JPH1083679A - Semiconductor memory device - Google Patents
Semiconductor memory deviceInfo
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- JPH1083679A JPH1083679A JP8239100A JP23910096A JPH1083679A JP H1083679 A JPH1083679 A JP H1083679A JP 8239100 A JP8239100 A JP 8239100A JP 23910096 A JP23910096 A JP 23910096A JP H1083679 A JPH1083679 A JP H1083679A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は主に強誘電体キャパ
シタを用いた半導体メモリ装置に関するものである。The present invention relates to a semiconductor memory device mainly using a ferroelectric capacitor.
【0002】[0002]
【従来の技術】現在の代表的な半導体メモリ装置はダイ
ナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)である
が、最近になってそのDRAMの電荷蓄積キャパシタの
絶縁膜に強誘電体を使った強誘電体メモリ装置なるもの
が開発された。このメモリ装置は、DRAMが揮発性メ
モリであるのに対し、外部電界を取り去っても分極が残
る強誘電体特有の性質によって、不揮発性メモリとして
使用できる。また、既存の書換可能な不揮発性メモリ装
置に対しても、消費電力が少なく書換速度が速いなどの
優れた特性を有している。そのため次世代の主力メモリ
装置として関心が高まっている。2. Description of the Related Art Currently, a typical semiconductor memory device is a dynamic random access memory (DRAM), but recently, a ferroelectric memory device using a ferroelectric material as an insulating film of a charge storage capacitor of the DRAM. Has been developed. This memory device can be used as a non-volatile memory due to a characteristic of a ferroelectric material in which a DRAM remains volatile even when an external electric field is removed, while a DRAM is a volatile memory. Also, existing rewritable nonvolatile memory devices have excellent characteristics such as low power consumption and high rewrite speed. For this reason, interest is increasing as a next-generation main memory device.
【0003】図8は従来の強誘電体キャパシタを用いた
2Tr−2C(2Transistor−2Capacitance )型半導
体メモリ装置の一例を示す回路図である。図8におい
て、1と2は強誘電体キャパシタである。3と4はアク
セストランジスタで、図の例ではNMOSトランジスタ
を使用している。5はワード線、6はセルプレート、7
と8はビット線、9と10はデータ線である。11はビ
ット線7と8の電位差を増幅する差動増幅器で、図の例
では制御信号φs で活性、不活性を制御できるクロック
ドCMOSインバータ2個で構成されている。12はビ
ット線7とデータ線9、およびビット線8とデータ線1
0を接続するトランスファゲートで、制御信号φt によ
ってそれらの電気的接続・非接続を制御することができ
る。13は入力データおよび出力データをラッチする回
路で、図の例ではCMOSインバータ2個で構成されて
いる。14はワード線ドライバ、15はセルプレートド
ライバで、それぞれ制御信号φw とφc に基づいて、ワ
ード線5とセルプレート6の電位を変化させる。16は
プリチャージ回路で、制御信号/φp に基づいてビット
線7と8をグラウンド電位にする。また、データ線9と
10は入力回路と出力回路に接続されている。FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of a conventional 2Tr-2C (2Transistor-2Capacitance) type semiconductor memory device using a ferroelectric capacitor. In FIG. 8, 1 and 2 are ferroelectric capacitors. Access transistors 3 and 4 are NMOS transistors in the example shown. 5 is a word line, 6 is a cell plate, 7
And 8 are bit lines, and 9 and 10 are data lines. Reference numeral 11 denotes a differential amplifier for amplifying the potential difference between the bit lines 7 and 8, and in the example shown in the figure, is constituted by two clocked CMOS inverters whose activation and inactivation can be controlled by a control signal φs. Reference numeral 12 denotes a bit line 7 and a data line 9, and a bit line 8 and a data line 1.
The electrical connection / disconnection can be controlled by the control signal φt at the transfer gate connecting 0. Reference numeral 13 denotes a circuit for latching input data and output data. In the example shown in the figure, the circuit 13 includes two CMOS inverters. Reference numeral 14 denotes a word line driver, and 15 denotes a cell plate driver, which changes the potentials of the word line 5 and the cell plate 6 based on control signals φw and φc, respectively. A precharge circuit 16 sets the bit lines 7 and 8 to the ground potential based on the control signal / φp. The data lines 9 and 10 are connected to an input circuit and an output circuit.
【0004】図9は図8の半導体メモリ装置でのデータ
読み出し動作のタイミングを示した読み出し動作タイミ
ング図である。WL,CP,BL,/BL,DL,/D
Lはそれぞれワード線5,セルプレート6,ビット線
7,ビット線8,データ線9,データ線10の電位であ
り、φs ,φt ,/φp はそれぞれ差動増幅器11,ト
ランスファゲート12,プリチャージ回路16の制御信
号のレベルである。この装置でのデータの読み出し動作
について、図8と図9を用いて説明する。FIG. 9 is a read operation timing chart showing a data read operation timing in the semiconductor memory device of FIG. WL, CP, BL, / BL, DL, / D
L is the potential of the word line 5, the cell plate 6, the bit line 7, the bit line 8, the data line 9, and the data line 10, and φs, φt, / φp are the differential amplifier 11, the transfer gate 12, the precharge, respectively. This is the level of the control signal of the circuit 16. A data reading operation in this device will be described with reference to FIGS.
【0005】初期状態として図8の各ノードは全てグラ
ウンド電位にあるとする。まず、ワード線5の電位を上
げてNMOSトランジスタ3と4をオンさせ、セルプレ
ート6の電位を上げる。すると、強誘電体キャパシタ1
と2の自発分極の向きが反転するか否かによって異なる
電位がビット線7と8に現れる。つぎに、制御信号φs
をイネーブルにして差動増幅器11を活性化させ、ビッ
ト線7と8の電位差を増幅する。増幅が終わった後に制
御信号φt をイネーブルにしてトランスファゲート12
をオンさせ、ビット線7と8の電位をラッチ回路13へ
送り、出力回路によって外部へデータを出力する。図9
のように読み出したデータとラッチ回路のデータが異な
る場合は差動増幅器11がラッチ回路13の電位を反転
させる。It is assumed that all the nodes in FIG. 8 are at the ground potential as an initial state. First, the potential of the word line 5 is raised to turn on the NMOS transistors 3 and 4, and the potential of the cell plate 6 is raised. Then, the ferroelectric capacitor 1
Different potentials appear on the bit lines 7 and 8 depending on whether the directions of the spontaneous polarizations of and 2 are reversed. Next, the control signal φs
To activate the differential amplifier 11 to amplify the potential difference between the bit lines 7 and 8. After the amplification is completed, the control signal φt is enabled to enable the transfer gate 12
Is turned on, the potentials of the bit lines 7 and 8 are sent to the latch circuit 13, and the output circuit outputs data to the outside. FIG.
When the read data and the data of the latch circuit are different, the differential amplifier 11 inverts the potential of the latch circuit 13.
【0006】一方、メモリセルのデータは読み出しによ
って破壊されているため、続いて再書き込みの動作に入
る。まず、差動増幅器11を活性化したまま、セルプレ
ート6の電位を下げる。ビット線7もしくは8に保たれ
ている電位によってメモリセルに書き込みが行われた
後、ワード線5の電位を下げてNMOSトランジスタ3
と4をオフにする。つぎに、制御信号φt とφs をディ
スイネーブルにして、トランスファゲート12をオフに
し差動増幅器11を不活性にする。最後に、制御信号/
φp をハイレベルにしてビット線7と8をグラウンド電
位にプリチャージすれば、読み出し動作は完了する。On the other hand, since the data in the memory cell has been destroyed by reading, the operation of rewriting starts. First, the potential of the cell plate 6 is lowered while the differential amplifier 11 is activated. After writing is performed in the memory cell by the potential held on the bit line 7 or 8, the potential of the word line 5 is lowered to
And 4 off. Next, the control signals φt and φs are disabled, the transfer gate 12 is turned off, and the differential amplifier 11 is deactivated. Finally, the control signal /
The read operation is completed by setting φp to a high level and precharging the bit lines 7 and 8 to the ground potential.
【0007】書き込み動作の場合は、前述した再書き込
み時のデータを外部から入力すれば良い。すなわち、入
力回路からデータ線9と10に電位を出力し、メモリセ
ルからデータを読み出して差動増幅器11で増幅した
後、トランスファゲート12をオンにすれば、入力され
たデータによってビット線7と8の電位が決まり、メモ
リセルへ所望のデータが書き込まれる。その書き込み動
作タイミング図を図10に示す(各信号名の意味は図9
と同様であるので、その説明は省略する)。なお、図1
0のようにメモリセルに記憶されていたデータと入力デ
ータが異なっている場合は、差動増幅器11によってラ
ッチされていたデータは、入力回路によって反転させら
れる。In the case of a write operation, the data for rewriting described above may be input from outside. That is, a potential is output from the input circuit to the data lines 9 and 10, data is read from the memory cell, amplified by the differential amplifier 11, and then the transfer gate 12 is turned on. 8, the desired data is written to the memory cell. FIG. 10 shows a timing chart of the write operation (the meaning of each signal name is shown in FIG. 9).
The description is omitted here. FIG.
When the data stored in the memory cell is different from the input data, such as 0, the data latched by the differential amplifier 11 is inverted by the input circuit.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】従来の装置では、強誘
電体キャパシタの電圧−電荷量曲線が偏ること(インプ
リント現象)によって、電源の供給が無い状態でのデー
タ保持能力(リテンション特性)が劣化する問題があっ
た。図11はその電圧−電荷量曲線とその偏りの様子を
示したものであり、横軸はキャパシタの両端にかかる電
圧を、縦軸はキャパシタの電極にあらわれる電荷量をと
っている。図11に示すように、強誘電体キャパシタ
は、外部からの電圧が0(V)の場合でも電極に残留電
荷Prが現れる。In the conventional device, the voltage-charge amount curve of the ferroelectric capacitor is deviated (imprint phenomenon), so that the data retention ability (retention characteristic) without power supply is reduced. There was a problem of deterioration. FIG. 11 shows the voltage-charge amount curve and the state of the deviation. The horizontal axis represents the voltage applied to both ends of the capacitor, and the vertical axis represents the charge amount appearing on the electrode of the capacitor. As shown in FIG. 11, in a ferroelectric capacitor, a residual charge Pr appears on an electrode even when an external voltage is 0 (V).
【0009】今、強誘電体キャパシタは実線20で示さ
れるような状態にあるとする。2Tr−2C型の場合、
データを保持している2つの強誘電体キャパシタは、そ
れぞれ実線20上の点21と点22の状態にあり、その
残留電荷の差2Prによって、電源の供給が無い状態で
もデータを保持する。この状態で放置すると、残留分極
による内部電界によって強誘電体膜中で特性の変化が起
こる。そのため電圧−電荷量曲線は、点21の状態にあ
る強誘電体キャパシタについては点線23のように、点
22にある強誘電体キャパシタについては1点鎖線24
のように変化する。その後、逆データを書き込んだ場
合、2つの強誘電体キャパシタはそれぞれ点25と点2
6の状態になる。したがって、残留電荷の差が、点21
と点22の差2Prから、点25と点26の差2Pri
に減少するためリテンション特性が劣化する。Now, it is assumed that the ferroelectric capacitor is in a state shown by a solid line 20. In the case of 2Tr-2C type,
The two ferroelectric capacitors holding data are in the states of points 21 and 22 on the solid line 20, respectively, and hold the data even without power supply due to the difference 2Pr between the residual charges. If left in this state, a change in characteristics occurs in the ferroelectric film due to the internal electric field due to the residual polarization. Therefore, the voltage-charge amount curve is shown by a dotted line 23 for the ferroelectric capacitor in the state of the point 21 and a dashed line 24 for the ferroelectric capacitor in the state of the point 22.
It changes like Thereafter, when the reverse data is written, the two ferroelectric capacitors are point 25 and point 2 respectively.
The state becomes 6. Therefore, the difference between the residual charges is
From the difference 2Pr between the points 25 and 26, the difference 2Pri between the points 25 and 26
, The retention characteristics deteriorate.
【0010】したがって、この発明の目的は、残留電荷
の減少によるリテンション特性の劣化を防止することが
できる半導体メモリ装置を提供することである。Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of preventing deterioration of retention characteristics due to a decrease in residual charges.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の半導体メモリ装置は、入力されたデータと
メモリセルに記憶されていたデータとが等しいか異なる
かを判断する比較回路と、比較回路の出力に基づき入力
されたデータとメモリセルに記憶されていたデータとが
異なるときに、メモリセルの強誘電体に印加する所望の
電圧を所望の方法、例えば、書き込み電圧の印加時間を
長くする、また書き込み電圧を高くする、また書き込み
電圧を印加して書き込み動作に入る前にメモリセルの強
誘電体に印加する電圧の反転を繰り返してメモリセルの
強誘電体の分極反転を行わせる(いわゆる、リフレッシ
ュ動作)ための制御回路を有している。In order to solve this problem, a semiconductor memory device according to the present invention comprises a comparing circuit for determining whether input data and data stored in a memory cell are equal or different. When the data input based on the output of the comparison circuit and the data stored in the memory cell are different, a desired voltage to be applied to the ferroelectric substance of the memory cell is set in a desired manner, for example, a writing voltage application time. To increase the write voltage, increase the write voltage, and repeat the inversion of the voltage applied to the ferroelectric of the memory cell before starting the write operation by applying the write voltage to perform the polarization inversion of the ferroelectric of the memory cell. And a control circuit for performing a so-called refresh operation.
【0012】この発明の構成によれば、入力されたデー
タとメモリセルに記憶されていたデータとが異なるとき
に、メモリセルの強誘電体キャパシタに印加する電圧
を、両データが同じときとは異ならせることによって、
残留分極による内部電界によって生じた特性の変化を打
ち消し、電圧−電荷量曲線の偏りを回復させ、残留電荷
の減少によるリテンション特性の劣化を防止することが
できる。また、入力されたデータとメモリセルに記憶さ
れていたデータとが異なるときに上記の特性変化を打ち
消すためのリフレッシュ動作を行い、上記両データが同
じであるときは上記のリフレッシュ動作を行わないの
で、特性変化の打ち消しのための消費電力の増加を少な
くすることができるとともに、強誘電体膜疲労を低減す
ることができる。According to the structure of the present invention, when the input data and the data stored in the memory cell are different, the voltage applied to the ferroelectric capacitor of the memory cell is different from the case where both data are the same. By making them different
It is possible to cancel the change in characteristics caused by the internal electric field due to the residual polarization, recover the bias of the voltage-charge amount curve, and prevent the deterioration of the retention characteristics due to the decrease in the residual charges. Also, when the input data and the data stored in the memory cell are different, a refresh operation for canceling the characteristic change is performed, and when the two data are the same, the refresh operation is not performed. In addition, it is possible to reduce an increase in power consumption for canceling the characteristic change and to reduce the fatigue of the ferroelectric film.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】請求項1記載の半導体メモリ装置
は、誘電体キャパシタを用いたメモリセルと、ビット線
と、データ線と、メモリセルからビット線に読み出され
た記憶データとデータ線に入力された書き込みデータと
を比較する比較回路と、比較回路からの信号に基づき記
憶データと書き込みデータとが異なるときにメモリセル
へ印加する書き込み電圧の印加時間を長くする制御回路
とを備えている。A semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention includes a memory cell using a dielectric capacitor, a bit line, a data line, and storage data and a data line read from the memory cell to a bit line. A comparison circuit that compares the write data inputted to the memory cell, and a control circuit that extends the application time of the write voltage applied to the memory cell when the storage data and the write data are different based on a signal from the comparison circuit. I have.
【0014】この構成によると、記憶データと書き込み
データとが異なるときには、上記両データが同じときに
比べて、メモリセルへ印加する書き込み電圧の印加時間
が長くなる。その結果、残留分極による内部電界によっ
て生じた特性の変化が打ち消され、電圧−電荷量曲線の
偏りを回復させ、残留電荷の減少によるリテンション特
性の劣化が防止される。According to this configuration, when the storage data and the write data are different, the application time of the write voltage to be applied to the memory cell is longer than when both the data are the same. As a result, the change in characteristics caused by the internal electric field due to the residual polarization is canceled, the bias of the voltage-charge amount curve is recovered, and the deterioration of the retention characteristics due to the decrease in the residual charges is prevented.
【0015】請求項2記載の半導体メモリ装置は、誘電
体キャパシタを用いたメモリセルと、ビット線と、デー
タ線と、メモリセルからビット線に読み出された記憶デ
ータとデータ線に入力された書き込みデータとを比較す
る比較回路と、比較回路からの信号に基づき記憶データ
と書き込みデータとが異なるときにメモリセルへ印加す
る書き込み電圧を高くする制御回路とを備えている。According to another aspect of the present invention, a memory cell using a dielectric capacitor, a bit line, a data line, and storage data read from the memory cell to a bit line and input to the data line. A comparison circuit is provided for comparing the write data and a control circuit for increasing the write voltage applied to the memory cell when the storage data and the write data are different based on a signal from the comparison circuit.
【0016】この構成によると、記憶データと書き込み
データとが異なるときには、上記両データが同じときに
比べて、メモリセルへ印加する書き込み電圧が高くな
る。その結果、残留分極による内部電界によって生じた
特性の変化が打ち消され、電圧−電荷量曲線の偏りを回
復させ、残留電荷の減少によるリテンション特性の劣化
が防止される。この際、電圧を高くして打ち消しを行っ
ているので、特性の変化の打ち消しが効果的に行われ
る。According to this configuration, when the storage data and the write data are different, the write voltage applied to the memory cell is higher than when both the data are the same. As a result, the change in characteristics caused by the internal electric field due to the residual polarization is canceled, the bias of the voltage-charge amount curve is recovered, and the deterioration of the retention characteristics due to the decrease in the residual charges is prevented. At this time, since the canceling is performed by increasing the voltage, the change in the characteristic is effectively canceled.
【0017】請求項3記載の半導体メモリ装置は、誘電
体キャパシタを用いたメモリセルと、ビット線と、デー
タ線と、メモリセルからビット線に読み出された記憶デ
ータとデータ線に入力された書き込みデータとを比較す
る比較回路と、比較回路からの信号に基づき記憶データ
と書き込みデータとが異なるときに書き込み電圧を印加
して書き込み動作に入る前にメモリセルの強誘電体に印
加する電圧の反転を繰り返してメモリセルの強誘電体の
分極反転を行わせる制御回路とを備えている。According to a third aspect of the present invention, a memory cell using a dielectric capacitor, a bit line, a data line, and storage data read from the memory cell to a bit line and input to the data line. A comparison circuit for comparing the write data with a write voltage, and applying a write voltage when the storage data and the write data are different based on a signal from the comparison circuit, and applying a write voltage to the ferroelectric material of the memory cell before starting the write operation. A control circuit for inverting the polarization of the ferroelectric of the memory cell by repeating the inversion.
【0018】この構成によると、記憶データと書き込み
データとが異なるときには、書き込み動作に入る前にメ
モリセルの強誘電体に印加する電圧の反転が繰り返され
てメモリセルの強誘電体の分極反転が行われる。その結
果、残留分極による内部電界によって生じた特性の変化
が打ち消され、電圧−電荷量曲線の偏りを回復させ、残
留電荷の減少によるリテンション特性の劣化が防止され
る。また、メモリセルの強誘電体の分極反転は記憶デー
タと書き込みデータとが異なるときに行い、上記両デー
タが同じときには行わないので、消費電力の増加が少な
く、分極反転の繰り返しによる誘電体膜疲労が少ない。According to this configuration, when the storage data and the write data are different, the inversion of the voltage applied to the ferroelectric of the memory cell is repeated before the start of the write operation, and the polarization inversion of the ferroelectric of the memory cell is repeated. Done. As a result, the change in characteristics caused by the internal electric field due to the residual polarization is canceled, the bias of the voltage-charge amount curve is recovered, and the deterioration of the retention characteristics due to the decrease in the residual charges is prevented. In addition, the polarization inversion of the ferroelectric of the memory cell is performed when the storage data and the write data are different, and is not performed when the two data are the same. Less is.
【0019】上記の誘電体膜疲労という現象は、自発分
極(図11の2Pr)の大きさが、強誘電体の分極反転
を繰り返すことにより減少することをいう。誘電体膜疲
労によって、自発分極の大きさが一定以上確保されなく
なると、データを読み出したときに、ビット線に十分な
電位差が発生せず、センスアンプの特性や、ビット線容
量のばらつき等の影響を強く受け、データを正しく出力
できなくなる。The above phenomenon of dielectric film fatigue means that the magnitude of spontaneous polarization (2Pr in FIG. 11) is reduced by repeating the polarization inversion of the ferroelectric. If the magnitude of spontaneous polarization cannot be maintained beyond a certain level due to dielectric film fatigue, a sufficient potential difference does not occur in the bit line when data is read, and the characteristics of the sense amplifier and the variation in the bit line capacitance are reduced. Being strongly affected, data cannot be output correctly.
【0020】以下、この発明の実施の形態について図面
を参照しながら説明する。 〔第1の実施の形態〕図1は本発明の第1の実施の形態
における半導体メモリ装置の回路図を示したものであ
る。各構成要素のうち図8と同じ番号を付してあるもの
は基本的に同じものであり、それらの説明は省略する。
図1において、30は入力データ(データ線9,10上
のデータ)とメモリセルに記憶していたデータ(ビット
線7,8上のデータ)とが同じか異なるかを比較判定す
る比較回路で、図1の例では排他的論理和(exclusive-
OR) 回路が使用されている。なお、図1ではビット線7
とデータ線9に接続している排他的論理和回路と、ビッ
ト線8とデータ線10に接続している排他的論理和回路
があるが、どちらか一方しか無い場合も問題はない。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. [First Embodiment] FIG. 1 is a circuit diagram showing a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. Among the components, those having the same reference numerals as those in FIG. 8 are basically the same, and the description thereof is omitted.
In FIG. 1, reference numeral 30 denotes a comparison circuit for comparing and judging whether input data (data on data lines 9 and 10) and data stored in a memory cell (data on bit lines 7 and 8) are the same or different. In the example of FIG. 1, exclusive-OR (exclusive-
OR) circuit is used. Note that, in FIG.
And an exclusive OR circuit connected to the data line 9 and an exclusive OR circuit connected to the bit line 8 and the data line 10. However, there is no problem if only one of them is provided.
【0021】31はデータ比較を行う比較回路30から
の信号に基づいて、書き込み動作を制御する書き込み動
作制御回路であり、特許請求の範囲における制御回路に
相当する。その働きは半導体メモリ装置の動作クロック
回路で発生させた制御信号φw ,φc を受けて、比較回
路30の結果に応じて遅延をかけ、制御信号θw ,θc
として出力する書き込み動作制御回路である。ここで、
動作クロック回路からの制御信号φw ,φc に代わって
メモリセルの周辺回路へ送られる信号をθw ,θc と付
すことにする。また、制御信号θw とθc はメモリセル
の周辺回路へ送られると同時に、動作クロック回路へ戻
されて、以後の動作クロック信号にθwとθc に生じた
遅延分を補正する。Reference numeral 31 denotes a write operation control circuit for controlling a write operation based on a signal from the comparison circuit 30 for comparing data, and corresponds to a control circuit in the claims. Its function is to receive the control signals φw and φc generated by the operation clock circuit of the semiconductor memory device, apply a delay according to the result of the comparison circuit 30, and apply the control signals θw and θc
As a write operation control circuit. here,
The signals sent to the peripheral circuits of the memory cells instead of the control signals φw and φc from the operation clock circuit are denoted by θw and θc. The control signals .theta.w and .theta.c are sent to the peripheral circuit of the memory cell and, at the same time, returned to the operation clock circuit to correct the subsequent operation clock signals for the delay caused in .theta.w and .theta.c.
【0022】上記の書き込み動作制御回路31の回路構
成は、立ち下がり遅延回路32,33と、立ち下がり遅
延回路32,33を通して遅延させた信号と立ち下がり
遅延回路32,33を通さない信号とを切り替えるため
のトランスファゲート群34と、比較回路30からの結
果をラッチするラッチ回路35と、比較回路30の出力
をラッチ回路35に入力するタイミングを制限するトラ
ンスファゲート36からなる。なお、トランスファゲー
ト36は制御信号φh によって制御される。また、ラッ
チ回路13は動作をより安定させるための回路で省いた
としても問題はない。The circuit configuration of the write operation control circuit 31 includes falling delay circuits 32 and 33, a signal delayed through the falling delay circuits 32 and 33, and a signal not passing through the falling delay circuits 32 and 33. It comprises a transfer gate group 34 for switching, a latch circuit 35 for latching the result from the comparison circuit 30, and a transfer gate 36 for limiting the timing of inputting the output of the comparison circuit 30 to the latch circuit 35. The transfer gate 36 is controlled by a control signal φh. There is no problem even if the latch circuit 13 is omitted as a circuit for further stabilizing the operation.
【0023】以下、この半導体メモリ装置の書き込み動
作について説明する。メモリセルからビット線7,8に
データが読み出され増幅されるまでと、入力回路によっ
てデータ線9,10にデータが入力されラッチ回路13
によって保持されるまでの動作は、従来例と変わらな
い。本発明ではつぎのトランスファゲート12をオンに
する前に、ビット線7,8上のメモリセルのデータとデ
ータ線9,10上の入力データとを、比較回路30によ
って比較する。Hereinafter, a write operation of the semiconductor memory device will be described. From the time when data is read from the memory cell to the bit lines 7 and 8 and amplified, the data is input to the data lines 9 and 10 by the input circuit and the latch circuit 13
The operation until the data is held is the same as that of the conventional example. In the present invention, before the next transfer gate 12 is turned on, the data of the memory cells on the bit lines 7 and 8 and the input data on the data lines 9 and 10 are compared by the comparison circuit 30.
【0024】上記両データが同じである場合は、ハイレ
ベルの電圧が書き込み動作制御回路31に供給される。
それをトランスファゲート36をオンさせることで、ラ
ッチ回路35へ取り込ませる。その結果、トランスファ
ゲート群34によって、動作クロック回路からの制御信
号φw ,φc がそのままメモリセル周辺回路への制御信
号θw ,θc として選択される。その信号には遅延はか
かっていないので、従来例で説明したような通常の書き
込み動作を行う。ただし、トランスファゲート12をオ
ンする前にトランスファゲート36をオフにして、その
後のビット線7,8とデータ線9,10の電位の変化の
影響が書き込み動作制御回路31に及ばないようにする
必要がある。When the two data are the same, a high-level voltage is supplied to the write operation control circuit 31.
By turning on the transfer gate 36, this is taken into the latch circuit 35. As a result, the control signals φw and φc from the operation clock circuit are directly selected by the transfer gate group 34 as the control signals θw and θc to the memory cell peripheral circuit. Since no delay is applied to the signal, a normal write operation as described in the conventional example is performed. However, it is necessary to turn off the transfer gate 36 before turning on the transfer gate 12 so that the potential changes of the bit lines 7 and 8 and the data lines 9 and 10 do not affect the write operation control circuit 31. There is.
【0025】上記両データが異なる場合は、ローレベル
の電圧が書き込み動作制御回路31に供給される。その
場合、制御信号φw ,φc を立ち下がり遅延回路32,
33で立ち下がり遅延させた信号が制御信号θw ,θc
として出力される。その結果の動作タイミングの変化を
図2に示す。φh はトランスファゲート36の制御信号
であり、それ以外の信号は図9と同様であるので、それ
らの説明は省略する。図2の符号40と41の矢印で示
すように、従来動作に比べメモリセルへ書き込み電圧を
印加する書き込み電圧印加時間が長くなる。また、CP
とWLが遅延した後の制御信号φs ,φt ,/φp は、
θw ,θc の動作クロック回路へのフィードバックによ
って、CPとWLが遅延した分だけタイミングが遅れ
る。When the two data are different, a low level voltage is supplied to the write operation control circuit 31. In that case, the control signals φw and φc fall and the delay circuits 32,
The signals delayed at 33 fall are the control signals θw, θc
Is output as FIG. 2 shows the resulting change in operation timing. φh is a control signal for the transfer gate 36, and other signals are the same as those in FIG. As shown by arrows 40 and 41 in FIG. 2, the write voltage application time for applying the write voltage to the memory cell is longer than in the conventional operation. Also, CP
And the control signals φs, φt, / φp after the delay of WL are
Due to the feedback of θw and θc to the operation clock circuit, the timing is delayed by the delay of CP and WL.
【0026】図3(a)〜(d)はこの装置での再書き
込みの過程をメモリセルの強誘電体キャパシタの両極板
間の電圧と分極の向きによって表した図である。符号1
〜8で示す各部位は、図8と同様であるため、それらの
説明は省略する。また、分極の向きをその分極を発生さ
せる電界の向きに合わせて誘電体キャパシタ1,2内の
矢印で、誘電体キャパシタ1,2の極板間の電圧の向き
を白抜きの矢印で表し、ビット線7,8の電位BL,/
BLとワード線5の電位WLとセルプレート6の電位C
Pのレベルををそれぞれの記号の下のかっこ内に“H
i”,“Low”で記す。FIGS. 3 (a) to 3 (d) are diagrams showing the rewriting process in this device in terms of the voltage between the polar plates of the ferroelectric capacitor of the memory cell and the direction of polarization. Sign 1
8 are the same as those in FIG. 8, and the description thereof is omitted. Also, the direction of the polarization is represented by an arrow in the dielectric capacitors 1 and 2 according to the direction of the electric field that causes the polarization, and the direction of the voltage between the plates of the dielectric capacitors 1 and 2 is represented by a white arrow, The potential BL of the bit lines 7, 8
BL, potential WL of word line 5 and potential C of cell plate 6
The level of P is indicated by "H" in parentheses below each symbol.
i "and" Low ".
【0027】電源電圧の供給がない状態では、図3
(a)のように、強誘電体の残留分極によってデータを
保持している。このデータを読み出すときは、図3
(b)のようにセルプレート6の電位CPをハイレベル
にして強誘電体キャパシタ1の分極を反転させ、差動増
幅器11でビット線7の電位BLとビット線8の電位/
BLをハイレベルとローレベルにする。この時、強誘電
体キャパシタ2には電圧V1 がかかる。In the state where the power supply voltage is not supplied, FIG.
As shown in (a), data is held by the residual polarization of the ferroelectric. When reading this data, refer to FIG.
As shown in (b), the potential CP of the cell plate 6 is set to the high level to invert the polarization of the ferroelectric capacitor 1, and the potential BL of the bit line 7 and the potential of the bit line 8 /
BL is set to a high level and a low level. At this time, a voltage V1 is applied to the ferroelectric capacitor 2.
【0028】続いて逆データを書き込むため、図3
(c)のようにビット線7の電位BLとビット線8の電
位/BLを逆転させる。この時、強誘電体キャパシタ1
には電圧V1 がかかり、データを保持していた図3
(a)の時とは逆の向きに分極を生じさせる。本発明で
は、この図3(c)の状態を保つ時間(書き込み電圧印
加時間)を、読み出したデータと書き込むデータが異な
る場合にのみ、図2の矢印40に示すように延ばす。そ
の結果、図3(a)の残留分極によって強誘電体キャパ
シタ1に生じた特性の変化を、除去することができる。Subsequently, in order to write reverse data, FIG.
The potential BL of the bit line 7 and the potential / BL of the bit line 8 are reversed as shown in FIG. At this time, the ferroelectric capacitor 1
Applied a voltage V1 and held data as shown in FIG.
Polarization is caused in the direction opposite to that in the case of (a). In the present invention, the time (write voltage application time) for maintaining the state of FIG. 3C is extended as shown by the arrow 40 in FIG. 2 only when the read data and the write data are different. As a result, it is possible to remove a change in the characteristics of the ferroelectric capacitor 1 caused by the remanent polarization shown in FIG.
【0029】つぎに、図3(d)のように、セルプレー
ト6の電位CPをローレベルにすれば、今度は強誘電体
キャパシタ2に電圧V2 がかかり、データを保持してい
た図3(a)の時とは逆の向きに分極を生じさせる。こ
の場合も強誘電体キャパシタ1の場合と同ように、強誘
電体キャパシタ2に電圧V2 がかかっている時間を図2
の矢印41に示すように延ばし、強誘電体キャパシタ2
の特性の変化を除去する。このようにして、図3(a)
の状態で生じた強誘電体キャパシタ1,2の特性の変化
を除去し、リテンション特性の劣化を防止する。Next, as shown in FIG. 3D, when the potential CP of the cell plate 6 is set to the low level, the voltage V2 is applied to the ferroelectric capacitor 2 and the data is held in FIG. Polarization occurs in the direction opposite to that in the case of a). In this case, as in the case of the ferroelectric capacitor 1, the time during which the voltage V2 is applied to the ferroelectric capacitor 2 is shown in FIG.
Of the ferroelectric capacitor 2
The change of the characteristic is removed. In this way, FIG.
The change in the characteristics of the ferroelectric capacitors 1 and 2 caused in the state described above is removed, and the deterioration of the retention characteristics is prevented.
【0030】以上のように、この実施の形態によると、
記憶データと書き込みデータとが異なるときには、上記
両データが同じときに比べて、メモリセルへ印加する書
き込み電圧の印加時間を長くするので、残留分極による
内部電界によって生じた特性の変化を打ち消して電圧−
電荷量曲線の偏りを回復させることができ、その結果残
留電荷の減少によるリテンション特性の劣化を防止でき
る。As described above, according to this embodiment,
When the storage data and the write data are different, the application time of the write voltage applied to the memory cell is made longer than when the two data are the same, so that the change in characteristics caused by the internal electric field due to the remanent polarization is canceled out. −
It is possible to recover the bias of the charge amount curve, and as a result, it is possible to prevent the retention characteristic from deteriorating due to the decrease in the residual charge.
【0031】〔第2の実施の形態〕図4は本発明の第2
の実施の形態における半導体メモリ装置の回路図を示し
たものである。各構成要素のうち図1と同じ番号を付し
てあるものは基本的に同じものであり、それらの説明は
省略する。図4において、50はデータ比較回路30か
らの結果に基づいて、書き込み動作を制御する書き込み
動作制御回路であり、特許請求の範囲における制御回路
に相当する。その働きは半導体メモリ装置の動作クロッ
ク回路で発生させた制御信号φw ,φc ,φs ,φt を
受け、比較回路30の結果に応じて、ビット線7,8上
のデータとデータ線9,10上のデータが異なるとき
に、電源電圧がより高い駆動回路に切り替えて、ワード
線5とセルプレート6とビット線7,8とを駆動し、そ
の高電圧動作がデータ線9,10に影響しないようにト
ランスファゲート12をオフにするものである。[Second Embodiment] FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
1 is a circuit diagram of a semiconductor memory device according to an embodiment. FIG. Among the components, those having the same numbers as those in FIG. 1 are basically the same, and the description thereof is omitted. In FIG. 4, reference numeral 50 denotes a write operation control circuit that controls a write operation based on the result from the data comparison circuit 30, and corresponds to a control circuit in the claims. Its function is to receive control signals .phi.w, .phi.c, .phi.s, and .phi.t generated by the operation clock circuit of the semiconductor memory device, and to control the data on the bit lines 7 and 8 and the data lines 9 and 10 according to the result of the comparison circuit 30. When the data is different, the driving circuit is switched to a higher power supply voltage to drive the word line 5, the cell plate 6, and the bit lines 7, 8, so that the high voltage operation does not affect the data lines 9, 10. Then, the transfer gate 12 is turned off.
【0032】その回路構成は、ワード線ドライバ51
と、セルプレートドライバ52と、比較回路30からの
結果をラッチするラッチ回路53と、ビット線7,8を
駆動する差動増幅器11,56をラッチ回路53のデー
タによって選択する切り替え回路54と、ラッチ回路5
3のデータによってトランスファゲート12をオフにす
るトランスファゲート制御回路55と、その他の回路か
らなる。56はビット線7,8の電位差を増幅する差動
増幅器であり、図の例では制御信号θs2で活性、不活性
を制御できるクロックドCMOSインバータ2個で構成
され、各CMOSインバータには、図示はしてないが当
然電源電圧が供給されており、差動増幅器11を構成す
るCMOSインバータより高い電源電圧が印加されてい
る。The circuit configuration is similar to that of the word line driver 51.
A cell plate driver 52, a latch circuit 53 for latching the result from the comparison circuit 30, a switching circuit 54 for selecting the differential amplifiers 11 and 56 for driving the bit lines 7 and 8 based on the data of the latch circuit 53, Latch circuit 5
A transfer gate control circuit 55 for turning off the transfer gate 12 by the data of No. 3 and other circuits. Reference numeral 56 denotes a differential amplifier for amplifying the potential difference between the bit lines 7 and 8. In the example of the figure, the differential amplifier 56 is composed of two clocked CMOS inverters whose activation and inactivation can be controlled by the control signal θs2. Although not shown, the power supply voltage is naturally supplied, and a power supply voltage higher than that of the CMOS inverter forming the differential amplifier 11 is applied.
【0033】ワード線ドライバ51およびセルプレート
ドライバ52は、それぞれワード線ドライバ14とセル
プレートドライバ15に比べ、より高い駆動電圧が供給
されている。トランスファゲート群34は、ワード線ド
ライバ14と51およびセルプレートドライバ15と5
2を、ラッチ回路53のデータによって切り替える。ラ
ッチ回路53は、図1のラッチ回路35にラッチデータ
を初期化するためのプリチャージ回路(MOSトランジ
スタ)が付加されたもので、制御信号/φp によってラ
ッチデータを初期化する。なお、説明のためラッチ回路
53の出力ノードを57とする。The word line driver 51 and the cell plate driver 52 are supplied with a higher drive voltage than the word line driver 14 and the cell plate driver 15, respectively. The transfer gate group 34 includes the word line drivers 14 and 51 and the cell plate drivers 15 and 5
2 is switched by the data of the latch circuit 53. The latch circuit 53 is obtained by adding a precharge circuit (MOS transistor) for initializing latch data to the latch circuit 35 of FIG. 1, and initializes latch data by a control signal / φp. Note that the output node of the latch circuit 53 is 57 for description.
【0034】切り替え回路54は、制御信号φs がハイ
レベルでノード57がローレベルの時に差動増幅器11
を活性化させ、制御信号φs がハイレベルでノード57
がハイレベルの時に差動増幅器56を活性化さる。ただ
し、制御信号φs がハイレベルの状態でノード57がロ
ーレベルからハイレベルに変化するときの制御信号θs2
の立ち上がりは、遅延回路58によって、制御信号θs
が立ち下がってから一定時間遅れる。トランスファゲー
ト制御回路55はノード57がローレベルの時、制御信
号φt がハイレベルになれば制御信号θt をハイレベル
にしてトランスファゲート12をオンにするが、制御信
号φt がハイレベルであってもノード57がローレベル
からハイレベルになれば、遅延回路59での遅延時間後
に制御信号θt をローレベルにする。なお、遅延回路5
8と59は図の例ではインバータ回路が偶数個使用され
ており、その入力と出力とで論理レベルは反転しない。
また、論理積回路等と組み合わせて、立ち上がり信号だ
けを遅延する回路にしても問題はない。When the control signal φs is at a high level and the node 57 is at a low level, the switching circuit 54
Is activated, and when the control signal φs is at a high level, the node 57
Activates the differential amplifier 56 when is at the high level. However, when the control signal φs is at the high level and the node 57 changes from the low level to the high level, the control signal θs2
At the rising edge of the control signal θs
Is delayed for a certain time after falling. When the control signal φt goes high when the node 57 is low, the transfer gate control circuit 55 turns the transfer gate 12 on by setting the control signal θt to high level. When the node 57 changes from low level to high level, the control signal .theta.t changes to low level after the delay time in the delay circuit 59. Note that the delay circuit 5
In the example shown in the figure, 8 and 59 use an even number of inverter circuits, and their input and output do not invert the logic level.
Also, there is no problem in a circuit that delays only a rising signal in combination with an AND circuit or the like.
【0035】図5は図4の回路の書き込み動作のタイミ
ングを示した動作タイミング図である。θs は差動増幅
器11を活性化させる制御信号、θs2は差動増幅器56
を活性化させる制御信号、θt はトランスファゲート1
2をオン・オフする制御信号である。その他は図2と同
様でありで、説明は省略する。この実施の形態では、書
き込み電圧印加時間は変えずに、キャパシタへの印加電
圧を高めている。もちろん、本発明の範囲内で電圧を高
め、かつ印加時間を延ばすことは可能である。FIG. 5 is an operation timing chart showing the timing of the write operation of the circuit of FIG. θs is a control signal for activating the differential amplifier 11, and θs2 is
Is a control signal that activates the transfer gate 1
2 is a control signal for turning on / off the switch 2. Others are the same as those in FIG. 2 and the description is omitted. In this embodiment, the voltage applied to the capacitor is increased without changing the write voltage application time. Of course, it is possible to increase the voltage and extend the application time within the scope of the present invention.
【0036】この装置の書き込み動作をについて図4と
図5を用いて説明する。第1の実施の形態と同じように
メモリセルに記憶されていたデータと書き込みデータが
同じ場合は、従来例と同じ動作を行う。異なる場合は、
メモリセルからデータを読み出して差動増幅器11でビ
ット線の電位がハイレベルとローレベルに増幅されるま
では従来例と同じ動作を行うが、比較回路30の結果が
ラッチ回路53へ送られ、その出力ノード57がハイレ
ベルになることによって、まずワード線ドライバ14と
セルプレートドライバ15が、より電源電圧の高いワー
ド線ドライバ51とセルプレート52に切り替わり、ワ
ード線5とセルプレート6の電位が上がる。また、制御
信号θs がローレベルになり、差動増幅器11が不活性
になる。つぎに、トランスファゲート12がオンしてビ
ット線の電位が反転した後に、遅延回路59で立ち下が
り遅延された制御信号θt がローレベルになりトランス
ファゲート12がオフになる。The write operation of this device will be described with reference to FIGS. When the data stored in the memory cell and the write data are the same as in the first embodiment, the same operation as in the conventional example is performed. If not,
Until the data is read from the memory cell and the potential of the bit line is amplified to the high level and the low level by the differential amplifier 11, the same operation as that of the conventional example is performed, but the result of the comparison circuit 30 is sent to the latch circuit 53. When the output node 57 goes high, the word line driver 14 and the cell plate driver 15 are switched to the word line driver 51 and the cell plate 52 having higher power supply voltages, and the potentials of the word line 5 and the cell plate 6 are changed. Go up. Further, the control signal θs becomes low level, and the differential amplifier 11 becomes inactive. Next, after the transfer gate 12 is turned on and the potential of the bit line is inverted, the control signal θt falling and delayed by the delay circuit 59 becomes low level, and the transfer gate 12 is turned off.
【0037】ここで、制御信号θt は遅延される理由に
ついて説明する。すなわち、書き込みの際に、ビット線
BL,/BLの電位をデータ線DL,/DLの電位に従
って反転させるために必要な時間を確保するためであ
る。従来例では、サイクル終了時までトランスファゲー
ト12をオンにし続けていたが、この実施の形態では、
差動増幅器56を活性化して、ビット線の電圧を高くす
るよりも前にトラスファゲート12をオフにする必要が
ある(電圧が高くないデータ線につながったままでは、
ビット線の電圧を高くできない)ため、このようにθt
を、ラッチ回路53の出力に基づいて立ち下がり遅延さ
せた信号としている。Here, the reason why the control signal θt is delayed will be described. That is, at the time of writing, the time required for inverting the potentials of the bit lines BL and / BL according to the potentials of the data lines DL and / DL is secured. In the conventional example, the transfer gate 12 is kept turned on until the end of the cycle, but in this embodiment,
It is necessary to activate the differential amplifier 56 to turn off the transfer gate 12 before raising the bit line voltage (if the transfer gate 12 is connected to a non-high voltage data line,
Since the voltage of the bit line cannot be increased),
Is a signal whose fall is delayed based on the output of the latch circuit 53.
【0038】つぎに、遅延回路58によって立ち上がり
遅延された制御信号θs2がハイレベルになることによっ
て、差動増幅器56が活性化され、ビット線のハイレベ
ル側の電位が上がる。この状態で強誘電体キャパシタ1
には、図3(c)に示す向きに電圧がかかり、分極が生
じる。第1の実施の形態の時と同様にこの間に強誘電体
キャパシタ1の特性の変化を除去するのであるが、従来
例に比べて高い電圧がキャパシタの極板間にかかってい
るので、その除去する効果が大きい。また、高い電圧で
書き込むことで図11に示したような残留電荷の減少を
補うことができる。Next, when the control signal θs2, which has been raised and delayed by the delay circuit 58, goes high, the differential amplifier 56 is activated, and the potential on the high level side of the bit line rises. In this state, the ferroelectric capacitor 1
, A voltage is applied in the direction shown in FIG. As in the case of the first embodiment, the change in the characteristics of the ferroelectric capacitor 1 is removed during this period. However, since a higher voltage is applied between the plates of the capacitor than in the conventional example, the change is removed. The effect is great. Further, by writing at a high voltage, the decrease in the residual charge as shown in FIG. 11 can be compensated.
【0039】続いてセルプレート6の電位をローレベル
にすれば、強誘電体キャパシタ2に図3(d)に示す向
きに電圧がかかるとともに分極が生じ、強誘電体キャパ
シタ1の時と同じ効果が得られる。その後、ワード線5
をローレベルにし、差動増幅器56を不活性にし、ビッ
ト線7,8とラッチ回路53の出力ノード57をローレ
ベルにプリチャージすれば書き込み動作は終了する。Subsequently, when the potential of the cell plate 6 is set to a low level, a voltage is applied to the ferroelectric capacitor 2 in the direction shown in FIG. 3D and polarization occurs, and the same effect as that of the ferroelectric capacitor 1 is obtained. Is obtained. Then, word line 5
To a low level, deactivate the differential amplifier 56, and precharge the bit lines 7, 8 and the output node 57 of the latch circuit 53 to a low level, thereby completing the write operation.
【0040】なお、この例ではワード線ドライバとセル
プレートドライバと差動増幅器の駆動電圧の切り替え
を、それぞれ電源電圧の異なる別々の回路を用意して切
り替えているが、回路は共通にして電源電圧を切り替え
るようにしても問題はない。以上のように、この実施の
形態によると、記憶データと書き込みデータとが異なる
ときには、上記両データが同じときに比べて、メモリセ
ルへ印加する書き込み電圧を高くするので、残留分極に
よる内部電界によって生じた特性の変化を打ち消して電
圧−電荷量曲線の偏りを回復させることができ、その結
果残留電荷の減少によるリテンション特性の劣化を防止
できる。この際、電圧を高くして打ち消しを行っている
ので、特性の変化の打ち消しを効果的に行うことができ
る。In this example, the switching of the driving voltage of the word line driver, the cell plate driver and the differential amplifier is performed by preparing separate circuits having different power supply voltages, respectively. There is no problem even if you switch. As described above, according to this embodiment, when the storage data and the write data are different, the write voltage applied to the memory cell is higher than when the two data are the same. The bias in the voltage-charge amount curve can be recovered by canceling the change in the generated characteristics, and as a result, the deterioration of the retention characteristics due to the decrease in the residual charges can be prevented. At this time, since the cancellation is performed by increasing the voltage, it is possible to effectively cancel the change in the characteristic.
【0041】〔第3の実施の形態〕図6は本発明の第3
の実施の形態における半導体メモリ装置の回路図を示し
たものである。各構成要素のうち図1と同じ番号を付し
てあるものは基本的に同じものであり、それらの説明は
省略する。図6において、60はデータ比較回路30か
らの結果に基づいて、書き込み動作を制御する書き込み
動作制御回路であり、特許請求の範囲における制御回路
に相当する。その働きは、半導体メモリ装置の動作クロ
ック回路で発生させた制御信号φc と、半導体メモリ装
置内部もしくは外部からのパルス信号πとを受けて、比
較回路30の結果に応じて、書き込み動作に入る前に、
メモリセルの強誘電体キャパシタ1,2のリフレッシュ
を行わせるものである。[Third Embodiment] FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention.
1 is a circuit diagram of a semiconductor memory device according to an embodiment. FIG. Among the components, those having the same numbers as those in FIG. 1 are basically the same, and the description thereof is omitted. In FIG. 6, reference numeral 60 denotes a write operation control circuit that controls a write operation based on the result from the data comparison circuit 30, and corresponds to a control circuit in the claims. Its function is to receive a control signal φc generated by an operation clock circuit of the semiconductor memory device and a pulse signal π from inside or outside of the semiconductor memory device, and perform a write operation before starting a write operation according to the result of the comparison circuit 30. To
This refreshes the ferroelectric capacitors 1 and 2 of the memory cell.
【0042】その回路構成は、ラッチ回路61と分周器
兼カウンタ62とからなる。ラッチ回路61は基本的に
は図1のラッチ回路35と同じであるが、分周器兼カウ
ンタ62からの信号によってラッチデータを初期化する
プリチャージ回路(MOSトランジスタからなる)が付
加されている。分周器兼カウンタ62には、ラッチ回路
61の出力信号θb とパルス信号πが入力されており、
θb がローレベルのときはプリセット状態にあり、その
出力Q1 〜Q4 は全てハイレベルであるが、θb がハイ
レベルになればパルス信号πのカウントを開始する。な
お、図6の例では、D型フリップフロップを4個用いた
リップキャリー型16進ダウンカウンタが使用されてい
るが、分周器とカウンタの機能を有した回路ならば、ど
のような回路を用いても問題はない。また、パルス信号
πを供給する回路としては、CR発振器や水晶発振器な
どがあげられる。The circuit configuration comprises a latch circuit 61 and a frequency divider / counter 62. The latch circuit 61 is basically the same as the latch circuit 35 of FIG. 1, except that a precharge circuit (comprising a MOS transistor) for initializing latch data by a signal from the frequency divider / counter 62 is added. . The output signal θb and the pulse signal π of the latch circuit 61 are input to the frequency divider / counter 62,
When .theta.b is at a low level, the output is in a preset state, and its outputs Q1 to Q4 are all at a high level. When .theta.b is at a high level, counting of the pulse signal .pi. is started. In the example of FIG. 6, a lip carry type hexadecimal down counter using four D-type flip-flops is used, but any circuit having a frequency divider and a counter function may be used. There is no problem with using it. Examples of the circuit for supplying the pulse signal π include a CR oscillator and a crystal oscillator.
【0043】63はビット線ドライバで、ラッチ回路6
1の出力ノードを制御信号θb として活性、不活性を制
御するクロックドCMOSインバータからなる。図7は
図6の回路の書き込み動作のタイミングを示した書き込
み動作タイミング図である。θb はラッチ回路61の出
力ノードの電位であり、その他は図2と同様であるた
め、説明は省略する。Reference numeral 63 denotes a bit line driver, which is a latch circuit 6
A clocked CMOS inverter which controls activation and inactivation of one output node as a control signal θb. FIG. 7 is a write operation timing chart showing the write operation timing of the circuit of FIG. θb is the potential of the output node of the latch circuit 61, and the other is the same as that of FIG.
【0044】この装置の書き込み動作について図6と図
7を用いて説明する。第1の実施の形態と同じように、
メモリセルに記憶されていたデータと書き込みデータが
同じ場合は、従来例と同じ動作を行う。両データが異な
る場合は、メモリセルからデータを読み出して差動増幅
器11でビット線の電位がハイレベルとローレベルに増
幅されるまでは従来例と同じ動作を行うが、それ後の動
作が異なる。つまり、比較回路30の結果がラッチ回路
61へ送られ、制御信号θb がハイレベルになることに
よって、セルプレートドライバ15の制御信号がφc か
ら分周器兼カウンタ62の出力Q1 に切り替わり、ビッ
ト線ドライバ63が活性化され、分周器兼カウンタ62
のプリセット状態が解除されてパルス信号πのカウント
が開始される。また、制御信号θb は動作クロック回路
へ戻されて、θb がハイレベルの期間動作クロックの進
行を一時停止させる。なおこの例では、ビット線8の電
位をビット線ドライバ63で駆動させることで差動増幅
器11のラッチデータを反転させ、ビット線7に差動増
幅器11によってビット線8とは逆の電位を与えている
が、差動増幅器11を不活性にして、2つのビット線ド
ライバをそれぞれビット線7と8の両方に接続してビッ
ト線の電位を駆動しても問題はない。The write operation of this device will be described with reference to FIGS. As in the first embodiment,
When the data stored in the memory cell is the same as the write data, the same operation as in the conventional example is performed. If the two data are different, the same operation as in the conventional example is performed until the data is read from the memory cell and the bit line potential is amplified to the high level and the low level by the differential amplifier 11, but the subsequent operation is different. . That is, the result of the comparison circuit 30 is sent to the latch circuit 61, and the control signal .theta.b goes high, whereby the control signal of the cell plate driver 15 switches from .phi.c to the output Q1 of the frequency divider / counter 62, and the bit line The driver 63 is activated, and the divider / counter 62
And the counting of the pulse signal π is started. The control signal .theta.b is returned to the operation clock circuit, and the operation clock is temporarily stopped while .theta.b is at the high level. In this example, the potential of the bit line 8 is driven by the bit line driver 63 to invert the latch data of the differential amplifier 11, and a potential opposite to that of the bit line 8 is applied to the bit line 7 by the differential amplifier 11. However, there is no problem if the differential amplifier 11 is deactivated and the two bit line drivers are connected to both the bit lines 7 and 8 to drive the bit line potential.
【0045】制御信号θb がハイレベルの間は、図7に
示すように、ビット線7と8の電位の変化が1周する間
に、セルプレートの電位変化が2周する動作が繰り返さ
れる。ワード線5はハイレベルのままなので、強誘電体
キャパシタ1と2には電圧が1回1回向きを逆にしなが
らかかり続けることになり、分極の反転が繰り返され
る。そのため、図11にあるように強誘電体キャパシタ
の電圧−電荷量曲線が偏っている場合は、偏りが少なく
なるように特性が変化する。一定のパルス数が分周器兼
カウンタ62に入力されれば、出力/Q4 がハイレベル
になり、ラッチ回路61の出力θb がローレベルにプリ
チャージされる。その結果、セルプレートドライバ15
の制御信号がφc に戻され、ビット線ドライバ63が不
活性になり、分周器兼カウンタ62がプリセット状態に
なる。また、動作クロック信号の進行が再開され、後は
従来例通りの書き込み動作が行われる。このように、強
誘電体キャパシタの電圧−電荷量特性の偏りを、分極反
転を繰り返すことによって取り除き、リテンションの劣
化を防止することができる。また、常に強誘電体キャパ
シタのリフレッシュを行う場合に比べ、分極反転による
強誘電体膜疲労の点で有利である。While the control signal θb is at the high level, the operation of changing the potential of the cell plate twice while the change of the potential of the bit lines 7 and 8 makes one cycle as shown in FIG. 7 is repeated. Since the word line 5 remains at the high level, the voltage is continuously applied to the ferroelectric capacitors 1 and 2 once in the opposite direction, and the reversal of the polarization is repeated. Therefore, when the voltage-charge amount curve of the ferroelectric capacitor is biased as shown in FIG. 11, the characteristics change so that the bias is reduced. When a fixed number of pulses are input to the frequency divider / counter 62, the output / Q4 becomes high level, and the output .theta.b of the latch circuit 61 is precharged to low level. As a result, the cell plate driver 15
Is returned to φc, the bit line driver 63 becomes inactive, and the frequency divider / counter 62 enters the preset state. Further, the advance of the operation clock signal is resumed, and thereafter the write operation as in the conventional example is performed. As described above, the bias of the voltage-charge amount characteristic of the ferroelectric capacitor can be eliminated by repeating the polarization inversion, and the deterioration of the retention can be prevented. Further, it is advantageous in terms of fatigue of the ferroelectric film due to polarization reversal, as compared with the case where the ferroelectric capacitor is always refreshed.
【0046】以上のように、この実施の形態によると、
記憶データと書き込みデータとが異なるときには、書き
込み動作に入る前にメモリセルの強誘電体に印加する電
圧の反転を繰り返してメモリセルの強誘電体の分極反転
を行うので、残留分極による内部電界によって生じた特
性の変化を打ち消して電圧−電荷量曲線の偏りを回復さ
せることができ、その結果残留電荷の減少によるリテン
ション特性の劣化を防止できる。また、メモリセルの強
誘電体の分極反転は記憶データと書き込みデータとが異
なるときに行い、上記両データが同じときには行わない
ので、分極反転の繰り返しによる誘電体膜疲労が少な
く、半導体メモリ装置の寿命の短縮を少なくできる。As described above, according to this embodiment,
When the storage data and the write data are different, the reversal of the voltage applied to the ferroelectric of the memory cell is repeated before the start of the write operation to perform the polarization inversion of the ferroelectric of the memory cell. The bias in the voltage-charge amount curve can be recovered by canceling the change in the generated characteristics, and as a result, the deterioration of the retention characteristics due to the decrease in the residual charges can be prevented. In addition, the polarization inversion of the ferroelectric of the memory cell is performed when the storage data and the write data are different, and is not performed when the two data are the same. The shortening of life can be reduced.
【0047】以上の実施の形態では、2Tr−2C(2
Transistor−2Capacitance )型メモリセルについて述
べてきたが、それらの例は全て1Tr−1C(1Transi
stor−1Capacitance )型メモリセルにも応用できる。
それは図8と図1と図4と図6において、強誘電体キャ
パシタンス2とNMOSトランジスタ4を取り除き、ビ
ット線8にリファレンス電位を与える回路を接続すれ
ば、1Tr−1C型のメモリ装置として動作することで
明らかである。ただし、1Tr−1C型の場合は、デー
タがハイレベルかローレベルかの判定をリファレンス電
位との比較で行うため、インプリントによる強誘電体キ
ャパシタの特性の変化の影響は、相補的にハイレベルと
ローレベルを判断する2Tr−2C型に比べより深刻な
問題となり、本発明は特に有効である。つまり、図11
に示すようなインプリント現象の防止に関しては、どち
らの場合でも同じであるが、データ読み出しのための判
定方法の差により1Tr−1C型の方が、インプリント
現象の影響を強く受け、総合的なデータ保持能力(リテ
ンション特性)が大きく左右されることになるので、本
発明を適用することが特に有効である。In the above embodiment, 2Tr-2C (2
Transistor-2Capacitance) type memory cells have been described, but all of those examples are 1Tr-1C (1Transi
It can also be applied to (stor-1 Capacitance) type memory cells.
It operates as a 1Tr-1C type memory device by removing the ferroelectric capacitance 2 and the NMOS transistor 4 in FIG. 8, FIG. 1, FIG. 4 and FIG. That is clear. However, in the case of the 1Tr-1C type, the determination of whether the data is at the high level or the low level is made by comparing the data with the reference potential. This is a more serious problem as compared with the 2Tr-2C type in which the low level is determined, and the present invention is particularly effective. That is, FIG.
Regarding the prevention of the imprint phenomenon as shown in (1), it is the same in both cases, but the 1Tr-1C type is more strongly affected by the imprint phenomenon due to the difference in the determination method for data reading, and Therefore, it is particularly effective to apply the present invention, since the data retention ability (retention characteristic) is greatly influenced by the data retention ability.
【0048】[0048]
【発明の効果】本発明の半導体メモリ装置によると、メ
モリセルに記憶されていたデータと逆のデータを書き込
む場合に、書き込み電圧を印加する時間を長くする、ま
たは書き込み電圧を高くする、あるいは書き込みに入る
前に強誘電性キャパシタに加える電圧を周期的に反転さ
せることでリフレッシュを行うことにより、電圧−電荷
量曲線の偏りを除去する動作を行っているので、リテン
ション特性の劣化を防止することができる。また、書き
込みデータと記憶されていたデータを比較して、その結
果によって強誘電体キャパシタの電圧−電荷量曲線の偏
りを除去する動作を行うか否か決定するので、リフレッ
シュによって電圧−電荷量曲線の偏りを除去する動作を
行う場合、リフレッシュを常に行う場合に比べて余分な
動作が少なくなり、消費電力の増加を少なく抑え、また
サイクルタイムの増加を抑え、強誘電体膜疲労を抑える
ことができ、有利である。According to the semiconductor memory device of the present invention, when writing data reverse to data stored in a memory cell, the time for applying a write voltage is increased, the write voltage is increased, or the write voltage is increased. Refreshing by periodically inverting the voltage to be applied to the ferroelectric capacitor before entering the operation to remove the bias of the voltage-charge amount curve, thus preventing deterioration of the retention characteristics. Can be. In addition, the write data is compared with the stored data, and whether or not an operation for removing the bias of the voltage-charge amount curve of the ferroelectric capacitor is determined based on a result thereof. When performing the operation to eliminate the bias of the device, extra operations are reduced compared to the case where the refresh is always performed, the increase in power consumption is suppressed, the increase in cycle time is suppressed, and the fatigue of the ferroelectric film is suppressed. Can and is advantageous.
【図1】この発明の第1の実施の形態における半導体メ
モリ装置のメモリセル周辺回路を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a memory cell peripheral circuit of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】この発明の第1の実施の形態における半導体メ
モリ装置の書き込み動作タイミング図である。FIG. 2 is a write operation timing chart of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention;
【図3】この発明の第1の実施の形態における半導体メ
モリ装置のデータの記憶中および動作中の強誘電体キャ
パシタの電圧と分極の向きを表した概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a voltage and a polarization direction of a ferroelectric capacitor during data storage and operation of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.
【図4】この発明の第2の実施の形態における半導体メ
モリ装置のメモリセル周辺回路を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a memory cell peripheral circuit of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
【図5】この発明の第2の実施の形態における半導体メ
モリ装置の書き込み動作タイミング図である。FIG. 5 is a write operation timing chart of the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention;
【図6】この発明の第3の実施の形態における半導体メ
モリ装置のメモリセル周辺回路の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a memory cell peripheral circuit of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.
【図7】この発明の第3の実施の形態における半導体メ
モリ装置の書き込み動作タイミング図である。FIG. 7 is a write operation timing chart of the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention.
【図8】従来の半導体メモリ装置のメモリセル周辺回路
の回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram of a memory cell peripheral circuit of a conventional semiconductor memory device.
【図9】従来の半導体メモリ装置の読み出し動作タイミ
ング図である。FIG. 9 is a timing chart of a read operation of a conventional semiconductor memory device.
【図10】従来の半導体メモリ装置の書き込み動作タイ
ミング図である。FIG. 10 is a write operation timing diagram of a conventional semiconductor memory device.
【図11】強誘電体キャパシタの電圧−電荷量曲線を示
すヒステリシス特性図である。FIG. 11 is a hysteresis characteristic diagram showing a voltage-charge amount curve of a ferroelectric capacitor.
1,2 強誘電体キャパシタ 3,4 NMOSトランジスタ 5 ワード線 6 セルプレート 7,8 ビット線 9,10 データ線 11 差動増幅器 12 トランスファゲート 13 ラッチ回路 14 ワード線ドライバ 15 セルプレートドライバ 30 比較回路 31 書き込み動作制御回路 32,33 立ち下がり遅延回路 34 トランスファゲート 35 ラッチ回路 36 トランスファゲート 50 書き込み動作制御回路 51 ワード線ドライバ 52 セルプレートドライバ 53 ラッチ回路 56 差動増幅器 58,59 遅延回路 60 書き込み動作制御回路 61 ラッチ回路 62 分周器兼カウンタ 63 ビット線ドライバ 1, 2 Ferroelectric capacitor 3, 4 NMOS transistor 5 Word line 6 Cell plate 7, 8 Bit line 9, 10 Data line 11 Differential amplifier 12 Transfer gate 13 Latch circuit 14 Word line driver 15 Cell plate driver 30 Comparison circuit 31 Write operation control circuits 32, 33 Fall delay circuit 34 Transfer gate 35 Latch circuit 36 Transfer gate 50 Write operation control circuit 51 Word line driver 52 Cell plate driver 53 Latch circuit 56 Differential amplifier 58, 59 Delay circuit 60 Write operation control circuit 61 Latch circuit 62 Divider and counter 63 Bit line driver
Claims (3)
と、ビット線と、データ線と、前記メモリセルから前記
ビット線に読み出された記憶データと前記データ線に入
力された書き込みデータとを比較する比較回路と、前記
比較回路からの信号に基づき前記記憶データと前記書き
込みデータとが異なるときに前記メモリセルへ印加する
書き込み電圧の印加時間を長くする制御回路とを備えた
半導体メモリ装置。1. A memory cell using a dielectric capacitor, a bit line, a data line, and storage data read from the memory cell to the bit line and write data input to the data line are compared. A semiconductor memory device comprising: a comparison circuit that performs the above operation; and a control circuit that increases the application time of a write voltage applied to the memory cell when the storage data differs from the write data based on a signal from the comparison circuit.
と、ビット線と、データ線と、前記メモリセルから前記
ビット線に読み出された記憶データと前記データ線に入
力された書き込みデータとを比較する比較回路と、前記
比較回路からの信号に基づき前記記憶データと前記書き
込みデータとが異なるときに前記メモリセルへ印加する
書き込み電圧を高くする制御回路とを備えた半導体メモ
リ装置。2. A memory cell using a dielectric capacitor, a bit line, a data line, and comparison between storage data read from the memory cell to the bit line and write data input to the data line. And a control circuit for increasing a write voltage applied to the memory cell when the storage data and the write data are different based on a signal from the comparison circuit.
と、ビット線と、データ線と、前記メモリセルから前記
ビット線に読み出された記憶データと前記データ線に入
力された書き込みデータとを比較する比較回路と、前記
比較回路からの信号に基づき前記記憶データと前記書き
込みデータとが異なるときに書き込み電圧を印加して書
き込み動作に入る前に前記メモリセルの強誘電体に印加
する電圧の反転を繰り返して前記メモリセルの強誘電体
の分極反転を行わせる制御回路とを備えた半導体メモリ
装置。3. A memory cell using a dielectric capacitor, a bit line, a data line, and comparing storage data read from the memory cell to the bit line and write data input to the data line. And a reversal of a voltage applied to the ferroelectric material of the memory cell before a write operation is performed by applying a write voltage when the storage data and the write data are different based on a signal from the comparison circuit. And a control circuit for repeating the polarization reversal of the ferroelectric of the memory cell.
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|---|---|---|---|---|
| WO2004025658A1 (en) * | 2002-09-11 | 2004-03-25 | Thin Film Electronics Asa | A method for operating a ferroelectric or electret memory device, and a device of this kind |
| US7123502B2 (en) | 2003-12-24 | 2006-10-17 | Seiko Epson Corporation | Storage circuit, semiconductor device, and electronic apparatus |
| JP2009271991A (en) * | 2008-05-07 | 2009-11-19 | Toshiba Corp | Semiconductor storage device |
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- 1996-09-10 JP JP23910096A patent/JP3822286B2/en not_active Expired - Fee Related
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