DE10206367C2 - Integrierter dynamischer Speicher mit Steuerungsschaltung zur Steuerung eines Refresh-Betriebs von Speicherzellen sowie Verfahren zum Betrieb eines solchen Speichers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten dynami­ schen Speicher mit Speicherzellen und mit einer Steuerungs­ schaltung zur Steuerung eines Refresh-Betriebs der Speicher­ zellen, in dem die Speicherzellen mit einer Refresh-Frequenz einer Auffrischung ihres Speicherzelleninhaltes unterzogen werden.

Ein integrierter dynamischer Speicher in Form eines DRAM weist im allgemeinen ein Speicherzellenfeld auf, das Wortlei­ tungen und Bitleitungen umfaßt. Die Speicherzellen sind dabei in Kreuzungspunkten der Bitleitungen und Wortleitungen ange­ ordnet. Die Speicherzellen sind beispielsweise aus einem Speicherkondensator und einem Auswahltransistor aufgebaut, wobei der Auswahltransistor den jeweiligen Speicherkondensa­ tor mit einer der Bitleitungen verbindet. Steueranschlüsse der jeweiligen Auswahltransistoren sind zur Auswahl der Spei­ cherzellen jeweils mit einer der Wortleitungen verbunden. Durch eine aktivierte Wortleitung werden angeschlossene Aus­ wahltransistoren jeweils leitend geschaltet. Nach der Auswahl der betreffenden Wortleitung liegen an den entsprechenden Bitleitungen Datensignale der Speicherzellen entlang der aus­ gewählten Wortleitung an. Ein Datensignal einer ausgewählten Speicherzelle wird in einem Leseverstärker des Speicherzel­ lenfeldes bewertet und verstärkt. Bei einem Lesezugriff wer­ den die Datensignale ausgewählter Speicherzellen zur Weiter­ verarbeitung ausgelesen, bei einem Schreibzugriff werden zu schreibende Datensignale in die ausgewählten Speicherzellen eingeschrieben.

Bei integrierten dynamischen Speichern in Form von DRAMs ist in Betriebszeiten, in denen auf Speicherzellen nicht von außen zugegriffen wird, ein sogenannter Refresh-Betrieb notwen­ dig, um den Speicherzelleninhalt, der sich beispielsweise durch Leckströme des Speicherkondensators oder Auswahltransi­ stors verflüchtigen kann, aufzufrischen und somit dauerhaft zu erhalten. Im Refresh-Betrieb werden die bewerteten und verstärkten Datensignale von ausgewählten Speicherzellen di­ rekt in die betreffenden Speicherzellen zurückgeschrieben. Dies wird im allgemeinen durch eine Steuerungsschaltung ge­ steuert, durch die außerdem eine Refresh-Frequenz festgelegt wird, mit der eine jeweilige Auffrischung des Speicherzel­ leninhaltes erfolgt.

Die maximal erzielbare Haltezeit des Speicherzelleninhalts einer Speicherzelle (sogenannte Retention Time) ist aus­ schlaggebend für die Bestimmung der Zeitdauer, die zwischen zwei Refresh-Zyklen benötigt wird. Die Refresh-Frequenz kann dabei kleiner gewählt werden, je größer die maximal erzielba­ re Haltezeit des Speicherzelleninhaltes einer Speicherzelle und damit die mögliche Zeitdauer zwischen zwei Refresh-Zyklen ist. Vor allem in einem sogenannten Standby-Betrieb eines in­ tegrierten dynamischen Speichers wird die Stromaufnahme im wesentlichen durch den Refresh-Betrieb bestimmt. Die Strom­ aufnahme des Speichers steigt dabei mit zunehmender Refresh- Frequenz an.

In "HY5U2A6C(L)F 4Banks × 2M × 16 bits Synchronous DRAM", Da­ tenblatt der Firma Hynix, Rev. 01.08.2001, wird ein Low-Power SDRAM der Firma Hynix beschrieben, bei dem über das sogenann­ te Extended Mode Register ein spezieller Mode eines tempera­ turgesteuerten Self-Refreshes eingestellt werden kann. Hier­ bei wird ein Temperaturwert in das Extended Mode Register programmiert, anhand dessen die Refresh-Frequenz gespeichert wird.

In DE 195 02 557 C2 ist ein Speicher beschrieben, der eine temperaturabhängige Selbstrefresh-Steuerschaltung aufweist. Der Speicher weist hierzu einen On-Chip-Temperaturfühler mit einer zugeordneten Temperatursteuerung auf, die einen Fre­ quenzteiler einer Refresh-Steuerschaltung ansteuert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen inte­ grierten dynamischen Speicher anzugeben, durch den es ermög­ licht ist, daß sowohl Anwender des Speicherbausteins, die ei­ ne Temperatur extern messen können, als auch Anwender, die eine Temperatur nicht extern messen können beziehungsweise eine entsprechende Registerschaltung nicht programmieren kön­ nen, in beiden Fällen die notwendige Stromaufnahme optimieren und bei niedrigeren Temperaturen reduzieren können.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver­ fahren zum Betrieb eines derartigen integrierten dynamischen Speichers anzugeben.

Die Aufgabe betreffend den integrierten dynamischen Speicher wird gelöst durch einen integrierten dynamischen Speicher gemäß Patentanspruch 1. Die Aufgabe betreffend das Verfahren wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 5.

Der erfindungsgemäße integrierte dynamische Speicher weist neben einer Steuerungsschaltung zur Steuerung eines Refresh- Betriebs der Speicherzellen einen steuerbaren Frequenzgenera­ tor zur Einstellung der Refresh-Frequenz anhand eines Refe­ renzwerts auf. Dieser Frequenzgenerator weist einen Steuer­ eingang auf, über den die Refresh-Frequenz veränderbar ist. Ein Ausgang des Frequenzgenerators ist mit der Steuerungs­ schaltung verbunden. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Speicher eine Temperatursensorschaltung zur Detektion einer Temperatur des Speichers und zur Ausgabe eines ersten Refe­ renzwertes sowie eine von extern beschreibbare Registerschal­ tung zur Ausgabe eines zweiten Referenzwertes auf. Die Tempe­ ratursensorschaltung und die von extern beschreibbare Regi­ sterschaltung sind mit dem Steuereingang des Frequenzgenera­ tors zur Einstellung der Refresh-Frequenz alternativ verbind­ bar.

Mit dem erfindungsgemäßen integrierten dynamischen Speicher kann der Effekt berücksichtigt werden, daß die Haltezeit des Speicherzelleninhaltes der Speicherzellen mit steigender Tem­ peratur abnimmt, da die in den Speicherzellen auftretenden Leckströme des Speicherkondensators und/oder des jeweiligen Auswahltransistors mit steigenden Temperaturen zunehmen. Dies kann für die Steuerung des Refresh-Betriebs der Speicherzel­ len berücksichtigt werden, indem die Refresh-Frequenz mit Hilfe der Temperatursensorschaltung oder der von extern be­ schreibbaren Schaltung abhängig von der Temperatur einge­ stellt wird. Es besteht die Möglichkeit, die Temperatur des Speichers selbst, detektiert von der Temperatursensorschal­ tung, in Form eines Referenzwertes zur Einstellung zu verwen­ den oder eine von extern bestimmte Temperatur, die beispiels­ weise einer Systemtemperatur entspricht und von extern in ei­ ner Registerschaltung in Form eines Referenzwertes program­ miert wird. Ein Temperatursensor in einem System, wie etwa einem Mobiltelefon oder ähnlichem, hat üblicherweise eine hö­ here Genauigkeit als ein auf dem Speicherchip implementierter Temperatursensor.

In beiden Fällen kann insbesondere im Standby-Betrieb die Stromaufnahme des Speichers optimiert werden und bei niedri­ geren Temperaturen auf einen Bruchteil des bei höheren Tempe­ raturen notwendigen Strombedarfs reduziert werden. Bei nied­ rigeren Temperaturen wird die Refresh-Frequenz entsprechend kleiner gewählt. Steigt dabei die Temperatur des Speichers oder des Systems im Betrieb an, so wird durch den Frequenzge­ nerator die Refresh-Frequenz erhöht.

Der Speicher wird erfindungsgemäß derart betrieben, daß im Falle eines Beschreibens der von extern beschreibbaren Schal­ tung der zweite Referenzwert dem Steuereingang des Frequenz­ generators zugeführt wird. Es wird also ein beispielsweise von einem angeschlossenen System oder Anwender gelieferter Referenzwert beziehungsweise Temperaturwert zur Einstellung der Refresh-Frequenz verwendet. In den anderen Fällen wird der erste Referenzwert der Temperatursensorschaltung dem Steuereingang des Frequenzgenerators zugeführt. Damit wird die Refresh-Frequenz abhängig von der Speichertemperatur ge­ steuert.

Dies kann dahingehend erweitert werden, daß der von extern programmierte Referenzwert verwendet wird, sobald einmal ein Referenzwert in die von extern beschreibbare Schaltung in Form einer Registerschaltung geschrieben wurde. Es wird in diesem Fall also der zweite Referenzwert dem Steuereingang des Frequenzgenerators zugeführt, sobald eine Programmierung der Registerschaltung durchgeführt wurde.

Mit der Erfindung können vorteilhaft auch Anwender des Spei­ cherbausteins, die eine Temperatur nicht messen können bezie­ hungsweise die Registerschaltung nicht programmieren können, dennoch die für einen Standby-Betrieb notwendige Stromaufnah­ me optimieren und bei niedrigeren Temperaturen reduzieren.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen integrierten dynamischen Speichers weist der Frequenzgenerator eine Oszil­ lator zur Lieferung eines Signals mit einer regelmäßigen Fre­ quenz sowie einen nachgeschalteten programmierbaren Frequenz­ teiler zur Teilung der Frequenz des Signals des Oszillators auf. Ein Ausgang des Frequenzteilers ist mit dem Ausgang des Frequenzgenerators verbunden. Der Oszillator liefert ein Si­ gnal mit einer temperaturunabhängigen und regelmäßigen Fre­ quenz. Die Oszillatorfrequenz wird über den nachgeschalteten Frequenzteiler auf den für die Refresh-Frequenz nötigen Wert herunter geteilt. Der Frequenzteiler wird dabei von der Tem­ peratursensorschaltung über den Steuereingang programmiert. Durch die Kombination eines temperaturunabhängigen Oszilla­ tors und des programmierbaren Frequenzteilers kann die Re­ fresh-Frequenz mit hoher Genauigkeit abhängig von der Spei­ chertemperatur eingestellt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Temperatursen­ sorschaltung einen Temperatursensor und einen nachgeschalte­ ten Analog-/Digital-Wandler zur Programmierung des Frequenz­ teilers auf. In einer Ausführungsform weist der Temperatur­ sensor beispielsweise eine Diode auf, wobei zur Detektion der Temperatur eine Spannung an der Diode abgegriffen wird.

Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren, die Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform eines dynamischen Speichers gemäß der Erfindung mit einem Frequenzgenerator in einer Verschaltung mit einer Temperatursensorschal­ tung und einer Registerschaltung,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines dynamischen Speichers mit einer Steuerungsschaltung und einer mit der Steuerungsschaltung verbundenen Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Refresh-Periodendauer in Abhängig­ keit von der Temperatur des Speichers,

Fig. 4 eine Ausführungsform einer Temperatursensorschal­ tung.

In Fig. 2 ist ein Speicherzellenfeld 10 dargestellt, in dem Speicherzellen MC entlang von Wortleitungen WL und Bitleitun­ gen BL angeordnet sind. Die Speicherzellen MC sind in Kreu­ zungspunkten der Bitleitungen BL und Wortleitungen WL ange­ ordnet. Die Speicherzellen MC beinhalten jeweils einen nicht dargestellten Speicherkondensator, der über einen ebenfalls nicht dargestellten Auswahltransistor mit einer der Bitlei­ tungen BL verbunden ist. Zur Auswahl einer der Speicherzellen MC wird der jeweilige Auswahltransistor durch eine aktivierte Wortleitung WL leitend geschaltet, wodurch im Anschluß ein Auslesen oder Schreiben eines Datensignals der ausgewählten Speicherzelle erfolgen kann. Das Datensignal der ausgewählten Speicherzelle liegt an der betreffenden Bitleitung BL an und wird in einem ebenfalls nicht dargestellten Leseverstärker des Speicherzellenfeldes 10 bewertet und verstärkt.

Für einen Refresh-Vorgang werden die vom jeweiligen Lesever­ stärker bewerteten und verstärkten Datensignale direkt in die betreffenden Speicherzellen zurückgeschrieben. Zur Steuerung des Refresh-Betriebs der Speicherzellen ist eine Steuerungs­ schaltung 2 vorgesehen. Diese erzeugt ein Steuersignal SF2. Insbesondere durch die jeweils erforderliche Aktivierung von Leseverstärkern ist in einem Refresh-Betrieb des Speichers eine Stromaufnahme notwendig, die mit der Refresh-Frequenz korreliert. Im Interesse einer möglichst geringen Stromauf­ nahme ist es daher Ziel, daß die Zeitdauer zwischen zwei Re­ fresh-Zyklen möglichst groß ist, das heißt die Refresh- Frequenz möglichst klein ist. Dabei ist die maximal erzielba­ re Haltezeit des Speicherzelleninhaltes der Speicherzellen ausschlaggebend für die Bestimmung der Zeitdauer, die zwi­ schen zwei Refresh-Zyklen benötigt wird. Diese ist insbeson­ dere durch Leckströme im Speicherkondensator und/oder Aus­ wahltransistor beeinflußt, die mit zunehmenden Speichertempe­ raturen ansteigen.

Mit der Steuerungsschaltung 2 ist eine Schaltung 3 gemäß Fig. 1 verbunden. Der Frequenzgenerator 4 weist einen tempera­ turunabhängigen Oszillator 6 zur Lieferung eines Signals S(f) mit einer regelmäßigen Frequenz f auf. Dem Oszillator 6 ist ein programmierbarer Frequenzteiler 7 nachgeschaltet, durch den die Frequenz f des Signals S(f) teilbar ist. Der Ausgang des Frequenzteilers 7 ist mit dem Ausgang 42 des Frequenzge­ nerators 4 verbunden und liefert ein Steuersignal SF1 zur Weiterleitung an die Steuerschaltung 2 gemäß Fig. 2. Mit Hilfe des Signals SF1 wird die Refresh-Frequenz des Speichers eingestellt. Über einen Steuereingang 41 des Frequenzgenera­ tors 4 kann die Refresh-Frequenz verändert werden, indem der Teilerfaktor des Frequenzteilers 7 entsprechend verändert wird.

Der Speicher enthält ferner eine Schalteinheit 13, beispiels­ weise in Form eines Multiplexers, mit zwei Eingängen und ei­ nem Ausgang. Der Eingang S1 ist mit einer Temperatursensor­ schaltung 5 beziehungsweise mit deren Ausgang 51 zur Ausgabe eines Referenzwertes R1 verbunden, der einer Temperatur des Speichers entspricht. Der andere Eingang S0 ist mit einer Re­ gisterschaltung 11, der Ausgang A mit dem Steuereingang 41 des Frequenzgenerators 4 verbunden. Mit der Schalteinheit sind die Temperatursensorschaltung 5 und die Registerschal­ tung 11 mit dem Frequenzgenerators 4 alternativ verbindbar.

Die Registerschaltung 11 ist von extern beschreibbar und dient zur Speicherung und Ausgabe eines Referenzwertes R2, der beispielsweise einer von extern bestimmten Temperatur des Systems entspricht, in dem der Speicher implementiert ist. Dementsprechend kann ein Anwender beispielsweise über einen Memory Controller eine Temperaturinformation von außen in die Registerschaltung des Speichers, beispielsweise in Form eines sogenannten Extended Mode Registers, schreiben.

Der Speicher enthält weiterhin eine Kontrollschaltung 12, die den Inhalt der Registerschaltung 11 überprüft und die Schalt­ einheit 13 in Abhängigkeit des Überprüfungsergebnisses über einen Steuereingang C ansteuert. Ist kein Referenzwert in der Registerschaltung 11 programmiert oder ist ein Vorbelegungs­ wert (sogenannter Default-Wert) programmiert, so wird der vom Temperatursensor gemessene Referenzwert R1 verwendet. Dies kann in der Form implementiert werden, daß der vom Anwender programmierte Referenzwert R2 verwendet wird, sobald er ein­ mal einen Wert in das Register 11 geschrieben hat.

Mit der Temperatursensorschaltung 5 wird die Temperatur des Speichers detektiert. Die Temperatursensorschaltung 5 wird dabei durch einen Temperatursensor 8 und einen nachgeschalte­ ten Analog-/Digital-Wandler 9 gebildet. Dieser liefert den Referenzwert R1 in Form eines Multi-Bit-Signals mit wenigen Bits Auflösung, mit dem der Teilerfaktor des Frequenzteilers 7 programmiert wird. Auch die Registerschaltung 11 liefert den Referenzwert R2 in Form eines Multi-Bit-Signals mit weni­ gen Bits Auflösung, mit dem der Teilerfaktor des Frequenztei­ lers 7 programmierbar ist. Im Falle, daß die Registerschal­ tung 11 von extern programmiert wurde, wird der zweite Refe­ renzwert R2 dem Steuereingang 41 des Frequenzgenerators 4 zu­ geführt. Im übrigen wird der erste Referenzwert R1 dem Steu­ ereingang 41 des Frequenzgenerators 4 zugeführt.

Eine einfache Ausführungsform einer Temperatursensorschaltung 5 ist in Fig. 4 angedeutet. Dabei weist der Temperatursensor eine Diode D auf, die mit einem eingeprägten Strom I zwischen zwei Versorgungspotentialen V1 und V2 betrieben wird. Dabei wird eine abfallende Spannung an der Diode D abgegriffen, die einem Analog-/Digital-Wandler mit einem Verstärker V zuge­ führt wird. Die an der Diode D abfallende Spannung vermindert sich mit steigender Temperatur der Diode D. Diese Spannung wird anhand eines Referenzpotentials Vref im Verstärker V be­ wertet.

In Fig. 3 ist ein Diagramm der Refresh-Periodendauer in Ab­ hängigkeit von der Temperatur des Speichers dargestellt. Bei der Steuerung des Refresh-Betriebs des Speichers wird berück­ sichtigt, daß die Haltezeit der Speicherzellen, die sogenann­ te Retention Time, mit steigender Speichertemperatur expoten­ tiell abnimmt. Im Diagramm ist eine normierte Refresh- Periodendauer dargestellt. Mit dem Temperatursensor gemäß Fig. 1 wird der Teilerfaktor des Frequenzteilers 7 in Abhän­ gigkeit von der Temperatur derart eingestellt, daß die Re­ fresh-Periodendauer mit steigender Speichertemperatur an dis­ kreten Temperaturwerten jeweils halbiert wird und die Re­ fresh-Frequenz damit erhöht wird. Hierbei ist es auch mög­ lich, mehrere Abstufungen zu verwenden. Ebenso ist es mög­ lich, bei einem entsprechenden Frequenzteiler die Frequenz mit anderen Werten, beispielsweise nicht-binären Werten zu teilen. Mit einer Steuerung der Refresh-Periodendauer gemäß Fig. 3 ist es möglich, die für einen Standby-Betrieb notwen­ dige Stromaufnahme eines dynamischen Speichers zu optimieren und bei niedrigeren Temperaturen zu reduzieren.

Bezugszeichenliste

1

Speicher

2

Steuerungsschaltung

3

Schaltung

4

Frequenzgenerator

5

Temperatursensorschaltung

6

Oszillator

7

Frequenzteiler

8

Temperatursensor

9

A-/D-Wandler

10

Speicherzellenfeld

11

Registerschaltung

12

Kontrollschaltung

13

Schalteinheit

41

Steuereingang

42

Ausgang

51

Ausgang
S0, S1 Eingang
A Ausgang
C Steuereingang
R1, R2 Referenzwert
D Diode
V1, V2, Vref Potential
V Verstärker
I Strom
f Frequenz
S, SF1, SF2 Signal
WL Wortleitungen
BL Bitleitungen
MC Speicherzellen

Claims (7)

1. Integrierter dynamischer Speicher
mit Speicherzellen (MC),
mit einer Steuerungsschaltung (2) zur Steuerung eines Re­ fresh-Betriebs der Speicherzellen, in dem die Speicherzellen mit einer Refresh-Frequenz einer Auffrischung ihres Speicher­ zelleninhalts unterzogen werden,
mit einem steuerbaren Frequenzgenerator (4) zur Einstellung der Refresh-Frequenz anhand eines Referenzwerts (R1, R2) mit einem Steuereingang (41), über den die Refresh-Frequenz ver­ änderbar ist, und mit einem Ausgang (42), der mit der Steue­ rungsschaltung (2) verbunden ist,
mit einer Temperatursensorschaltung (5) zur Detektion einer Temperatur des Speichers und zur Ausgabe eines ersten Refe­ renzwertes (R1),
mit einer von extern beschreibbaren Registerschaltung (11) zur Ausgabe eines zweiten Referenzwertes (R2),
bei dem die Temperatursensorschaltung (5) und die von ex­ tern beschreibbare Registerschaltung (11) mit dem Steuerein­ gang (41) des Frequenzgenerators (4) zur Einstellung der Re­ fresh-Frequenz alternativ verbindbar sind.

2. Integrierter dynamischer Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Speicher eine Schalteinheit (13) mit zwei Eingängen und einem Ausgang aufweist, wobei einer der Eingänge (S1) mit der Temperatursensorschaltung (5), der andere der Eingänge (S0) mit der Registerschaltung (11) und der Ausgang (A) mit dem Steuereingang (41) des Frequenzgenerators (4) verbunden ist,
der Speicher eine Kontrollschaltung (12) aufweist, die ei­ nen Inhalt der Registerschaltung (11) überprüft und die Schalteinheit (13) in Abhängigkeit des Überprüfungsergebnis­ ses über einen Steuereingang (C) der Schalteinheit ansteuert.

3. Integrierter dynamischer Speicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Frequenzgenerator (4) einen Oszillator (6) zur Liefe­ rung eines Signals (S) mit einer regelmäßigen temperaturunab­ hängigen Frequenz (f) und einen nachgeschalteten, über den Steuereingang (41) programmierbaren Frequenzteiler (7) zur Teilung der Frequenz des Signals des Oszillators aufweist,
ein Ausgang des Frequenzteilers (7) mit dem Ausgang des Frequenzgenerators (4) verbunden ist.

4. Integrierter dynamischer Speicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensorschaltung (5) einen Temperatursensor (8) und einen nachgeschalteten Analog-/Digital-Wandler (9) zur Programmierung des Frequenzteilers (7) aufweist.

5. Verfahren zum Betrieb eines integrierten dynamischer Spei­ chers nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem im Falle eines Beschreibens der von extern be­ schreibbaren Registerschaltung (11) der zweite Referenzwert (R2) dem Steuereingang (41) des Frequenzgenerators (4) zuge­ führt wird,
bei dem sonst der erste Referenzwert (R1) dem Steuereingang (41) des Frequenzgenerators (4) zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Referenzwert (R2) dem Steuereingang (41) des Fre­ quenzgenerators (4) zugeführt wird, sobald eine Programmie­ rung der Registerschaltung (11) durchgeführt wurde.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Referenzwert (R1, R2) einer jeweiligen Temperatur entsprechen und durch den Frequenzgenerator (4) die Refresh-Frequenz für den Refresh-Betrieb mit ansteigender Temperatur erhöht wird.