JP2004110863A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リフレッシュサイクルが長く、かつ、メモリセルからの読出データを正確に増幅可能な半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】半導体記憶装置は、メモリセルMCを備える。メモリセルMCは、PチャネルMOSトランジスタ1〜3を含む。PチャネルMOSトランジスタ1は、ビット線BLiとノードN1との間に接続され、ワード線WLj上の電圧をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ2は、そのソース端子およびドレイン端子がノードN1に接続され、セルプレート電圧VCP_Lをゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ3は、そのゲート端子がノードN1に接続され、セルプレート電圧VCP_Hをソース端子およびドレイン端子に受ける。
【選択図】 図2
【解決手段】半導体記憶装置は、メモリセルMCを備える。メモリセルMCは、PチャネルMOSトランジスタ1〜3を含む。PチャネルMOSトランジスタ1は、ビット線BLiとノードN1との間に接続され、ワード線WLj上の電圧をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ2は、そのソース端子およびドレイン端子がノードN1に接続され、セルプレート電圧VCP_Lをゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ3は、そのゲート端子がノードN1に接続され、セルプレート電圧VCP_Hをソース端子およびドレイン端子に受ける。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体記憶装置に関し、特に、リフレッシュサイクルが長く、かつ、メモリセルからの読出データを正確に増幅可能な半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
システムLSI(Large Scale Integration)においてオンチップで大規模メモリを搭載しようとする場合、コストを低く抑え、かつ、ロジック回路の性能を低下させないように、メモリ部分もCMOS(Complementary MOS)ロジックプロセスで作製することが求められる。
【0003】
CMOSロジックプロセスを用いて作製可能なメモリとしてSRAM(Static Random Access Memory)がある。しかし、このSRAMを大容量化するに当たっては、様々な問題がある。
【0004】
まず、SRAMにおけるメモリセルをCMOSで作製した場合、1つのメモリセルを構成するために6個のトランジスタを必要とするため、1つのメモリセルの占有面積が大きい。このため、容量を大きくすると、システムチップ全体の面積が大きくなり、コストの増大および歩留まりの低下を生じる。
【0005】
また、CMOSプロセスの微細化に伴い、メモリセルを構成するトランジスタのオフリーク電流も無視できないものになっており、スタンバイ電流の増大を避けることができない。
【0006】
このような問題点に鑑みて、CMOSロジックプロセスを用いて作製できるプレーナ型DRAM(Dynamic Random Access Memory)が用いられる場合がある。プレーナ型DRAMは、SRAMに比べて面積が小さく、かつ、周期的に必要なリフレッシュ電流を考えても、スタンバイ電流をSRAMよりも低く抑えることができる点で非常に有用である。
【0007】
図17を参照して、プレーナ型DRAMにおけるメモリセル200は、PチャネルMOSトランジスタ201,202からなる。PチャネルMOSトランジスタ201は、ビット線BLi(i:0≦i≦mを満たす自然数、m:自然数)とノードNSとの間に接続される。そして、PチャネルMOSトランジスタ201は、そのゲート端子がワード線WLj(j:0≦j≦nを満たす自然数、n:自然数)に接続される。
【0008】
PチャネルMOSトランジスタ202は、ソース端子およびドレイン端子がノードNSに接続され、接地電圧GNDからなるセルプレート電圧VCPをゲート端子に受ける。
【0009】
ワード線WLj上の電圧は、スタンバイ時、電源電圧Vccであり、活性化時、接地電圧GNDである。
【0010】
したがって、ワード線WLjが活性化されると、PチャネルMOSトランジスタ201はオンされ、データがPチャネルMOSトランジスタ201を介してPチャネルMOSトランジスタ202のチャネル領域に、すなわち、ノードNSに入出力される。
【0011】
図18は、プレーナ型DRAMのメモリセルのレイアウトを示す。図18を参照して、活性化領域203,204が紙面奥側に形成され、活性化領域203の上にセルプレート205およびワード線WLj−1,WLjが形成され、活性化領域203,204の両方の領域上にセルプレート206が形成され、活性化領域204の上にセルプレート207およびワード線WLj+1,WLj+2が形成される。また、ワード線WLj−1〜WLj+2に直交する方向にビット線対BLi,/BLiが形成される。さらに、ビット線BLiをワード線WLjの下側に形成されたトランジスタのソース端子に接続するためのコンタクト208がワード線WLj−1とワード線WLjとの間に形成される。さらに、ビット線/BLiをワード線WLj+1の下側に形成されたトランジスタのソース端子に接続するためのコンタクト209がワード線WLj+1とワード線WLj+2との間に形成される。
【0012】
図19は、図18における領域210の断面図を示す。図19を参照して、p型シリコン基板220の表面層にNウェル221が形成される。そして、Nウェル221の一部にP+拡散層222,223が形成される。P+拡散層222とP+拡散層223との間のNウェル221上にゲート224が形成され、ゲート224上にワード線WLjが形成される。
【0013】
また、P+拡散層223に隣接する領域のNウェル221上にゲート225が形成され、ゲート225上にセルプレート204が形成される。コンタクト208は、P+拡散層222上に形成され、ビット線BLiをP+拡散層222に接続する。絶縁部分208Aは、ゲート225に隣接する領域のNウェル221に形成される。そして、絶縁部分208Aは、素子分離のために用いられる。
【0014】
P+拡散層222,223およびゲート224は、PチャネルMOSトランジスタ201を構成し、P+拡散層223およびゲート225は、PチャネルMOSトランジスタ202を構成する。
【0015】
セルプレート204は、接地電圧GNDからなるセルプレート電圧VCPが印加されるので、Hデータの書き込みが行なわれ、正電荷が蓄えられる場合、セルプレート204の下側のNウェル221の表面に反転層226が形成される。
【0016】
図20を参照して、Hデータの書込動作について説明する。なお、「Hデータ」は、データの書込時の電圧が高いことを意味する。ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjが活性化されると、PチャネルMOSトランジスタ201がオンされる。そして、ビット線BLi上のHデータを構成する正電荷は、コンタクト208、P+拡散層222およびチャネル領域を介してP+拡散層223に流れる。そして、接地電圧GNDがセルプレート204に印加されているため、P+拡散層223とセルプレート204との間に十分な電位差が存在し、P+拡散層223からPチャネルMOSトランジスタ202のチャネル領域へ多くの正電荷が流れ込む。その結果、PチャネルMOSトランジスタ202のチャネル領域に反転層226が形成される。したがって、Hデータは、プレーナ型のメモリセルに容易に書込まれる。そして、Hデータをメモリセルに書込んだ場合、メモリセルにおけるセル容量は大きい。
【0017】
図21を参照してLデータの書込動作について説明する。なお、「Lデータ」は、データの書込時の電圧が低いことを意味する。ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjが活性化されると、PチャネルMOSトランジスタ201がオンされる。そして、ビット線BLi上のLデータを構成する負電荷は、コンタクト208を介してP+拡散層222に流れる。そして、P+拡散層222に流れ込んだ負電荷は、PチャネルMOSトランジスタ201におけるしきい値損失のためにPチャネルMOSトランジスタ201のチャネル領域を介してP+拡散層223に十分に流れ込まない。そして、セルプレート204に印加されている電圧は接地電圧GNDであるため、P+拡散層223とセルプレート204との間に十分な電位差が生じず、P+拡散層223からPチャネルMOSトランジスタ202のチャネル領域に流れ込む負電荷は少ない。その結果、セルプレート204の下側のNウェル221の表面に反転層226は形成されない。このように、Lデータをメモリセルに書込んだ場合、メモリセルにおけるセル容量は非常に小さい。
【0018】
次に、プレーナ型のメモリセルからのデータの読出動作について説明する。読出動作の直前に、ビット線対BLi,/BLiは、プリチャージ電圧Vcc/2にプリチャージされる。ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjが活性化されると、PチャネルMOSトランジスタ201がオンされる。そして、PチャネルMOSトランジスタ202に保持されていた電荷は、PチャネルMOSトランジスタ201およびコンタクト208を介してビット線BLiに流れ、ビット線BLi上の電圧は、読出データの論理レベルに応じてプリチャージ電圧Vcc/2からわずかに変化する。
【0019】
すなわち、メモリセルにHデータが書込まれていた場合、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2+ΔVに変化し、メモリセルにLデータが書込まれていた場合、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2−ΔVに変化する。
【0020】
そして、ビット線BLiに読出された読出データは、センスアンプSAによって増幅される。図22を参照して、センスアンプSAは、PチャネルMOSトランジスタ227〜229と、NチャネルMOSトランジスタ230〜232とを含む。PチャネルMOSトランジスタ227は、電源ノードNVCとノードN5との間に接続される。そして、PチャネルMOSトランジスタ227は、そのゲート端子に信号/S0Pを受ける。
【0021】
PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、ノードN5とノードN8との間に直列に接続される。PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231は、ノードN5とノードN8との間に直列に接続される。PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231に対して並列に接続される。
【0022】
PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、ノードN7上の電圧をゲート端子に受ける。また、PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231は、ノードN6上の電圧をゲート端子に受ける。
【0023】
NチャネルMOSトランジスタ232は、ノードN8と接地ノードGNDとの間に接続される。そして、NチャネルMOSトランジスタ232は、そのゲート端子に信号S0Nを受ける。ビット線BLiは、PチャネルMOSトランジスタ238とNチャネルMOSトランジスタ230との間のノードN6に接続される。ビット線/BLiは、PチャネルMOSトランジスタ229とNチャネルMOSトランジスタ231との間のノードN7に接続される。
【0024】
センスアンプSAは、Lレベルの信号/S0PおよびHレベルの信号S0Nを受けると活性化する。
【0025】
図23を参照して、センスアンプSAの動作について説明する。メモリセルからデータを読出す前、ビット線対BLi,/BLiは、プリチャージ電圧Vcc/2にプリチャージされている。ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjが活性化されると、Hデータがメモリセルからビット線BLiに読出される。そして、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2+ΔVに変化する。この場合、ビット線/BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2のままである。
【0026】
そうすると、センスアンプSAにおいて、PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231は、そのゲート端子に電圧Vcc/2+ΔVを受け、PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、そのゲート端子にプリチャージ電圧Vcc/2を受ける。
【0027】
PチャネルMOSトランジスタ228は、PチャネルMOSトランジスタ229よりも低い電圧をゲート端子に受けるので、PチャネルMOSトランジスタ228がオンされ、ノードN6上の電圧は電圧Vcc/2+ΔVから電源電圧Vccに上昇する。そうすると、PチャネルMOSトランジスタ229がオフされ、NチャネルMOSトランジスタ231がオンされ、ノードN7上の電圧はプリチャージ電圧Vcc/2から接地電圧GNDに低下する。そして、NチャネルMOSトランジスタ230はオフされる。
【0028】
このようにして、センスアンプSAは、ビット線BLi上の電圧を電圧Vcc/2+ΔVから電源電圧Vccに上昇させ、ビット線/BLi上の電圧をプリチャージ電圧Vcc/2から接地電圧GNDに低下させる。つまり、センスアンプSAは、ビット線BLiに読出されたHデータを増幅する。
【0029】
Lデータがメモリセルからビット線BLiに読出される場合、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2−ΔVに変化する。この場合、ビット線/BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2のままである。
【0030】
そうすると、センスアンプSAにおいて、PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231は、そのゲート端子に電圧Vcc/2−ΔVを受け、PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、そのゲート端子にプリチャージ電圧Vcc/2を受ける。
【0031】
PチャネルMOSトランジスタ229は、PチャネルMOSトランジスタ228よりも低い電圧をゲート端子に受けるので、PチャネルMOSトランジスタ229がオンされ、ノードN7上の電圧はプリチャージ電圧Vcc/2から電源電圧Vccに上昇する。そうすると、PチャネルMOSトランジスタ228がオフされ、NチャネルMOSトランジスタ230がオンされ、ノードN6上の電圧は電圧Vcc/2−ΔVから接地電圧GNDに低下する。そして、NチャネルMOSトランジスタ231はオフされる。
【0032】
このようにして、センスアンプSAは、ビット線BLi上の電圧を電圧Vcc/2−ΔVから接地電圧GNDに低下させ、ビット線/BLi上の電圧をプリチャージ電圧Vcc/2から電源電圧Vccに上昇させる。つまり、センスアンプSAは、ビット線BLiに読出されたLデータを増幅する。
【0033】
上述したように、プレーナ型のメモリセルから読出された読出データは、センスアンプSAにより増幅される。
【0034】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、センスアンプSAにおいて読出データを増幅できるのは、データがメモリセルからビット線BLi,/BLiのいずれかに読出された場合に、センスアンプSAにおいて増幅可能な電位差がビット線BLiとビット線/BLiとの間に生じている場合である。すなわち、メモリセルが、書込まれたデータに対応する電荷を保持している場合である。
【0035】
上述したように、Hデータをプレーナ型のメモリセルに書込むことは容易であり、Hデータが書込まれたメモリセルにおいてはセル容量が大きい。したがって、メモリセルからHデータを読出す場合、図24に示すようにセンスアンプSAにおける増幅可能な電位差ΔV0がビット線BLiとビット線/BLiとの間に生じる。
【0036】
しかし、Lデータをプレーナ型のメモリセルに書込むことは困難であり、Lデータが書込まれたメモリセルにおいてはセル容量が小さい。したがって、メモリセルからLデータを読出す場合、図25に示すようにセンスアンプSAにおける増幅が困難な電位差ΔV2がビット線BLiとビット線/BLiとの間に生じる。つまり、従来のプレーナ型のメモリセルにおいては、Lデータが書込まれた場合、確実なセンス動作に必要な電位差が得られないという問題が生じる。
【0037】
確実なセンス動作に必要な電位差が得られるようにLデータをプレーナ型のメモリセルに書込むには、PチャネルMOSトランジスタ201のゲート224に印加する電圧を接地電圧GND(0V)よりも低い−0.4V(PチャネルMOSトランジスタ201のしきい値電圧程度)に設定し、セルプレート204にも−0.4Vの電圧を印加する必要がある。
【0038】
しかし、このような、シリコン基板の接地電圧GNDよりも低い電圧(−0.4V)をツインウェル構造において使用するのは、困難であり、消費電力を増大させる要因にもなる。
【0039】
したがって、従来のプレーナ型のメモリセルにおいては、確実なセンス動作に必要な電位差を容易に得られないという問題があった。
【0040】
また、プレーナ型のメモリセルは、電荷量で情報を保持するが、リーク電流によって時間とともに、蓄積した電荷量は減少する。図26を参照して、リーク電流のうち、最も支配的なリーク電流は、ゲートリーク電流233であり、その次に支配的なリーク電流は、接合リーク電流234である。
【0041】
ゲートリーク電流233は、ゲート225を構成するゲート酸化膜が薄いことに起因する。そして、ゲートリーク電流233は、ストレージノードであるP+拡散層223からセルプレート204へ電荷が漏れることによって流れる。したがって、P+拡散層223にHデータに対応する電荷が蓄積されている場合、特に顕著になる。
【0042】
接合リーク電流234は、メモリセルの下側のNウェル221とストレージノードであるP+拡散層223との間に発生する逆方向接合電流である。そして、接合リーク電流234は、P+拡散層223にLデータに対応する電荷が蓄積される場合、特に顕著になる。
【0043】
したがって、ストレージノードであるP+拡散層223の電位変化は図27に示すようになる。図27を参照して、Hデータがメモリセルに書込まれた場合、P+拡散層223の電位は、最初、電源電圧Vccであり、十分に高い。そして、時間の経過とともに、ゲートリーク電流233が発生し、P+拡散層223の電位は急速に低下する。
【0044】
一方、Lデータがメモリセルに書込まれた場合、P+拡散層223の初期電位は、PチャネルMOSトランジスタ201のしきい値電圧Vthp分だけ上昇した電位Vthpである。その後、時間の経過とともに接合リーク電流234が発生し、P+拡散層223の電位は上昇する。そして、P+拡散層223の電位は、ある程度上昇すると、ゲートリーク電流233が増大するため、その上昇は停止する。
【0045】
このように、プレーナ型のメモリセルにおいては、ゲートリーク電流233が大きく、Hデータの劣化の度合いがデータ保持時間を決定しており、リフレッシュ動作を頻繁に行なう必要があり、消費電力が増大するという問題が生じる。
【0046】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、リフレッシュサイクルが長く、かつ、メモリセルからの読出データを正確に増幅可能な半導体記憶装置を提供することである。
【0047】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によれば、半導体記憶装置は、複数のメモリセルと、周辺回路とを備える。複数のメモリセルは、行列状に配列される。周辺回路は、複数のメモリセルの各々にデータを入出力する。
【0048】
複数のメモリセルの各々は、データを記憶する容量素子を含み、容量素子は、第1および第2の素子からなる。第1および第2の素子は、書込データに対応する電荷が蓄積される。
【0049】
好ましくは、書込データは、第1および第2の書込データからなる。第1の素子は、第1の書込データが書込まれたとき、第1の書込データの読出に必要な容量を有し、第2の素子は、第2の書込データが書込まれたとき、第2の書込データの読出に必要な容量を有する。
【0050】
好ましくは、第1の素子は、ゲート端子が第1の電圧に固定され、チャネル領域に第1の書込データに対応する電荷を蓄積する第1のMOSトランジスタである。また、第2の素子は、チャネル領域が第2の電圧に固定され、第1のMOSトランジスタのチャネル領域に接続されたゲート端子に第2の書込データに対応する電荷を蓄積する第2のMOSトランジスタである。
【0051】
好ましくは、半導体記憶装置は、第1および第2の電圧発生回路をさらに備える。第1の電圧発生回路は、第1の電圧を発生し、その発生した第1の電圧を第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給する。第2の電圧発生回路は、第2の電圧を発生し、その発生した第2の電圧を第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する。
【0052】
好ましくは、第1の電圧は、第1のMOSトランジスタのチャネル領域における第1の電位が所定の電圧に漸近するように決定され、第2の電圧は、第2のMOSトランジスタのゲート端子における第2の電位が所定の電圧に漸近するように決定される。
【0053】
好ましくは、所定の電圧は、メモリセルに接続されたビット線対のプリチャージ電圧である。
【0054】
好ましくは、第1の電圧は、第1のMOSトランジスタのチャネル領域における電荷の保持時間が最長となる電圧であり、第2の電圧は、第2のMOSトランジスタのゲート端子における電荷の保持時間が最長になる電圧である。
【0055】
好ましくは、第1の電圧発生回路は、複数の電圧から第1の電圧を選択して第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給し、第2の電圧発生回路は、複数の電圧から第2の電圧を選択して第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する。
【0056】
好ましくは、第1の電圧発生回路は、第1のノードと、第1の分圧回路と、第1のドライバとを含む。第1のノードは、第1の電圧を第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給する。第1の分圧回路は、電源電圧を分圧して複数の第1および第2の分圧電圧を発生する。第1のドライバは、複数の第1および第2の分圧電圧に対応する複数の電圧を第1のノードに発生する。そして、第1の分圧回路は、第1のノードに第1の電圧を発生させるための第1および第2の特定電圧を第1のコマンド信号に応じて複数の第1および第2の分圧電圧から選択し、第1のドライバは、第1および第2の特定電圧に応じて第1のノードに第1の電圧を発生する。
【0057】
また、第2の電圧発生回路は、第2のノードと、第2の分圧回路と、第2のドライバとを含む。第2のノードは、第2の電圧を第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する。第2のノードは、電源電圧を分圧して複数の第3および第4の分圧電圧を発生する。第2のドライバは、複数の第3および第4の分圧電圧に対応する複数の電圧を第1のノードに発生する。そして、第2の分圧回路は、第2のノードに第2の電圧を発生させるための第3および第4の特定電圧を第2のコマンド信号に応じて複数の第3および第4の分圧電圧から選択し、第2のドライバは、第3および第4の特定電圧に応じて第2のノードに第2の電圧を発生する。
【0058】
この発明による半導体記憶装置においては、論理レベルが異なる第1および第2のデータは、それぞれ、第1および第2の容量素子に保持される。そして、第1の容量素子は、第2のデータを保持する第2の容量素子における電荷の減少を補充し、第2の容量素子は、第1のデータを保持する第1の容量素子における電荷の減少を補充する。
【0059】
したがって、この発明によれば、第1および第2のデータのいずれのデータをメモリセルから読出す場合にもビット線対間に十分な電位差を得ることができる。
【0060】
また、メモリセルにおけるデータの保持時間を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くでき、単位時間当りのリフレッシュ回数を大幅に減少できる。その結果、消費電力を大幅に減少できる。
【0061】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【0062】
[実施の形態1]
図1を参照して、実施の形態1による半導体記憶装置100は、アドレスバッファ10と、制御信号バッファ20と、制御回路30と、ロウデコーダ40と、ワード線ドライバ50と、コラムデコーダ70と、入出力回路80と、メモリセルアレイ90と、電圧発生回路110とを備える。半導体記憶装置100は、より具体的には、DRAMである。
【0063】
アドレスバッファ10は、アドレスA0〜Ak(kは自然数)を外部から受け、その受けたアドレスA0〜Akをバッファリングする。そして、アドレスバッファ10は、バッファリングしたアドレスA0〜Akを制御回路30へ出力する。
【0064】
制御信号バッファ20は、ロウアドレスストローブ信号/RAS、コラムアドレスストローブ信号/CAS、ライトイネーブル信号/WEおよび出力イネーブル信号/OE等の制御信号を受け、その受けたロウアドレスストローブ信号/RAS等の制御信号をバッファリングする。そして、制御信号バッファ20は、バッファリングしたロウアドレスストローブ信号/RAS等の制御信号を制御回路30へ出力する。
【0065】
制御回路30は、ロウアドレスストローブ信号/RASがHレベルからLレベルに切換わるタイミングでアドレスバッファ10から受けたアドレスA0〜Akをロウアドレスとしてロウデコーダ40へ出力する。
【0066】
また、制御回路30は、コラムアドレスストローブ信号/CASがHレベルからLレベルに切換わるタイミングでアドレスバッファ10から受けたアドレスA0〜Akをコラムアドレスとしてコラムデコーダ70へ出力する。
【0067】
さらに、制御回路30は、Lレベルのライトイネーブル信号/WEに基づいてデータの書込モードを認識し、Lレベルの出力イネーブル信号/OEに基づいてデータの読出モードを認識する。そして、制御回路30は、書込モードを認識すると、入出力端子DQからの書込データをセンスアンプ81〜8m(mは自然数)へ出力するように入出力回路80を制御する。また、制御回路30は、読出モードを認識すると、センスアンプ81〜8mによって増幅された読出データを入出力端子DQへ出力するように入出力回路80を制御する。
【0068】
さらに、制御回路30は、読出モードにおいてLレベルの信号/S0PおよびHレベルの信号S0Nを生成してセンスアンプ81〜8mへ出力する。
【0069】
ロウデコーダ40は、制御回路30からのロウアドレスをデコードし、そのデコードしたロウアドレスをワード線ドライバ50へ出力する。ワード線ドライバ50は、デコードされたロウアドレスによって指定されたワード線WLjを活性化する。より具体的には、ワード線ドライバ50は、ワード線WLj上の電圧を電源電圧Vccから接地電圧GNDへ低下させることによりワード線jを活性化する。
【0070】
コラムデコーダ70は、制御回路30からのコラムアドレスをデコードし、そのデコードしたコラムアドレスによって指定されたセンスアンプ8i(1≦i≦m)を選択するための選択信号SELiを出力してセンスアンプ8iを入出力回路80に接続する。
【0071】
入出力回路80は、入出力端子DQから受けた書込データをセンスアンプ8iへ出力し、センスアンプ8iから受けた読出データを入出力端子DQへ出力する。
【0072】
メモリセルアレイ90は、m×n(nは自然数)個のメモリセルMCと、複数のビット線対BL1,/BL1〜BLm,/BLmと、複数のワード線WL1〜WLnと、複数のセンスアンプ81〜8mと、複数のイコライズ回路91〜9mとを含む。
【0073】
m×n個のメモリセルMCは、行列状に配置される。複数のビット線対BL1,/BL1〜BLm,/BLmは、メモリセルアレイ90の列方向に配置される。複数のワード線WL1〜WLnは、メモリセルアレイ90の行方向に配置される。
【0074】
複数のセンスアンプ81〜8mは、複数のビット線対BL1,/BL1〜BLm,/BLmに対応して設けられる。そして、センスアンプ8iは、コラムデコーダ70によって入出力回路80と接続されると、入出力回路80から受けた書込データを対応するビット線対BLi,/BLiに書込む。また、センスアンプ8iは、コラムデコーダ70によって入出力回路80と接続されると、対応するビット線対BLi,/BLiから読出された読出データを増幅して入出力回路80へ出力する。
【0075】
複数のイコライズ回路91〜9mは、複数のビット線対BL1,/BL1〜BLm,/BLmに対応して設けられる。そして、複数のイコライズ回路91〜9mは、メモリセルMCへのデータの書込動作または読出動作の前に、それぞれ、対応するビット線対BLi,/BLiをプリチャージ電圧Vcc/2にプリチャージする。
【0076】
電圧発生回路110は、セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lをメモリセルアレイ90のm×n個のメモリセルMCへ供給する。セルプレート電圧VCP_Hは、電源電圧Vccからなり、セルプレート電圧VCP_Lは、接地電圧GNDからなる。
【0077】
図2を参照して、メモリセルMCは、PチャネルMOSトランジスタ1〜3からなる。PチャネルMOSトランジスタ1は、ビット線BLiとノードN1との間に接続され、ワード線WLj上の電圧をゲート端子に受ける。
【0078】
PチャネルMOSトランジスタ2は、そのソース端子およびドレイン端子がノードN1に接続され、電圧発生回路110からのセルプレート電圧VCP_Lをゲート端子に受ける。
【0079】
PチャネルMOSトランジスタ3は、そのゲート端子がノードN1に接続され、電圧発生回路110からのセルプレート電圧VCP_Hをソース端子およびドレイン端子に受ける。
【0080】
図3を参照して、メモリセルMCの平面的なレイアウトについて説明する。複数の活性化領域9,9,・・・,9,9が形成され、その上にゲート(図示せず)が形成される。そして、ゲートの上にワード線WLj−1,WLj、配線6およびセルプレート8が形成される。配線6は、PチャネルMOSトランジスタ2のゲート端子に印加されるセルプレート電圧VCP_Lを伝達するための配線である。
【0081】
さらに、ワード線WLj−1,WLjの上に、ワード線WLj−1,WLjに直交する方向に、ビット線BLi,/BLi、および配線5,7が形成される。配線5は、PチャネルMOSトランジスタ3のソース端子およびドレイン端子に印加されるセルプレート電圧VCP_Hを伝達するための配線である。また、配線7は、PチャネルMOSトランジスタ2のソース端子およびドレイン端子をPチャネルMOSトランジスタ3のゲート端子に接続するための配線である。
【0082】
さらに、コンタクト23〜26が形成される。コンタクト23は、ビット線BLiをPチャネルMOSトランジスタ1のソース端子に接続するためのコンタクトである。コンタクト24は、配線7をノードN1に接続するためのコンタクトである。コンタクト25は、配線7をPチャネルMOSトランジスタ3のセルプレート8に接続するためのコンタクトである。コンタクト26は、配線5をPチャネルMOSトランジスタ3のソース端子およびドレイン端子に接続するためのコンタクトである。
【0083】
図4を参照して、図3に示す領域11における断面構造について説明する。p型シリコン基板12の表面にNウェル13が形成される。そして、Nウェル13の表面に、P+拡散層14〜16が形成される。
【0084】
P+拡散層14とP+拡散層15との間にゲート17が形成され、ゲート17の上にワード線WLjが形成される。P+拡散層14は、コンタクト23によってビット線BLiに接続される。そして、P+拡散層14,15およびゲート17は、PチャネルMOSトランジスタ1を構成する。
【0085】
P+拡散層15とコンタクト24aとの間のNウェル13上にゲート18が形成され、そのゲート18の上に配線6が形成される。そして、配線6は、セルプレート電圧VCP_L(=接地電圧GND)を伝達するので、ゲート18の下には反転層21が形成される。P+拡散層15、コンタクト24aおよびゲート18は、PチャネルMOSトランジスタ2を構成する。コンタクト24は、P+拡散層15を配線7に接続する。なお、コンタクト24aは、図示しない方法によって配線7に接続される。
【0086】
P+拡散層16とコンタクト26aとの間のNウェル13上にゲート19が形成され、そのゲート19の上にセルプレート8が形成される。コンタクト25は、セルプレート8を配線7に接続する。P+拡散層15が負電位になると、コンタクト24、配線7およびコンタクト25を介してセルプレート8に負電位が印加される。したがって、この場合、ゲート19の下に反転層22が形成される。P+拡散層16、コンタクト26aおよびゲート19は、PチャネルMOSトランジスタ3を構成する。コンタクト26は、P+拡散層16を配線5に接続する。なお、コンタクト26aは、図示しない方法によって配線5に接続される。
【0087】
図5を参照して、メモリセルMCへのHデータの書込について説明する。データが書込まれる場合、ワード線WLj上の電圧は、電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、PチャネルMOSトランジスタ1がオンされる。
【0088】
そうすると、Hデータを構成する正電荷は、ビット線BLi、コンタクト23、P+拡散層14およびPチャネルMOSトランジスタ1のチャネル領域を介してP+拡散層15に蓄積される。
【0089】
接地電圧GNDからなるセルプレート電圧VCP_LがPチャネルMOSトランジスタ2のゲート18上の配線6に印加されているので、ゲート18の下に反転層21が形成され、P+拡散層15に蓄積された正電荷は反転層21に流入し、そこに保持される。そして、PチャネルMOSトランジスタ2においては、ゲート18を挟んで形成されるセル容量は、Hデータを保持するために十分な大きさを有する。
【0090】
P+拡散層15に正電荷が蓄積されると、PチャネルMOSトランジスタ3のセルプレート8は、コンタクト24、配線7およびコンタクト25を介して正電位が印加されるので、PチャネルMOSトランジスタ3においてゲート19の下に反転層は形成されない。
【0091】
このように、Hデータは、メモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ2において保持される。
【0092】
図6を参照して、メモリセルMCへのLデータの書込について説明する。この場合も、ワード線WLj上の電圧は、電源電圧Vccから接地電圧GNDへ変化し、PチャネルMOSトランジスタ1がオンされる。そうすると、Lデータを構成する負電荷は、ビット線BLi、コンタクト23、P+拡散層14およびPチャネルMOSトランジスタ1のチャネル領域を介してP+拡散層15に蓄積される。配線6は、接地電圧GNDからなるセルプレート電圧VCP_Lが印加されるので、P+拡散層15に蓄積される負電荷は、PチャネルMOSトランジスタ2のゲート18の下のチャネル領域に十分に流れ込まない。その結果、ゲート18の下にLデータを保持するために十分な反転層が形成されない。
【0093】
一方、P+拡散層16は、配線5およびコンタクト26を介して電源電圧Vccからなるセルプレート電圧VCP_Hが印加されているので、PチャネルMOSトランジスタ3のチャネル領域には、正電荷が流入しており、P+拡散層15に蓄積された負電荷は、コンタクト24、配線7およびコンタクト25を介してセルプレート8に流入し、反転層22がゲート19の下に形成される。そして、PチャネルMOSトランジスタ3においては、ゲート19を挟んで形成されるセル容量は、Lデータを保持するために十分な大きさを有する。
【0094】
このように、Lデータは、メモリセルMCのNチャネルMOSトランジスタ3のセルプレート8(ゲート端子)に保持される。
【0095】
図7〜図9を参照して、メモリセルMCに書込まれたHデータまたはLデータの保持について説明する。図7を参照して、HデータがメモリセルMCに書込まれた場合、Hデータを構成する正電荷は、上述したようにメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ2に保持される。そして、PチャネルMOSトランジスタ2においては、正電荷がP+拡散層15からゲート18を介して配線6へリークするゲートリーク電流27が支配的になり、PチャネルMOSトランジスタ2に保持された正電荷は減少する。
【0096】
しかし、電源電圧Vccからなるセルプレート電圧VCP_HがPチャネルMOSトランジスタ3のP+拡散層16に印加されているので、PチャネルMOSトランジスタ3においては、P+拡散層16からゲート19を介してセルプレート8へリークするゲートリーク電流28が支配的になる。そうすると、セルプレート8へリークしたゲートリーク電流28は、矢印29,31で示すように、コンタクト25、配線7およびコンタクト24を介してPチャネルMOSトランジスタ2のP+拡散層15に流入する。したがって、P+拡散層15に蓄積された正電荷は、ゲートリーク電流27によって減少しても、PチャネルMOSトランジスタ3において生じたゲートリーク電流28によって、その減少した一部が補充される。その結果、メモリセルMCに書込まれたHデータを構成する正電荷がメモリセルMCに保持される量は、ゲートリーク電流27によって減少する減少量と、ゲートリーク電流28によって補充される補充量との釣合いによって決定される。
【0097】
図8を参照して、LデータがメモリセルMCに書込まれた場合、Lデータを構成する負電荷は、上述したようにメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ3に保持される。そして、PチャネルMOSトランジスタ3においては、正電荷がP+拡散層16からゲート19を介してセルプレート8へリークするゲートリーク電流32が支配的になり、PチャネルMOSトランジスタ3のセルプレート8に保持された負電荷は減少する。
【0098】
しかし、セルプレート8へ流入したゲートリーク電流32は、矢印33,34によって示すように、コンタクト25、配線7およびコンタクト24を介してPチャネルMOSトランジスタ2のP+拡散層15に流入する。そして、P+拡散層15に流入する正電荷が増加すると、PチャネルMOSトランジスタ2においては、P+拡散層15からゲート18を介して配線6へリークするゲートリーク電流35が支配的になる。そうすると、P+拡散層15に流入した正電荷は減少する。これは、セルプレート8に蓄積された負電荷は、ゲートリーク電流32によって減少するが、その減少した一部はゲートリーク電流35が流れることにより補充されることを意味する。つまり、セルプレート8に流入する正電荷がゲートリーク電流32によって増加し、セルプレート8に蓄積された負電荷は減少するが、セルプレート8に流入した正電荷は、ゲートリーク電流35によって最終的にPチャネルMOSトランジスタ2の配線6に到達し、セルプレート8に蓄積された負電荷を相対的に増加させる。
【0099】
したがって、セルプレート8に蓄積された負電荷は、ゲートリーク電流32によって減少しても、PチャネルMOSトラジスタ2において生じたゲートリーク電流35によって、その減少した一部が補充される。その結果、メモリセルMCに書込まれたLデータを構成する負電荷がメモリセルMCに保持される量は、ゲートリーク電流32によって減少する減少量と、ゲートリーク電流35によって補充される補充量との釣合いによって決定される。
【0100】
上述したように、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおいては、HデータがメモリセルMCに書込まれた場合、HデータはPチャネルMOSトランジスタ2に保持され、PチャネルMOSトランジスタ3は、PチャネルMOSトランジスタ2におけるHデータを構成する正電荷の減少を補充する。また、LデータがメモリセルMCに書込まれた場合、LデータはPチャネルMOSトランジスタ3に保持され、PチャネルMOSトランジスタ2は、PチャネルMOSトランジスタ3におけるLデータを構成する負電荷の減少を補充する。
【0101】
このように、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおいては、HデータおよびLデータのいずれのデータが書込まれた場合にも、Hデータを構成する正電荷またはLデータを構成する負電荷は、それらが保持されるPチャネルMOSトランジスタと異なる他方のPチャネルMOSトランジスタにおいて生じたゲートリーク電流によって、その減少した一部が補充される。
【0102】
したがって、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCは、Hデータを構成する正電荷またはLデータを構成する負電荷を保持する第1の容量素子と、第1の容量素子における電荷の減少を補充する第2の容量素子とを含むことを特徴とする。
【0103】
図9を参照して、メモリセルMCに保持される正電荷または負電荷の経時変化について説明する。HデータがメモリセルMCに書込まれた場合、Hデータを構成する正電荷が蓄積されるストレージノード(P+拡散層15)の電位は、書込初期においては電源電圧Vccであり、その後、ゲートリーク電流27による低下とゲートリーク電流28による上昇とによって曲線k1のように変化し、最終的にビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に漸近する。
【0104】
また、LデータがメモリセルMCに書込まれた場合、Lデータを構成する負電荷が蓄積されるストレージノード(セルプレート8=P+拡散層15)の電位は、書込初期においては、PチャネルMOSトランジスタ1のしきい値電圧Vthpだけ高い電圧Vthpであり、その後、ゲートリーク電流32による上昇とゲートリーク電流35による減少とによって曲線k2のように変化し、最終的にビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に漸近する。
【0105】
このように、HデータまたはLデータをメモリセルMCに書込んだ場合、Hデータを構成する正電荷またはLデータを構成する負電荷は、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に漸近するように減少する。
【0106】
従来のプレーナ型のメモリセルにおいては、図27に示すように、メモリセルにLデータが書込まれた場合、ストレージノード上の電圧は、電圧Vthpから徐々に上昇し、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2よりも低い電圧に漸近するが、メモリセルにHデータが書込まれた場合、ストレージノード上の電圧は、電源電圧Vccから急速に低下し、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2よりも低い電圧に漸近する。その結果、リフレッシュの間隔を短くしないと、メモリセルからHデータを正確に読出すことができない。
【0107】
これに対して、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおいては、HデータまたはLデータのいずれのデータをメモリセルMCに書込んだ場合にも、ストレージノード(P+拡散層15)上の電圧は、書込当初の電圧からビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に徐々に漸近するように変化する。そして、リフレッシュが必要となる時間は、ストレージノード(P+拡散層15)上の電圧がビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に対して十分な電位差を持っているか否かによって決定されるので、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおけるリフレッシュの間隔は、従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くなる。つまり、単位時間当りのリフレッシュ回数を大幅に減少でき、消費電力も大幅に減少できる。
【0108】
センスアンプ81〜8mの各々は、図22に示す従来のセンスアンプSAと同じ回路構成からなる。そして、メモリセルMCへ書込まれたHデータが読出され、センスアンプ8i(センスアンプ81〜8mのいずれか)によって増幅される場合、図24を参照して説明したように、従来のプレーナ型のメモリセルと同様に、ビット線BLiとビット線/BLiとの電位差は、読出したHデータをセンスアンプ8iによって増幅するのに十分な電位差ΔV0である。
【0109】
また、メモリセルMCに書込まれたLデータが読出され、センスアンプ8iによって増幅される場合、図10に示すように、ビット線BLiとビット線/BLiとの電位差は、読出したLデータをセンスアンプ8iによって増幅するのに十分な電位差ΔV1である。すなわち、LデータがメモリセルMCから読出される場合、ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDへ低下し、ワード線WLjが活性化されると、メモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ1がオンされ、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2−ΔV1に低下し、ビット線/BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2のままである。したがって、センスアンプ8iに入力されるビット線BLi上の電圧とビット線/BLi上の電圧との電位差は、ΔV1となり、センスアンプ8iは、ビット線BLi上の電圧を電圧Vcc/2−ΔV1から接地電圧GNDへ低下し、ビット線/BLi上の電圧をプリチャージ電圧Vcc/2から電源電圧Vccへ上昇して、ビット線BLiとビット線/BLiとの間の電位差ΔV1を電位差Vccまで増幅する。
【0110】
このように、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCは、読出したLデータをセンスアンプ8iにおいて増幅するために必要な電位差を保持する。
【0111】
従来のプレーナ型のメモリセルにおいては、Lデータをメモリセルに十分に書込むことができないため、Lデータをメモリセルから読出した場合、ビット線BLiとビット線/BLiとの電位差は、図25に示すようにΔV2であり、センスアンプSAにより正確に増幅することが困難である。
【0112】
しかし、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCの場合、上述したように、Lデータをメモリセルから読出す場合にも、センスアンプ8iによる増幅が可能な電位差ΔV1がビット線BLiとビット線/BLiとの間に生じる。
【0113】
したがって、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおいては、HデータおよびLデータのいずれのデータも、メモリセルMCに十分に書込むことができ、その書込んだデータを読出すために十分な電位差を得ることができる。また、データの保持時間を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くでき、単位時間当りのリフレッシュ回数を減少でき、消費電力を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に減少できる。
【0114】
図11および図12を参照して、2セル/ビット構成のメモリセルアレイと、この発明によるメモリセルを用いたメモリセルアレイ90との違いについて説明する。
【0115】
図11を参照して、2セル/ビット構成を用いたメモリセルアレイの場合には、PチャネルMOSトランジスタ201,202から成る2つのメモリセルMCC1,MCC2は、それぞれ、異なるビット線BLi、ビット線/BLiに接続されるが、同じワード線WLjに接続される。すなわち、データが2つのメモリセルMCC1,MCC2に同時に入出力できるように、2つのメモリセルMCC1,MCC2がワード線WLjに接続される。
【0116】
これに対して、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCを用いたメモリセルアレイ90においては、PチャネルMOSトランジスタ1〜3から成るメモリセルMC1,MC2は、それぞれ、異なるビット線BLiおよびビット線/BLiに接続され、かつ、それぞれ、異なるワード線WLj−1およびワード線WLjに接続される。
【0117】
2セル/ビット構成を用いたメモリセルアレイにおいては、1ビットを表現するためには2Tr(トランジスタ)/2C(キャパシタ)が必要であるが、この発明によるメモリセルMCを用いたメモリセルアレイ90においては、1ビットを表現するために1Tr(トランジスタ)/2C(キャパシタ)が必要である。
【0118】
この点が、この発明によるメモリセルMCを用いたメモリセルアレイ90と2セル/ビット構成を用いたメモリセルアレイとの相違点である。
【0119】
再び、図1を参照して、半導体記憶装置100におけるデータの書込動作および読出動作について説明する。まず、データの書込動作について説明する。データの書込動作が開始されると、Lレベルのライトイネーブル信号/WEが半導体記憶装置100に入力され、制御信号バッファ20は、Lレベルのライトイネーブル信号/WEをバッファリングし、そのバッファリングしたLレベルのライトイネーブル信号/WEを制御回路30へ出力する。
【0120】
制御回路30は、制御信号バッファ20からのLレベルのライトイネーブル信号/WEに基づいて、データの書込モードを認識し、入出力端子DQから入力された書込データをセンスアンプ81〜8mへ出力するように入出力回路80を制御する。
【0121】
その後、Lレベルのロウアドレスストローブ信号/RASおよびアドレスA0〜Akが半導体記憶装置100に入力される。そして、アドレスバッファ10は、アドレスA0〜Akをバッファリングし、そのバッファリングしたアドレスA0〜Akを制御回路30へ出力する。また、制御信号バッファ20は、Lレベルのロウアドレスストローブ信号/RASをバッファリングし、そのバッファリングしたLレベルのロウアドレスストローブ信号/RASを制御回路30へ出力する。
【0122】
そうすると、制御回路30は、ロウアドレスストローブ信号/RASがHレベルからLレベルに切換わるタイミングでアドレスバッファ10から受けたアドレスA0〜Akをロウアドレスと見なし、そのロウアドレスをロウデコーダ40へ出力する。
【0123】
その後、Lレベルのコラムアドレスストローブ信号/CASおよびアドレスA0〜Akが半導体記憶装置100に入力される。そして、アドレスバッファ10は、アドレスA0〜Akをバッファリングし、そのバッファリングしたアドレスA0〜Akを制御回路30へ出力する。また、制御信号バッファ20は、Lレベルのコラムアドレスストローブ信号/CASをバッファリングし、そのバッファリングしたLレベルのコラムアドレスストローブ信号/CASを制御回路30へ出力する。
【0124】
そうすると、制御回路30は、コラムアドレスストローブ信号/CASがHレベルからLレベルに切換わるタイミングでアドレスバッファ10から受けたアドレスA0〜Akをコラムアドレスと見なし、そのコラムアドレスをコラムデコーダ70へ出力する。
【0125】
一方、書込データは、入出力端子DQから半導体記憶装置100に入力され、入出力回路80は、書込データをセンスアンプ81〜8mへ出力する。
【0126】
ロウデコーダ40は、ロウアドレスをデコードし、そのデコードしたロウアドレスをワード線ドライバ50へ出力する。ワード線ドライバ50は、デコードされたロウアドレスによって指定されたワード線WLjの電圧を電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjを活性化する。
【0127】
また、コラムデコーダ70は、コラムアドレスをデコードし、そのデコードしたコラムアドレスによって指定されたセンスアンプ8i(1≦i≦m)を選択するための選択信号SELiを出力してセンスアンプ8iを入出力回路80に接続する。そして、センスアンプ8iは、入出力回路80からの書込データを対応するビット線対BLi,/BLiに書込む。ビット線対BLi,/BLiに書込まれた書込データは、ビット線対BLi,/BLi上を伝達され、ビット線対BLi,/BLiとワード線WLjとによって指定されたメモリセルMCに書込まれる。
【0128】
このとき、書込データがHデータである場合、書込データはメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ2に保持され、書込データがLデータである場合、書込データはメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ3に保持される。これによって、メモリセルMCへのデータの書込動作が終了する。
【0129】
次に、メモリセルのデータの読出動作について説明する。データの読出動作が開始されると、Lレベルの出力イネーブル信号/OEが半導体記憶装置100に入力され、制御信号バッファ20は、Lレベルの出力イネーブル信号/OEをバッファリングし、そのバッファリングした出力イネーブル信号/OEを制御回路30へ出力する。
【0130】
制御回路30は、制御信号バッファ20からのLレベルの出力イネーブル信号/OEに応じて、センスアンプ81〜8mからの読出データを入出力端子DQへ出力するように入出力回路80を制御する。
【0131】
その後、書込動作の場合と同じ動作によって、ロウアドレスおよびコラムアドレスがそれぞれロウデコーダおよびコラムデコーダへ入力され、ロウアドレスによって指定されたワード線WLjおよびコラムアドレスによって指定されたビット線対BLi,/BLiが活性化される。
【0132】
そして、活性化されたワード線WLjと活性化されたビット線対BLi,/BLiとによって指定されたメモリセルMCからデータが読出される。センスアンプ8iは、ビット線BLiまたはビット線/BLiに読出された読出データを増幅し、その増幅した読出データを入出力回路80へ出力する。入出力回路80は、センスアンプ8iからの読出データを入出力端子DQへ出力する。これによって、メモリセルMCからのデータの読出動作が終了する。
【0133】
なお、この発明は、Hデータを保持する第1の容量素子と、Lデータを保持する第2の容量素子とを含むメモリセルを備える半導体記憶装置であればよい。
【0134】
実施の形態1によれば、半導体記憶装置は、Hデータに対応する電荷を保持する第1の素子と、Lデータに対応する電荷を保持する第2の素子とを含むメモリセルを備えるので、HデータおよびLデータのいずれのデータをメモリセルから読出す場合にもビット線対間に十分な電位差を得ることができる。
【0135】
また、メモリセルにおけるデータの保持時間を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くでき、単位時間当りのリフレッシュ回数を大幅に減少できる。その結果、消費電力を大幅に減少できる。
【0136】
[実施の形態2]
図13を参照して、実施の形態2による半導体記憶装置100Aは、半導体記憶装置100の電圧発生回路110を電圧発生回路110Aに代えたものであり、その他は、半導体記憶装置100と同じである。
【0137】
半導体記憶装置100Aにおいては、信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力され、制御信号バッファ20は、信号TN0〜TN7をバッファリングして制御回路30へ出力する。そして、制御回路30は、制御信号バッファ20からの信号TN0〜TN7を電圧発生回路110Aへ出力する。
【0138】
電圧発生回路110Aは、信号TN0〜TN7の論理レベルに応じて、電圧レベルを変化させたセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。そして、セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルを変化させた場合のデータ保持時間が測定され、データ保持時間が最も長くなる論理パターンを有する信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力される。
【0139】
そうすると、電圧発生回路110Aは、データ保持時間が最も長くなる論理パターンを有する信号TN0〜TN7に応じて、データ保持時間が最も長くなるセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2を発生し、その発生したセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2をメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0140】
図14を参照して、電圧発生回路110Aは、VCP_H電圧発生回路111と、VCP_L電圧発生回路112とを含む。
【0141】
VCP_H電圧発生回路111は、信号TN0〜TN7を制御回路30から受け、その受けた信号TN0〜TN7の論理レベルに応じた電圧レベルを有するセルプレート電圧VCP_Hを発生する。そして、VCP_H電圧発生回路111は、発生したセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0142】
また、VCP_H電圧発生回路111は、データ保持時間が最長となる論理パターンを有する信号TN0〜TN7を制御回路30から受けると、データ保持時間が最長となるセルプレート電圧VCP_HOPTを発生し、その発生したセルプレート電圧VHOPT1をメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0143】
VCP_L電圧発生回路112は、信号TN0〜TN7を制御回路30から受け、その受けた信号TN0〜TN7の論理レベルに応じた電圧レベルを有するセルプレート電圧VCP_Lを発生する。そして、VCP_L電圧発生回路112は、発生したセルプレート電圧VCP_Lをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0144】
また、VCP_L電圧発生回路112は、データ保持時間が最長となる論理パターンを有する信号TN0〜TN7を制御回路30から受けると、データ保持時間が最長となるセルプレート電圧VLOPT2を発生し、その発生したセルプレート電圧VLOPT2をメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0145】
図15を参照して、VCP_H電圧発生回路111およびVCP_L電圧発生回路112の各々は、PチャネルMOSトランジスタ113〜116,122,128と、NチャネルMOSトランジスタ121,123〜127と、インバータ117〜120とを含む。
【0146】
PチャネルMOSトランジスタ113〜116は、電源ノードNVCとノードN2との間に並列に接続される。PチャネルMOSトランジスタ113は、インバータ117の出力信号をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ114は、インバータ118の出力信号をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ115は、インバータ119の出力信号をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ116は、インバータ120の出力信号をゲート端子に受ける。
【0147】
インバータ117〜120は、それぞれ、PチャネルMOSトランジスタ113〜116に対応して設けられる。インバータ117は、制御回路30からの信号TN7を反転し、その反転した信号をPチャネルMOSトランジスタ113のゲート端子へ出力する。インバータ118は、制御回路30からの信号TN6を反転し、その反転した信号をPチャネルMOSトランジスタ114のゲート端子へ出力する。インバータ119は、制御回路30からの信号TN5を反転し、その反転した信号をPチャネルMOSトランジスタ115のゲート端子へ出力する。インバータ120は、制御回路30からの信号TN4を反転し、その反転した信号をPチャネルMOSトランジスタ116のゲート端子へ出力する。
【0148】
NチャネルMOSトランジスタ121およびPチャネルMOSトランジスタ122は、ノードN2とノードN4との間に直列にダイオード接続される。
【0149】
NチャネルMOSトランジスタ123〜126は、ノードN4と接地ノードGNDとの間に並列に接続される。NチャネルMOSトランジスタ123は、制御回路30からの信号TN3をゲート端子に受ける。NチャネルMOSトランジスタ124は、制御回路30からの信号TN2をゲート端子に受ける。NチャネルMOSトランジスタ125は、制御回路30からの信号TN1をゲート端子に受ける。NチャネルMOSトランジスタ126は、制御回路30からの信号TN0をゲート端子に受ける。
【0150】
NチャネルMOSトランジスタ127およびPチャネルMOSトランジスタ128は、電源ノードNVCと接地ノードGNDとの間に直列に接続される。NチャネルMOSトランジスタ127は、ノードN2上の電圧をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ128は、ノードN4上の電圧をゲート端子に受ける。
【0151】
PチャネルMOSトランジスタ113〜116のチャネル抵抗値をそれぞれRP1〜RP4とすると、RP1>>RP2>>RP3>>RP4の関係が成立する。また、NチャネルMOSトランジスタ123〜126のチャネル抵抗値をそれぞれRN1〜RN4とすると、RN1>>RN2>>RN3>>RN4の関係が成立する。そして、チャネル抵抗値RP1は、チャネル抵抗値RN1と同程度であり、チャネル抵抗値RP2は、チャネル抵抗値RN2と同程度であり、チャネル抵抗値RP3は、チャネル抵抗値RN3と同程度であり、チャネル抵抗値RP4は、チャネル抵抗値RN4と同程度である。また、これらのチャネル抵抗値RP1〜RP4,RN1〜RN4は、NチャネルMOSトランジスタ121およびPチャネルMOSトランジスタ122のオン抵抗値に比べ十分に大きい。
【0152】
VCP_H電圧発生回路111は、たとえば、Hレベルの信号TN3,TN7およびLレベルの信号TN0〜TN2,TN4〜TN6を受けると、インバータ117は、Hレベルの信号TN7を反転してLレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ113のゲート端子へ出力し、インバータ118は、Lレベルの信号TN6を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ114のゲート端子へ出力し、インバータ119は、Lレベルの信号TN5を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ115のゲート端子へ出力し、インバータ120は、Lレベルの信号TN4を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ116のゲート端子へ出力する。
【0153】
そうすると、PチャネルMOSトランジスタ113およびNチャネルMOSトランジスタ123はオンされ、PチャネルMOSトランジスタ114〜116およびNチャネルMOSトランジスタ124〜126はオフされる。そして、PチャネルMOSトランジスタ113およびNチャネルMOSトランジスタ123はチャネル抵抗として機能し、チャネル抵抗値RP1,RN1はNチャネルMOSトランジスタ121およびPチャネルMOSトランジスタ122のオン抵抗よりも十分に大きいため、ノードN3上の電圧は、電源電圧Vccを2分の1に分圧したVcc/2になる。そうすると、ノードN2上の電圧は、電圧Vcc/2+Vthnになり、ノードN4上の電圧は、電圧Vcc/2−Vthpになる。そして、NチャネルMOSトランジスタ127は、ノードN2上の電圧Vcc/2+Vthnをゲート端子に受け、PチャネルMOSトランジスタ128は、ノードN4上の電圧Vcc/2−Vthpを受ける。その結果、ノードN5上の電圧は電圧Vcc/2になる。つまり、この場合、VCP_H電圧発生回路111は、電圧Vcc/2からなるセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。そして、出力電圧としてのセルプレート電圧VCP_Hの電圧レベルが変動しようとしても、NチャネルMOSトランジスタ127およびPチャネルMOSトランジスタ128のいずれかがオンされ、セルプレート電圧VCP_Hの電圧変動が抑えられる。
【0154】
また、VCP_H電圧発生回路111は、Hレベルの信号TN3,TN4と、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7とを受けると、インバータ117は、Lレベルの信号TN7を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ113のゲート端子へ出力し、インバータ118は、Lレベルの信号TN6を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ114のゲート端子へ出力し、インバータ119は、Lレベルの信号TN5を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ115のゲート端子へ出力し、インバータ120は、Hレベルの信号TN4を反転してLレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ116のゲート端子へ出力する。
【0155】
そうすると、PチャネルMOSトランジスタ113〜115およびNチャネルMOSトランジスタ124〜126がオフされ、PチャネルMOSトランジスタ116およびNチャネルMOSトランジスタ123がオンされる。この場合、PチャネルMOSトランジスタ116は、最も小さいチャネル抵抗値RP4を有し、NチャネルMOSトランジスタ123は最も大きいチャネル抵抗値RN1を有するので、ノードN3上の電圧はVcc−Vthnに近づく。その結果、ノードN5上の電圧は、Vcc−Vthnに近づき、VCP_H電圧発生回路111は、電圧Vcc−Vthnからなるセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0156】
このように、VCP_H電圧発生回路111は、信号TN0〜TN7の論理パターンに応じて、電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Hを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0157】
なお、セルプレート電圧VCP_HはメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ3のソース端子およびドレイン端子に印加されるので、メモリセルMCに書込まれたLデータを十分に保持し、かつ、読出時にビット線対BLi,/BLi間に十分な電位差を生じさせるためには、セルプレート電圧VCP_Hの電圧レベルは、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2よりも高いことが必要である。したがって、セルプレート電圧VCP_Hの電圧レベルを最適化する場合、VCP_H電圧発生回路111は、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲において電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Hを発生する。
【0158】
つまり、Lレベルに固定された信号TN0〜TN2と、Hレベルに固定された信号TN3と、論理レベルが随時変化された信号TN4〜TN7とが半導体記憶装置100Aに入力される。そして、VCP_H電圧発生回路111は、PチャネルMOSトランジスタ113〜116のいずれかと、NチャネルMOSトランジスタ123とにより電源電圧Vccを分圧して、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲において電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Hを発生する。
【0159】
VCP_L電圧発生回路112は、上述したVCP_H電圧発生回路111と同じ動作により、信号TN0〜TN7の論理パターンに応じて電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Lを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_Lをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0160】
なお、セルプレート電圧VCP_Lは、メモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ2のゲート端子に印加されるので、メモリセルMCに書込まれたHデータを十分に保持し、かつ、読出時にビット線対BLi,/BLi間に十分な電位差を生じさせるためには、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2よりも低いことが必要である。したがって、セルプレート電圧VCP_Lの電圧レベルを最適化する場合、VCP_L電圧発生回路112は、接地電圧GND〜プリチャージ電圧Vcc/2の範囲において電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Lを発生する。
【0161】
つまり、Lレベルに固定された信号TN4〜TN6と、Hレベルに固定された信号TN7と、論理レベルが随時変化された信号TN0〜TN3とが半導体記憶装置100Aに入力される。そして、VCP_L電圧発生回路112は、PチャネルMOSトランジスタ113と、NチャネルMOSトランジスタ123〜126のいずれかとにより電源電圧Vccを分圧して、接地電圧GND〜プリチャージ電圧Vcc/2の範囲において電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Lを発生する。
【0162】
図16を参照して、電圧発生回路110Aが発生するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルを最適化する動作について説明する。
【0163】
なお、VCP_H電圧発生回路111は、PチャネルMOSトランジスタ116,115,114,113とNチャネルMOSトランジスタ123とによって、それぞれ、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲で電圧レベルVP1,VP2,VP3,VP4(VP1>VP2>VP3>VP4)を有するセルプレート電圧VCP_Hを発生し、VCP_L電圧発生回路112は、PチャネルMOSトランジスタ113とNチャネルMOSトランジスタ123〜126とによって、それぞれ、接地電圧GND〜プリチャージ電圧Vcc/2の範囲で電圧レベルVN1,VN2,VN3,VN4(VN1>VN2>VN3>VN4)を有するセルプレート電圧VCP_Lを発生するものとする。
【0164】
セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルを最適化する動作がスタートすると、n=1に設定され(ステップS1)、電圧VPnからなるセルプレート電圧VCP_Hを発生するための信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力される(ステップS2)。より具体的には、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4が半導体記憶装置1001Aに入力される。
【0165】
そして、制御回路30は、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4をVCP_H電圧発生回路111へ出力する。そうすると、VCP_H電圧発生回路111においては、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4に応じてPチャネルMOSトランジスタ113〜115およびNチャネルMOSトランジスタ124〜126がオフされ、PチャネルMOSトランジスタ116およびNチャネルMOSトランジスタ123がオンされる。そして、VCP_H電圧発生回路111は、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲で最も高い電圧レベルVP1を有するセルプレート電圧VCP_Hを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する(ステップS3)。
【0166】
その後、電圧VNnからなるセルプレート電圧VCP_Lを発生するための信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力される(ステップS4)。より具体的には、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN4〜TN6およびHレベルの信号TN3,TN7が半導体記憶装置1001Aに入力される。
【0167】
そして、制御回路30は、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN4〜TN6およびHレベルの信号TN3,TN7をVCP_L電圧発生回路112へ出力する。そうすると、VCP_L電圧発生回路112においては、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN4〜TN6およびHレベルの信号TN3,TN7に応じてPチャネルMOSトランジスタ114〜116およびNチャネルMOSトランジスタ124〜126がオフされ、PチャネルMOSトランジスタ113およびNチャネルMOSトランジスタ123がオンされる。そして、VCP_L電圧発生回路112は、接地電圧GND〜プリチャージ電圧Vcc/2の範囲で最も高い電圧レベルVN1を有するセルプレート電圧VCP_Lを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_Lをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する(ステップS5)。
【0168】
そうすると、実施の形態1において説明した動作に従って、書込データがメモリセルMCに書込まれる(ステップS6)。そして、保持時間を変えて書込データがメモリセルMCから読出される(ステップS7)。その後、読出データが書込データに一致する最長の保持時間THLDnが検出され(ステップS8)、保持時間THLDnに対応するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lが検出される(ステップS9)。
【0169】
そして、n=4か否かが判断され(ステップS10)、n=4でないとき、n=n+1が演算される(ステップS11)。その後、ステップS2〜S10が繰返し行なわれる。つまり、VCP_H電圧発生回路111は、電圧レベルVP2を有するセルプレート電圧VCP_Hを発生してメモリセルMCに供給し、VCP_L電圧発生回路112は、電圧レベルVN2を有するセルプレート電圧VCP_Lを発生してメモリセルMCに供給して、最長な保持時間THLD2と、保持時間THLD2に対応するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルVPn,VNnが検出される。そして、ステップS2〜S10は、n=4になるまで繰返し行なわれる。
【0170】
一方、ステップS10において、n=4であるとき(ステップS10)、セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの各電圧レベルにおける最長保持時間THLD1〜THLD4の中から最長の保持時間THLDoptが検出され(ステップS12)、保持時間THLDoptに対応するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルVPopt,VNoptが検出される(ステップS13)。その後、電圧レベルVPopt,VNoptを有するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lを発生するための論理パターンを有する信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力され、電圧発生回路110Aは、保持時間が最長となるセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2を発生してメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する(ステップS14)。
【0171】
たとえば、電圧レベルVPopt=VP1および電圧レベルVNopt=VN4であるとき、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4が半導体記憶装置100Aに入力され、VCP_H電圧発生回路111は、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4に応じて、PチャネルMOSトランジスタ116およびNチャネルMOSトランジスタ123によって電圧レベルVP1を有するセルプレート電圧VHOPT1を発生してメモリセルアレイ90の各メモリセルMCに供給する。
【0172】
そして、次に、LレベルのTN1〜TN6およびHレベルのTN0,TN7が半導体記憶装置100Aに入力され、VCP_L電圧発生回路112は、Lレベルの信号TN1〜TN6およびHレベルの信号TN0,TN7に応じて、PチャネルMOSトランジスタ113およびNチャネルMOSトランジスタ126によって電圧レベルVN4を有するセルプレート電圧VLOPT2を発生してメモリセルアレイ90の各メモリセルMCに供給する。これによって、セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lを最適化する動作が終了する。
【0173】
なお、最適化されたセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2が決定されたとき、その最適化されたセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2を発生するための信号TN0〜TN7の論理パターンが半導体記憶装置100Aに設定されるが、実際には、フューズ等を切断することにより、最適化されたセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2を発生するための信号TN0〜TN7の論理パターンが固定される。
【0174】
また、VCP_H電圧発生回路111およびVCP_L電圧発生回路112の各々は、信号TN0〜TN7の論理レベルに応じて、電圧レベルの異なる複数の電圧から1つの電圧を選択してメモリセルMCに供給する回路として把握することも可能である。つまり、VCP_H電圧発生回路111は、信号TN0〜TN7の論理パターンを変化させることによって、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲で電圧レベルを階段的に変化させた4種類の電圧を発生し、その発生した4種類の電圧の中から最適化された1つのセルプレート電圧VCP_Hを選択して各メモリセルMCへ供給する。VCP_L電圧発生回路112についても同じである。
【0175】
さらに、PチャネルMOSトランジスタ113〜116のいずれか1つのPチャネルMOSトランジスタと、NチャネルMOSトランジスタ123〜126のいずれか1つのNチャネルMOSトランジスタとは、電源電圧Vccを分圧する分圧回路を構成する。
【0176】
その他は、実施の形態1と同じである。
なお、上述した実施の形態1,2においては、非同期型のDRAMを例にして説明したが、この発明は、これに限られず、DDR−SDRAM(DoubleData Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)等の同期型DRAM(SDRAM)にも適用可能である。
【0177】
実施の形態2によれば、半導体記憶装置は、電圧レベルが異なる複数の電圧を発生し、その発生した複数の電圧の中からデータ保持時間が最長となる電圧をセルプレート電圧として設定可能な電圧発生回路を備えるので、単位時間当りのリフレッシュ回数を最小にできる。その結果、消費電力を最小にできる。
【0178】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0179】
【発明の効果】
この発明によれば、半導体記憶装置は、Hデータに対応する電荷を保持する第1の素子と、Lデータに対応する電荷を保持する第2の素子とを含むメモリセルを備えるので、HデータおよびLデータのいずれのデータをメモリセルから読出す場合にもビット線対間に十分な電位差を得ることができる。
【0180】
また、メモリセルにおけるデータの保持時間を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くでき、単位時間当りのリフレッシュ回数を大幅に減少できる。その結果、消費電力を大幅に減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1による半導体記憶装置の概略ブロック図である。
【図2】図1に示すメモリセルの回路図である。
【図3】図1に示すメモリセルの平面図である。
【図4】図3に示す1つのメモリセルの領域における断面図である。
【図5】メモリセルの断面図である。
【図6】メモリセルの断面図である。
【図7】メモリセルの断面図である。
【図8】メモリセルの断面図である。
【図9】HデータおよびLデータの保持特性を示す図である。
【図10】Lデータの読出時の電位差を示す図である。
【図11】2セル/ビット構成のメモリセルアレイの配線図である。
【図12】図1に示すメモリセルアレイの配線図である。
【図13】実施の形態2による半導体記憶装置の概略ブロック図である。
【図14】図13に示す電圧発生回路のブロック図である。
【図15】図14に示すVCP_H電圧発生回路およびVCP_L電圧発生回路の回路図である。
【図16】セルプレート電圧の最適化を説明するためのフローチャートである。
【図17】従来のプレーナ型のメモリセルの回路図である。
【図18】従来のプレーナ型のメモリセルの平面図である。
【図19】従来のプレーナ型のメモリセルの断面図である。
【図20】従来のプレーナ型のメモリセルの断面図である。
【図21】従来のプレーナ型のメモリセルの断面図である。
【図22】センスアンプの回路図である。
【図23】センスアンプの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図24】従来のプレーナ型のメモリセルにおけるHデータの読出時の電位差を示す図である。
【図25】従来のプレーナ型のメモリセルにおけるLデータの読出時の電位差を示す図である。
【図26】従来のプレーナ型のメモリセルの断面図である。
【図27】従来のプレーナ型のメモリセルにおけるデータの保持特性を示す図である。
【符号の説明】
1〜3,113〜116,122,128,201,202,227〜229PチャネルMOSトランジスタ、5〜7 配線、8,205〜207 セルプレート、9,203,204 活性化領域、10 アドレスバッファ、11,210 領域、12,220 P型シリコン基板、13,221 Nウェル、14〜16,222,223 P+拡散層、17〜19,225 ゲート、20 制御信号バッファ、21,22,226 反転層、23〜26,24a,26a,208,209 コンタクト、27,28,32,35,233 ゲートリーク電流、29,31,33,34 矢印、30 制御回路、40 ロウデコーダ、50 ワード線ドライバ、70 コラムデコーダ、80 入出力回路、81〜8m センスアンプ、90 メモリセルアレイ、91〜9m イコライズ回路、100,100A 半導体記憶装置、110,110A 電圧発生回路、111 VCP_H電圧発生回路、112 VCP_L電圧発生回路、117〜120 インバータ、121,123〜127,230〜232 NチャネルMOSトランジスタ、200 メモリセル、208A 絶縁部分、234 接合リーク電流。
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体記憶装置に関し、特に、リフレッシュサイクルが長く、かつ、メモリセルからの読出データを正確に増幅可能な半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
システムLSI(Large Scale Integration)においてオンチップで大規模メモリを搭載しようとする場合、コストを低く抑え、かつ、ロジック回路の性能を低下させないように、メモリ部分もCMOS(Complementary MOS)ロジックプロセスで作製することが求められる。
【0003】
CMOSロジックプロセスを用いて作製可能なメモリとしてSRAM(Static Random Access Memory)がある。しかし、このSRAMを大容量化するに当たっては、様々な問題がある。
【0004】
まず、SRAMにおけるメモリセルをCMOSで作製した場合、1つのメモリセルを構成するために6個のトランジスタを必要とするため、1つのメモリセルの占有面積が大きい。このため、容量を大きくすると、システムチップ全体の面積が大きくなり、コストの増大および歩留まりの低下を生じる。
【0005】
また、CMOSプロセスの微細化に伴い、メモリセルを構成するトランジスタのオフリーク電流も無視できないものになっており、スタンバイ電流の増大を避けることができない。
【0006】
このような問題点に鑑みて、CMOSロジックプロセスを用いて作製できるプレーナ型DRAM(Dynamic Random Access Memory)が用いられる場合がある。プレーナ型DRAMは、SRAMに比べて面積が小さく、かつ、周期的に必要なリフレッシュ電流を考えても、スタンバイ電流をSRAMよりも低く抑えることができる点で非常に有用である。
【0007】
図17を参照して、プレーナ型DRAMにおけるメモリセル200は、PチャネルMOSトランジスタ201,202からなる。PチャネルMOSトランジスタ201は、ビット線BLi(i:0≦i≦mを満たす自然数、m:自然数)とノードNSとの間に接続される。そして、PチャネルMOSトランジスタ201は、そのゲート端子がワード線WLj(j:0≦j≦nを満たす自然数、n:自然数)に接続される。
【0008】
PチャネルMOSトランジスタ202は、ソース端子およびドレイン端子がノードNSに接続され、接地電圧GNDからなるセルプレート電圧VCPをゲート端子に受ける。
【0009】
ワード線WLj上の電圧は、スタンバイ時、電源電圧Vccであり、活性化時、接地電圧GNDである。
【0010】
したがって、ワード線WLjが活性化されると、PチャネルMOSトランジスタ201はオンされ、データがPチャネルMOSトランジスタ201を介してPチャネルMOSトランジスタ202のチャネル領域に、すなわち、ノードNSに入出力される。
【0011】
図18は、プレーナ型DRAMのメモリセルのレイアウトを示す。図18を参照して、活性化領域203,204が紙面奥側に形成され、活性化領域203の上にセルプレート205およびワード線WLj−1,WLjが形成され、活性化領域203,204の両方の領域上にセルプレート206が形成され、活性化領域204の上にセルプレート207およびワード線WLj+1,WLj+2が形成される。また、ワード線WLj−1〜WLj+2に直交する方向にビット線対BLi,/BLiが形成される。さらに、ビット線BLiをワード線WLjの下側に形成されたトランジスタのソース端子に接続するためのコンタクト208がワード線WLj−1とワード線WLjとの間に形成される。さらに、ビット線/BLiをワード線WLj+1の下側に形成されたトランジスタのソース端子に接続するためのコンタクト209がワード線WLj+1とワード線WLj+2との間に形成される。
【0012】
図19は、図18における領域210の断面図を示す。図19を参照して、p型シリコン基板220の表面層にNウェル221が形成される。そして、Nウェル221の一部にP+拡散層222,223が形成される。P+拡散層222とP+拡散層223との間のNウェル221上にゲート224が形成され、ゲート224上にワード線WLjが形成される。
【0013】
また、P+拡散層223に隣接する領域のNウェル221上にゲート225が形成され、ゲート225上にセルプレート204が形成される。コンタクト208は、P+拡散層222上に形成され、ビット線BLiをP+拡散層222に接続する。絶縁部分208Aは、ゲート225に隣接する領域のNウェル221に形成される。そして、絶縁部分208Aは、素子分離のために用いられる。
【0014】
P+拡散層222,223およびゲート224は、PチャネルMOSトランジスタ201を構成し、P+拡散層223およびゲート225は、PチャネルMOSトランジスタ202を構成する。
【0015】
セルプレート204は、接地電圧GNDからなるセルプレート電圧VCPが印加されるので、Hデータの書き込みが行なわれ、正電荷が蓄えられる場合、セルプレート204の下側のNウェル221の表面に反転層226が形成される。
【0016】
図20を参照して、Hデータの書込動作について説明する。なお、「Hデータ」は、データの書込時の電圧が高いことを意味する。ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjが活性化されると、PチャネルMOSトランジスタ201がオンされる。そして、ビット線BLi上のHデータを構成する正電荷は、コンタクト208、P+拡散層222およびチャネル領域を介してP+拡散層223に流れる。そして、接地電圧GNDがセルプレート204に印加されているため、P+拡散層223とセルプレート204との間に十分な電位差が存在し、P+拡散層223からPチャネルMOSトランジスタ202のチャネル領域へ多くの正電荷が流れ込む。その結果、PチャネルMOSトランジスタ202のチャネル領域に反転層226が形成される。したがって、Hデータは、プレーナ型のメモリセルに容易に書込まれる。そして、Hデータをメモリセルに書込んだ場合、メモリセルにおけるセル容量は大きい。
【0017】
図21を参照してLデータの書込動作について説明する。なお、「Lデータ」は、データの書込時の電圧が低いことを意味する。ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjが活性化されると、PチャネルMOSトランジスタ201がオンされる。そして、ビット線BLi上のLデータを構成する負電荷は、コンタクト208を介してP+拡散層222に流れる。そして、P+拡散層222に流れ込んだ負電荷は、PチャネルMOSトランジスタ201におけるしきい値損失のためにPチャネルMOSトランジスタ201のチャネル領域を介してP+拡散層223に十分に流れ込まない。そして、セルプレート204に印加されている電圧は接地電圧GNDであるため、P+拡散層223とセルプレート204との間に十分な電位差が生じず、P+拡散層223からPチャネルMOSトランジスタ202のチャネル領域に流れ込む負電荷は少ない。その結果、セルプレート204の下側のNウェル221の表面に反転層226は形成されない。このように、Lデータをメモリセルに書込んだ場合、メモリセルにおけるセル容量は非常に小さい。
【0018】
次に、プレーナ型のメモリセルからのデータの読出動作について説明する。読出動作の直前に、ビット線対BLi,/BLiは、プリチャージ電圧Vcc/2にプリチャージされる。ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjが活性化されると、PチャネルMOSトランジスタ201がオンされる。そして、PチャネルMOSトランジスタ202に保持されていた電荷は、PチャネルMOSトランジスタ201およびコンタクト208を介してビット線BLiに流れ、ビット線BLi上の電圧は、読出データの論理レベルに応じてプリチャージ電圧Vcc/2からわずかに変化する。
【0019】
すなわち、メモリセルにHデータが書込まれていた場合、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2+ΔVに変化し、メモリセルにLデータが書込まれていた場合、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2−ΔVに変化する。
【0020】
そして、ビット線BLiに読出された読出データは、センスアンプSAによって増幅される。図22を参照して、センスアンプSAは、PチャネルMOSトランジスタ227〜229と、NチャネルMOSトランジスタ230〜232とを含む。PチャネルMOSトランジスタ227は、電源ノードNVCとノードN5との間に接続される。そして、PチャネルMOSトランジスタ227は、そのゲート端子に信号/S0Pを受ける。
【0021】
PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、ノードN5とノードN8との間に直列に接続される。PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231は、ノードN5とノードN8との間に直列に接続される。PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231に対して並列に接続される。
【0022】
PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、ノードN7上の電圧をゲート端子に受ける。また、PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231は、ノードN6上の電圧をゲート端子に受ける。
【0023】
NチャネルMOSトランジスタ232は、ノードN8と接地ノードGNDとの間に接続される。そして、NチャネルMOSトランジスタ232は、そのゲート端子に信号S0Nを受ける。ビット線BLiは、PチャネルMOSトランジスタ238とNチャネルMOSトランジスタ230との間のノードN6に接続される。ビット線/BLiは、PチャネルMOSトランジスタ229とNチャネルMOSトランジスタ231との間のノードN7に接続される。
【0024】
センスアンプSAは、Lレベルの信号/S0PおよびHレベルの信号S0Nを受けると活性化する。
【0025】
図23を参照して、センスアンプSAの動作について説明する。メモリセルからデータを読出す前、ビット線対BLi,/BLiは、プリチャージ電圧Vcc/2にプリチャージされている。ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjが活性化されると、Hデータがメモリセルからビット線BLiに読出される。そして、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2+ΔVに変化する。この場合、ビット線/BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2のままである。
【0026】
そうすると、センスアンプSAにおいて、PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231は、そのゲート端子に電圧Vcc/2+ΔVを受け、PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、そのゲート端子にプリチャージ電圧Vcc/2を受ける。
【0027】
PチャネルMOSトランジスタ228は、PチャネルMOSトランジスタ229よりも低い電圧をゲート端子に受けるので、PチャネルMOSトランジスタ228がオンされ、ノードN6上の電圧は電圧Vcc/2+ΔVから電源電圧Vccに上昇する。そうすると、PチャネルMOSトランジスタ229がオフされ、NチャネルMOSトランジスタ231がオンされ、ノードN7上の電圧はプリチャージ電圧Vcc/2から接地電圧GNDに低下する。そして、NチャネルMOSトランジスタ230はオフされる。
【0028】
このようにして、センスアンプSAは、ビット線BLi上の電圧を電圧Vcc/2+ΔVから電源電圧Vccに上昇させ、ビット線/BLi上の電圧をプリチャージ電圧Vcc/2から接地電圧GNDに低下させる。つまり、センスアンプSAは、ビット線BLiに読出されたHデータを増幅する。
【0029】
Lデータがメモリセルからビット線BLiに読出される場合、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2−ΔVに変化する。この場合、ビット線/BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2のままである。
【0030】
そうすると、センスアンプSAにおいて、PチャネルMOSトランジスタ229およびNチャネルMOSトランジスタ231は、そのゲート端子に電圧Vcc/2−ΔVを受け、PチャネルMOSトランジスタ228およびNチャネルMOSトランジスタ230は、そのゲート端子にプリチャージ電圧Vcc/2を受ける。
【0031】
PチャネルMOSトランジスタ229は、PチャネルMOSトランジスタ228よりも低い電圧をゲート端子に受けるので、PチャネルMOSトランジスタ229がオンされ、ノードN7上の電圧はプリチャージ電圧Vcc/2から電源電圧Vccに上昇する。そうすると、PチャネルMOSトランジスタ228がオフされ、NチャネルMOSトランジスタ230がオンされ、ノードN6上の電圧は電圧Vcc/2−ΔVから接地電圧GNDに低下する。そして、NチャネルMOSトランジスタ231はオフされる。
【0032】
このようにして、センスアンプSAは、ビット線BLi上の電圧を電圧Vcc/2−ΔVから接地電圧GNDに低下させ、ビット線/BLi上の電圧をプリチャージ電圧Vcc/2から電源電圧Vccに上昇させる。つまり、センスアンプSAは、ビット線BLiに読出されたLデータを増幅する。
【0033】
上述したように、プレーナ型のメモリセルから読出された読出データは、センスアンプSAにより増幅される。
【0034】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、センスアンプSAにおいて読出データを増幅できるのは、データがメモリセルからビット線BLi,/BLiのいずれかに読出された場合に、センスアンプSAにおいて増幅可能な電位差がビット線BLiとビット線/BLiとの間に生じている場合である。すなわち、メモリセルが、書込まれたデータに対応する電荷を保持している場合である。
【0035】
上述したように、Hデータをプレーナ型のメモリセルに書込むことは容易であり、Hデータが書込まれたメモリセルにおいてはセル容量が大きい。したがって、メモリセルからHデータを読出す場合、図24に示すようにセンスアンプSAにおける増幅可能な電位差ΔV0がビット線BLiとビット線/BLiとの間に生じる。
【0036】
しかし、Lデータをプレーナ型のメモリセルに書込むことは困難であり、Lデータが書込まれたメモリセルにおいてはセル容量が小さい。したがって、メモリセルからLデータを読出す場合、図25に示すようにセンスアンプSAにおける増幅が困難な電位差ΔV2がビット線BLiとビット線/BLiとの間に生じる。つまり、従来のプレーナ型のメモリセルにおいては、Lデータが書込まれた場合、確実なセンス動作に必要な電位差が得られないという問題が生じる。
【0037】
確実なセンス動作に必要な電位差が得られるようにLデータをプレーナ型のメモリセルに書込むには、PチャネルMOSトランジスタ201のゲート224に印加する電圧を接地電圧GND(0V)よりも低い−0.4V(PチャネルMOSトランジスタ201のしきい値電圧程度)に設定し、セルプレート204にも−0.4Vの電圧を印加する必要がある。
【0038】
しかし、このような、シリコン基板の接地電圧GNDよりも低い電圧(−0.4V)をツインウェル構造において使用するのは、困難であり、消費電力を増大させる要因にもなる。
【0039】
したがって、従来のプレーナ型のメモリセルにおいては、確実なセンス動作に必要な電位差を容易に得られないという問題があった。
【0040】
また、プレーナ型のメモリセルは、電荷量で情報を保持するが、リーク電流によって時間とともに、蓄積した電荷量は減少する。図26を参照して、リーク電流のうち、最も支配的なリーク電流は、ゲートリーク電流233であり、その次に支配的なリーク電流は、接合リーク電流234である。
【0041】
ゲートリーク電流233は、ゲート225を構成するゲート酸化膜が薄いことに起因する。そして、ゲートリーク電流233は、ストレージノードであるP+拡散層223からセルプレート204へ電荷が漏れることによって流れる。したがって、P+拡散層223にHデータに対応する電荷が蓄積されている場合、特に顕著になる。
【0042】
接合リーク電流234は、メモリセルの下側のNウェル221とストレージノードであるP+拡散層223との間に発生する逆方向接合電流である。そして、接合リーク電流234は、P+拡散層223にLデータに対応する電荷が蓄積される場合、特に顕著になる。
【0043】
したがって、ストレージノードであるP+拡散層223の電位変化は図27に示すようになる。図27を参照して、Hデータがメモリセルに書込まれた場合、P+拡散層223の電位は、最初、電源電圧Vccであり、十分に高い。そして、時間の経過とともに、ゲートリーク電流233が発生し、P+拡散層223の電位は急速に低下する。
【0044】
一方、Lデータがメモリセルに書込まれた場合、P+拡散層223の初期電位は、PチャネルMOSトランジスタ201のしきい値電圧Vthp分だけ上昇した電位Vthpである。その後、時間の経過とともに接合リーク電流234が発生し、P+拡散層223の電位は上昇する。そして、P+拡散層223の電位は、ある程度上昇すると、ゲートリーク電流233が増大するため、その上昇は停止する。
【0045】
このように、プレーナ型のメモリセルにおいては、ゲートリーク電流233が大きく、Hデータの劣化の度合いがデータ保持時間を決定しており、リフレッシュ動作を頻繁に行なう必要があり、消費電力が増大するという問題が生じる。
【0046】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、リフレッシュサイクルが長く、かつ、メモリセルからの読出データを正確に増幅可能な半導体記憶装置を提供することである。
【0047】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によれば、半導体記憶装置は、複数のメモリセルと、周辺回路とを備える。複数のメモリセルは、行列状に配列される。周辺回路は、複数のメモリセルの各々にデータを入出力する。
【0048】
複数のメモリセルの各々は、データを記憶する容量素子を含み、容量素子は、第1および第2の素子からなる。第1および第2の素子は、書込データに対応する電荷が蓄積される。
【0049】
好ましくは、書込データは、第1および第2の書込データからなる。第1の素子は、第1の書込データが書込まれたとき、第1の書込データの読出に必要な容量を有し、第2の素子は、第2の書込データが書込まれたとき、第2の書込データの読出に必要な容量を有する。
【0050】
好ましくは、第1の素子は、ゲート端子が第1の電圧に固定され、チャネル領域に第1の書込データに対応する電荷を蓄積する第1のMOSトランジスタである。また、第2の素子は、チャネル領域が第2の電圧に固定され、第1のMOSトランジスタのチャネル領域に接続されたゲート端子に第2の書込データに対応する電荷を蓄積する第2のMOSトランジスタである。
【0051】
好ましくは、半導体記憶装置は、第1および第2の電圧発生回路をさらに備える。第1の電圧発生回路は、第1の電圧を発生し、その発生した第1の電圧を第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給する。第2の電圧発生回路は、第2の電圧を発生し、その発生した第2の電圧を第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する。
【0052】
好ましくは、第1の電圧は、第1のMOSトランジスタのチャネル領域における第1の電位が所定の電圧に漸近するように決定され、第2の電圧は、第2のMOSトランジスタのゲート端子における第2の電位が所定の電圧に漸近するように決定される。
【0053】
好ましくは、所定の電圧は、メモリセルに接続されたビット線対のプリチャージ電圧である。
【0054】
好ましくは、第1の電圧は、第1のMOSトランジスタのチャネル領域における電荷の保持時間が最長となる電圧であり、第2の電圧は、第2のMOSトランジスタのゲート端子における電荷の保持時間が最長になる電圧である。
【0055】
好ましくは、第1の電圧発生回路は、複数の電圧から第1の電圧を選択して第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給し、第2の電圧発生回路は、複数の電圧から第2の電圧を選択して第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する。
【0056】
好ましくは、第1の電圧発生回路は、第1のノードと、第1の分圧回路と、第1のドライバとを含む。第1のノードは、第1の電圧を第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給する。第1の分圧回路は、電源電圧を分圧して複数の第1および第2の分圧電圧を発生する。第1のドライバは、複数の第1および第2の分圧電圧に対応する複数の電圧を第1のノードに発生する。そして、第1の分圧回路は、第1のノードに第1の電圧を発生させるための第1および第2の特定電圧を第1のコマンド信号に応じて複数の第1および第2の分圧電圧から選択し、第1のドライバは、第1および第2の特定電圧に応じて第1のノードに第1の電圧を発生する。
【0057】
また、第2の電圧発生回路は、第2のノードと、第2の分圧回路と、第2のドライバとを含む。第2のノードは、第2の電圧を第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する。第2のノードは、電源電圧を分圧して複数の第3および第4の分圧電圧を発生する。第2のドライバは、複数の第3および第4の分圧電圧に対応する複数の電圧を第1のノードに発生する。そして、第2の分圧回路は、第2のノードに第2の電圧を発生させるための第3および第4の特定電圧を第2のコマンド信号に応じて複数の第3および第4の分圧電圧から選択し、第2のドライバは、第3および第4の特定電圧に応じて第2のノードに第2の電圧を発生する。
【0058】
この発明による半導体記憶装置においては、論理レベルが異なる第1および第2のデータは、それぞれ、第1および第2の容量素子に保持される。そして、第1の容量素子は、第2のデータを保持する第2の容量素子における電荷の減少を補充し、第2の容量素子は、第1のデータを保持する第1の容量素子における電荷の減少を補充する。
【0059】
したがって、この発明によれば、第1および第2のデータのいずれのデータをメモリセルから読出す場合にもビット線対間に十分な電位差を得ることができる。
【0060】
また、メモリセルにおけるデータの保持時間を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くでき、単位時間当りのリフレッシュ回数を大幅に減少できる。その結果、消費電力を大幅に減少できる。
【0061】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【0062】
[実施の形態1]
図1を参照して、実施の形態1による半導体記憶装置100は、アドレスバッファ10と、制御信号バッファ20と、制御回路30と、ロウデコーダ40と、ワード線ドライバ50と、コラムデコーダ70と、入出力回路80と、メモリセルアレイ90と、電圧発生回路110とを備える。半導体記憶装置100は、より具体的には、DRAMである。
【0063】
アドレスバッファ10は、アドレスA0〜Ak(kは自然数)を外部から受け、その受けたアドレスA0〜Akをバッファリングする。そして、アドレスバッファ10は、バッファリングしたアドレスA0〜Akを制御回路30へ出力する。
【0064】
制御信号バッファ20は、ロウアドレスストローブ信号/RAS、コラムアドレスストローブ信号/CAS、ライトイネーブル信号/WEおよび出力イネーブル信号/OE等の制御信号を受け、その受けたロウアドレスストローブ信号/RAS等の制御信号をバッファリングする。そして、制御信号バッファ20は、バッファリングしたロウアドレスストローブ信号/RAS等の制御信号を制御回路30へ出力する。
【0065】
制御回路30は、ロウアドレスストローブ信号/RASがHレベルからLレベルに切換わるタイミングでアドレスバッファ10から受けたアドレスA0〜Akをロウアドレスとしてロウデコーダ40へ出力する。
【0066】
また、制御回路30は、コラムアドレスストローブ信号/CASがHレベルからLレベルに切換わるタイミングでアドレスバッファ10から受けたアドレスA0〜Akをコラムアドレスとしてコラムデコーダ70へ出力する。
【0067】
さらに、制御回路30は、Lレベルのライトイネーブル信号/WEに基づいてデータの書込モードを認識し、Lレベルの出力イネーブル信号/OEに基づいてデータの読出モードを認識する。そして、制御回路30は、書込モードを認識すると、入出力端子DQからの書込データをセンスアンプ81〜8m(mは自然数)へ出力するように入出力回路80を制御する。また、制御回路30は、読出モードを認識すると、センスアンプ81〜8mによって増幅された読出データを入出力端子DQへ出力するように入出力回路80を制御する。
【0068】
さらに、制御回路30は、読出モードにおいてLレベルの信号/S0PおよびHレベルの信号S0Nを生成してセンスアンプ81〜8mへ出力する。
【0069】
ロウデコーダ40は、制御回路30からのロウアドレスをデコードし、そのデコードしたロウアドレスをワード線ドライバ50へ出力する。ワード線ドライバ50は、デコードされたロウアドレスによって指定されたワード線WLjを活性化する。より具体的には、ワード線ドライバ50は、ワード線WLj上の電圧を電源電圧Vccから接地電圧GNDへ低下させることによりワード線jを活性化する。
【0070】
コラムデコーダ70は、制御回路30からのコラムアドレスをデコードし、そのデコードしたコラムアドレスによって指定されたセンスアンプ8i(1≦i≦m)を選択するための選択信号SELiを出力してセンスアンプ8iを入出力回路80に接続する。
【0071】
入出力回路80は、入出力端子DQから受けた書込データをセンスアンプ8iへ出力し、センスアンプ8iから受けた読出データを入出力端子DQへ出力する。
【0072】
メモリセルアレイ90は、m×n(nは自然数)個のメモリセルMCと、複数のビット線対BL1,/BL1〜BLm,/BLmと、複数のワード線WL1〜WLnと、複数のセンスアンプ81〜8mと、複数のイコライズ回路91〜9mとを含む。
【0073】
m×n個のメモリセルMCは、行列状に配置される。複数のビット線対BL1,/BL1〜BLm,/BLmは、メモリセルアレイ90の列方向に配置される。複数のワード線WL1〜WLnは、メモリセルアレイ90の行方向に配置される。
【0074】
複数のセンスアンプ81〜8mは、複数のビット線対BL1,/BL1〜BLm,/BLmに対応して設けられる。そして、センスアンプ8iは、コラムデコーダ70によって入出力回路80と接続されると、入出力回路80から受けた書込データを対応するビット線対BLi,/BLiに書込む。また、センスアンプ8iは、コラムデコーダ70によって入出力回路80と接続されると、対応するビット線対BLi,/BLiから読出された読出データを増幅して入出力回路80へ出力する。
【0075】
複数のイコライズ回路91〜9mは、複数のビット線対BL1,/BL1〜BLm,/BLmに対応して設けられる。そして、複数のイコライズ回路91〜9mは、メモリセルMCへのデータの書込動作または読出動作の前に、それぞれ、対応するビット線対BLi,/BLiをプリチャージ電圧Vcc/2にプリチャージする。
【0076】
電圧発生回路110は、セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lをメモリセルアレイ90のm×n個のメモリセルMCへ供給する。セルプレート電圧VCP_Hは、電源電圧Vccからなり、セルプレート電圧VCP_Lは、接地電圧GNDからなる。
【0077】
図2を参照して、メモリセルMCは、PチャネルMOSトランジスタ1〜3からなる。PチャネルMOSトランジスタ1は、ビット線BLiとノードN1との間に接続され、ワード線WLj上の電圧をゲート端子に受ける。
【0078】
PチャネルMOSトランジスタ2は、そのソース端子およびドレイン端子がノードN1に接続され、電圧発生回路110からのセルプレート電圧VCP_Lをゲート端子に受ける。
【0079】
PチャネルMOSトランジスタ3は、そのゲート端子がノードN1に接続され、電圧発生回路110からのセルプレート電圧VCP_Hをソース端子およびドレイン端子に受ける。
【0080】
図3を参照して、メモリセルMCの平面的なレイアウトについて説明する。複数の活性化領域9,9,・・・,9,9が形成され、その上にゲート(図示せず)が形成される。そして、ゲートの上にワード線WLj−1,WLj、配線6およびセルプレート8が形成される。配線6は、PチャネルMOSトランジスタ2のゲート端子に印加されるセルプレート電圧VCP_Lを伝達するための配線である。
【0081】
さらに、ワード線WLj−1,WLjの上に、ワード線WLj−1,WLjに直交する方向に、ビット線BLi,/BLi、および配線5,7が形成される。配線5は、PチャネルMOSトランジスタ3のソース端子およびドレイン端子に印加されるセルプレート電圧VCP_Hを伝達するための配線である。また、配線7は、PチャネルMOSトランジスタ2のソース端子およびドレイン端子をPチャネルMOSトランジスタ3のゲート端子に接続するための配線である。
【0082】
さらに、コンタクト23〜26が形成される。コンタクト23は、ビット線BLiをPチャネルMOSトランジスタ1のソース端子に接続するためのコンタクトである。コンタクト24は、配線7をノードN1に接続するためのコンタクトである。コンタクト25は、配線7をPチャネルMOSトランジスタ3のセルプレート8に接続するためのコンタクトである。コンタクト26は、配線5をPチャネルMOSトランジスタ3のソース端子およびドレイン端子に接続するためのコンタクトである。
【0083】
図4を参照して、図3に示す領域11における断面構造について説明する。p型シリコン基板12の表面にNウェル13が形成される。そして、Nウェル13の表面に、P+拡散層14〜16が形成される。
【0084】
P+拡散層14とP+拡散層15との間にゲート17が形成され、ゲート17の上にワード線WLjが形成される。P+拡散層14は、コンタクト23によってビット線BLiに接続される。そして、P+拡散層14,15およびゲート17は、PチャネルMOSトランジスタ1を構成する。
【0085】
P+拡散層15とコンタクト24aとの間のNウェル13上にゲート18が形成され、そのゲート18の上に配線6が形成される。そして、配線6は、セルプレート電圧VCP_L(=接地電圧GND)を伝達するので、ゲート18の下には反転層21が形成される。P+拡散層15、コンタクト24aおよびゲート18は、PチャネルMOSトランジスタ2を構成する。コンタクト24は、P+拡散層15を配線7に接続する。なお、コンタクト24aは、図示しない方法によって配線7に接続される。
【0086】
P+拡散層16とコンタクト26aとの間のNウェル13上にゲート19が形成され、そのゲート19の上にセルプレート8が形成される。コンタクト25は、セルプレート8を配線7に接続する。P+拡散層15が負電位になると、コンタクト24、配線7およびコンタクト25を介してセルプレート8に負電位が印加される。したがって、この場合、ゲート19の下に反転層22が形成される。P+拡散層16、コンタクト26aおよびゲート19は、PチャネルMOSトランジスタ3を構成する。コンタクト26は、P+拡散層16を配線5に接続する。なお、コンタクト26aは、図示しない方法によって配線5に接続される。
【0087】
図5を参照して、メモリセルMCへのHデータの書込について説明する。データが書込まれる場合、ワード線WLj上の電圧は、電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、PチャネルMOSトランジスタ1がオンされる。
【0088】
そうすると、Hデータを構成する正電荷は、ビット線BLi、コンタクト23、P+拡散層14およびPチャネルMOSトランジスタ1のチャネル領域を介してP+拡散層15に蓄積される。
【0089】
接地電圧GNDからなるセルプレート電圧VCP_LがPチャネルMOSトランジスタ2のゲート18上の配線6に印加されているので、ゲート18の下に反転層21が形成され、P+拡散層15に蓄積された正電荷は反転層21に流入し、そこに保持される。そして、PチャネルMOSトランジスタ2においては、ゲート18を挟んで形成されるセル容量は、Hデータを保持するために十分な大きさを有する。
【0090】
P+拡散層15に正電荷が蓄積されると、PチャネルMOSトランジスタ3のセルプレート8は、コンタクト24、配線7およびコンタクト25を介して正電位が印加されるので、PチャネルMOSトランジスタ3においてゲート19の下に反転層は形成されない。
【0091】
このように、Hデータは、メモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ2において保持される。
【0092】
図6を参照して、メモリセルMCへのLデータの書込について説明する。この場合も、ワード線WLj上の電圧は、電源電圧Vccから接地電圧GNDへ変化し、PチャネルMOSトランジスタ1がオンされる。そうすると、Lデータを構成する負電荷は、ビット線BLi、コンタクト23、P+拡散層14およびPチャネルMOSトランジスタ1のチャネル領域を介してP+拡散層15に蓄積される。配線6は、接地電圧GNDからなるセルプレート電圧VCP_Lが印加されるので、P+拡散層15に蓄積される負電荷は、PチャネルMOSトランジスタ2のゲート18の下のチャネル領域に十分に流れ込まない。その結果、ゲート18の下にLデータを保持するために十分な反転層が形成されない。
【0093】
一方、P+拡散層16は、配線5およびコンタクト26を介して電源電圧Vccからなるセルプレート電圧VCP_Hが印加されているので、PチャネルMOSトランジスタ3のチャネル領域には、正電荷が流入しており、P+拡散層15に蓄積された負電荷は、コンタクト24、配線7およびコンタクト25を介してセルプレート8に流入し、反転層22がゲート19の下に形成される。そして、PチャネルMOSトランジスタ3においては、ゲート19を挟んで形成されるセル容量は、Lデータを保持するために十分な大きさを有する。
【0094】
このように、Lデータは、メモリセルMCのNチャネルMOSトランジスタ3のセルプレート8(ゲート端子)に保持される。
【0095】
図7〜図9を参照して、メモリセルMCに書込まれたHデータまたはLデータの保持について説明する。図7を参照して、HデータがメモリセルMCに書込まれた場合、Hデータを構成する正電荷は、上述したようにメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ2に保持される。そして、PチャネルMOSトランジスタ2においては、正電荷がP+拡散層15からゲート18を介して配線6へリークするゲートリーク電流27が支配的になり、PチャネルMOSトランジスタ2に保持された正電荷は減少する。
【0096】
しかし、電源電圧Vccからなるセルプレート電圧VCP_HがPチャネルMOSトランジスタ3のP+拡散層16に印加されているので、PチャネルMOSトランジスタ3においては、P+拡散層16からゲート19を介してセルプレート8へリークするゲートリーク電流28が支配的になる。そうすると、セルプレート8へリークしたゲートリーク電流28は、矢印29,31で示すように、コンタクト25、配線7およびコンタクト24を介してPチャネルMOSトランジスタ2のP+拡散層15に流入する。したがって、P+拡散層15に蓄積された正電荷は、ゲートリーク電流27によって減少しても、PチャネルMOSトランジスタ3において生じたゲートリーク電流28によって、その減少した一部が補充される。その結果、メモリセルMCに書込まれたHデータを構成する正電荷がメモリセルMCに保持される量は、ゲートリーク電流27によって減少する減少量と、ゲートリーク電流28によって補充される補充量との釣合いによって決定される。
【0097】
図8を参照して、LデータがメモリセルMCに書込まれた場合、Lデータを構成する負電荷は、上述したようにメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ3に保持される。そして、PチャネルMOSトランジスタ3においては、正電荷がP+拡散層16からゲート19を介してセルプレート8へリークするゲートリーク電流32が支配的になり、PチャネルMOSトランジスタ3のセルプレート8に保持された負電荷は減少する。
【0098】
しかし、セルプレート8へ流入したゲートリーク電流32は、矢印33,34によって示すように、コンタクト25、配線7およびコンタクト24を介してPチャネルMOSトランジスタ2のP+拡散層15に流入する。そして、P+拡散層15に流入する正電荷が増加すると、PチャネルMOSトランジスタ2においては、P+拡散層15からゲート18を介して配線6へリークするゲートリーク電流35が支配的になる。そうすると、P+拡散層15に流入した正電荷は減少する。これは、セルプレート8に蓄積された負電荷は、ゲートリーク電流32によって減少するが、その減少した一部はゲートリーク電流35が流れることにより補充されることを意味する。つまり、セルプレート8に流入する正電荷がゲートリーク電流32によって増加し、セルプレート8に蓄積された負電荷は減少するが、セルプレート8に流入した正電荷は、ゲートリーク電流35によって最終的にPチャネルMOSトランジスタ2の配線6に到達し、セルプレート8に蓄積された負電荷を相対的に増加させる。
【0099】
したがって、セルプレート8に蓄積された負電荷は、ゲートリーク電流32によって減少しても、PチャネルMOSトラジスタ2において生じたゲートリーク電流35によって、その減少した一部が補充される。その結果、メモリセルMCに書込まれたLデータを構成する負電荷がメモリセルMCに保持される量は、ゲートリーク電流32によって減少する減少量と、ゲートリーク電流35によって補充される補充量との釣合いによって決定される。
【0100】
上述したように、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおいては、HデータがメモリセルMCに書込まれた場合、HデータはPチャネルMOSトランジスタ2に保持され、PチャネルMOSトランジスタ3は、PチャネルMOSトランジスタ2におけるHデータを構成する正電荷の減少を補充する。また、LデータがメモリセルMCに書込まれた場合、LデータはPチャネルMOSトランジスタ3に保持され、PチャネルMOSトランジスタ2は、PチャネルMOSトランジスタ3におけるLデータを構成する負電荷の減少を補充する。
【0101】
このように、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおいては、HデータおよびLデータのいずれのデータが書込まれた場合にも、Hデータを構成する正電荷またはLデータを構成する負電荷は、それらが保持されるPチャネルMOSトランジスタと異なる他方のPチャネルMOSトランジスタにおいて生じたゲートリーク電流によって、その減少した一部が補充される。
【0102】
したがって、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCは、Hデータを構成する正電荷またはLデータを構成する負電荷を保持する第1の容量素子と、第1の容量素子における電荷の減少を補充する第2の容量素子とを含むことを特徴とする。
【0103】
図9を参照して、メモリセルMCに保持される正電荷または負電荷の経時変化について説明する。HデータがメモリセルMCに書込まれた場合、Hデータを構成する正電荷が蓄積されるストレージノード(P+拡散層15)の電位は、書込初期においては電源電圧Vccであり、その後、ゲートリーク電流27による低下とゲートリーク電流28による上昇とによって曲線k1のように変化し、最終的にビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に漸近する。
【0104】
また、LデータがメモリセルMCに書込まれた場合、Lデータを構成する負電荷が蓄積されるストレージノード(セルプレート8=P+拡散層15)の電位は、書込初期においては、PチャネルMOSトランジスタ1のしきい値電圧Vthpだけ高い電圧Vthpであり、その後、ゲートリーク電流32による上昇とゲートリーク電流35による減少とによって曲線k2のように変化し、最終的にビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に漸近する。
【0105】
このように、HデータまたはLデータをメモリセルMCに書込んだ場合、Hデータを構成する正電荷またはLデータを構成する負電荷は、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に漸近するように減少する。
【0106】
従来のプレーナ型のメモリセルにおいては、図27に示すように、メモリセルにLデータが書込まれた場合、ストレージノード上の電圧は、電圧Vthpから徐々に上昇し、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2よりも低い電圧に漸近するが、メモリセルにHデータが書込まれた場合、ストレージノード上の電圧は、電源電圧Vccから急速に低下し、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2よりも低い電圧に漸近する。その結果、リフレッシュの間隔を短くしないと、メモリセルからHデータを正確に読出すことができない。
【0107】
これに対して、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおいては、HデータまたはLデータのいずれのデータをメモリセルMCに書込んだ場合にも、ストレージノード(P+拡散層15)上の電圧は、書込当初の電圧からビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に徐々に漸近するように変化する。そして、リフレッシュが必要となる時間は、ストレージノード(P+拡散層15)上の電圧がビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2に対して十分な電位差を持っているか否かによって決定されるので、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおけるリフレッシュの間隔は、従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くなる。つまり、単位時間当りのリフレッシュ回数を大幅に減少でき、消費電力も大幅に減少できる。
【0108】
センスアンプ81〜8mの各々は、図22に示す従来のセンスアンプSAと同じ回路構成からなる。そして、メモリセルMCへ書込まれたHデータが読出され、センスアンプ8i(センスアンプ81〜8mのいずれか)によって増幅される場合、図24を参照して説明したように、従来のプレーナ型のメモリセルと同様に、ビット線BLiとビット線/BLiとの電位差は、読出したHデータをセンスアンプ8iによって増幅するのに十分な電位差ΔV0である。
【0109】
また、メモリセルMCに書込まれたLデータが読出され、センスアンプ8iによって増幅される場合、図10に示すように、ビット線BLiとビット線/BLiとの電位差は、読出したLデータをセンスアンプ8iによって増幅するのに十分な電位差ΔV1である。すなわち、LデータがメモリセルMCから読出される場合、ワード線WLj上の電圧が電源電圧Vccから接地電圧GNDへ低下し、ワード線WLjが活性化されると、メモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ1がオンされ、ビット線BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2から電圧Vcc/2−ΔV1に低下し、ビット線/BLi上の電圧は、プリチャージ電圧Vcc/2のままである。したがって、センスアンプ8iに入力されるビット線BLi上の電圧とビット線/BLi上の電圧との電位差は、ΔV1となり、センスアンプ8iは、ビット線BLi上の電圧を電圧Vcc/2−ΔV1から接地電圧GNDへ低下し、ビット線/BLi上の電圧をプリチャージ電圧Vcc/2から電源電圧Vccへ上昇して、ビット線BLiとビット線/BLiとの間の電位差ΔV1を電位差Vccまで増幅する。
【0110】
このように、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCは、読出したLデータをセンスアンプ8iにおいて増幅するために必要な電位差を保持する。
【0111】
従来のプレーナ型のメモリセルにおいては、Lデータをメモリセルに十分に書込むことができないため、Lデータをメモリセルから読出した場合、ビット線BLiとビット線/BLiとの電位差は、図25に示すようにΔV2であり、センスアンプSAにより正確に増幅することが困難である。
【0112】
しかし、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCの場合、上述したように、Lデータをメモリセルから読出す場合にも、センスアンプ8iによる増幅が可能な電位差ΔV1がビット線BLiとビット線/BLiとの間に生じる。
【0113】
したがって、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCにおいては、HデータおよびLデータのいずれのデータも、メモリセルMCに十分に書込むことができ、その書込んだデータを読出すために十分な電位差を得ることができる。また、データの保持時間を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くでき、単位時間当りのリフレッシュ回数を減少でき、消費電力を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に減少できる。
【0114】
図11および図12を参照して、2セル/ビット構成のメモリセルアレイと、この発明によるメモリセルを用いたメモリセルアレイ90との違いについて説明する。
【0115】
図11を参照して、2セル/ビット構成を用いたメモリセルアレイの場合には、PチャネルMOSトランジスタ201,202から成る2つのメモリセルMCC1,MCC2は、それぞれ、異なるビット線BLi、ビット線/BLiに接続されるが、同じワード線WLjに接続される。すなわち、データが2つのメモリセルMCC1,MCC2に同時に入出力できるように、2つのメモリセルMCC1,MCC2がワード線WLjに接続される。
【0116】
これに対して、この発明によるプレーナ型のメモリセルMCを用いたメモリセルアレイ90においては、PチャネルMOSトランジスタ1〜3から成るメモリセルMC1,MC2は、それぞれ、異なるビット線BLiおよびビット線/BLiに接続され、かつ、それぞれ、異なるワード線WLj−1およびワード線WLjに接続される。
【0117】
2セル/ビット構成を用いたメモリセルアレイにおいては、1ビットを表現するためには2Tr(トランジスタ)/2C(キャパシタ)が必要であるが、この発明によるメモリセルMCを用いたメモリセルアレイ90においては、1ビットを表現するために1Tr(トランジスタ)/2C(キャパシタ)が必要である。
【0118】
この点が、この発明によるメモリセルMCを用いたメモリセルアレイ90と2セル/ビット構成を用いたメモリセルアレイとの相違点である。
【0119】
再び、図1を参照して、半導体記憶装置100におけるデータの書込動作および読出動作について説明する。まず、データの書込動作について説明する。データの書込動作が開始されると、Lレベルのライトイネーブル信号/WEが半導体記憶装置100に入力され、制御信号バッファ20は、Lレベルのライトイネーブル信号/WEをバッファリングし、そのバッファリングしたLレベルのライトイネーブル信号/WEを制御回路30へ出力する。
【0120】
制御回路30は、制御信号バッファ20からのLレベルのライトイネーブル信号/WEに基づいて、データの書込モードを認識し、入出力端子DQから入力された書込データをセンスアンプ81〜8mへ出力するように入出力回路80を制御する。
【0121】
その後、Lレベルのロウアドレスストローブ信号/RASおよびアドレスA0〜Akが半導体記憶装置100に入力される。そして、アドレスバッファ10は、アドレスA0〜Akをバッファリングし、そのバッファリングしたアドレスA0〜Akを制御回路30へ出力する。また、制御信号バッファ20は、Lレベルのロウアドレスストローブ信号/RASをバッファリングし、そのバッファリングしたLレベルのロウアドレスストローブ信号/RASを制御回路30へ出力する。
【0122】
そうすると、制御回路30は、ロウアドレスストローブ信号/RASがHレベルからLレベルに切換わるタイミングでアドレスバッファ10から受けたアドレスA0〜Akをロウアドレスと見なし、そのロウアドレスをロウデコーダ40へ出力する。
【0123】
その後、Lレベルのコラムアドレスストローブ信号/CASおよびアドレスA0〜Akが半導体記憶装置100に入力される。そして、アドレスバッファ10は、アドレスA0〜Akをバッファリングし、そのバッファリングしたアドレスA0〜Akを制御回路30へ出力する。また、制御信号バッファ20は、Lレベルのコラムアドレスストローブ信号/CASをバッファリングし、そのバッファリングしたLレベルのコラムアドレスストローブ信号/CASを制御回路30へ出力する。
【0124】
そうすると、制御回路30は、コラムアドレスストローブ信号/CASがHレベルからLレベルに切換わるタイミングでアドレスバッファ10から受けたアドレスA0〜Akをコラムアドレスと見なし、そのコラムアドレスをコラムデコーダ70へ出力する。
【0125】
一方、書込データは、入出力端子DQから半導体記憶装置100に入力され、入出力回路80は、書込データをセンスアンプ81〜8mへ出力する。
【0126】
ロウデコーダ40は、ロウアドレスをデコードし、そのデコードしたロウアドレスをワード線ドライバ50へ出力する。ワード線ドライバ50は、デコードされたロウアドレスによって指定されたワード線WLjの電圧を電源電圧Vccから接地電圧GNDに低下し、ワード線WLjを活性化する。
【0127】
また、コラムデコーダ70は、コラムアドレスをデコードし、そのデコードしたコラムアドレスによって指定されたセンスアンプ8i(1≦i≦m)を選択するための選択信号SELiを出力してセンスアンプ8iを入出力回路80に接続する。そして、センスアンプ8iは、入出力回路80からの書込データを対応するビット線対BLi,/BLiに書込む。ビット線対BLi,/BLiに書込まれた書込データは、ビット線対BLi,/BLi上を伝達され、ビット線対BLi,/BLiとワード線WLjとによって指定されたメモリセルMCに書込まれる。
【0128】
このとき、書込データがHデータである場合、書込データはメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ2に保持され、書込データがLデータである場合、書込データはメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ3に保持される。これによって、メモリセルMCへのデータの書込動作が終了する。
【0129】
次に、メモリセルのデータの読出動作について説明する。データの読出動作が開始されると、Lレベルの出力イネーブル信号/OEが半導体記憶装置100に入力され、制御信号バッファ20は、Lレベルの出力イネーブル信号/OEをバッファリングし、そのバッファリングした出力イネーブル信号/OEを制御回路30へ出力する。
【0130】
制御回路30は、制御信号バッファ20からのLレベルの出力イネーブル信号/OEに応じて、センスアンプ81〜8mからの読出データを入出力端子DQへ出力するように入出力回路80を制御する。
【0131】
その後、書込動作の場合と同じ動作によって、ロウアドレスおよびコラムアドレスがそれぞれロウデコーダおよびコラムデコーダへ入力され、ロウアドレスによって指定されたワード線WLjおよびコラムアドレスによって指定されたビット線対BLi,/BLiが活性化される。
【0132】
そして、活性化されたワード線WLjと活性化されたビット線対BLi,/BLiとによって指定されたメモリセルMCからデータが読出される。センスアンプ8iは、ビット線BLiまたはビット線/BLiに読出された読出データを増幅し、その増幅した読出データを入出力回路80へ出力する。入出力回路80は、センスアンプ8iからの読出データを入出力端子DQへ出力する。これによって、メモリセルMCからのデータの読出動作が終了する。
【0133】
なお、この発明は、Hデータを保持する第1の容量素子と、Lデータを保持する第2の容量素子とを含むメモリセルを備える半導体記憶装置であればよい。
【0134】
実施の形態1によれば、半導体記憶装置は、Hデータに対応する電荷を保持する第1の素子と、Lデータに対応する電荷を保持する第2の素子とを含むメモリセルを備えるので、HデータおよびLデータのいずれのデータをメモリセルから読出す場合にもビット線対間に十分な電位差を得ることができる。
【0135】
また、メモリセルにおけるデータの保持時間を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くでき、単位時間当りのリフレッシュ回数を大幅に減少できる。その結果、消費電力を大幅に減少できる。
【0136】
[実施の形態2]
図13を参照して、実施の形態2による半導体記憶装置100Aは、半導体記憶装置100の電圧発生回路110を電圧発生回路110Aに代えたものであり、その他は、半導体記憶装置100と同じである。
【0137】
半導体記憶装置100Aにおいては、信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力され、制御信号バッファ20は、信号TN0〜TN7をバッファリングして制御回路30へ出力する。そして、制御回路30は、制御信号バッファ20からの信号TN0〜TN7を電圧発生回路110Aへ出力する。
【0138】
電圧発生回路110Aは、信号TN0〜TN7の論理レベルに応じて、電圧レベルを変化させたセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。そして、セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルを変化させた場合のデータ保持時間が測定され、データ保持時間が最も長くなる論理パターンを有する信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力される。
【0139】
そうすると、電圧発生回路110Aは、データ保持時間が最も長くなる論理パターンを有する信号TN0〜TN7に応じて、データ保持時間が最も長くなるセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2を発生し、その発生したセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2をメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0140】
図14を参照して、電圧発生回路110Aは、VCP_H電圧発生回路111と、VCP_L電圧発生回路112とを含む。
【0141】
VCP_H電圧発生回路111は、信号TN0〜TN7を制御回路30から受け、その受けた信号TN0〜TN7の論理レベルに応じた電圧レベルを有するセルプレート電圧VCP_Hを発生する。そして、VCP_H電圧発生回路111は、発生したセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0142】
また、VCP_H電圧発生回路111は、データ保持時間が最長となる論理パターンを有する信号TN0〜TN7を制御回路30から受けると、データ保持時間が最長となるセルプレート電圧VCP_HOPTを発生し、その発生したセルプレート電圧VHOPT1をメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0143】
VCP_L電圧発生回路112は、信号TN0〜TN7を制御回路30から受け、その受けた信号TN0〜TN7の論理レベルに応じた電圧レベルを有するセルプレート電圧VCP_Lを発生する。そして、VCP_L電圧発生回路112は、発生したセルプレート電圧VCP_Lをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0144】
また、VCP_L電圧発生回路112は、データ保持時間が最長となる論理パターンを有する信号TN0〜TN7を制御回路30から受けると、データ保持時間が最長となるセルプレート電圧VLOPT2を発生し、その発生したセルプレート電圧VLOPT2をメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0145】
図15を参照して、VCP_H電圧発生回路111およびVCP_L電圧発生回路112の各々は、PチャネルMOSトランジスタ113〜116,122,128と、NチャネルMOSトランジスタ121,123〜127と、インバータ117〜120とを含む。
【0146】
PチャネルMOSトランジスタ113〜116は、電源ノードNVCとノードN2との間に並列に接続される。PチャネルMOSトランジスタ113は、インバータ117の出力信号をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ114は、インバータ118の出力信号をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ115は、インバータ119の出力信号をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ116は、インバータ120の出力信号をゲート端子に受ける。
【0147】
インバータ117〜120は、それぞれ、PチャネルMOSトランジスタ113〜116に対応して設けられる。インバータ117は、制御回路30からの信号TN7を反転し、その反転した信号をPチャネルMOSトランジスタ113のゲート端子へ出力する。インバータ118は、制御回路30からの信号TN6を反転し、その反転した信号をPチャネルMOSトランジスタ114のゲート端子へ出力する。インバータ119は、制御回路30からの信号TN5を反転し、その反転した信号をPチャネルMOSトランジスタ115のゲート端子へ出力する。インバータ120は、制御回路30からの信号TN4を反転し、その反転した信号をPチャネルMOSトランジスタ116のゲート端子へ出力する。
【0148】
NチャネルMOSトランジスタ121およびPチャネルMOSトランジスタ122は、ノードN2とノードN4との間に直列にダイオード接続される。
【0149】
NチャネルMOSトランジスタ123〜126は、ノードN4と接地ノードGNDとの間に並列に接続される。NチャネルMOSトランジスタ123は、制御回路30からの信号TN3をゲート端子に受ける。NチャネルMOSトランジスタ124は、制御回路30からの信号TN2をゲート端子に受ける。NチャネルMOSトランジスタ125は、制御回路30からの信号TN1をゲート端子に受ける。NチャネルMOSトランジスタ126は、制御回路30からの信号TN0をゲート端子に受ける。
【0150】
NチャネルMOSトランジスタ127およびPチャネルMOSトランジスタ128は、電源ノードNVCと接地ノードGNDとの間に直列に接続される。NチャネルMOSトランジスタ127は、ノードN2上の電圧をゲート端子に受ける。PチャネルMOSトランジスタ128は、ノードN4上の電圧をゲート端子に受ける。
【0151】
PチャネルMOSトランジスタ113〜116のチャネル抵抗値をそれぞれRP1〜RP4とすると、RP1>>RP2>>RP3>>RP4の関係が成立する。また、NチャネルMOSトランジスタ123〜126のチャネル抵抗値をそれぞれRN1〜RN4とすると、RN1>>RN2>>RN3>>RN4の関係が成立する。そして、チャネル抵抗値RP1は、チャネル抵抗値RN1と同程度であり、チャネル抵抗値RP2は、チャネル抵抗値RN2と同程度であり、チャネル抵抗値RP3は、チャネル抵抗値RN3と同程度であり、チャネル抵抗値RP4は、チャネル抵抗値RN4と同程度である。また、これらのチャネル抵抗値RP1〜RP4,RN1〜RN4は、NチャネルMOSトランジスタ121およびPチャネルMOSトランジスタ122のオン抵抗値に比べ十分に大きい。
【0152】
VCP_H電圧発生回路111は、たとえば、Hレベルの信号TN3,TN7およびLレベルの信号TN0〜TN2,TN4〜TN6を受けると、インバータ117は、Hレベルの信号TN7を反転してLレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ113のゲート端子へ出力し、インバータ118は、Lレベルの信号TN6を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ114のゲート端子へ出力し、インバータ119は、Lレベルの信号TN5を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ115のゲート端子へ出力し、インバータ120は、Lレベルの信号TN4を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ116のゲート端子へ出力する。
【0153】
そうすると、PチャネルMOSトランジスタ113およびNチャネルMOSトランジスタ123はオンされ、PチャネルMOSトランジスタ114〜116およびNチャネルMOSトランジスタ124〜126はオフされる。そして、PチャネルMOSトランジスタ113およびNチャネルMOSトランジスタ123はチャネル抵抗として機能し、チャネル抵抗値RP1,RN1はNチャネルMOSトランジスタ121およびPチャネルMOSトランジスタ122のオン抵抗よりも十分に大きいため、ノードN3上の電圧は、電源電圧Vccを2分の1に分圧したVcc/2になる。そうすると、ノードN2上の電圧は、電圧Vcc/2+Vthnになり、ノードN4上の電圧は、電圧Vcc/2−Vthpになる。そして、NチャネルMOSトランジスタ127は、ノードN2上の電圧Vcc/2+Vthnをゲート端子に受け、PチャネルMOSトランジスタ128は、ノードN4上の電圧Vcc/2−Vthpを受ける。その結果、ノードN5上の電圧は電圧Vcc/2になる。つまり、この場合、VCP_H電圧発生回路111は、電圧Vcc/2からなるセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。そして、出力電圧としてのセルプレート電圧VCP_Hの電圧レベルが変動しようとしても、NチャネルMOSトランジスタ127およびPチャネルMOSトランジスタ128のいずれかがオンされ、セルプレート電圧VCP_Hの電圧変動が抑えられる。
【0154】
また、VCP_H電圧発生回路111は、Hレベルの信号TN3,TN4と、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7とを受けると、インバータ117は、Lレベルの信号TN7を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ113のゲート端子へ出力し、インバータ118は、Lレベルの信号TN6を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ114のゲート端子へ出力し、インバータ119は、Lレベルの信号TN5を反転してHレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ115のゲート端子へ出力し、インバータ120は、Hレベルの信号TN4を反転してLレベルの信号をPチャネルMOSトランジスタ116のゲート端子へ出力する。
【0155】
そうすると、PチャネルMOSトランジスタ113〜115およびNチャネルMOSトランジスタ124〜126がオフされ、PチャネルMOSトランジスタ116およびNチャネルMOSトランジスタ123がオンされる。この場合、PチャネルMOSトランジスタ116は、最も小さいチャネル抵抗値RP4を有し、NチャネルMOSトランジスタ123は最も大きいチャネル抵抗値RN1を有するので、ノードN3上の電圧はVcc−Vthnに近づく。その結果、ノードN5上の電圧は、Vcc−Vthnに近づき、VCP_H電圧発生回路111は、電圧Vcc−Vthnからなるセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0156】
このように、VCP_H電圧発生回路111は、信号TN0〜TN7の論理パターンに応じて、電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Hを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0157】
なお、セルプレート電圧VCP_HはメモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ3のソース端子およびドレイン端子に印加されるので、メモリセルMCに書込まれたLデータを十分に保持し、かつ、読出時にビット線対BLi,/BLi間に十分な電位差を生じさせるためには、セルプレート電圧VCP_Hの電圧レベルは、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2よりも高いことが必要である。したがって、セルプレート電圧VCP_Hの電圧レベルを最適化する場合、VCP_H電圧発生回路111は、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲において電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Hを発生する。
【0158】
つまり、Lレベルに固定された信号TN0〜TN2と、Hレベルに固定された信号TN3と、論理レベルが随時変化された信号TN4〜TN7とが半導体記憶装置100Aに入力される。そして、VCP_H電圧発生回路111は、PチャネルMOSトランジスタ113〜116のいずれかと、NチャネルMOSトランジスタ123とにより電源電圧Vccを分圧して、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲において電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Hを発生する。
【0159】
VCP_L電圧発生回路112は、上述したVCP_H電圧発生回路111と同じ動作により、信号TN0〜TN7の論理パターンに応じて電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Lを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_Lをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する。
【0160】
なお、セルプレート電圧VCP_Lは、メモリセルMCのPチャネルMOSトランジスタ2のゲート端子に印加されるので、メモリセルMCに書込まれたHデータを十分に保持し、かつ、読出時にビット線対BLi,/BLi間に十分な電位差を生じさせるためには、ビット線対BLi,/BLiのプリチャージ電圧Vcc/2よりも低いことが必要である。したがって、セルプレート電圧VCP_Lの電圧レベルを最適化する場合、VCP_L電圧発生回路112は、接地電圧GND〜プリチャージ電圧Vcc/2の範囲において電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Lを発生する。
【0161】
つまり、Lレベルに固定された信号TN4〜TN6と、Hレベルに固定された信号TN7と、論理レベルが随時変化された信号TN0〜TN3とが半導体記憶装置100Aに入力される。そして、VCP_L電圧発生回路112は、PチャネルMOSトランジスタ113と、NチャネルMOSトランジスタ123〜126のいずれかとにより電源電圧Vccを分圧して、接地電圧GND〜プリチャージ電圧Vcc/2の範囲において電圧レベルを階段的に変化させたセルプレート電圧VCP_Lを発生する。
【0162】
図16を参照して、電圧発生回路110Aが発生するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルを最適化する動作について説明する。
【0163】
なお、VCP_H電圧発生回路111は、PチャネルMOSトランジスタ116,115,114,113とNチャネルMOSトランジスタ123とによって、それぞれ、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲で電圧レベルVP1,VP2,VP3,VP4(VP1>VP2>VP3>VP4)を有するセルプレート電圧VCP_Hを発生し、VCP_L電圧発生回路112は、PチャネルMOSトランジスタ113とNチャネルMOSトランジスタ123〜126とによって、それぞれ、接地電圧GND〜プリチャージ電圧Vcc/2の範囲で電圧レベルVN1,VN2,VN3,VN4(VN1>VN2>VN3>VN4)を有するセルプレート電圧VCP_Lを発生するものとする。
【0164】
セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルを最適化する動作がスタートすると、n=1に設定され(ステップS1)、電圧VPnからなるセルプレート電圧VCP_Hを発生するための信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力される(ステップS2)。より具体的には、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4が半導体記憶装置1001Aに入力される。
【0165】
そして、制御回路30は、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4をVCP_H電圧発生回路111へ出力する。そうすると、VCP_H電圧発生回路111においては、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4に応じてPチャネルMOSトランジスタ113〜115およびNチャネルMOSトランジスタ124〜126がオフされ、PチャネルMOSトランジスタ116およびNチャネルMOSトランジスタ123がオンされる。そして、VCP_H電圧発生回路111は、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲で最も高い電圧レベルVP1を有するセルプレート電圧VCP_Hを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_Hをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する(ステップS3)。
【0166】
その後、電圧VNnからなるセルプレート電圧VCP_Lを発生するための信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力される(ステップS4)。より具体的には、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN4〜TN6およびHレベルの信号TN3,TN7が半導体記憶装置1001Aに入力される。
【0167】
そして、制御回路30は、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN4〜TN6およびHレベルの信号TN3,TN7をVCP_L電圧発生回路112へ出力する。そうすると、VCP_L電圧発生回路112においては、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN4〜TN6およびHレベルの信号TN3,TN7に応じてPチャネルMOSトランジスタ114〜116およびNチャネルMOSトランジスタ124〜126がオフされ、PチャネルMOSトランジスタ113およびNチャネルMOSトランジスタ123がオンされる。そして、VCP_L電圧発生回路112は、接地電圧GND〜プリチャージ電圧Vcc/2の範囲で最も高い電圧レベルVN1を有するセルプレート電圧VCP_Lを発生し、その発生したセルプレート電圧VCP_Lをメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する(ステップS5)。
【0168】
そうすると、実施の形態1において説明した動作に従って、書込データがメモリセルMCに書込まれる(ステップS6)。そして、保持時間を変えて書込データがメモリセルMCから読出される(ステップS7)。その後、読出データが書込データに一致する最長の保持時間THLDnが検出され(ステップS8)、保持時間THLDnに対応するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lが検出される(ステップS9)。
【0169】
そして、n=4か否かが判断され(ステップS10)、n=4でないとき、n=n+1が演算される(ステップS11)。その後、ステップS2〜S10が繰返し行なわれる。つまり、VCP_H電圧発生回路111は、電圧レベルVP2を有するセルプレート電圧VCP_Hを発生してメモリセルMCに供給し、VCP_L電圧発生回路112は、電圧レベルVN2を有するセルプレート電圧VCP_Lを発生してメモリセルMCに供給して、最長な保持時間THLD2と、保持時間THLD2に対応するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルVPn,VNnが検出される。そして、ステップS2〜S10は、n=4になるまで繰返し行なわれる。
【0170】
一方、ステップS10において、n=4であるとき(ステップS10)、セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの各電圧レベルにおける最長保持時間THLD1〜THLD4の中から最長の保持時間THLDoptが検出され(ステップS12)、保持時間THLDoptに対応するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lの電圧レベルVPopt,VNoptが検出される(ステップS13)。その後、電圧レベルVPopt,VNoptを有するセルプレート電圧VCP_H,VCP_Lを発生するための論理パターンを有する信号TN0〜TN7が半導体記憶装置100Aに入力され、電圧発生回路110Aは、保持時間が最長となるセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2を発生してメモリセルアレイ90の各メモリセルMCへ供給する(ステップS14)。
【0171】
たとえば、電圧レベルVPopt=VP1および電圧レベルVNopt=VN4であるとき、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4が半導体記憶装置100Aに入力され、VCP_H電圧発生回路111は、Lレベルの信号TN0〜TN2,TN5〜TN7およびHレベルの信号TN3,TN4に応じて、PチャネルMOSトランジスタ116およびNチャネルMOSトランジスタ123によって電圧レベルVP1を有するセルプレート電圧VHOPT1を発生してメモリセルアレイ90の各メモリセルMCに供給する。
【0172】
そして、次に、LレベルのTN1〜TN6およびHレベルのTN0,TN7が半導体記憶装置100Aに入力され、VCP_L電圧発生回路112は、Lレベルの信号TN1〜TN6およびHレベルの信号TN0,TN7に応じて、PチャネルMOSトランジスタ113およびNチャネルMOSトランジスタ126によって電圧レベルVN4を有するセルプレート電圧VLOPT2を発生してメモリセルアレイ90の各メモリセルMCに供給する。これによって、セルプレート電圧VCP_H,VCP_Lを最適化する動作が終了する。
【0173】
なお、最適化されたセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2が決定されたとき、その最適化されたセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2を発生するための信号TN0〜TN7の論理パターンが半導体記憶装置100Aに設定されるが、実際には、フューズ等を切断することにより、最適化されたセルプレート電圧VHOPT1,VLOPT2を発生するための信号TN0〜TN7の論理パターンが固定される。
【0174】
また、VCP_H電圧発生回路111およびVCP_L電圧発生回路112の各々は、信号TN0〜TN7の論理レベルに応じて、電圧レベルの異なる複数の電圧から1つの電圧を選択してメモリセルMCに供給する回路として把握することも可能である。つまり、VCP_H電圧発生回路111は、信号TN0〜TN7の論理パターンを変化させることによって、プリチャージ電圧Vcc/2〜電源電圧Vccの範囲で電圧レベルを階段的に変化させた4種類の電圧を発生し、その発生した4種類の電圧の中から最適化された1つのセルプレート電圧VCP_Hを選択して各メモリセルMCへ供給する。VCP_L電圧発生回路112についても同じである。
【0175】
さらに、PチャネルMOSトランジスタ113〜116のいずれか1つのPチャネルMOSトランジスタと、NチャネルMOSトランジスタ123〜126のいずれか1つのNチャネルMOSトランジスタとは、電源電圧Vccを分圧する分圧回路を構成する。
【0176】
その他は、実施の形態1と同じである。
なお、上述した実施の形態1,2においては、非同期型のDRAMを例にして説明したが、この発明は、これに限られず、DDR−SDRAM(DoubleData Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)等の同期型DRAM(SDRAM)にも適用可能である。
【0177】
実施の形態2によれば、半導体記憶装置は、電圧レベルが異なる複数の電圧を発生し、その発生した複数の電圧の中からデータ保持時間が最長となる電圧をセルプレート電圧として設定可能な電圧発生回路を備えるので、単位時間当りのリフレッシュ回数を最小にできる。その結果、消費電力を最小にできる。
【0178】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0179】
【発明の効果】
この発明によれば、半導体記憶装置は、Hデータに対応する電荷を保持する第1の素子と、Lデータに対応する電荷を保持する第2の素子とを含むメモリセルを備えるので、HデータおよびLデータのいずれのデータをメモリセルから読出す場合にもビット線対間に十分な電位差を得ることができる。
【0180】
また、メモリセルにおけるデータの保持時間を従来のプレーナ型のメモリセルに比べ、大幅に長くでき、単位時間当りのリフレッシュ回数を大幅に減少できる。その結果、消費電力を大幅に減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1による半導体記憶装置の概略ブロック図である。
【図2】図1に示すメモリセルの回路図である。
【図3】図1に示すメモリセルの平面図である。
【図4】図3に示す1つのメモリセルの領域における断面図である。
【図5】メモリセルの断面図である。
【図6】メモリセルの断面図である。
【図7】メモリセルの断面図である。
【図8】メモリセルの断面図である。
【図9】HデータおよびLデータの保持特性を示す図である。
【図10】Lデータの読出時の電位差を示す図である。
【図11】2セル/ビット構成のメモリセルアレイの配線図である。
【図12】図1に示すメモリセルアレイの配線図である。
【図13】実施の形態2による半導体記憶装置の概略ブロック図である。
【図14】図13に示す電圧発生回路のブロック図である。
【図15】図14に示すVCP_H電圧発生回路およびVCP_L電圧発生回路の回路図である。
【図16】セルプレート電圧の最適化を説明するためのフローチャートである。
【図17】従来のプレーナ型のメモリセルの回路図である。
【図18】従来のプレーナ型のメモリセルの平面図である。
【図19】従来のプレーナ型のメモリセルの断面図である。
【図20】従来のプレーナ型のメモリセルの断面図である。
【図21】従来のプレーナ型のメモリセルの断面図である。
【図22】センスアンプの回路図である。
【図23】センスアンプの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図24】従来のプレーナ型のメモリセルにおけるHデータの読出時の電位差を示す図である。
【図25】従来のプレーナ型のメモリセルにおけるLデータの読出時の電位差を示す図である。
【図26】従来のプレーナ型のメモリセルの断面図である。
【図27】従来のプレーナ型のメモリセルにおけるデータの保持特性を示す図である。
【符号の説明】
1〜3,113〜116,122,128,201,202,227〜229PチャネルMOSトランジスタ、5〜7 配線、8,205〜207 セルプレート、9,203,204 活性化領域、10 アドレスバッファ、11,210 領域、12,220 P型シリコン基板、13,221 Nウェル、14〜16,222,223 P+拡散層、17〜19,225 ゲート、20 制御信号バッファ、21,22,226 反転層、23〜26,24a,26a,208,209 コンタクト、27,28,32,35,233 ゲートリーク電流、29,31,33,34 矢印、30 制御回路、40 ロウデコーダ、50 ワード線ドライバ、70 コラムデコーダ、80 入出力回路、81〜8m センスアンプ、90 メモリセルアレイ、91〜9m イコライズ回路、100,100A 半導体記憶装置、110,110A 電圧発生回路、111 VCP_H電圧発生回路、112 VCP_L電圧発生回路、117〜120 インバータ、121,123〜127,230〜232 NチャネルMOSトランジスタ、200 メモリセル、208A 絶縁部分、234 接合リーク電流。
Claims (9)
- 行列状に配列された複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルの各々にデータを入出力する周辺回路とを備え、
前記複数のメモリセルの各々は、前記データを記憶する容量素子を含み、
前記容量素子は、書込データに対応する電荷が蓄積される第1および第2の素子からなる、半導体記憶装置。 - 前記書込データは、第1および第2の書込データからなり、前記第1の素子は、前記第1の書込データが書込まれたとき、前記第1の書込データの読出に必要な容量を有し、
前記第2の素子は、前記第2の書込データが書込まれたとき、前記第2の書込データの読出に必要な容量を有する、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の素子は、ゲート端子が第1の電圧に固定され、チャネル領域に前記第1の書込データに対応する電荷を蓄積する第1のMOSトランジスタであり、
前記第2の素子は、チャネル領域が第2の電圧に固定され、前記第1のMOSトランジスタのチャネル領域に接続されたゲート端子に前記第2の書込データに対応する電荷を蓄積する第2のMOSトランジスタである、請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の電圧を発生し、その発生した第1の電圧を前記第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給する第1の電圧発生回路と、
前記第2の電圧を発生し、その発生した第2の電圧を前記第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する第2の電圧発生回路とをさらに備える、請求項3に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の電圧は、前記第1のMOSトランジスタのチャネル領域における第1の電位が所定の電圧に漸近するように決定され、
前記第2の電圧は、前記第2のMOSトランジスタのゲート端子における第2の電位が前記所定の電圧に漸近するように決定される、請求項4に記載の半導体記憶装置。 - 前記所定の電圧は、前記メモリセルに接続されたビット線対のプリチャージ電圧である、請求項5に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の電圧は、前記第1のMOSトランジスタのチャネル領域における電荷の保持時間が最長となる電圧であり、
前記第2の電圧は、前記第2のMOSトランジスタのゲート端子における電荷の保持時間が最長になる電圧である、請求項4に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の電圧発生回路は、複数の電圧から前記第1の電圧を選択して前記第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給し、
前記第2の電圧発生回路は、前記複数の電圧から前記第2の電圧を選択して前記第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する、請求項7に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の電圧発生回路は、
前記第1の電圧を前記第1のMOSトランジスタのゲート端子へ供給する第1のノードと、
電源電圧を分圧して複数の第1および第2の分圧電圧を発生する第1の分圧回路と、
前記複数の第1および第2の分圧電圧に対応する複数の電圧を前記第1のノードに発生する第1のドライバとを含み、
前記第1の分圧回路は、前記第1のノードに前記第1の電圧を発生させるための第1および第2の特定電圧を第1のコマンド信号に応じて前記複数の第1および第2の分圧電圧から選択し、
前記第1のドライバは、前記第1および第2の特定電圧に応じて前記第1のノードに前記第1の電圧を発生し、
前記第2の電圧発生回路は、
前記第2の電圧を前記第2のMOSトランジスタのチャネル領域へ供給する第2のノードと、
前記電源電圧を分圧して複数の第3および第4の分圧電圧を発生する第2の分圧回路と、
前記複数の第3および第4の分圧電圧に対応する複数の電圧を前記第1のノードに発生する第2のドライバとを含み、
前記第2の分圧回路は、前記第2のノードに前記第2の電圧を発生させるための第3および第4の特定電圧を第2のコマンド信号に応じて前記複数の第3および第4の分圧電圧から選択し、
前記第2のドライバは、前記第3および第4の特定電圧に応じて前記第2のノードに前記第2の電圧を発生する、請求項8に記載の半導体記憶装置。
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