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JP5162276B2 - 強誘電体メモリ装置 - Google Patents
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Description

本発明は、強誘電体メモリ装置に関し、特に、メモリセルが接続されるビット線の容量を調整する強誘電体メモリ装置に関する。
強誘電体メモリ(FRAM:Ferroelectric Random Access Memory(FRAM:登録商標))は、強誘電体キャパシタが有するヒステリシス特性を用いることで、記憶データの不揮発性(例えば、約10年程度の保持性能)と、例えば、約数10ns程度の高速データ書込み性能という優れた特性を実現している。
一方、強誘電体キャパシタのヒステリシス特性の制御には、比較的大きい容量を駆動する必要があるため、そのままでは、例えば、数ns程度のアクセスタイムを有するスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM:Static Random Access Memory)レベルの高速動作を実現することは難しい。また、分極反転を繰り返す毎に徐々に強誘電体キャパシタの特性が劣化するため、データ書き換え回数が1キャパシタあたり1014回程度に制限されてしまうという問題点があった。
これを解決するために、通常動作時は、強誘電体キャパシタを単なる容量素子として使用し、充電電荷によってデータを保持するダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM:Dynamic Random Access Memory)モード動作を行い、電源遮断時のみ、ヒステリシス特性を利用してデータを不揮発化するFRAMモード動作を行うという方法がある(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。
この方法では、通常動作時はヒステリシス特性を利用せず、駆動する容量を低減することで動作の高速化を図ることができ、また、分極反転も生じないため、デバイスの特性劣化を抑制できるという効果がある。
DRAMモードでは、メモリセルが接続されるビット線(BL:Bit Line)の容量が小さいほど高速動作に有利となるが、一方で、FRAMモードでは、残留分極電荷を読み出すために大きなBL容量が必要となる。このトレードオフによりFRAMモードが動作可能な範囲でしかBL容量を小さくすることができないため、高速化に限界がある。
電源オフ期間中もデータを保持する場合は、電源遮断時、DRAMモードで動作しているメモリセルに対してFRAMモードでデータ書込みを行い、データを不揮発化する必要がある。このため、メモリサイズが大きくなるにつれて、電源遮断時に必要なFRAMモード動作時間が長くなってしまう。
特開平06−125056号公報 特開平08−203266号公報
BL容量が不変な場合、DRAMモードおよびFRAMモード両方で動作可能な範囲内で容量値を設定する必要がある。このため、BL容量低減によって、高速化を図るには限度があった。混載メモリ用途におけるFRAMの課題は、アクセス速度の向上にあるが、容量負荷が大きい不揮発(FRAM)動作では高速化が困難である。
本発明の目的は、BL上に負荷容量調整セルを設け、DRAMモードとFRAMモードとでBL上の容量を別個に設定することで、DRAMモードでのBL容量軽減化による高速化と、FRAMモードでのBL容量確保を両立することができる強誘電体メモリ装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、通常動作時には、高速動作のため容量負荷が小さいDRAM動作モードで動作させ、電源オン/オフ時には、電源オフ期間のデータ保持のためFRAM動作モードで動作させる強誘電体メモリ装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、列方向に配置された複数のビット線と、前記ビット線に直交し、行方向に配置された複数のワード線と、前記ビット線に直交し、行方向に配置された複数のプレート線と、前記ビット線に直交し、行方向に配置されたビット線制御線と、前記複数のビット線と前記複数のワード線および前記プレート線の交差部に配置され、一方の電極を前記プレート線に接続された強誘電体キャパシタと、前記強誘電体キャパシタの他方の電極にソース,前記ビット線にドレイン,前記ワード線にゲートを接続されたメモリセルトランジスタからなる強誘電体メモリセルと、前記複数のビット線と前記ビット線制御線の交差部に配置され、一方の電極を接地電位に接続された負荷容量と、前記負荷容量の他方の電極にソース,前記ビット線にドレイン,前記ビット線制御線にゲートを接続された負荷容量調整トランジスタからなる負荷容量調整セルとを備え、前記強誘電体キャパシタは、少なくとも1つの強誘電体薄膜を備え、前記強誘電体メモリセル内のデータは、前記強誘電体キャパシタに充電される電荷、あるいは、前記強誘電体薄膜内部の残留分極電荷によって保持され、前記負荷容量調整セルは、前記強誘電体メモリセル内のデータを読み出す際、前記強誘電体キャパシタに充電される充電電荷で保持される場合と、前記強誘電体薄膜内部の残留分極電荷によって保持される場合とで、前記ビット線の容量を切り換えることを特徴とする強誘電体メモリ装置が提供される。
本発明の強誘電体メモリ装置によれば、BL上に負荷容量調整セルを設け、DRAMモードとFRAMモードとでBL上の容量を別個に設定することで、DRAMモードでのBL容量軽減化による高速化と、FRAMモードでのBL容量確保を両立することができる。
本発明の強誘電体メモリ装置によれば、通常動作時には、高速動作のため容量負荷が小さいDRAM動作モードで動作させ、電源オン/オフ時には、電源オフ期間のデータ保持のためFRAM動作モードで動作させることができる。
本発明の強誘電体メモリ装置によれば、SRAMと同程度の動作速度の高速化が図ることができる。
また、本発明の強誘電体メモリ装置によれば、電源遮断時のデータ退避処理の高速化を図ることができる。
また、本発明の強誘電体メモリ装置によれば、分極反転回数低減による、強誘電体デバイスの特性劣化を抑制することができる。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[第1の実施の形態]
(強誘電体メモリ装置)
本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置10は、図1に示すように、複数のバンク1811,1812,…,18n1,18n2と、周辺回路部14と、SRAMインタフェース(I/F)部16とを備える。SRAMI/F部16は、複数のバンク1811,1812,…,18n1,18nを外部と接続する際に、外部に対してSRAM互換のインタフェースを提供するものである。
。周辺回路部14は、SRAMI/F部16および複数のバンク1811,1812,…,18n1,18n2以外の他の構成要素を示す。複数のバンク1811,1812,…,18n1,18nは、それぞれが独立した強誘電体メモリを構成し、各バンク単位でデータの書込み、読出し、保持を実施する。
(バンクの構成例1)
本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置10の1つのバンク18は、例えば、図2に示すように、FRAMセルアレイ部24a・24bと、FRAMセルアレイ部24a・24bに列方向に隣接してそれぞれ配置された負荷容量調整アレイ部26a・26bと、負荷容量調整アレイ部26a・26bに列方向に隣接して共通に配置されたセンスアンプおよび列デコーダ28と、FRAMセルアレイ部24a、24bに行方向に隣接して配置されたワード線/プレート線(WL/PL)ドライバ22a・22b、22c・22dと、ワード線/プレート線(WL/PL)ドライバ22a・22b、22c・22dにそれぞれ列方向に隣接して配置された行デコーダ20a・20b、20c・20dと、行デコーダ20a・20cおよびセンスアンプおよび列デコーダ28に隣接して配置され、アドレス信号ADを受信するプリデコーダ30とを備える。センスアンプおよび列デコーダ28は、データ信号DSを出力する。
ワード線/プレート線(WL/PL)ドライバ22a・22bからFRAMセルアレイ部24aに対しては、複数のワード線WLおよび複数のプレート線PLが行方向に延伸されている。同様に、ワード線/プレート線(WL/PL)ドライバ22c・22dからFRAMセルアレイ部24bに対しては、複数のワード線WLおよび複数のプレート線PLが行方向に延伸されている。
また、ワード線/プレート線(WL/PL)ドライバ22a・22bから負荷容量調整アレイ部26aに対しては、ビット線容量制御線BLCが行方向に延伸されている。同様に、ワード線/プレート線(WL/PL)ドライバ22c・22dから負荷容量調整アレイ部26bに対しては、ビット線容量制御線BLCが行方向に延伸されている。
FRAMセルアレイ部24a・24b内の複数のビット線BLは、列方向に延伸され、共通のセンスアンプおよび列デコーダ28内のセンスアンプ38に接続されている。
FRAMセルアレイ部24a・24b内には、強誘電体メモリセル32がマトリックス状に配置され、負荷容量調整アレイ部26a・26b内には、負荷容量調整セル34が配置されている。
図2に示す例では、FRAMセルアレイ部が2つに分割された例を示したが、1つであってもよい。また、図2に示す例では、1つのFRAMセルアレイ部に対して、行方向に配置される行デコーダ、WL/PLドライバは2個ずつ配置された例を示したが、1つずつであってもよい。
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置において、ビット線BLに沿う強誘電体メモリセル32と負荷容量調整セル34の模式的回路構成は、図3に示すように、列方向に配置された複数のビット線BLと、ビット線BLに直交し、行方向に配置された複数のワード線WLと、ビット線BLに直交し、行方向に配置された複数のプレート線PLと、ビット線BLに直交し、行方向に配置されたビット線容量制御線BLCと、複数のビット線BLと複数のワード線WLおよびプレート線PLの交差部に配置され、強誘電体キャパシタCFとメモリセルトランジスタQMからなる強誘電体メモリセル32と、複数のビット線BLとビット線容量制御線BLCの交差部に配置され、負荷容量CLと負荷容量調整トランジスタQLからなる負荷容量調整セル34とを備える。
強誘電体キャパシタCFの一方の電極は、プレート線PLに接続される。強誘電体キャパシタCFの他方の電極は、メモリセルトランジスタQMのソースに接続される。メモリセルトランジスタQMのドレインは、ビット線BLに接続される。メモリセルトランジスタQMのゲートは、ワード線WLに接続される。
負荷容量CLの一方の電極は、接地電位に接続される。負荷容量CLの他方の電極は、負荷容量調整トランジスタQLのソースに接続される。負荷容量調整トランジスタQLのドレインは、ビット線BLに接続される。負荷容量調整トランジスタQLのゲートは、ビット線容量制御線BLCに接続される。
強誘電体キャパシタCFは、少なくとも1つの強誘電体薄膜を備える。
強誘電体メモリセル32内のデータは、強誘電体キャパシタCFに充電される電荷、あるいは、強誘電体薄膜内部の残留分極電荷によって保持される。
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置においては、図3に示すように、強誘電体メモリセル32に対して、負荷容量切替部36を配置して、ビット線BLの容量値を調整している。
負荷容量切替部36は、図3に示すように、ビット線容量制御線BLCと、負荷容量CLと負荷容量調整トランジスタQLからなる負荷容量調整セル34と、ビット線BLに接続されるセンスアンプ38と、ビット線容量CBとから構成される。
ビット線容量制御線BLCをハイレベルにすることで、負荷容量調整トランジスタQLが導通状態となり、ビット線BLの容量値はCB+CLの大容量に増加される。一方、ビット線容量制御線BLCをローレベルにすることで、負荷容量調整トランジスタQLがオフ状態となり、ビット線BLの容量値はCBの小容量の状態が維持される。
負荷容量調整セル34は、データ保持用の強誘電体メモリセル32と同じ構造で構成可能である。例えば、メモリセルトランジスタQMと強誘電体キャパシタCFからなる強誘電体メモリセル32と同じ構造を一つ又は複数個並列接続することによって、負荷容量CLを得ることもできる。したがって、負荷容量調整セル34は、FRAMモード時のみ負荷容量調整トランジスタQLを介してBLに接続されるため、構成を簡単化することができる。
(バンクの構成例2)
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置10の1つのバンク18の別の詳細な模式的ブロック構成例は、例えば、図4に示すように、FRAMセルアレイ部25a・25bと、FRAMセルアレイ部25a・25bに列方向に隣接して配置された共通のセンスアンプおよび列デコーダ28と、FRAMセルアレイ部25aに対して行方向に隣接して配置されたWL/PLドライバ22a・22bと、FRAMセルアレイ部25bに対して行方向に隣接して配置されたWL/PLドライバ22c・22dと、WL/PLドライバ22a・22bに隣接して列方向に配置された行デコーダ20a・20bと、WL/PLドライバ22c・22dに隣接して列方向に配置された行デコーダ20c・20dとを備える。さらに、行デコーダ20a・20cおよびセンスアンプおよび列デコーダ28に隣接して配置され、アドレス信号ADを受信するプリデコーダ30aを備える。さらにまた、行デコーダ20b・20dおよびセンスアンプおよび列デコーダ28に隣接して配置され、アドレス信号ADを受信するプリデコーダ30bを備える。
センスアンプおよび列デコーダ28は、入出力制御部40に接続されている。さらに、バンク18内には、メモリ制御シーケンサ42が配置されている。負荷容量調整セル34をデータ保持用の強誘電体メモリセル32と同じ構造で構成することによって、FRAMセルアレイ部25a・25bは、負荷容量調整アレイ部26a・26bを内部に含む構成を容易に実現している。また、負荷容量調整セル34を強誘電体メモリセル32と同じ構造にすることで、作製時のプロセスばらつきを低減することができる。ただし、これに限るものではなく、負荷容量調整セル34を強誘電体メモリセル32と別の構成としてもよい。
メモリ制御シーケンサ42には、アドレス信号AD[15:10]、クロック信号CLK、読出し要求信号RD、書込み要求信号WRおよびリフレッシュ要求信号REFが入力される。
メモリ制御シーケンサ42からは、出力制御信号OE、入力制御信号WE、センスアンプ制御信号SAE、プレート線制御信号PLC、ワード線制御信号WLCおよびビット線容量制御信号BLCCが出力される。
WL/PLドライバ22a・22bからFRAMセルアレイ部25aに対しては、複数のワード線WLT[127:0]、複数のプレート線PLT[127:0]およびビット線容量制御線BLC[2:0]が行方向に延伸されている。ビット線容量制御線BLC[2:0]は、FRAMセルアレイ部25a内の負荷容量調整アレイ部26aに接続される。
同様に、WL/PLドライバ22c・22dからFRAMセルアレイ部25bに対しては、複数のワード線WLB[127:0]、複数のプレート線PLB[127:0]およびビット線容量制御線BLC[2:0]が行方向に延伸されている。ビット線容量制御線BLC[2:0]は、FRAMセルアレイ部25b内の負荷容量調整アレイ部26bに接続される。
FRAMセルアレイ部25a内の複数のビット線BLT[63:0]および#BLT[63:0]は、列方向に延伸され、センスアンプおよび列デコーダ28内のセンスアンプに接続されている。
同様に、FRAMセルアレイ部25b内の複数のビット線BLB[63:0] および#BLT[63:0]は、列方向に延伸され、センスアンプおよび列デコーダ28のセンスアンプに接続されている。
FRAMセルアレイ部25a・25b内には、強誘電体メモリセル32がマトリックス状に配置され、それぞれFRAMセルアレイ部25a・25b内の負荷容量調整アレイ部26a・26b内には、負荷容量調整セル34が配置されている。
行デコーダ20a〜20dには、プレート線制御信号PLC、ワード線制御信号WLCおよびビット線容量制御信号BLCC[2:0]が入力される。
プリデコーダ30aから行デコーダ20a・20cには、行アドレス信号AR[7:0]が入力され、同様に、プリデコーダ30bから行デコーダ20b・20dには、行アドレス信号AR[7:0]が入力される。
入出力制御部40には、出力制御信号OE、入力制御信号WEおよび書込みデータ信号WDL[15:0]が入力される。
入出力制御部40からは、読出しデータ信号RDL[15:0]が出力される。
図4のバンク18の構成例2においても、ビット線BLに沿う強誘電体メモリセル32と負荷容量調整セル34の模式的回路構成は、図3と同様に表される。強誘電体メモリセル32に対して、負荷容量切替部36を配置して、ビット線BLの容量値を調整している。
負荷容量調整セル34は、データ保持用の強誘電体メモリセル32と同じ構造で構成され、メモリセルトランジスタQMと強誘電体キャパシタCFからなる強誘電体メモリセル32を複数個並列接続することによって、負荷容量CLを得ている。
図4に示す1つのバンク18の構成例2においては、FRAMセルアレイ部が2つに分割された例を示したが、1つであってもよい。また、図4に示す1つのバンク18の構成においては、1つのFRAMセルアレイ部に対して、行方向に配置される行デコーダ、WL/PLドライバは2個ずつ配置された例を示したが、1つずつであってもよい。
(動作タイミングチャート)
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の動作の概略を図5に示すタイミングチャートを用いて説明する。
(a)まず、タイミングt0〜t1の期間T1は、通常動作状態にある。強誘電体メモリセルは、分極反転は生じず、小容量駆動のため、ランダムアクセス時の電荷量の変化ΔQも小さい。したがって、DRAM動作モードによる高速の動作が可能である。データ“1”とデータ“0”の保持状態のDRAM書込み、読出し時のランダムアクセス動作は、高速に実行可能である。
(b)次に、タイミングt1において電源オフの制御信号を受信する。
(c)次に、タイミングt1〜t2の期間T2は、FRAM書込み状態にある。強誘電体メモリセルは、分極反転が生じ、大容量駆動のため、FRAM書込み時の電荷量の変化ΔQも大きい。したがって、FRAM書込み動作モードによる中速の動作が可能である。
(d)次に、タイミングt2〜t3の期間T3は、電源オフ期間である。強誘電体メモリセルには、FRAM書込み動作モードにより、充電電荷によって書き込まれたデータ“1”あるいは分極反転によって書き込まれたデータ“0”が保持される。
(e)次に、タイミングt3〜t4の期間T4は、FRAM読出し状態にある。FRAM読出し動作モードにより、充電電荷によって書き込まれたデータ“1”がDRAMモードで読み出され、あるいは分極反転によって書き込まれたデータ“0”がFRAM読出し動作モードによって読み出される。このFRAM読出し動作モードによる読出しの場合、分極反転状態から大容量駆動により読み出される。FRAM読出し時の電荷量の変化ΔQも大きい。したがって、タイミングt3〜t4の期間T4は、FRAM動作モードによる中速の動作が可能である。
(f)次に、タイミングt4以降の期間T5は、通常動作状態にある。強誘電体メモリセルは、分極反転は生じず、小容量駆動のため、電荷量の変化ΔQも小さい。したがって、DRAM動作モードによる高速の動作が可能である。一方、強誘電体メモリセルは、充電電荷のみならず、残留分極電荷としてもデータを保持している状態とすることも可能である。この場合、データは不揮発化されており、かつ、DRAM動作モードによる読出しも可能である。
(DRAM読出し動作)
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置において、通常動作時(DRAM動作モード)の強誘電体メモリセルの読出し動作を、図6に示す回路構成を参照して説明する。
同一のビット線BL上に接続される強誘電体メモリセル32は、それぞれメモリセルトランジスタQMと強誘電体キャパシタCF1, CF2, CF3…を備える。強誘電体キャパシタCF1, CF2, CF3…の値は、分極反転状態を生じていない場合には小さく、分極反転状態を生じている場合には大きい。すなわち、強誘電体キャパシタのヒステリシス特性上の動作点に応じて、分極反転状態を生じている場合には蓄積電荷量が大きいため、読出し動作に時間を要する(FRAM読出しモード)が、分極反転状態を生じていない場合には蓄積電荷量が小さいため、高速に読出し動作が行われる(DRAM読出しモード)。
DRAM読出し動作においては、強誘電体キャパシタのヒステリシス特性上の動作点において、強誘電体キャパシタの容量が小さい部分を使用する。
プレート線PLを接地レベル(GND)にした状態で、ワード線WLをハイレベルにすると、強誘電体キャパシタCF1に蓄積されていた電荷Qは、ビット線BL上に掃き出される。負荷容量切替部36内の負荷容量調整セル34は、DRAM読出し動作時においては、ビット線容量制御線BLCがローレベルにされているため働かない。
ビット線BL上に掃き出された電荷Qは、ビット線容量CBを充電し、その電位変化がセンスアンプ38を介して増幅される。
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置のアクセス時間は、図7に示すように、通常動作時(DRAM動作モード)のアドレス信号ADに対するデータ信号DSの遅延時間として表される。
例えば、0.35μmCMOS技術により製造した本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置において、電源電圧を3.3Vで動作させた結果、通常動作時のアクセス時間は、約9.8nsec程度である。従来のFRAMにおける通常動作時のアクセス時間は、約75nsec程度であることから、本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置においては、SRAMと同程度のアクセス時間が得られている。
DRAM読出し動作を、図8に示す模式的回路構成図および図9に示すヒステリシス特性上の動作説明図を用いて説明する。
DRAM動作モードにおいては、ビット線容量制御線BLCをローレベルにすることで、負荷容量調整セル34の負荷容量調整トランジスタQLがオフ状態となり、ビット線BLの容量値はCBの小容量の状態が維持される。この場合、図9に示すように、強誘電体メモリセル32の強誘電体キャパシタは、ヒステリシス特性上の動作点AとBの状態にある。すなわち、“1”が蓄積されている場合には、S=1の状態(動作点A)にある。一方、“0”が蓄積されている場合には、S=0の状態(動作点B)にある。動作点Aと動作点Bの間の電荷の変化量ΔQは小さい。
DRAM動作モードにおける強誘電体キャパシタCFの値をCSとし、強誘電体キャパシタCFに蓄積される電圧をVSとすると、ΔQ=CS・VSの電荷量保存の法則により、ビット線BLの電圧VB=ΔQ/(CS+CB)=CS・VS/(CS+CB)で表される
ビット線BLの電圧VBは、CSとCBの大きさで決まる。CBが小さい方が信号振幅が大きくなり、高速動作に適する。
(FRAM読出し動作)
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置において、FRAM動作モードの強誘電体メモリセルの読出し動作を、図10に示す回路構成を参照して説明する。
FRAM読出し動作においては、強誘電体キャパシタのヒステリシス特性上の動作点において、強誘電体キャパシタの容量変化が大きい部分を使用する。
ワード線WLをハイレベルにした状態で、プレート線PLをハイレベルにすると、強誘電体キャパシタCF1に蓄積されていた電荷Qは、ビット線BL上に掃き出される。負荷容量切替部36内の負荷容量調整セル34は、FRAM読出しモードにおいては、ビット線容量制御線BLCがハイレベルにされるため、ビット線BL上に掃き出された電荷Qは、増加されたビット線容量(CB+CL)を充電し、その電位変化がセンスアンプ38を通じて増幅される。
FRAM読出しモードの読出し電圧Voutと負荷容量CLとの関係のシミュレーション結果を図11に示す。ビット線容量がCBのみの場合には、P0で示すように、読出し電圧Voutは、約0.40V程度である(DRAM読出しモード)。一方、負荷容量調整セル34を動作させて負荷容量CLを加え、ビット線容量を(CB+CL)に増加した場合には、P1で示すように、読出し電圧Voutは、約0.63V程度となり、信号量は約1.5倍に上昇している(FRAM読出しモード)。FRAM動作モードにおいては、負荷容量CLを調整することによって、読出し電圧Voutの信号量を確保することができる。
FRAM読出し動作を、図12に示す模式的回路構成図および図13に示すヒステリシス特性上の動作説明図を用いて説明する。
FRAM読出し動作においては、ビット線容量制御線BLCをハイレベルにすることで、負荷容量調整セル34の負荷容量調整トランジスタQLがオン状態となり、ビット線BLの容量値は(CB+CL)の大容量の状態に調整される。この場合、図13に示すように、強誘電体メモリセル32の強誘電体キャパシタは、ヒステリシス特性上の動作点BとDの状態にある。すなわち、“1”が蓄積されている場合には、S=1の状態(動作点B)にある。一方、“0”が蓄積されている場合には、S=0の状態(動作点D)にある。データ“1”のFRAM読出し動作における電荷の変化量は、ΔQLで表され、データ“0”のFRAM読出し動作における電荷の変化量は、ΔQSで表される。動作点Bと動作点Dの間の電荷の変化量(ΔQL−ΔQS)は大きい。
FRAM読出し動作モードにおける強誘電体キャパシタCFの値をCSとし、強誘電体キャパシタCFに蓄積される電圧をVSとすると、ΔQ=CS・VSの電荷量保存の法則により、
プレート線PLの電圧が接地電位(GND)からVDDまで上昇することにより、ΔQ=CS・VS=CB・(VDD−VS)が成立する。したがって、強誘電体キャパシタCFに蓄積される電圧VS=CB・VDD/(CS+CB)が成立する。ここで、負荷容量調整トランジスタQLがオン状態となり、ビット線BLの容量値は(CB+CL)の大容量の状態に調整されることによって、VS=(CB+CL)・VDD/(CS+CB+CL)が成立する。
FRAM読出し動作モードにおいては、強誘電体キャパシタCFに電圧を印加して、出力電荷の差を見ることによって、読出し動作が実施される。強誘電体キャパシタCFに十分な電圧を印加するには、大きなビット線容量CBが必要であり、負荷容量調整トランジスタQLがオン状態となり、ビット線BLの容量値を(CB+CL)の大容量の状態に調整することによって、大きなビット線容量を確保することができる。
(リフレッシュ動作)
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置において、強誘電体メモリセルのリフレッシュ動作を図14に示す回路構成および図15(a)に示す動作波形を用いて説明する。また、充電電荷でのみデータを保持する強誘電体メモリセルのヒステリシス特性上の動作は、図15(b)に示すように表され、データ書込み動作時(FRAM動作モード)のヒステリシス特性上の動作は、図15(c)および図15(d)に示すように表され、充電電荷および残留分極電荷の両方でデータを保持するヒステリシス特性上の動作は、図15(e)に示すように表される。
(a)まず、タイミングt0〜t1の期間T1は、データ保持状態を示す。データ“1”の蓄積状態は、ヒステリシス特性上、VDDが印加された動作点Aにある。一方、データ“0”の蓄積状態は、ヒステリシス特性上、接地電位GNDが印加された動作点Bにある。
(b)次に、タイミングt1〜t2の期間T2は、DRAM読出し動作を示す。プレート線PLの電位を接地レベルの状態で、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加すると、ヒステリシス特性上、動作点Aにあるデータ“1”の蓄積状態および動作点Bにあるデータ“0”の蓄積状態に応じて、タイミングt1〜t2の期間T1に示すように、ビット線BL上に微小な電位変化が発生する。
(c)次に、タイミングt2〜t3の期間T3は、FRAM動作モードのデータ書込み動作を示す。図14に示すように、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加した状態で、プレート線PLにハイレベルの電圧VDDを印加すると、データ“1”の状態は、電圧VDDが印加された動作点Aから、GNDレベルの動作点Bにシフトする。一方、データ“0”の状態は、GNDレベルの動作点Bから、負電圧−VDDが印加された動作点Cにシフトする。動作点Aから動作点Bへのシフトの場合には、DRAM書込みモードに相当し強誘電体メモリセルのキャパシタは小さいため、電位変化は小さく、電荷の変化量も小さく、高速動作が可能である。一方、動作点Bから動作点Cへのシフトの場合には、FRAM書込みモードに相当し強誘電体メモリセルのキャパシタは大きいため、電位変化は大きく、電荷の変化量も大きく、データ書込みに時間を要する。
(d)次に、タイミングt3〜t4の期間T4も、FRAM動作モードのデータ書込み動作状態を示す。図15(a)に示すように、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加した状態で、プレート線PLに印加されたハイレベルの電圧VDDをGNDの戻すと、図15(d)に示すように、データ“1”の状態は、GNDレベルの動作点Bから、電圧VDDが印加された動作点Aにシフトする。一方、データ“0”の状態は、負電圧−VDDが印加された動作点Cから、GNDレベルの動作点Dにシフトする。動作点Bから動作点Aへのシフトの場合には、強誘電体メモリセルのキャパシタは小さいため、電位変化は小さく、電荷の変化量も小さく、高速動作が可能である。一方、動作点Cから動作点Dへのシフトの場合も、強誘電体メモリセルのキャパシタは小さいため、電位変化は小さく、電荷の変化量も小さく、高速動作が可能である。
(e)次に、タイミングt4〜t5の期間T5は、データ保持状態を示す。データ“1”の蓄積状態は、強誘電体メモリセルのヒステリシス特性上、VDDが印加された動作点Aにある。一方、データ“0”の蓄積状態は、強誘電体メモリセルのヒステリシス特性上、接地電位GNDが印加された動作点Dにある。
このように、タイミングt0〜t1の期間T1は、充電電荷でのみデータ保持を可能としていたのに対して、タイミングt4〜t5の期間T5は、充電電荷および残留分極電荷の両方でデータ保持を可能としている。充電電荷として保持しているデータのリフレッシュを行いつつ、残留分極としてもデータを保持している状態にしている。
(強誘電体メモリ装置の1バンクの動作タイミングチャート)
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の1つのバンクとして、図4に示されたバンクの構成例2の動作タイミングチャートは、図16に示すように表される。
―データ保持―
(a)まず、タイミングt0〜t1の期間U1は、通常動作時のデータ保持状態を示す。図15(b)に示したように、データ“1”の蓄積状態は、ヒステリシス特性上、VDDが印加された動作点Aにある。一方、データ“0”の蓄積状態は、強誘電体メモリセルのヒステリシス特性上、接地電位GNDが印加された動作点Bにある。
―DRAM読出し動作―
タイミングt1〜t5の期間U2において、DRAM動作モードのデータ読出し動作を実線で示す。
(b)タイミングt1において、アドレス信号ADが投入され、同時に読出し要求信号RDがハイレベルとなる。
(c)次に、タイミングt2において、ワード線制御信号WLCがオンになり、ワード線WLの電位がハイレベルとなる。ここで、プレート線PLの電位は接地レベルであり、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加することで、ヒステリシス特性上、VDDが印加された動作点Aにあるデータ“1”の蓄積状態および接地電位GNDが印加された動作点Bにあるデータ“0”の蓄積状態に応じて、タイミングt2〜t3の期間の実線で示すように、ビット線BL,BL#上に微小な電位変化が発生する。
(d)次に、タイミングt3において、センスアンプ制御信号SAEがオンになると、センスアンプのラッチアップ動作によって、ビット線BL,BL#の電位は、電圧レベルが確定する。ビット線BL#上に現れる電圧は、参照電圧である。
(e)次に、タイミングt4において、出力制御信号OEがオンになると、読出しデータ信号RDLが、図4の入出力制御部40から出力される。
―DRAM書込み動作―
タイミングt1〜t5の期間U2において、DRAM動作モードのデータ書込み動作を点線で示す。
(f)タイミングt1において、アドレス信号ADが投入され、同時に読出し書込み要求信号WRがハイレベルとなる。
(g)次に、タイミングt2において、入力制御信号WEがオンになり、ワード線制御信号WLCがオンになり、ワード線WLの電位がハイレベルとなる。ここで、プレート線PLの電位は接地レベルであり、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加することで、タイミングt2〜t3の期間に点線で示すように、DRAM書込み動作によって、ビット線BL,BL#上に大きな電位変化が発生する。
(h)次に、タイミングt3において、センスアンプ制御信号SAEがオンになると、センスアンプのラッチアップ動作によって、ビット線BL,BL#の電位は、電圧レベルが確定する。ビット線BL#上に現れる電圧は、参照電圧である。
―FRAM動作モードのデータリフレッシュ動作―
タイミングt6〜t13の期間U3は、FRAM動作モードのデータリフレッシュ動作を示す。
(i)タイミングt6において、リフレッシュ要求信号REFがオンになる。
(j)次に、タイミングt7において、ワード線制御信号WLCがオンになり、ワード線WLの電位がハイレベルとなる。ここで、プレート線PLの電位は接地レベルであり、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加することで、タイミングt7〜t8の期間に示すように、ビット線BL,BL#上に微小な電位変化が発生する。
(k)次に、タイミングt8において、センスアンプ制御信号SAEがオンになると、センスアンプのラッチアップ動作によって、ビット線BL,BL#の電位は、電圧レベルが確定する。ビット線BL#上に現れる電圧は、参照電圧である。
(l)タイミングt9〜t11の期間は、FRAM動作モードのデータ書込み動作を示す。図15(c)に示したように、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加した状態で、プレート線PLにハイレベルの電圧VDDを印加すると、データ“1”の状態は、電圧VDDが印加された動作点Aから、GNDレベルの動作点Bにシフトする。一方、データ“0”の状態は、GNDレベルの動作点Bから、負電圧−VDDが印加された動作点Cにシフトする。
(m)次に、タイミングt11〜t13の期間も、FRAM動作モードのデータ書込み動作を示す。図15(d)に示したように、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加した状態で、プレート線PLに印加されたハイレベルの電圧VDDをGNDの戻すと、データ“1”の状態は、GNDレベルの動作点Bから、電圧VDDが印加された動作点Aにシフトする。一方、データ“0”の状態は、負電圧−VDDが印加された動作点Cから、GNDレベルの動作点Dにシフトする。
―データ保持および電源遮断期間―
タイミングt13〜t15の期間は、データ保持状態を示す。図15(e)に示したように、データ“1”の蓄積状態は、ヒステリシス特性上、VDDが印加された動作点Aにある。一方、データ“0”の蓄積状態は、ヒステリシス特性上、接地電位GNDが印加された動作点Dにある。タイミングt13〜t15のうち電源投入している期間は、充電電荷および残留分極電荷の両方でデータ保持を可能としている。データをリフレッシュしつつ、残留分極としてデータ書込み動作を行っている。尚、タイミングt14〜t15の間の期間U4は、電源遮断期間に相当する。
―FRAM動作モードのデータ読出し動作―
タイミングt15〜t21の間の期間U5は、FRAM動作モードのデータ読出し動作を示す。
(n)タイミングt15において、読出し要求信号RDがハイレベルとなる。
(o)次に、タイミングt16において、ワード線制御信号WLCがオンになり、プレート線制御信号PLCがオンになり、ワード線WLの電位がハイレベルとなる。同時に、ビット線容量制御信号BLCCがオンになり、ビット線容量制御線BLCの電位がハイレベルとなる。ワード線WLにハイレベルの電圧を印加した状態で、ビット線容量制御線BLCにハイレベルの電圧を印加することで、負荷容量調整トランジスタQLがオンされ、ビット線BLの容量は、CB+CLになる。
(p)次に、タイミングt17において、ワード線WLにハイレベルの電圧を印加した状態で、プレート線PLの電位をハイレベルにすると、タイミングt17〜t18の期間に示すように、ビット線BL,BL#上に微小な電位変化が発生する。
(q)次に、タイミングt18において、センスアンプ制御信号SAEがオンになると、センスアンプのラッチアップ動作によって、ビット線BL,BL#の電位は、電圧レベルが確定する。ビット線BL#上に現れる電圧は、参照電圧である。
―データ保持―
(r)タイミングt21以降の期間は、通常動作時のデータ保持状態を示す。タイミングt0〜t1の期間U1と同様に、データ“1”の蓄積状態は、ヒステリシス特性上、VDDが印加された動作点Aにある。一方、データ“0”の蓄積状態は、強誘電体メモリセルのヒステリシス特性上、接地電位GNDが印加された動作点Bにある。
本発実施の形態によれば、BL上に負荷容量調整セルを設け、DRAMモードとFRAMモードとでBL上の容量を別個に設定することで、DRAMモードでのBL容量軽減化による高速化と、FRAMモードでのBL容量確保を両立することができる。
本発実施の形態によれば、通常動作時には、高速動作のため容量負荷が小さいDRAM動作モードで動作させ、電源オン/オフ時には、電源オフ期間のデータ保持のためFRAM動作モードで動作させることができる。
本発実施の形態によれば、負荷容量調整セルはデータ保持用の強誘電体メモリセルと同じ構造で構成可能であり、FRAMモード時のみアクセストランジスタを介してBLに接続するため、構成を簡単化することができる。
また、本発実施の形態によれば、電源遮断時に発生するデータ退避(FRAMモード書込み)時間短縮のため、通常動作(DRAMモード)時のリフレッシュサイクルにおいて、対象となる強誘電体メモリセルを、充電電荷のみならず、残留分極電荷としてもデータを保持している状態とするため、データは不揮発化されており、かつ、DRAMモードでの読出しも可能である。この場合、例えばリフレッシュサイクルを10m秒とすると、1秒間の分極反転の回数は、102回となる。したがって、3年間が約108秒であるので、リフレッシュ時に分極反転を行っても、耐久性に問題はない。
また、本発実施の形態によれば、リフレッシュサイクル後の強誘電体メモリセルに対して、DRAMモード読出し/書込みが行われると、その強誘電体メモリセルは充電電荷でのみデータを保持している状態となるが、強誘電体メモリ装置内へのデータアクセス箇所は、局所部分に集中する傾向があり、リフレッシュサイクル後にDRAMモード読出しがかかる確率は低いため、実際に電源遮断時にデータ退避を行う強誘電体メモリセルは局所部分のみに限定でき、全強誘電体メモリセルデータ退避と比較して、大幅な高速化を図ることができる。
したがって、本発実施の形態によれば、SRAMと同程度の動作速度の高速化が図ることができる。
また、本発実施の形態によれば、電源遮断時のデータ退避処理の高速化を図ることができる。
また、本発実施の形態によれば、毎回分極反転行うFRAMと比較して、分極反転回数を低減して、強誘電体デバイスの特性劣化を抑制することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置は、不揮発性メモリ、LSI混載(エンベデッド)メモリなど幅広い分野に適用可能である。
本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の模式的ブロック構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の1つのバンクの模式的ブロック構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置のビット線BLに沿う強誘電体メモリセルと負荷容量調整セルの模式的回路構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の1つのバンクの別の詳細な模式的ブロック構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の動作の概略を説明するタイミングチャート図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置において、通常動作時(DRAM動作モード)の強誘電体メモリセルの読出し動作を説明するための回路構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置において、通常動作時(DRAM動作モード)のアドレス信号ADに対するデータ信号DSの遅延時間として表されるアクセス時間を説明する図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の通常動作時(DRAM動作モード)の強誘電体メモリセルのDRAM読出し動作を説明するための模式的回路構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の通常動作時(DRAM動作モード)の強誘電体メモリセルのDRAM読出し動作を説明するためのヒステリシス特性上の動作説明図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置のの動作例であって、電源オン動作時(FRAM動作モード)の強誘電体メモリセルの動作説明のための回路構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の動作例であって、FRAM動作モードの強誘電体メモリセルのデータ読出し電圧の負荷容量依存性のシミュレーション結果。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置のFRAM動作モードの強誘電体メモリセルのFRAM読出し動作を説明するための模式的回路構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置のFRAM動作モードの強誘電体メモリセルのFRAM読出し動作を説明するためのヒステリシス特性上の動作説明図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の動作例であって、リフレッシュ動作時の強誘電体メモリセルの動作説明のための回路構成図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の動作例であって、(a)リフレッシュ動作時の強誘電体メモリセルの動作波形図、(b)充電電荷でのみデータを保持する通常動作時(DRAM動作モード)のヒステリシス特性上の動作説明図、(c)データ書込み動作時(FRAM動作モード)のヒステリシス特性上の動作説明図、(d)データ書込み動作時(FRAM動作モード)のヒステリシス特性上の動作説明図、(e)充電電荷および残留分極電荷の両方でデータを保持する通常動作時(DRAM動作モード)のヒステリシス特性上の動作説明図。 本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の1バンクの動作タイミングチャート図。
符号の説明
10…強誘電体メモリ装置
14…周辺回路部
16…SRAMインタフェース(I/F)部
18,1811,1812,…,18n1,18n2…バンク(Bank)
20a,20b,20c,20d…行デコーダ
22,22a,22b,22c,22d…WL/PLドライバ
24a,24b,25a,25b…FRAMセルアレイ部
26…負荷容量調整アレイ部
28…センスアンプおよび列デコーダ
30…プリデコーダ
32…強誘電体メモリセル
34…負荷容量調整セル
36…負荷容量切替部
38…センスアンプ(SA)
40…入出力制御部(IO)
42…メモリ制御シーケンサ
BLC…ビット線容量制御線
F,CF1,CF2,CF3…強誘電体キャパシタ
S…強誘電体キャパシタCFの値
B…ビット線容量
L…負荷容量
S…強誘電体キャパシタCFに蓄積される電圧
B…ビット線BLの電圧
BL,#BL,BLT,BLB…ビット線
WL,WLT,WLB…ワード線
PL,PLT,PLB…プレート線
AD…アドレス信号
DS…データ信号
AR…行アドレス信号
AC…列アドレス信号
RDL…読出しデータ信号
WDL…書込みデータ信号
WLC…ワード線制御信号
PLC…プレート線制御信号
BLCC…ビット線容量制御信号
SAE…センスアンプ制御信号
OE…出力制御信号
WE…入力制御信号
RD…読出し要求信号
WR…書込み要求信号
REF…リフレッシュ要求信号
CLK…クロック信号

Claims (5)

  1. 列方向に配置された複数のビット線と、
    前記ビット線に直交し、行方向に配置された複数のワード線と、
    前記ビット線に直交し、行方向に配置された複数のプレート線と、
    前記ビット線に直交し、行方向に配置されたビット線制御線と、
    前記複数のビット線と前記複数のワード線および前記プレート線の交差部に配置され、一方の電極を前記プレート線に接続された強誘電体キャパシタと、前記強誘電体キャパシタの他方の電極にソース,前記ビット線にドレイン,前記ワード線にゲートを接続されたメモリセルトランジスタからなる強誘電体メモリセルと、
    前記複数のビット線と前記ビット線制御線の交差部に配置され、一方の電極を接地電位に接続された負荷容量と、前記負荷容量の他方の電極にソース,前記ビット線にドレイン,前記ビット線制御線にゲートを接続された負荷容量調整トランジスタからなる負荷容量調整セルと
    を備え
    前記強誘電体キャパシタは、少なくとも1つの強誘電体薄膜を備え、
    前記強誘電体メモリセル内のデータは、前記強誘電体キャパシタに充電される電荷、あるいは、前記強誘電体薄膜内部の残留分極電荷によって保持され、
    前記負荷容量調整セルは、前記強誘電体メモリセル内のデータを読み出す際、前記強誘電体キャパシタに充電される充電電荷で保持される場合と、前記強誘電体薄膜内部の残留分極電荷によって保持される場合とで、前記ビット線の容量を切り換えることを特徴とする強誘電体メモリ装置。
  2. 前記強誘電体メモリセルが接続される前記ビット線の容量を調整す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。
  3. 前記強誘電体キャパシタに充電される充電電荷で保持される場合、リフレッシュ動作時に、前記強誘電体薄膜内部の残留分極電荷としてもデータを保持することを特徴とする請求項に記載の強誘電体メモリ装置。
  4. 電源遮断後に、前記強誘電体薄膜内部の残留分極電荷としてデータを保持していないメモリセルに対して、前記強誘電体薄膜内部の残留分極電荷としてデータを保持することを特徴とする請求項に記載の強誘電体メモリ装置。
  5. 電源投入後に、前記強誘電体薄膜内部の残留分極電荷としてデータを保持しているメモリセルに対し、前記強誘電体キャパシタに充電される充電電荷としてデータを保持することを特徴とする請求項に記載の強誘電体メモリ装置。
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