Dokumentenidentifikation |
DE10017368B4 15.12.2005 |
Titel |
Verfahren zum Betrieb eines integrierten Speichers |
Anmelder |
Infineon Technologies AG, 81669 München, DE |
Erfinder |
Röhr, Thomas, 85609 Aschheim, DE; Esterl, Robert, 81827 München, DE; Hönigschmid, Heinz, 82343 Pöcking, DE; Kandolf, Helmut, 81669 München, DE |
Vertreter |
Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München |
DE-Anmeldedatum |
07.04.2000 |
DE-Aktenzeichen |
10017368 |
Offenlegungstag |
11.10.2001 |
Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
15.12.2005 |
Veröffentlichungstag im Patentblatt |
15.12.2005 |
IPC-Hauptklasse |
G11C 11/22
|
IPC-Nebenklasse |
G11C 7/02
G11C 7/08
G11C 7/22
|
Beschreibung[de] |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines
integrierten Speichers mit einem Speicherzellenfeld, das Spaltenleitungen und Zeilenleitungen
aufweist, mit Speicherzellen, die jeweils einen Auswahltransistor und einen Speicherkondensator
mit ferroelektrischem Speichereffekt aufweisen, und mit einer Plattenleitung, die
über eine Reihenschaltung des Auswahltransistors und des Speicherkondensators jeweiliger
Speicherzellen mit einer der Spaltenleitungen verbunden ist, und bei dem Steueranschlüsse
der Auswahltransistoren der Speicherzellen mit jeweils einer der Zeilenleitungen
verbunden ist.
Integrierte Speicher mit sogenannten FeRAM-Speicherzellen, die einen
ferroelektrischen Speichereffekt aufweisen, sind oftmals ähnlich aufgebaut wie beispielsweise
DRAM Speicher. Dort sind die Speicherzellen üblicherweise in einem matrixförmigen
Speicherzellenfeld zu Einheiten von Spaltenleitungen und Zeilenleitungen zusammengefaßt.
Die Speicherzellen umfassen jeweils einen Auswahltransistor und einen Speicherkondensator.
Dabei sind die Steueranschlüsse der jeweiligen Auswahltransistoren der Speicherzellen
mit jeweils einer der Zeilenleitungen verbunden. Die Spaltenleitungen sind im allgemeinen
an einen Leseverstärker angeschlossen, an dem ein bewertetes und verstärktes Datensignal
abgreifbar ist.
In Speicherzellen mit ferroelektrischem Speichereffekt werden Datensignale
bekanntlich in Form von unterscheidbaren Polarisationszuständen des Materials in
einem Speicherkondensator der Speicherzelle gespeichert. Im Betrieb des Speichers
weisen die Speicherzellen im allgemeinen ein kapazitives Verhaltes auf. Integrierte
Speicher mit derartigen Speicherzellen sind beispielsweise als sogenannte FeRAMs
bekannt. Die Speicherzellen bzw. deren Reihenschaltung aus Auswahltransistor und
Speicherkondensator sind dabei üblicherweise zwischen eine der Spaltenleitungen
und eine Plattenleitung, auch als sogenannte "Plate" bezeichnet, geschaltet. Diese
Plattenleitung ist meist mit einer Treiberschaltung verbunden, durch die die Plattenleitung
an einem vorgegebenen Potential anliegt.
Im Betrieb des integrierten Speichers weisen die Spaltenleitungen
und die Plattenleitungen des Speichers jeweils aktive oder inaktive Betriebsarten
auf. In einer aktiven Betriebsart, in der beispielsweise der Inhalt einer der Speicherzellen
ausgelesen wird, ist der entsprechende Auswahltransistor aktiviert und die entsprechende
Spaltenleitung mit einem Leseverstärker verbunden. Die Plattenleitung liegt an einem
vorgegebenen Potential an. Es liegt daher zwischen der Plattenleitung und der entsprechenden
Spaltenleitung eine Differenzspannung an. In einer inaktiven Betriebsart sind die
entsprechenden Spaltenleitungen und die Plattenleitungen im allgemeinen mit einem
Anschluß für ein gemeinsames Versorgungspotential verbunden.
Über die jeweiligen Source-Drain-Strecken von nicht aktivierten Auswahltransistoren
nicht ausgewählter Speicherzellen liegt nun während eines Zugriffszyklus ebenfalls
eine Differenzspannung zwischen der jeweiligen Spaltenleitung und Plattenleitung
an. Diese Source-Drain-Spannung kann einen sogenannten Leckstrom in dem jeweiligen
Auswahltransistor verursachen. Bei jedem Zugriffszyklus werden dabei die zugehörigen
Speicherkondensatoren von nicht ausgewählten Speicherzellen um gewisse Ladungsmengen
aufgeladen und/oder entladen. Dadurch kann sich bei jedem Zugriffszyklus die Spannung
an dem jeweiligen Speicherkondensator ändern.
Bei einem ferroelektrischen Speicher wird die Information in einer
Speicherzelle durch den Betrag der remanenten Polarisation gespeichert, wobei zwischen
den Anschlüssen des Speicherkondensators keine Spannung anliegt. Das Auslesen der
Information wird durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung an den Anschlüssen des
Kondensators erreicht. Durch die beschriebene Auf- oder Entladung des Speicherkondensators
in Folge eines Leckstroms und durch die damit verbundene Potentialänderung über
dem Kondensator kann mit der Zeit bzw. nach mehreren Zugriffszyklen die in der Speicherzelle
gespeicherte Information geschwächt oder zerstört werden.
In der US 5 835 400 ist ein
ferroelektrischer Speicher beschrieben, der nach dem Pulskonzept betrieben wird.
An aufeinander folgenden Zeitpunkten wird ein an einer Bitleitung anliegendes Potential
bewertet und verstärkt. Anschließend wird das Ausgangspotential an die Plattenleitung
angelegt und schließlich wird das Ausgangspotential an die Bitleitung angelegt.
In der DE 198 32 994 A1
ist eine andere ferroelektrische Speicheranordnung beschrieben, bei der eine Lösung
für das Problem von Störimpulsen aufgezeigt wird, durch die die gespeicherte Information
mehr oder weniger stark geschwächt wird. Die Auswahltransistoren werden hierzu ständig
oder zyklisch außerhalb eines Speicherzugriffs eingeschaltet.
In der US 4 420 822 ist ein
Speicherzellenfeld dargestellt, bei dem Bitleitungen und Feldplattenleitungen verwendet
werden.
In der EP 0 917 151 A2
ist ein ferroelektrisches Speicherzellenfeld mit komplementären
Bitleitungen und Plattenleitungsarchitektur beschrieben.
Schließlich sind in den Dokumenten Hirano, H. et al.:"2-V/100-ns 1T1C
nonvolatile ferroelectric memory architecture with bitline-driven read schema and
nonrelaxation reference cell" IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 32, Nr.
5, Mai 1997, 649–654; Yeonbae Chung et al.: "A 3.3-V 4-Mb nonvolatile ferroelectric
RAM with a selectively-driven doublepulsed plate read/write-back scheme", Symposium
on VLSI Circuits, 17–19 Juni 1999, 97–98 und Braun, G. et al.: "A robust
8F2 ferroelectric RAM cell with depletion device (De-FeRAM)" Symposium
on VLSI Circuits, 17–19 Juni 1999, 99–102 jeweilige Konzepte für ferroelektrische
Halbleiterspeicher beschrieben, welche gepulste Plattenleitungen verwendet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb
eines integrierten Speichers der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine
durch Source-Drain-Leckströme von Auswahltransistoren verursachte Abschwächung oder
Zerstörung der in einer Speicherzelle gespeicherten Information vermieden wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines integrierten
Speichers
- – mit einem Speicherzellenfeld, das paarweise Spaltenleitungen und Zeilenleitungen
aufweist, wobei die Spaltenleitungen Bitleitungen sind, die an Leseverstärkern angeschlossen
sind;
- – mit Speicherzellen, die jeweils einen Auswahltransistor und einen Speicherkondensator
mit ferroelektrischem Speichereffekt aufweisen,
- – mit einer Plattenleitung, die über eine Reihenschaltung des Auswahltransistors
und des Speicherkondensators jeweiliger Speicherzellen mit einer und einer weiteren
der Spaltenleitungen eines Paares von Spaltenleitungen verbunden ist,
- – bei dem Steueranschlüsse der Auswahltransistoren der Speicherzellen
mit jeweils einer der Zeilenleitungen verbunden sind,
- – bei dem ein Zugriff auf eine der Speicherzellen in einem Zugriffszyklus
erfolgt,
mit den Merkmalen:
- – vor einem Zugriff weisen die eine der Spaltenleitungen und die Plattenleitung,
die an einer auszuwählenden Speicherzelle angeschlossen sind, ein Ausgangspotential
auf,
- – während eines Zugriffs wird die Zeilenleitung aktiviert, die an der
auszuwählenden Speicherzelle angeschlossen ist, so daß deren Auswahltransistor leitend
geschaltet ist, und es wird an die Plattenleitung ein Potential angelegt, das unterschiedlich
zum Potential der einen der Spaltenleitungen ist,
- – das an der einen der Spaltenleitungen (BLt) anliegende Potential wird
zu einem ersten Zeitpunkt bewertet und verstärkt,
- – danach wird das Ausgangspotential zu einem zweiten Zeitpunkt an die
Plattenleitung angelegt,
- – danach wird das Ausgangspotential zu einem dritten Zeitpunkt an die
eine der Spaltenleitungen angelegt,
- – es sind dabei der erste Zeitpunkt, der zweite Zeitpunkt und der dritte
Zeitpunkt derart gewählt, daß in einem Zugriffszyklus der Speicherkondensator der
auszuwählenden Speicherzelle jeweils um den gleichen Betrag aufgeladen und entladen
wird.
Der ferroelektrische Speicher wird in einem sogenannten "Pulsed Plate
Concept" betrieben, bei dem die Plattenleitung gepulste Signale aufweist. Zur Vermeidung
eines Informationsverlusts in nicht ausgewählten Speicherzellen wird der Zeitablauf
eines Zugriffszyklus in geeigneter Weise gesteuert. Werden dazu der erste Zeitpunkt,
der zweite Zeitpunkt und der dritte Zeitpunkt derart gewählt, daß der ausgewählte
Speicherkondensator jeweils um den gleichen Betrag aufgeladen und entladen wird,
so wird dieser Effekt auch bei nicht ausgewählten Speicherkondensatoren erreicht,
die sich in Folge von Source-Drain-Leckströmen auf- bzw. entladen. Wird ein Zugriffszyklus
zeitlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuert, so geht ein Gleichspannungsanteil
der Differenzspannung zwischen der Plattenleitung und der betreffenden Spaltenleitung
gegen Null. Die Differenzspannung enthält nur noch einen reinen Wechselspannungsanteil,
d.h., ein angeschlossener Speicherkondensator wird während eines Zugriffszyklus
jeweils um den gleichen Betrag aufgeladen und wieder entladen.
Ein vorhandener Gleichspannungsanteil läßt sich mathematisch durch
Integration der Differenzspannung zwischen der Plattenleitung und der entsprechenden
Spaltenleitung über der Zeit errechnen. Weist dieses, Integral am Ende des Zugriffszyklus
einen Wert auf, der gegen Null geht, so ist kein Gleichspannungsanteil der Differenzspannung
vorhanden.
Als Zeitspanne zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem dritten Zeitpunkt
wird beispielsweise die technisch kürzest mögliche Zeitspanne gewählt. Das heißt,
die Steuerung des zeitlichen Ablaufs bei einem Speicherzugriff wird nur durch entsprechende
Wahl des ersten Zeitpunkts eingestellt.
Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger
Ansprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines
integrierten ferroelektrischen Speichers,
2 einen zeitlichen Ablauf eines Lesezyklus
des integrierten Speichers,
3 einen zeitlichen Ablauf eines Lesezyklus
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
1 ist eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform eines integrierten ferroelektrischen Speichers zu entnehmen. Dieser
weist sogenannte 1-Transistor/1-Kondensator-Speicherzellen MC auf, die in Kreuzungspunkten
jeweils eines Bitleitungspaares BLt, BLc mit Wortleitungen WL0 bis WL255 angeordnet
sind. Zwischen den beiden Bitleitungen BLt bzw. BLc verläuft eine Plattenleitung
PL. Die Bitleitungen BLt, BLc bzw. Spaltenleitungen sind an einen Leseverstärker
SA angeschlossen. Die Plattenleitung PL ist mit einer Treiberschaltung PLD verbunden,
durch die die Plattenleitung PL an einem vorgegebenen Potential anliegt. Die Speicherzellen
MC weisen jeweils einen der Auswahltransistoren T0 bis T255 und einen der Speicherkondensatoren
C0 bis C255 auf. Bei den Speicherkondensatoren handelt es sich um Speicherkondensatoren
mit ferroelektrischem Speichereffekt. Die Plattenleitung PL ist beispielsweise über
die Reihenschaltung des Auswahltransistors T0 und des Speicherkondensators C0 der
Speicherzelle MC0 mit der Spaltenleitung BLt verbunden. Die Steueranschlüsse der
Auswahltransistoren T0 bis T255 der Speicherzellen MC sind mit jeweils einer der
Zeilenleitungen bzw. Wortleitungen WL0 bis WL255 verbunden.
Im folgenden wird ein beispielhafter Lesezugriff des in
1 gezeigten Speichers näher erläutert. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist sinngemäß ebenfalls auf einen Schreibzyklus des integrierten Speichers
anwendbar.
Während eines Lesezugriffs des Speichers treten auf der Bitleitung
BLt und der Plattenleitung PL die in 2 gezeigten Potentialverläufe
VBLt und VPL auf. Es wird angenommen, daß die Speicherzelle MC0 aktiviert wird.
Vor dem Lesezugriff weisen die Spaltenleitung BLt und die Plattenleitung PL, die
an der auszuwählenden Speicherzelle MC0 angeschlossen sind, ein Ausgangspotential
auf. Das Ausgangspotential ist in diesem Beispiel ein Bezugspotential des integrierten
Speichers. Der Auswahltransistor T0 wird zu Beginn des Lesezugriffs durch ein positives
Potential, das an der Wortleitung WL0 anliegt, leitend geschaltet. Die Zeilenleitung
WL0 wird dazu aktiviert. Gleichzeitig wird an der Plattenleitung PL ein positives
Potential VPL angelegt, das unterschiedlich zum Potential VBLt der Spaltenleitung
BLt ist. Dieser Zeitpunkt ist als Zeitpunkt t0 gekennzeichnet.
Auf der Bitleitung BLt stellt sich nun eine Lesespannung entsprechend
der in der Speicherzelle MC0 gespeicherten Information ein. Dieses Lesesignal wird
mit einer Referenzspannung verglichen und in dem angeschlossenen Leseverstärker
SA bewertet und verstärkt. Dieser Zeitpunkt ist als Zeitpunkt t1 gekennzeichnet.
Nach einer gewissen Zeitspanne, die zum Zurückschreiben der Information in die Speicherzelle
MC0 benötigt wird, wird die Plattenleitung PL wieder an das Ausgangspotential angelegt.
Dieser Zeitpunkt ist als Zeitpunkt t2 gekennzeichnet. Nach einer weiteren Wartezeit
wird zum Zeitpunkt t3 auch die Bitleitung BLt an das Ausgangspotential angelegt.
Zum Ende des Lesezyklus wird die Wortleitung WL0 deaktiviert und damit der Auswahltransistor
T0 wieder geschlossen. Diese Betriebsart eines ferroelektrischen Speichers wird
auch als "Pulsed Plate Concept" bezeichnet. Die 2 zeigt
dabei typische Signalverläufe für einen derartigen Zugriff.
An die Bitleitung BLt und die Plattenleitung PL sind weitere Speicherzellen
MC angeschlossen, die im oben beschriebenen Zugriffszyklus nicht aktiviert werden.
Das heißt, deren Wortleitungen WL werden nicht aktiviert, wodurch die zugehörigen
Auswahltransistoren geschlossen sind. Über der jeweiligen Source-Drain-Strecke dieser
Auswahltransistoren liegt während des Zugriffszyklus die in 1
gezeigte Differenzspannung VPL – VBLt an. Diese Source-Drain-Spannung kann
einen Leckstrom verursachen, der den zugehörigen Speicherkondensator auf- bzw. entlädt.
Durch Integration dieser Differenzspannung über der Zeit erkennt man,
daß diese Differenzspannung im hier gezeigten Fall einen Gleichspannungsanteil enthält
(in 2 dargestellt durch das Integral der Differenzspannung
integ(VPL-VBLt) ungleich Null am Ende des Zugriffszyklus). Dieser Gleichspannungsanteil
bewirkt nun, daß bei jedem Zugriffszyklus die nicht ausgewählten Speicherkondensatoren
durch Leckströme um eine gewisse Ladungsmenge aufgeladen werden. Diese Ladungsmenge
&Dgr;Q ist proportional dem Produkt aus Leckstrom ILeck und dem Integral der Differenz
zwischen den Potentialen der Plattenleitung PL und der Bitleitung BLt über der Zeit.
Dadurch erhöht sich nach jedem Zugriffszyklus die Spannung, die an
den Anschlüssen des jeweiligen Speicherkondensators anliegt, um einen Betrag &Dgr;V,
der ebenfalls proportional dem Produkt aus Leckstrom ILeck und dem Integral der
Differenzspannung über der Zeit ist (&Dgr;V ~ ILeck·integ(VPL-VBLt)). Diese
Potentialzunahme &Dgr;V, die beispielhaft am Speicherkondensator C3 dargestellt
ist, schwächt oder zerstört aufgrund des Leckstroms ILeck des Auswahltransistors
T3 mit der Zeit, beispielsweise über mehrere Zugriffszyklen, die in der Speicherzelle
MC3 gespeicherte Information.
In 3 ist ein beispielhafter zeitlicher
Ablauf eines Lesezyklus gezeigt, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt
wird. Wie der 3 zu entnehmen, wird der zeitliche Ablauf
derart modifiziert, daß nun das Integral der Differenz zwischen den Potentialen
der Plattenleitung PL und der Bitleitung BLt über der Zeit gegen Null geht. Das
heißt, der Gleichspannungsanteil der Differenzspannung VPL – VBLt geht gegen
Null. Diese Differenzspannung enthält also nur noch einen reinen Wechselspannungsanteil.
Das bedeutet, einer der inaktiven Speicherkondensatoren wird während eines Zugriffszyklus
durch einen vorhandenen Source-Drain-Leckstrom zwar um einen gewissen Betrag aufgeladen,
im gleichen Zyklus jedoch um den gleichen Betrag wieder entladen.
In 3 wurde der Betrieb des Speichers
so gewählt, daß die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t3 die
technisch kürzest mögliche Zeitspanne darstellt, um die Signale entsprechend zu
verarbeiten. Im Vergleich zu dem Verlauf nach 2 wurde
der Zeitpunkt t1 so gewählt, daß die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t0 und t1
dementsprechend verlängert wird.
Die in den 2 und 3
gezeigten Absolutwerte der Zeit und der jeweiligen Spannung sind beispielhafte Werte.
Da die Spannungswerte und Ladungswerte an den jeweiligen Speicherzellen stark design-
und technologieabhängig sind, können diese in einem vergleichsweise großen Bereich
schwanken.
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Anspruch[de] |
- Verfahren zum Betrieb eines integrierten Speichers
– mit einem Speicherzellenfeld, das paarweise Spaltenleitungen (BLt, BLc)
und Zeilenleitungen (WL) aufweist, wobei die Spaltenleitungen (BLt, BLc) Bitleitungen
sind, die an Leseverstärkern (SA) angeschlossen sind;
– mit Speicherzellen (MC0; MC255), die jeweils einen Auswahltransistor (T0,
T255) und einen Speicherkondensator (C0, C255) mit ferroelektrischem Speichereffekt
aufweisen,
– mit einer Plattenleitung (PL), die über eine Reihenschaltung des Auswahltransistors
(T0) und des Speicherkondensators (C0) jeweiliger Speicherzellen (MC0) mit einer
und einer weiteren der Spaltenleitungen (BLt) eines Paares von Spaltenleitungen
verbunden ist,
– bei dem Steueranschlüsse der Auswahltransistoren (T0, T255) der Speicherzellen
mit jeweils einer der Zeilenleitungen (WL0, WL255) verbunden sind,
– bei dem ein Zugriff auf eine der Speicherzellen (MC0) in einem Zugriffszyklus
erfolgt,
mit den Merkmalen:
– vor einem Zugriff weisen die eine der Spaltenleitungen (BLt) und die Plattenleitung
(PL), die an einer auszuwählenden Speicherzelle (MC0) angeschlossen sind, ein Ausgangspotential
auf,
– während eines Zugriffs wird die Zeilenleitung (WL0) aktiviert, die an der
auszuwählenden Speicherzelle (MC0) angeschlossen ist, so daß deren Auswahltransistor
(T0) leitend geschaltet ist, und es wird an die Plattenleitung (PL) ein Potential
(VPL) angelegt, das unterschiedlich zum Potential (VBLt) der einen der Spaltenleitungen
(BLt) ist,
– das an der einen der Spaltenleitungen (BLt) anliegende Potential (VBLt)
wird zu einem ersten Zeitpunkt (t1) bewertet und verstärkt,
– danach wird das Ausgangspotential zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) an die
Plattenleitung (PL) angelegt,
– danach wird das Ausgangspotential zu einem dritten Zeitpunkt (t3) an die
eine der Spaltenleitungen (BLt) angelegt,
– es sind dabei der erste Zeitpunkt (t1), der zweite Zeitpunkt (t2) und der
dritte Zeitpunkt (t3) derart gewählt, daß in einem Zugriffszyklus der Speicherkondensator
(C0) der auszuwählenden Speicherzelle (MC0) jeweils um den gleichen Betrag aufgeladen
und entladen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugriff
auf eine der Speicherzellen (MC0) ein Lesezugriff zum Auslesen eines Datensignals
der Speicherzelle (MC0) ist, bei dem das Integral der Differenz der Potentiale der
an die Speicherzelle (MC0) angeschlossenen Plattenleitung (PL) und Bitleitung (BLt)
während eines Zugriffszyklus gegen Null geht.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen
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Patent Zeichnungen (PDF)
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