JP4531886B2 - 強誘電体メモリ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体メモリ装置に関するものであり、より詳しくは、Half−Vccプレートスキム(plate skim)を用いる不揮発性DRAM装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体メモリは、短い書込み時間(short write time)及び高い書込み耐久性を含むそれらの潜在的に高性能なものなので未来の不揮発性メモリとして優れた可能性を有する。DRAMのようなメモリセル構造は、強誘電体キャパシタ及びMOSトランジスタで構成され、安定された動作を可能にしてきた。DRAMのようなメモリセル構造は1989年12月に開催されたIEEE J.Solid−state Circuits,vol.23,1171〜1175ページに“An experimental512−bit nonvolatile Memory with ferroelectric storage cell”という題目で掲載された。
【0003】
強誘電体メモリの書込み時間(write time)は不揮発性メモリ、即ち、フラッシュメモリの書込み時間よりサイズが少なくとも1次数ほど(at least one order of magnitude)短くなるが、DRAMの書込み時間よりやや更に長い。これはたとえこの動作のための回路及び読み出し/書込み動作がDRAMと似ていてもプレートラインが強誘電体メモリでパルスとして駆動されなければならないからである。強誘電体メモリの書込み耐久性はフラッシュメモリのそれより数次数のサイズほど長くなるが、DRAMの書込み耐久性より数次数のサイズほど短い。書込み耐久性は書込み動作中に分極スイッチングにより強誘電体キャパシタの疲労(fatigue)により制限される。強誘電体メモリの不利な点は低い密度であり、DRAMのようなセル構造で次の二つ問題点を招く。プレート(plate)がパルスされたプレートラインで分離されなければならなく、1T/1Cセルよりむしろ2T/2C(two−transistor and two−capacitor)セルが相補ビットライン(complementarybit lines)に基準電圧を発生する難しさなので現在使用されなければならなく、疲労により信号減少を考慮しなければならない。前記パルスされたプレートラインは結局アクティブパワー消耗の増加Fを招く。減少されたパワー消耗を軽減するためには、ただ8個のメモリセルが一本のサブプレートライン(sub−plate line)に連結された多分割されたプレートライン構造(multi−divided plate−line architecture)が1994年に開催されたISSCC Dig.Tech.268〜229ペ−ジにTSumi,N.Moriwaki氏外多数により“A 256kb nonvolatile ferroelectric memory at 3V and 100ns”という題目で掲載された。だが、この構造はその上にセルアレイ領域を広め、やはりDRAMより遅い速度を有する。他のメモリが有しない異なる不利な点は書込み動作だけではなく、読み出し動作中に分極スイッチングによる低い読み出し耐久性である。
【0004】
シャドウRAM構造(shadow RAM architecture)は強誘電体メモリに関連して異なる構造である。このような構造はパルスされたプレート強誘電体メモリの以前問題点が克服できる。シャドウRAMは二つの動作モード即ち、フェロモード(ferro−mode)(ferroelectric memory mode)及びDRAMモードを用いる。フェロモードでは、分割されたプレートラインが供給電圧Vccで固定されて貯えられた電圧がDRAMでのように検出される。情報が不揮発性情報で安全に貯えられるべき時、シャドウRAMはフェロモードで動作され、そうしないとDRAMモードで動作される。貯えられた電圧が0V又はVccの反面、プレート電圧がVccなので、DRAMモードで書込み及び読み出し動作中分極スイッチングは起こらない。結果的な単極動作(resulting unipolar operation)はDRAMに匹敵できるほど高い書込み/読み出し耐久性を可能にする。高速及び低電力動作(high−speed and low−power operation)はプレートラインの電圧が固定されているのでDRAMモードで達成できる。しかし、プレートがフェロモードでパルスされたプレートラインで分割されなければならないので密度は向上されない。たとえシャドウRAM構造が前述したようにパルスされたプレート強誘電体メモリの問題点を克服しても、異なる問題点が起こる。再貯蔵動作が、(貯えられた電圧として貯えられた)揮発性情報が再貯蔵動作中に(分極として貯えられた)不揮発性情報で変換され、パワーオフ以前に必要である。予期しないパワーオフに対する信頼性はパルスされたプレート強誘電体メモリのそれより低い。強誘電体キャパシタの分極状態が貯えられた電圧に関係なくDRAMモードで同一な方向にあるので再貯蔵動作が要求される。シャドウRAM構造の異なる問題点はモードスイッチング(mode switching)なので使用するのに難しいことである。追加的に、シャドウRAMはDRAM及びSRAMを含んだメモリと互換不可能であり、これは追加的なピンがモードスイッチングを要求するために必要だからである。
【0005】
前述したパルスされたプレート強誘電体メモリ及びシャドウRAMの問題点を克服するための新しい構造の不揮発性DRAM装置がIEICE TRANS.ELECTRON.,VOL.E79−C,No.2 February 1996年にK.Takeuchi氏外多数により“half−Vcc PlateNonvolatile DRAMs with Ferroelectric
Capacitors”という題目で掲載された。
【0006】
図1は、従来の技術によるHalf−Vccプレート不揮発性DRAMのコア回路図である。
図1に示されたHalf−Vccプレート不揮発性DRAM装置は前述した論文に掲載されている。メモリセルアレイ10は動作モード即ち、フェロモード及びDRAMモード)によりビットラインBL1及びBLOで二つのプリチャージ電圧0V及びVcc/2の中一つを選択的に提供できるプリチャージ回路14を除外してDRAMのそれと同一である。例えば、分極が検出されるフェロモード(ferro−mode)では、プリチャージ電圧が0Vであり、これとは違って、DRAMモードでは、プリチャージ電圧がVcc/2である。共通プレート(common plate、以後PLと称する)の電圧はフェロモード及びDRAMモードでVcc/2として固定される。たとえ従来の動作手続きが一つのトランジスタと一つの強誘電体キャパシタで構成される1T/1Cセル構造に応用可能にしても、従来のメモリセル12は2個のトランジスタTr及び2個の強誘電体キャパシタCFで構成される。不幸にも、1T/1Cセル構造は相補ビットラインに基準電圧を生成する回路が開発されるのに難しいので今は非実用的である。アレイ10は又DRAMのそれらと同一な回路を含み、回路は図1に示されたように連結された3個のNMOSトランジスタM1、M2、そしてM3で構成されたプリチャージ回路14、感知増幅器16そして入/出力ライン(I/Olines)に各々連結されたスイッチM4及びM5で構成された熱パスゲート回路(Y−pass gate circuit)18を含む。
【0007】
図2は、メモリセル12の基本的な動作を説明するための図面である。
これはリコール動作(recall operation)、読み出し/書込み動作(read/write operation)、そしてパワーオフで構成されている。電源が点いた後リコール動作では、強誘電体キャパシタCFに保たれる分極状態(polarization states)が検出される(フェロモード)。第1リコール段階では、共通プレートPLの電圧がリコール動作を準備するためにVcc/2で設定される。この動作は不揮発性情報(nonvolatile information)を損失なしで、フローティング状態にある、ストレージノードSN1及びSN0の電圧を増加させることにより遂行される。この際、ワードラインWLは非活性化状態にある。第2リコール段階では、不揮発性情報(分極状態)が揮発性情報(貯えられた電圧)で変換され、DRAMのリフレッシュ動作と類似した動作がビットラインBL1及びBL0を0Vでプリチャージする時まで遂行される。ワードラインが活性化された直後のビットライン電圧は、強誘電体キャパシタCFとビットラインのキャパシタンス比(capacitance ratio)により主に決定され、次の通りキャパシタの分極状態に依存する。ワードラインが活性化された後のビットライン電圧はもしビットラインキャパシタンスが強誘電体キャパシタのそれよりずっとさらに大きければ0V付近に留まり、これはビットライン電圧がワードライン活性化前に0Vの反面、ストレージ電圧が約Vcc/2だからである。プレートラインPL電圧がVcc/2なので、キャパシタの分極状態はワードラインが活性化された後に同一な方向よりなる。2T/2Cセルに関連し、2個のキャパシタ分極状態は逆に設定される。これは2個の分極状態の中一つがワードラインが活性化された後スイッチされることを意味する。スイッチされたキャパシタの実効キャパシタンス(effective capacitance)は交換されなかったキャパシタ(non−switched capacitor)のそれより大きく、これは付加の電荷(additional charges)がスイッチされたキャパシタへ流れるからである。結局、ワードラインが活性化された後ビットラインBL電圧は図2に示されたように交換されなかったキャパシタに連結されたビットラインBL0に関連したことよりスイッチされたキャパシタに連結されたビットラインBL1に関連してさらに高い。各ビットライン間の電圧差は感知増幅器回路16により検出されて増幅される。その後、ワードラインが非活性化されて一本のワードラインに関連してリコール動作が完了される。リコールされる不揮発性情報を有するメモリセル12に連結された全てのワードラインに関連してリコールが反復的に遂行されることである。
【0008】
リコール動作を完了した後、メモリセル12はダイナミックRAMと同一な方法で動作される。読み出し/書込み動作では、貯えられた電圧がビットラインBL1及びBL0をVcc/2でプリチャージすることにより、検出される(DRAMモード)プレートラインPL電圧はVcc/2で固定されている。分極はパルスされたプレート強誘電体メモリ(pulsed−plate ferroelectric memory)とは違って、分極状態に関係なしで読み出し動作中にスイッチされない点に注意しなければならない。DRAMでのようにリフレッシュ動作がDRAMモードで遂行されることである。読み出し動作でのようにリフレッシュ動作で分極スイッチング(polarization switching)は起こらない。
【0009】
電源が点いた時、揮発性情報から不揮発性情報への再貯蔵動作はシャドウRAMとは違って要求されない。これは従来のメモリのDRAMモードで情報が書込み動作中に変化されても不揮発性情報(分極状態)が常に揮発性情報(貯えられた)と同時に起こるからである。パワーオフ過程中には、ワードラインが情報損失を防止するために非活性化状態にある。情報を安定的に貯えるためには、プレートPL電圧が従来のパワ−オフ過程中にVcc/2から0Vへ減少される。この過程はストレ−ジノ−ドSN1電圧がリフレッシュ動作を停止させた後漏洩電流によりプレートPL電圧よりさらに早く低まることを防止する。
【0010】
前述したように、従来の技術による不揮発性ダイナミックRAM装置によると、読み出し/書込み動作が遂行される以前に全てのメモリセルに対する分極感知動作即ち、フェロモードでリコール動作を遂行しなければならないことが従来の問題点である。又、リコール動作でストレージノードに貯えられた電圧が時間の経過により消失できるので、DRAMと同一に、リフレッシュ動作が遂行されなければならないことが従来の異なる問題点である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はリコール動作及びリフレッシュ動作が要求されないhalf−Vcc共通プレートスキムを使用する不揮発性DRAM装置を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前述したような目的を達成するための本発明の一特徴によると、不揮発性DRAM装置が提供される。メモリ装置は複数のワードラインと、少なくとも一本のプレートライン、ワードラインと交差するように配列された少なくとも一対のビットラインと、そして複数のメモリセルとを含む。メモリセル各々はビットラインの間に連結されて2個のアクセストランジスタ及び2個の強誘電体キャパシタで構成される。それに、各メモリセルの強誘電体キャパシタの各一電極は対応するアクセストランジスタを通じて対応するビットラインに連結され、アクセストランジスタは対応するワードラインに共通に連結される。各メモリセルの強誘電体キャパシタの他の電極は少なくとも一つのプレートラインに共通に連結される。メモリ装置はそれにプレートラインに連結されたプレート電圧供給回路を含み、それはプレートラインで第1電圧と第2電圧との中一つの電圧を供給する。メモリ装置はそれに一対のビットラインに連結されたプリチャージ回路を含む。プリチャージ回路は先ず第1、第2そして第3プリチャージ信号に応答してデータ読み出し又は書込み動作が遂行される前にビットラインを第1電圧、第2電圧、そして第3電圧で段階的にプリチャージする。その後、それはデータ読み出し又は書込み動作が遂行された後ビットラインを第2、そして第1電圧で段階的にプリチャージする。
【0013】
この実施形態において、第1電圧は接地電圧であり、第2電圧は供給電圧の半分であり、第3電圧は供給電圧である。
【0014】
この実施形態において、ワードラインはデータ書込み又は読み出し動作前後に少なくとも一対のビットラインがプリチャージ手段により第2電圧でプリチャージされる時同時に活性化される。
【0015】
この実施形態において、プリチャージ手段は、少なくとも一対のビットラインの間に直列に形成される電流通路と第1プリチャージ信号を受け入れるゲートを有し、電流通路間の接続点は第2電圧が供給される第1及び第2NMOSトランジスタと、少なくとも一対のビットラインの間に直列に形成される電流通路と第2プリチャージ信号を受け入れるゲートを有し、電流通路間の接続点は第1電圧が供給される第3及び第4NMOSトランジスタと、少なくとも一対のビットラインの間に直列に形成される電流通路と第3プリチャージ信号を受け入れるゲートを有し、電流通路間の接続点は第3電圧が供給される第1及び第2PMOSトランジスタで構成される。
【0016】
このような装置により、強誘電体キャパシタの分極を検出するリコール動作を遂行なしでキャパシタに貯えられたデータの書込み/読み出すことができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態による参照図面図3乃至図5に基づき詳細に説明する。
後述する本発明のより徹底的な理解を提供するため特定の例が例を挙げられて限定されて詳細に説明される。しかし、本発明がこのような詳細な項目がなくても前述した説明だけにより実施できることはこの分野の熟練された者に自明である。又、本発明の要旨を不明瞭にすることを防止するために、よく知られた回路に対してはブロック形態で示される。
【0018】
図3は、本発明の望ましい実施形態によるHalf−Vcc共通プレート不揮発性DRAM装置のコア回路図である。
図3で、共通プレート不揮発性DRAM装置100は不揮発性情報を貯えるためのメモリセルアレイ102を含む。メモリセルアレイ102には、複数のワードラインWL1〜WLiと一つの共通プレートラインPLが提供される。メモリセルアレイ102の列方向に配列された一対のビットラインBLn及びBLnBの間には、複数のメモリセルMC1〜MCiが連結されている。メモリセルMCi各々は2個のスイッチトランジスタ(アクセストランジスタ又は電荷伝達トランジスタとも呼ばれる)Trと2個の強誘電体キャパシタCFで構成されている。各メモリセルMCiの強誘電体キャパシタCFは初期に反対の分極状態で設定されるものである。各強誘電体キャパシタCFの一電極は対応するスイッチトランジスタTrを通じて対応するビットラインBLnに連結され、その他の電極は共通プレートラインPLに連結される。ビットラインBLnBは対応するスイッチトランジスタTrを通じて対応する各強誘電体キャパシタCFの一電極に連結され、各強誘電体キャパシタCFの他の電極は共通プレートラインPLに連結される。メモリセルMC1〜MCiのスイッチトランジスタTrのゲート電極は対応するワードラインWL1〜WLiに共通に連結される。例えば、メモリセルMC1のトランジスタTrのゲート電極はワードラインWL1に共通に連結される。
【0019】
メモリセルアレイ102に提供される共通プレートラインPLはプレート電圧供給回路104に連結されている。プレート電圧供給回路104は信号PRE_PLに応答して共通プレートラインPLで(共通で)Vcc/2又は0電圧を供給する。例えば、信号PRE_PLがハイレベルの時、共通プレートラインPLはVcc/2電圧で駆動され、信号PRE_PLがローレベルの時、共通プレートラインPLは接地される。プレート電圧供給回路104がたとえ図面には示されなかったが、信号PRE_PLによりスイッチオン/オフされるPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタで構成できることはこの分野の通常的な知識を習得した者に自明である。
【0020】
図3に示されたように、各ビットラインBLn及びBLnBには、ビットラインプリチャージ回路106が連結されている。ビットラインプリチャージ回路106はプリチャージ信号PRE1、PRE2そしてPRE3に応答してビットラインBLn及びBLnBを0V、Vcc/2の中いずれか一つでプリチャージする。ビットラインプリチャージ回路106は4個のNMOSトランジスタM6〜M9及び2個のPMOSトランジスタM10、M11で構成される。
【0021】
NMOSトランジスタM6は、ビットラインBLnとVcc/2電圧を受け入れる電源端子N1の間に形成される電流通路そしてプリチャージ信号PRE1を伝達する信号ラインL1に連結されたゲートを有する。ゲートが信号ラインL1に共通に連結されたNMOSトランジスタM7は電源端子N1とビットラインBLnBとの間に形成される電流通路を有する。NMOSトランジスタM6及びM7はプリチャージ信号PRE1に応答してビットラインBLn及びBLnBをVcc/2電圧でプリチャージするプリチャージ回路(precharge circuit)で機能する。ゲートがプリチャージ信号PRE2を伝達するための信号ラインL2に連結されたNMOSトランジスタM8は接地電圧Vssを受け入れる電源端子N2とビットラインBLnBとの間に形成される電流通路を有する。NMOSトランジスタM8はビットラインBLnと接地電圧Vssとの間に形成される電流通路そしてプリチャージ信号PRE2を伝達する信号L2に連結されたゲートを有する。NMOSトランジスタM8及びM9はプリチャージ信号PRE2に応答してビットラインBLn及びBLnBを接地電圧でプリチャージするプリチャージ回路で機能する。各ゲートがプリチャージ信号PRE3を伝達するための信号ラインL3に共通に連結されたPMOSトランジスタはビットラインBLn及びBLnBの間に直列に形成された電流通路を有し、電流通路の間には、電源電圧Vccが印加される電源端子N3が連結されている。PMOSトランジスタM10及びM11はプリチャージ信号PRE3に応答してビットラインBLn及びBLnBを電源電圧Vccでプリチャージするプリチャージ回路で機能する。
【0022】
図3で、各ビットラインBLn及びBLnBには、感知増幅器回路108が連結されている。感知増幅器回路108は信号SAEに応答してビットラインBLn及びBLnB間の電圧差を検出して増幅する。増幅されたビットラインBLn及びBLnB電圧は信号Y及びYBに制御される熱パスゲート回路110を通じて対応する入出力ラインIO及びIOBへ伝達される。熱パスゲート回路110は図3に示されたように連結された2個のCMOS伝送ゲートTG1及びTG2で構成される。
【0023】
図3に示されたように、図示の便宜上、ただ一つのプレート電圧供給回路104に対応するメモリセルMC1〜MCi及びそれに関連されたビットラインプリチャージ回路106、感知増幅器回路108、そして熱パスゲート回路110が示されているが、プレート電圧供給回路104と同一に構成された多数のプレート電圧供給回路104に各々対応するこれらがやはり同一に構成できることは自明である。
【0024】
読み出し動作
図4は、図3に示された不揮発性DRAM装置の読み出し動作を説明するためのタイミング図である。
図4において、参照符号WLnは図面に示されないメモリセル即ち、図3のプレート電圧供給回路104と異なる一つに対応するワードラインを示す。図4で、“H”は電源電圧Vccレベルを示して“L”は接地電圧Vssレベルを示す。ここで、ワードラインWL1〜WLiが活性化される時の“H”が電源電圧Vccの割りに高い昇圧電圧レベルを示すことに注意しなければならない。説明の便宜上、この分野によく知られたアドレッシング方法によりワードラインWL1に連結されたメモリセルMC1が選択され、ビットラインBLnに連結された強誘電体キャパシタCFの分極状態が状態点Aにあり、そしてビットライン BLnBに連結された強誘電体キャパシタCFの分極状態が状態点Cにあると仮定しよう。
【0025】
時点t1では、ビットラインプリチャージ回路106に供給される信号PRE1、PRE2、そしてPRE3が各々“L”、“H”、そして“H”レベルよりなり、ワードラインWL1〜WLiは“L”レベルである。これはメモリセルMC1のキャパシタの分極状態は初期状態即ち、状態点A及び状態点Cに保たれるようにそして信号PRE2によりターンオンされたトランジスタM8及びM9を通じてビットラインBLn及びBLnBが接地電圧で設定されるようにする。その後、時点t2では、信号PRE1、PRE2、そしてPRE3が各々“H”、“L”、そして“H”レベルよりなり、共通プレートラインPLに対応するワードラインWL1〜WLiは“H”レベルよりなり、そしてプレート電圧供給回路104へ供給される信号PRE_PLは“H”レベルよりなる。“H”レベルの信号PRE1によりNMOSトランジスタM6及びM7がターンオンされ、これはビットラインBLn及びBLnBがターンオンされたトランジスタM6及びM7を通じてVcc/2電圧でプリチャ−ジされる。これと同時に、メモリセルMC1〜MCiに共通に連結されたプレートラインPLはVcc/2電圧で駆動される。この際、メモリセルMC1〜MCiの強誘電体キャパシタ CFの分極状態は、図4に示されたように、時点t1と同一な状態点A及びCに保たれる。これはプレートラインPL電圧とビットラインBLn及びBLnB上の電圧が同一だからである。その結果で、従来の技術とは違って、選択されないワードラインに連結されたメモリセルに貯えられたデータはリコール動作(又は、リフレッシュ動作)の遂行なしで影響を与えない。
【0026】
続けて、時点t3では、信号PRE1、PRE2、そしてPRE3は全て“L”レベルよりなり、ワードラインWL1〜WLiは“L”レベルよりなる。これはビットラインBLn及びBLnBが“L”レベルの信号PRE3によりタ−ンオンされたPMOSトランジスタM10及びM11を通じてVcc電圧でプリチャージされる。たとえビットラインBLn及びBLnBがVcc電圧でプリチャージされてプレート電圧供給回路106に印加される信号PRE_PLはやはり“H”レベルに保たれても(時点t3で、共通プレートラインPL電圧は以前と同一に“H”レベルに保たれる)、共通プレートラインPLに連結されたメモリセルに対応するワードラインWL1〜WLiが“L”レベルなので、ワードラインWL1〜WLiに連結されたメモリセルのキャパシタCFは以前t2と同一な状態点A及びCを有する。即ち、対応するスイッチトランジスタTrを通じてビットラインBLnに連結された強誘電体キャパシタCFの各分極状態は状態点Aにあり、対応するスイッチトランジスタTrを通じてビットラインBLnBに連結された強誘電体キャパシタCFの各分極状態は状態点Cにある。
【0027】
図4に示されたように、信号PRE1、PRE2、そしてPRE3は、時点t4で、各々“L”、“L”、そして“H”になり、ワードラインWL1〜WLiはやはり“L”レベルに保たれる。信号PRE1、PRE2、そしてPRE3に制御されるビットラインプリチャージ回路106のNMOSトランジスタM6〜M9及びPMOSトランジスタM10、M11は全てタ−ンオフされる(又は、ビットラインプリチャージ回路106が非活性化される)。即ち回路106に連結されたビットラインBLn及びBLnBはフローティングされる。次の時点t5では、図4に示されたように、選択された(又は、アドレッシングされた)ワードラインWL1が“H”状態になり、選択されなかったワードラインWLi及び信号PRE_PLがやはり“L”レベルと“H”レベルに保たれる。だから、選択されたワードラインWL1に連結されたメモリセルMC1のスイッチトランジスタTrはターンオンされる。即ち、ビットラインBLn及びBLnBに各々連結された強誘電体キャパシタCF両端には、正の電圧が各々印加される。これはビットラインBLnに連結された強誘電体キャパシタCFの分極ドメインが状態点Aから状態点BへスイッチングされてビットラインBLnBに連結された強誘電体キャパシタCFの分極ドメインが状態点Cから状態点Bへ移動される。結果的に、図4に示されたように、ビットラインBLn及びBLnBの電圧がスイッチング及びノンスイッチングにより電源電圧Vcc以下で低まる。この際、スイッチされたキャパシタCFに対応するビットラインBLnの電圧がノンスイッチされたキャパシタCFに対応するビットラインBLnBの電圧より常に低いという点に注意しなければならない。
【0028】
その後、時点t6では、感知動作が遂行される。即ち、図4に示されたように、信号SAEが“H”レベルよりなる時、ビットラインBLn電圧は感知増幅器回路108により電源電圧Vccで増幅され、ビットラインBLnB電圧はそれにより接地電圧Vssになる。感知増幅されたビットラインBLn及びBLnB上の電圧は信号Y及びYBに応じて制御される熱パスゲート回路110を通じて対応する入出力ラインIO及びIOBへ各々伝達される。これと同時に、スイッチされたキャパシタ(即ち、ビットラインBLnに連結された強誘電体キャパシタ CF)に対する再書込み動作が遂行される。即ち、ビットラインBLn及びBLnB各々が感知増幅器回路108により接地電圧Vssと電源電圧Vccになり、選択されたワードラインWL1が“H”レベルに保たれ、そして共通プレートラインPLが以前と同一なVcc/2電圧に保たれるので、ビットラインBLnに対応する強誘電体キャパシタ CF両端には、陰の電圧が印加される。その結果、図4に示されたように、時点t6では、感知動作と共に再書込み動作が遂行されてそれの分極ドメインが状態点Cから状態点Dへ分極される(即ち、時点t5で反転された分極ドメインが初期分極状態になる)。反面、ビットラインBLnBに対応する強誘電体キャパシタ CF両端には、正の電圧が印加される。これはキャパシタ CFが状態点Cに保たれる。
【0029】
次の時点t7では、信号PRE1、PRE2、そしてPRE3が“H”、“L”、そして“H”レベルよりなることにより、ビットラインBLn及びBLnBは信号PRE1に制御されるNMOSトランジスタM6及びM7を通じてVcc/2電圧でプリチャージされる。この際、図4に示されたように、共通プレートラインPLに連結されたメモリセルに対応するワードラインWL1〜WLi全てが“H”レベルで活性化される。従って、各メモリセルMC1〜MCiの強誘電体キャパシタ CFの両端には、同一な電圧が印加される。即ち、ビットラインBLn及びBLnB上には、NMOSトランジスタM6及びM7で構成されたプリチャージ回路を通じてVcc/2電圧が印加されて共通プレートラインPL上には、プレート電圧供給回路104からのVcc/2電圧が印加される。選択されなかったワードラインに関連されたメモリセルのデータ損失が防止できる。時点t7で、強誘電体キャパシタ CFの分極状態は、図4に示されたように、以前状態と同一に保たれる。
【0030】
次の読み出し動作を遂行するために、時点t8では、信号PRE1、PRE2、そしてPRE3が各々“L”、“H”、そして“H”レベルよりなり、信号PRE_PLが“L”レベルよりなる。これはビットラインBLn及びBLnBが信号PRE2に制御されるトランジスタM8及びM9を通じて接地電圧Vssでプリチャージされる。その後、時点t9では、選択されたワードラインWL1が“L”レベルで非活性化され、その結果読み出し動作が完了される。この際、時点t9で、強誘電体キャパシタ CFの分極状態は、図4に示されたように、以前状態と同一に保たれる。
【0031】
前述したように、読み出し動作は一連のビットラインプリチャージ動作、感知動作、そしてビットラインプリチャージ動作により遂行される。結果的に、従来の技術の不揮発性DRAM装置とは違って、本発明による不揮発性DRAM装置はリコール動作又はリフレッシュ動作を必要としない。
【0032】
書込み動作
図5は、図3に示された不揮発性DRAM装置の書込み動作を説明するためのタイミング図である。
図5において、参照符号WLiは図面に示されないメモリセル即ち、図3のプレート電圧供給回路104と他の一つに対応するワードラインを示す。図5において、図4と同一に“H”は電源電圧Vccレベルを示して“L”は接地電圧Vssレベルを示す。ここで、ワードラインWL1〜WLiが活性化される時の“H”が電源電圧Vccの割りに高い昇圧電圧レベルを示すことに注意しなければならない。説明の便宜上、この分野でよく知られたアドレッシング方法によりワードラインWL1に連結されたメモリセルMC1が選択され、ビットラインBLnに連結された強誘電体キャパシタ CFの分極状態が状態点Aにあり、そしてビットラインBLnBに連結された強誘電体キャパシタ CFの分極状態が状態点Cにあると仮定しよう。
【0033】
図5に示されたように、時点t1〜t5での各動作は図4のそれと同一なので、説明の重複を避けるために、それに対する説明は略される。
【0034】
時点t6では、信号PRE1、PRE2、そしてPRE3が図4でのように各々“H”、“L”、そして“H”レベルよりなり、各メモリセルに共通に連結されたプレートラインPL上の電圧はVcc/2になり、そして感知増幅器回路108に印加される信号SAEが“H”レベルよりなる。結果的に、時点t6で、読み出し動作と同一に感知動作が遂行されてビットラインBLnは接地電圧Vssになり、ビットラインBLnBは電源電圧Vccになる。このような条件下で、前述したように、ビットラインBLnに対応する強誘電体キャパシタ CFは瞬間的に状態点Bから状態点Dへスイッチされ、ビットラインBLnBに対応する強誘電体キャパシタCFは状態点Bに保たれる。その後、熱パスゲート回路110が活性化されると、選択されたメモリセルに書込まれる入出力ラインIO及びIOB上の外部データが感知増幅器回路108を通じて対応するビットラインBLn及びBLnB上へ各々伝達される。そのようなデータ入力過程により、図5に示されたように、ビットラインBLnは電源電圧Vccになり、ビットラインBLnBは接地電圧Vssになると仮定しよう。このような仮定下で、ビットラインBLnに対応する強誘電体キャパシタ CF両端には、正の電圧が印加され、ビットラインBLnBに対応する強誘電体キャパシタ CF両端には、陰の電圧が印加される。これはビットラインBLnに連結された強誘電体キャパシタ CFが状態点Aを経て状態点Dから状態点Bへスイッチされて、そしてビットラインBLnBに連結された強誘電体キャパシタ CFが状態点Bを経て状態点Aから状態点Dへスイッチされる。その結果、外部データが選択されたワードラインWL1に連結されたメモリセルに書込まれる。ビットラインBLn及びBLnBを次の動作を準備するための継続される時点t7〜t9に関連された動作は図4のそれと同一なので、それに対する説明は略される。
【0035】
例示的な望ましい実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の範囲は開示された実施形態に限られないことはよく理解されることである。むしろ、本発明の範囲は多様な変形例及びその類似した構成を全て含めるようにしようとするものである。従って、請求範囲はそのような変形例及びその類似した構成全てを含むことが可能なように広く解析されなければならない。
【0036】
【発明の効果】
前述した本発明の書込み及び読み出し動作によると、時点t2及びt7では、共通プレートラインPLに連結された選択されなかったワードラインに連結されたメモリセルのデータが損失されることを防止するためにメモリセルの強誘電体キャパシタ各々の両端が同一な電圧(例えば、Half−Vcc(Vcc/2)電圧)で設定される。即ち、前述したように、共通プレートラインPLをVcc/2電圧で設定した状態で、データ書込み/読み出し動作前後にビットラインVcc/2電圧でプリチャージする時全てのワードラインが活性化されるようにすることにより強誘電体キャパシタ両端電圧が同一に設定される。これで、従来の技術で説明されたリコール動作又はリフレッシュ動作を遂行しないで書込み/読み出し動作が遂行できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の技術による不揮発性DRAMのコア回路図である。
【図2】 従来の技術による基本的な動作を説明するための図である。
【図3】 本発明の望ましい実施形態による不揮発性DRAMのコア回路図である。
【図4】 本発明の読み出し動作による図3に使用される信号のタイミング図である。
【図5】 本発明の書込み動作による図3に使用される信号のタイミング図である。
【符号の説明】
1,100 不揮発性DRAM
12,102 メモリセル
14,106 ビットラインプリチャージ回路
16,108 感知増幅器回路
18,110 熱パスゲート回路
Claims (3)
- 複数のワードラインと、
少なくとも一本のプレートラインと、
前記ワードラインと交差するように配列された少なくとも一対のビットラインと、
各々が前記ビットラインの間に連結され、2個のトランジスタ及び2個の強誘電体キャパシタで構成される複数のメモリセルと、
前記各メモリセルの前記強誘電体キャパシタの各一電極は対応するアクセストランジスタを通じて対応するビットラインに連結され、前記アクセストランジスタは対応するワードラインに共通に連結され、
前記各メモリセルの前記強誘電体キャパシタの他の電極は前記少なくとも一本のプレートラインに共通に連結され、
前記プレートラインに連結され、前記プレートラインへ第1電圧である接地電圧と第2電圧である供給電圧の半分の電圧との中一つの電圧を供給する手段と、
前記一対のビットラインに連結され、第1、第2そして第3プリチャージ信号に応答してデータ読み出し又は書込み動作が遂行される前に前記ビットラインを前記第1電圧、前記第2電圧、そして第3電圧である供給電圧で段階的にプリチャージして前記データ読み出し又は書込み動作が遂行された後前記ビットラインを前記第2電圧、そして前記第1電圧で段階的にプリチャージする手段とを含む強誘電体メモリ装置。 - 前記ワードラインは前記データ書込み又は読み出し動作前後に前記少なくとも一対のビットラインが前記プリチャージ手段により前記第2電圧でプリチャージされる時同時に活性化されることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体メモリ装置。
- 前記プリチャージ手段は、
前記少なくとも一対のビットラインの間に直列に形成される電流通路と前記第1プリチャージ信号を受け入れるゲートとを有し、前記電流通路間の接続点は前記第2電圧が供給される第1及び第2NMOSトランジスタと、
前記少なくとも一対のビットラインの間に直列に形成される電流通路と前記第2プリチャージ信号を受け入れるゲートとを有し、前記電流通路間の接続点は前記第1電圧が供給される第3及び第4NMOSトランジスタと、
前記少なくとも一対のビットラインの間に直列に形成される電流通路と前記第3プリチャージ信号を受け入れるゲートとを有し、前記電流通路間の接続点は前記第3電圧が供給される第1及び第2PMOSトランジスタとを含むことを特徴とする請求項2に記載の強誘電体メモリ装置。
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