492006 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 發明領域： 本發明係有關於一種非揎 邛輝發性鐵電記憶體， 關於一種感測鐵電記憶體資料之方法。 ，疋有 發明背景： 在鐵電材料中會顯現出一 ^ ^ ^ 禋磁滯現象疋廣為人知的，即 使*外加電壓被移除，鐵電材 W j从诉符在原先的極化 方向作為非揮發性記憶體材料， 寸利用鐵電材料這種現象鐵 電1憶體是利用齊聚兩種極化方向，代表數位資料，“〇，， 和1 。貝料之判讀乃施以電場於鐵電電容兩板間，因不 同的極化方向呈現不同電容值，不同電性值，經由感測元 件讀出資料“ 0，，或“ 1，，。 參閱第一圖，為鐵電材料磁滯曲線，其中橫座標代表施 加於鐵電材料上之電場強度，縱座標代表鐵電材料之極化 狀態。假如使用鐵電材料填充於電容兩極板間，由磁滯曲 線可看出’流經電容之電流大小是根據先前施加於鐵電電 容之電壓所造成之極化狀態，也就是說，假如最初施加於 鐵電電容之電壓為0伏特，鐵電電容之極化狀態可能在A 點或D點，假設極化狀態是在a點，當於鐵電電容之兩極 板間施加一高於強制電壓（Coercive Voltage)(即第一圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂---------線# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 492006 A7 B7 五、發明說明（） 中B點）之轉換電壓’會轉換鐵電電容之極化狀態，在此 情形下，鐵電電容將會釋放所儲存之電荷並轉換到另一種 極化狀態（即第一圖中C點）’當移除施加於鐵電電容之 電壓，鐵電電容會維持在相同極化狀態並轉移至D點，而 不會回到A點之極化狀態，若此時施加正電壓於鐵電電容 上，鐵電電容極化狀態僅會造成微小之改變，若施加負電 壓於鐵電電容上，此時鐵電電容極化狀態會從D點轉移至 E點，當移除施加於鐵電電容之電壓，鐵電電容會維持在 相同極化狀態並從E點轉移至A點，因此，A點和D點可 代表當施加於鐵電電容之電壓為〇伏特時，兩種不同之邏 輯狀態。 非揮發性半導體鐵電記憶體可以不同之極化狀態來記 錄0或1，且這種極化狀態不會因記憶體外加電源之消失 而被破壞或消失，參閱第二圖，傳統2T/2C (兩電晶體/兩 鐵電電容）之鐵電記憶體電路包括字元線201 (Word line)、位元線202和203(Bit line)、一驅動鐵電電容之電 容驅動線208 ( Plate line )和包括兩電晶體204和205和 兩鐵電電容206和207之記憶胞200(Memory cell)。 當要檢視記憶包200所儲存之資料時，一般有兩種方 式’一種為電容驅動線方式（Plate line driven)，一種為 位元線驅動方式（B i t 1 i n e d r i v e η )。例如，假設鐵電電容 207之極化狀態位於第一圖中之d點，而鐵電電容206之 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ------------0W----l·---訂---------線-φ- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 492006 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 極化狀態位於笛_闰φ夕Δ '第圖中之Α點，在電容驅動線方式中，如 第三圖所示之時序圖，纟T1 _ ,字元線2gi數入—高電位 以打開電晶體2G4和2G5，接著於T2輪人—高電位於電容 驅動線208上，此時鐵電電容所儲存之極化狀態將被 改變，由第—圖中之Α點轉變成C點，而鐵電電容斯所 儲存之極化狀態由D·點移至C點，鐵電電容所儲存之 電荷將大量被轉移至位元線2〇2,造成位元線2〇2 變化’而鐵電電容207所儲存之電荷僅有小量被轉移至位 疋線203,因此很明顯造成位元，線2Qm3間有電壓差 存在’此時於T3打開感應放大器（圖中未展示出 夂化而頊出所儲存資料，接著於T4與T5做一寫回動 將所儲存資料回復。 ’ 另一方面，在位元線驅動方式中，如第四圖所示之時 序圖，在T1時先預先充電位元線2〇2和2〇3至高電位，並 假設鐵電電容207之極化狀態位於第一圖中之D點，並 ^ 而姜线
電電容206之極化狀態位於第一圖中之A點，此時，於U 將一高電位施於字元線201上以打開電晶體2〇4和2〇5， 由於電容驅動線208為低電位，因此會造成鐵電電容2〇6 所儲存之極化狀態將被改變，由第一圖中之A點轉變成◦ 點，而鐵電電容207所儲存之極化狀態由〇點移至^點， 同時，位元線202和203會開始分別對鐵電電容2〇6和 進行充電，由於鐵電電容206涉及極化方向改變，因此鐵 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ΛΚ.-----r---訂--------- (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) A7 五、發明說明（） 〜 電電容206且古^ 、有較大電各值，而鐵電電容2〇7極化方 改變’因此鐵雷雷 電谷207具有較小電容值，位元線2〇2和 2 0 3之間將有雷朽兰六 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 位差存在，此時於T3將感應放大器打開（圖 #展示出）即可感測出電位差變化，而讀出所儲存資料y 接著於T4對電容驅動線2〇8進行充電以進行資料寫回動 作’並於T5進行放電，以進行下一讀取週期。 上述兩種讀取方式，在電容驅動線方式中，當要讀取 3己ί思胞2 0 0所儲在咨粗卩生 ' ^ 保存貝枓時，會先於Τ2區間内對電容驅動線 208進仃充電以拉升電容驅動線電位，由於電容驅動線2〇8 本身有電阻存在，且分別連接兩鐵電電容和，且 鐵電電容206# 2G7有—者具較大電容值，當要拉升電容 驅動線電位時通常要耗費較長之時間（因為T=R*C)，因 此在以電容驅動線方式來讀取鐵電電容記憶體所儲存之資 料’ T2將是提升讀取速度之瓶頸，而對於以位元線驅動方 式來讀取鐵電電容記憶體所儲存之資料，雖然在讀取段並 不需要拉升電容驅動線電纟，但是在讀取完成後仍須在T4 區間中將電容驅動線電位拉升以寫回啟始所儲存之資料， 因此在整個讀取寫回週期仍有瓶頸存在。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明目的及概述： 在傳統2T/2C (兩電晶體/兩鐵電電容）或 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 492006
五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 曰曰體/-鐵電電容）4鐵電電容記憶體讀取寫回週期 ’不論是以電容驅動線方式或是位元線驅動方式，均會 ::鐵電電容之極化狀態被切換至另—個完全相反之極化 广而造成-種破壞性讀* ’此時為了防止資料之損 =通常需要再一儲存週期’以回復鐵電電容極化狀態， k種在母_次破壞讀出後所執行之再儲存動作，或是在讀 取週期時所進行之破壞讀出，均需對電容驅動線進行充電 乂進行貝料讀取寫回動作，將降低記憶體執行速度。 ^本發明主要目的是提供解決上述缺點之方法，本發明 提仏種新的感測時序圖來讀取鐵電記憶體資料，以降低 整個讀取與再寫入所需花費之時間。 在一個鐵電電容記憶胞内包括第一電晶體連接第一 鐵電電容，和第二電晶體連接第二鐵電電容，第一和第二 鐵電電容分別儲存互補之極化狀態，以定義出所儲存資 料’電容驅動線分別連接兩鐵電電容之一極板，一字元線 連接兩電晶體之閘極，第一位元線和第二位元線分別連接 第 電晶體和第二電晶體之源極或沒極，根據本發明偵測 兄憶胞方法，預充位元線到邏輯i位準，設定字元線和電 容驅動線到邏輯0位準，拉升字元線至邏輯1位準，接著 拉升電容驅動線至邏輯1位準後，再開啟感應放大器以檢 測出兩位元線之電壓差並讀出資料，接著移除電容驅動線 外加電壓，以回復鐵電電容原先儲存之極化狀態。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------------Γ---訂 --------線 ** (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁} 492006 A7 _B7_ 五、發明說明（） 圖式簡單說明： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明的較佳實施例將於往後之說明文字中輔以下列 圖形做更詳細的闡述，其中為說明方便起見，各圖所示之 相同數字代表相同的裝置，其中： 弟一圖所不為鐵電電容之磁滞曲線圖， 第二圖所示為2T/2C之鐵電記憶體電路； 第三圖所示為以電容驅動線方式感測鐵電電容記憶體 之時序圖； 第四圖所示為以位元線驅動方式感測鐵電電容記憶體 之時序圖； 第五圖所示為根據本發明感測鐵電電容記憶體之時序 圖；以及 第六圖所示為根據本發明感測鐵電電容記憶體時之極 化狀態變遷圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第七圖所示為根據本發明感測鐵電電容記憶體時之電 容變化圖。 圖號對照說明： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 492006 A7 B7_ 五、發明說明（） 2 0 0 記憶胞 2 0 1 字元線 2 0 2 2 0 3 位元線 204 205 電晶體 206 207 鐵電電容 2 0 8 電容驅動線 6 0 4 6 0 5 磁滯曲線 T1-T6 時間區間 發明詳細說明： 在不限制本發明之精神及應用範圍之下，以下即以 一感測2T/2C之鐵電記憶體電路實施例，介紹本發明之實 施；熟悉此領域技藝者，在瞭解本發明之精神後，當可應 用此方法於各種不同之鐵電記憶體電路中，藉由本發明之 檢測時序圖條件，來消除因電容驅動線對鐵電電容充電所 造成讀取速度降低之問題，本發明之應用當不僅限於以下 所述之實施例。 一基本之2T/2C鐵電記憶體電路200如第二圖所述， 其中包括一電晶體204連接一鐵電電容206，和電晶體 205連接鐵電電容207，鐵電電容206和207分別儲存互 補之極化狀態，以定義出所儲存資料，電容驅動線208 分別連接兩鐵電電容之一極板，而兩電晶體 204和 205 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------------r---訂---------線 脅 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 492006 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 之源極或〉及極分別連接雨鐵電電谷之另一極板，一字元線 201連接兩電晶體之閘極，位元線202和位元線203分別 連接兩電晶體之源極或汲極。 參閱第五圖為本發明所使用之時序圖，在T1時，於 鐵電電容記憶體電路200内之字元線201和電容驅動線 208均設定成0伏特，而感應放大器（圖中未展示出）與 放電電路（圖中未展示出）均處於關閉狀態，此時一預充 電路（圖中未展示出）開始對位元線202和203預充至一 高電位，一般為5伏特，假設此時鐵電電容206之極化狀 態是位於第六圖之601點，而鐵電電容207之極化狀態是 位於第六圖中之602點，並將此時鐵電記憶體200所餘存 之資料定義為“1” 。 接著於第五圖時序圖中之T2，將預充電路（圖中未 展示出）關閉，讓位元線202和203處於浮動（fl〇ating ) 狀態，並將鐵電電容記憶體電路200内之字元線2〇 1外加 一高電位，一般為5伏特，以打開電晶體204和205，而 電容驅動線208保持在〇伏特，感應放大器（圖中未展示 出）與放電電路（圖中未展示出）依然是處於關閉狀態， 由於此時電晶體204和205被打開，鐵電電容206和鐵電 電容207將有一外加電壓橫跨其上，將改變兩鐵電電容之 極化狀態，其中鐵電電容206之極化狀態將沿著上磁滯曲 線604從第六圖之601點被轉移至圖中之603點，而鐵電 電容207之極化狀態，由於所施以之外加電壓高於強制電 壓（CoerciveVoltage)之轉換電壓，而將沿著圖中之下 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----r---^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 492006 A7 _B7_ 五、發明說明（） 磁滯曲線605從602點被轉移至圖中之603點，其中第六 圖中之磁滯曲線斜率大小代表電容值，因此鐵電電容206 和 207沿著磁滯曲線變化之過程中會呈現出不同之電容 改變量，如鐵電電容206之電容改變量小於鐵電電容207 之電容改變量，因此位元線202之電壓下降幅度小於位元 線203，呈現出不同之電壓值。 接著於第五圖時序圖中之T3時，預充電路（圖中未 展示出）感應放大器（圖中未展示出）與放電電路（圖中 未展示出）均保持關閉，此時位元線202和203仍處於浮 動（floating)狀態，並將鐵電電容記憶體電路200内之 字元線201保持在一高電位，以使電晶體204和205維持 在導通狀態，此時於電容驅動線208上外加一高電位，一 般為5伏特，由於此時電晶體204和205已被打開，且位 元線202上之電壓小於5伏特，因此鐵電電容206上之橫 跨電壓掉至0伏特以下，但不超過轉換電壓，而將鐵電電 容206之極化狀態再沿著磁滯曲線604從第六圖中之603 點拉回601點，而鐵電電容207上之橫跨電壓也掉至〇 伏特以下，但不超過轉換電壓，因此也將鐵電電容 207 之極化狀態沿著磁滯曲線604從第六圖中之603點拉回 601點，此時位元線202和203依然會呈現不同之電壓大 小 〇 接著於第五圖時序圖中之T4時，預充電路（圖中未 展示出）與放電電路（圖中未展示出）依然保持關閉，而 感應放大器（圖中未展示出）被啟動，藉以偵測位元線 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------------r---訂---------線 m (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 492006 A7 B7 五、發明說明（ 202和203之電塵，並將電壓值較大者拉升至邏輯“ i ” 伏特，而將電壓值較小者降為邏輯“〇” 位準 位準 般為 般為0伏特，此時即讀出鐵電電容記憶體電路 200内所儲存之資斜’以本最佳實施例，位元線202為邏 輯“1”位準而位元線203邏輯0”位準，鐵電電容記憶 體電路20〇内之孚元線201仍保持在一高電位，電晶體 204和205導通，電容驅動線208依然處於高電位，由於 此時電晶體204和2〇5已被打開，且位元線202為邏輯 “1”位準即電塵為5伏特，因此鐵電電容206上之橫跨 ，因此鐵電電容206之極化狀態保持在第 元線203為邏輯“〇，，位準即電壓為〇 207上之橫跨電壓掉至0伏特以下 電壓掉至0伏特 六圖中6 0 1點，而位 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 伏特，因此鐵電電容 且超過轉換電麈，因此鐵電電谷207之極化狀態將沿著磁 滯曲線604從第六围中之601點拉回606點。 接著於第五ίΐ時序圖中之T5時，預充電路（圖中未 展示出）與放電電路（圖中未展示出）依然保持關閉，而 感應放大器（圖中未展不出）保持啟動狀態，鐵電電容記 憶體電路2〇〇内之孚元線201仍保持在一高電位，因此電 晶體204和205導通’此時移除電容驅動線208上之外加 電壓，由於此時電晶體204和205已被打開，且位元線 202為邏輯，，位準即電壓為5伏特，因此鐵電電容2〇6 上之橫跨電壓為5伏特，因此鐵電電容206之極化狀態將 從第六圖中601點沿著磁滯曲線604轉移至點603，而位 元線203為邏輯“0位準即電壓為0伏特，因此鐵電電 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------------r---訂---------線 (請先閱讀背面之注咅心事項再填寫本頁) 492006 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 容207上之橫跨電塵掉為〇伏特，因此鐵電電容2〇7之極 化狀態將沿著磁滯曲線6〇5從第六圖中 〈606點回到602 點。 接著於第五圖時序圖中之T“夺，預充電⑬（圖中未 展示出）依然保持關閉，但啟動放電電路（圖中未展示出） 消除位元線202和203之邏輯位準’讓位元線2〇2和2〇3 保持0伏特，關閉感應放大器（圖中未展示出），鐵電電 容記憶體電路200内之字元線201仍保持在一高電位，電 晶體204和205導通，此時電容驅動線208上之外加電壓 為〇伏特，由於此時電晶體204和205已被打開，但位元 線202和203均為〇伏特，因此橫跨於鐵電電容2〇6和 207上之電壓均為0伏特，此時鐵電電容206之極化狀態 將從第六圖中603點沿著磁滯曲線604轉回至點601，而 鐵電電容207之極化狀態保持在第六圖中之602點。 本發明與傳統位元線驅動方式最大不同點在於，本發 明電容驅動線208被驅動之時間點是發生於T3時刻，也 就是當鐵電電容206與鐵電電容207之極化狀態均位於 第六圖 603點附近，且在驅動電容驅動線208之T3 p白匕 段，不像傳統之電容驅動線方式或位元線驅動方式，會涉 及鐵電電容極化狀態轉變，例如，在電容驅動線方式中， 於第三圖驅動電容驅動線208之T2階段，涉及鐵電電容 206之極化狀態轉變，因此讀取速度降低，而在位元線驅 動方式中，在第四圖驅動電容驅動線208之T4階段，涉 及鐵電電容206之極化狀態轉變，因此讀取速度會被降 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------------r---訂---------線 - - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 492006 A7 _B7_ 五、發明說明（） 低。因為由磁滯曲線圖，斜率代表鐵電電容之大小，因此， 根據本發明當電容驅動線208在T3階段被驅動時，所連 接之鐵電電容大小是約如第七圖所示之直線70 1斜率大 小，且電容值大小幾乎未改變，由T = R * C其中T表時 間，R為電容驅動線208之電阻，C為電容驅動線208所 連鐵電電容電容值大小。當電容改變量減小，充電時間降 低，因此可提升讀取速度。 如熟悉此技術之人員所暸解的，以上所述僅為本發明 之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範 圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改 變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍内。 -----------------r---訂---------線 -響 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）