL0에 연결되는 스위칭 트랜지스터 RTR과, 트랜지스터 RTR의 소스와 기준플레이트라인 RPL 사이에 직렬 연결된 강유전체 커패시터 RFC1, RFC2로 구성된다.The unit reference cell of the reference cell unit 540 includes a reference word line RWL and a reference plate line RPL formed in a row direction, a bit line / BL0 formed in a direction crossing the reference word line RWL and a reference plate line RPL; A switching transistor RTR having a gate connected to the reference word line RWL and a drain connected to the bit line / BL0, and ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 connected in series between the source of the transistor RTR and the reference plate RPL.

기준셀부(540)는 논리 '1'에 대응하는 데이터를 저장하고 있고 - 즉, 강유전체커패시터 RFC1, RFC2의 스위칭전하(데이터 '1' 신호 = VBL'1')를 이용한다 - , 데이터 '1'과 데이터 '0' 사이의 중간값에 해당하는 기준전압을 얻기 위하여 기준셀의 강유전체커패시터 RFC1, RFC2의 각 크기는 메모리셀의 강유전체커패시터 FC의 크기 보다 약 1.5배(x1.5) 크게하는 것이 바람직하다. 실제 정확한 크기는 강유전체커패시터 특성과 셀 어레이 구조 등을 고려하여 정해야 할 것이다.The reference cell unit 540 stores data corresponding to logic '1'-that is, uses switching charges of ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 (data '1' signal = V BL'1 ' )-, data' 1 ' In order to obtain the reference voltage corresponding to the intermediate value between the data and '0', it is preferable that each size of the ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 of the reference cell is about 1.5 times larger (x1.5) than the size of the ferroelectric capacitor FC of the memory cell. Do. The actual exact size should be determined in consideration of the characteristics of the ferroelectric capacitor and the cell array structure.

기준셀에는 두개의 강유전체커패시터 RFC1, RFC2가 직렬 연결되어 있으므로, 축전용량이 절반이 되어 비트라인에는 VBL'1'/2의 기준전압이 발생한다.Since the reference cell has two ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 connected in series, the capacitance is halved, resulting in a reference voltage of V BL'1 ' / 2 at the bit line.

본 발명에서는 기준셀에는 두개의 강유전체커패시터 RFC1, RFC2가 직렬 연결되어 있으므로,기준셀의 강유전체커패시터 어느하나가 인가받는 전압은 메모리셀의 강유전체커패시터 FC에 비하여 절반이 되게 된다. 따라서, 앞서 도 4를 통해 설명한 바와 같이 비록 기준셀이 메모리셀보다 자주 동작하더라도 종래기술(하나의 강유전체커패시터를 갖는 기준셀)에 비하여 피로 특성이 크게 향상되어 기준셀의 열화에 의한 FeRAM 소자의 수명 저하를 억제 또는/및 방지할 수 있다. 또한 절연 파괴(dielectric breakdown) 현상도 역시 동작전압이 낮으면 개선되므로 역시 기준셀로 인한 FeRAM 소자의 수명 저하를 억제 또는/및 방지할 수 있다.In the present invention, since the two ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 are connected in series to the reference cell, the voltage to which one of the ferroelectric capacitors of the reference cell is applied is halved compared with the ferroelectric capacitor FC of the memory cell. Therefore, as described above with reference to FIG. 4, even though the reference cell operates more frequently than the memory cell, the fatigue characteristics are greatly improved compared to the conventional technology (the reference cell having one ferroelectric capacitor), and thus the life of the FeRAM device due to deterioration of the reference cell. The degradation can be suppressed and / or prevented. In addition, dielectric breakdown is also improved at low operating voltages, thereby suppressing and / or preventing the life of FeRAM devices due to reference cells.

(제2실시예)Second Embodiment

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 기준전압발생 원리를 보여주는 회로도로서, 기준셀의 강유전체커패시터의 비스위칭전하를 이용하여 기준전압을 발생하는 경우에 대한 실시예를 보여준다.FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a reference voltage generation principle according to a second embodiment of the present invention, and illustrates an example of generating a reference voltage using a non-switching charge of a ferroelectric capacitor of a reference cell.

도 6을 참조하면, 데이터를 저장하고 있는 메모리셀부(620)와, 기준전압을 제공하는 기준셀부(640)와, 메모리셀의 데이터에 대응하는 전압 레벨과 상기 기준셀로부터 제공되는 기준전압 레벨을 비교 증폭하여 데이터를 감지하는 센스앰프부(660)를 포함하고 있다. 그리고, 기준셀과 메모리셀은 실질적으로 동일한 동작전압에서 구동된다.6, a memory cell unit 620 storing data, a reference cell unit 640 providing a reference voltage, a voltage level corresponding to data of a memory cell, and a reference voltage level provided from the reference cell. A sense amplifier unit 660 for detecting and amplifying data is included. The reference cell and the memory cell are driven at substantially the same operating voltage.

메모리셀부(620)의 구성은 제1실시예에서와 실질적으로 동일하다.The configuration of the memory cell portion 620 is substantially the same as in the first embodiment.

기준셀부(640)의 단위 기준셀은 로우(Row) 방향으로 형성되는 기준워드라인 RWL 및 기준플레이트라인 RPL과, 기준워드라인 RWL 및 기준플레이트라인 RPL을 가로지르는 방향으로 형성된 비트라인 /BL0과, 게이트가 기준워드라인 RWL에 연결되고 드레인이 비트라인 /BL0에 연결되는 스위칭 트랜지스터 RTR과, 트랜지스터 RTR의 소스와 기준플레이트라인 RPL 사이에 직렬 연결된 강유전체 커패시터 RFC1, RFC2로 구성된다.The unit reference cell of the reference cell unit 640 includes a reference word line RWL and a reference plate line RPL formed in a row direction, a bit line / BL0 formed in a direction crossing the reference word line RWL and a reference plate line RPL; A switching transistor RTR having a gate connected to the reference word line RWL and a drain connected to the bit line / BL0, and ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 connected in series between the source of the transistor RTR and the reference plate RPL.

기준셀부(640)는 논리 '0'에 대응하는 데이터를 저장하고 있고 - 즉, 강유전체커패시터 RFC1, RFC2의 비스위칭전하(데이터 '0' 신호 = VBL'0')를 이용한다 - , 데이터 '1'과 데이터 '0' 사이의 중간값에 해당하는 기준전압을 얻기 위하여 기준셀의 강유전체커패시터 RFC1, RFC2의 각 크기는 메모리셀의 강유전체커패시터 FC의 크기 보다 약 6배(x6) 크게하는 것이 바람직하다. 실제 정확한 크기는 강유전체커패시터 특성과 셀 어레이 구조 등을 고려하여 정해야 할 것이다.The reference cell unit 640 stores data corresponding to the logic '0'-that is, uses the non-switching charges of the ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 (data '0' signal = V BL'0 ' )-, data' 1 ' In order to obtain a reference voltage corresponding to an intermediate value between 'and data' 0 ', it is preferable that each size of the ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 of the reference cell is about 6 times larger than the size of the ferroelectric capacitor FC of the memory cell. . The actual exact size should be determined in consideration of the characteristics of the ferroelectric capacitor and the cell array structure.

본 발명의 제2실시예서도 마찬가지로 기준셀에는 두개의 강유전체커패시터 RFC1, RFC2가 직렬 연결되어 있으므로, 기준셀의 강유전체커패시터 어느하나가 인가받는 전압은 메모리셀의 강유전체커패시터 FC에 비하여 절반이 되게 된다. 따라서, 앞서 도 4를 통해 설명한 바와 같이 비록 기준셀이 메모리셀보다 자주 동작하더라도 종래기술(도 3b, 하나의 강유전체커패시터를 갖는 기준셀)에 비하여 피로 특성이 크게 향상되어 기준셀의 열화에 의한 FeRAM 소자의 수명 저하를 억제 또는/및 방지할 수 있다. 또한 절연 파괴(dielectric breakdown) 현상도 역시 동작전압이 낮으면 개선되므로 역시 기준셀로 인한 FeRAM 소자의 수명 저하를 억제 또는/및 방지할 수 있다.Similarly, in the second embodiment of the present invention, since two ferroelectric capacitors RFC1 and RFC2 are connected in series to the reference cell, the voltage applied to one of the ferroelectric capacitors of the reference cell is halved compared to the ferroelectric capacitor FC of the memory cell. Therefore, as described above with reference to FIG. 4, even though the reference cell operates more frequently than the memory cell, the fatigue characteristics are greatly improved compared to the prior art (FIG. 3b, the reference cell having one ferroelectric capacitor), and thus the FeRAM is caused by deterioration of the reference cell. The deterioration of the lifetime of the device can be suppressed and / or prevented. In addition, dielectric breakdown is also improved at low operating voltages, thereby suppressing and / or preventing the life of FeRAM devices due to reference cells.

도 7은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 FeRAM에서의 셀 어레이를 보여주는 회로도이다.7 is a circuit diagram illustrating a cell array in FeRAM according to the first and second embodiments of the present invention.

도 7을 참조하면, 센스앰프부(750)를 사이에 두고 상부메모리셀부(730A)와 하부메모리셀부(730B)가 배치되고, 상부메모리셀부(730A)의 상단에상부기준셀부(710A)가 배치되고, 하부메모리셀부(730B)의 하단에 하부기준셀부(710B)가 배치된다.Referring to FIG. 7, the upper memory cell unit 730A and the lower memory cell unit 730B are disposed with the sense amplifier unit 750 interposed therebetween, and the upper reference cell unit 710A is disposed on the upper end of the upper memory cell unit 730A. The lower reference cell unit 710B is disposed at the lower end of the lower memory cell unit 730B.

상부메모리셀부(730A)의 어느한 메모리셀로부터 셀 데이터를 감지증폭할 때에는 하부기준셀부(710B)의 기준셀로부터 기준전압을 발생시켜 센스앰프부(750)를 통해 데이터를 읽게 된다. 반대로, 하부메모리셀부(730B)의 셀 데이터를 감지증폭할 때에는 상부기준셀부(710A)로부터 센스앰프부(750)가 기준전압을 제공받게 된다.When sensing and amplifying cell data from one memory cell of the upper memory cell unit 730A, a reference voltage is generated from the reference cell of the lower reference cell unit 710B to read data through the sense amplifier unit 750. On the contrary, when sensing and amplifying the cell data of the lower memory cell unit 730B, the sense amplifier unit 750 receives the reference voltage from the upper reference cell unit 710A.

한편, 기준셀에 데이터 '1' 또는 '0'을 저장하기 위해서는 직렬연결된 강유전체커패시터의 양단(플레이트라인 및 저장노드)에 전압을 인가하기 위한 스위칭트랜지스터 등을 별도로 사용할 수 있다.On the other hand, in order to store data '1' or '0' in the reference cell, a switching transistor for applying a voltage to both ends (the plate line and the storage node) of the ferroelectric capacitor connected in series may be separately used.

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 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 가져다 준다.According to the present invention brings the following effects.

첫째, 강유전체커패시터를 갖는 기준셀을 사용하여 기준전압을 생성하는 방식에 있어서, 기준셀의 열화를 예방하여 제품의 수명을 늘리고 신뢰성을 높일 수 있다.First, in a method of generating a reference voltage using a reference cell having a ferroelectric capacitor, it is possible to prevent deterioration of the reference cell to increase the life of the product and to increase the reliability.

둘째, 강유전체를 사용하지 않고 CMOS 회로로 구현된 기준전압발생기를 사용하는 종래기술에 비하여 기준셀과 메모리셀이 같은 강유전체 물질을 사용하므로 온도변화 및 공정 변화에 의한 특성이 동일하게 변화하므로 소자의 동작 마진(margin) 확보에 용이하다.Second, since the reference cell and the memory cell use the same ferroelectric material than the conventional technology using a reference voltage generator implemented by a CMOS circuit without using a ferroelectric, the characteristics of the device change due to temperature and process changes. Easy to secure margin

Claims (6)

제1비트라인과 제1노드 사이에 소오스-드레인 경로가 접속되고 게이트에 제1워드라인이 접속된 제1트랜지스터와 상기 제1노드와 제1플레이트라인 사이에 접속된 제1강유전체커패시터로 구성된 메모리셀;A memory comprising a first transistor having a source-drain path connected between a first bit line and a first node and a first word line connected to a gate, and a first ferroelectric capacitor connected between the first node and the first plate line. Cell; 제2비트라인과 제2노드 사이에 소오스-드레인 경로가 접속되고 게이트에 제2워드라인이 접속된 제2트랜지스터와 상기 제2노드와 제2플레이트라인 사이에 직렬접속된 적어도 두개의 제2강유전체커패시터로 구성된 기준셀; 및A second transistor having a source-drain path connected between a second bit line and a second node and a second word line connected to a gate, and at least two second ferroelectrics connected in series between the second node and the second plate line A reference cell composed of a capacitor; And 상기 제1비트라인과 상기 제2비트라인에 연결되어 상기 제2비트라인의 신호를 기준전압 신호로하여 상기 제1비트라인의 데이터에 대응하는 전압을 감지 증폭하는 센스앰프A sense amplifier connected to the first bit line and the second bit line to sense and amplify a voltage corresponding to the data of the first bit line by using the signal of the second bit line as a reference voltage signal. 를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체메모리장치.A ferroelectric memory device comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기준셀의 동작전압과 상기 메모리셀의 동작전압이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 강유전체메모리장치.And an operating voltage of the reference cell and an operating voltage of the memory cell are substantially the same. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 각 제2강유전체커패시터의 스위칭 전하를 이용하여 상기 기준전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 강유전체메모리장치.And generating the reference voltage by using the switching charges of the respective second ferroelectric capacitors. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 기준셀은 직렬 접속된 두개의 제2강유전체커패시터를 포함하고, 상기 제2강유전체커패시터는 각각 그 크기가 상기 제1강유전체커패시터의 크기의 약 1.5배임을 특징으로 하는 강유전체메모리장치.And the reference cell includes two second ferroelectric capacitors connected in series, each of the second ferroelectric capacitors having a size of about 1.5 times the size of the first ferroelectric capacitor. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 각 제2강유전체커패시터의 비스위칭 전하를 이용하여 상기 기준전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 강유전체메모리장치.And generating the reference voltage by using the non-switching charge of each of the second ferroelectric capacitors. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 기준셀은 직렬 접속된 두개의 제2강유전체커패시터를 포함하고, 상기 제2강유전체커패시터는 각각 그 크기가 상기 제1강유전체커패시터의 크기의 약 6배임을 특징으로 하는 강유전체메모리장치.And the reference cell includes two second ferroelectric capacitors connected in series, and each of the second ferroelectric capacitors is about six times the size of the first ferroelectric capacitor.
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