JP2004164185A - Computer device comprising volatile system memory and nonvolatile semiconductor memory - Google Patents

Computer device comprising volatile system memory and nonvolatile semiconductor memory Download PDF

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利幸 西原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a computer device, which is shock-proof and enables a system program and/or various programs to get the system up and down at high speed when power is shutdown, the system runs, the operation stops, the power is recovered or the operation is restarted. <P>SOLUTION: The system stores at least a segment of memory contents memorized in a volatile memory 2 based on an action by a CPU 1 when the power for the CPU 1, the volatile memory 2, and a computer device with a nonvolatile semiconductor memory 7 is shutdown. The system, then, rewrites the segment of memory contents stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 into the volatile system memory 2 when the power is recovered. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揮発性システムメモリ及び不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、各種のコンピュータにおいては、ハードディスク記憶装置(HDD)を利用した揮発性システムメモリの記憶領域の格納、退避が活用されており、その応用例として、ハイバーネーション(冬眠)機能、メモリスワップ機能を挙げることができる。
【0003】
図32の(A)にその概念図を示すコンピュータにおけるハイバーネーション機能は、DRAMから成る揮発性メインメモリ204や、CPU201内の各種レジスタ群203、VRAM205等(これらを総称して、揮発性システムメモリ202と呼ぶ)に記憶された内容を、電源切断時、CPU201の動作に基づきハードディスク記憶装置206に格納する機能である。そして、電源再投入時(復帰時)、CPU201の動作に基づき、ハードディスク記憶装置206に格納していた内容をハードディスク記憶装置206から揮発性システムメモリ202に書き戻す。
【0004】
このようなハイバーネーション機能によって、電源切断直前のコンピュータの情報を、コンピュータの待機電力を消費することなく保存することが可能となる。また、電源再投入時(復帰時)、各種ドライバ等の初期化が不要であり、単純なデータ転送が主となるので、システムを最初から起動するよりも高速に立ち上げることができる。このハイバーネーション機能は、バッテリーバックアップを必要とするノートブック型のパーソナルコンピュータ等に必須となりつつある。
【0005】
メモリスワップ機能は、システムが要求するメモリ領域が揮発性メインメモリの容量を超えた場合、揮発性メインメモリに記憶された記憶内容の一部をハードディスク記憶装置に退避させて、揮発性メインメモリの一部のメモリ領域を開放する機能である。ハードディスク記憶装置に退避されていた記憶内容は、必要に応じて揮発性メインメモリに書き戻される。これによって、システムが搭載揮発性メインメモリの容量を超えたメモリ領域確保の要求を行っても、コンピュータを動作させ続けることが可能となる。
【0006】
また、近年、CPU及び揮発性システムメモリを備えた所謂モバイル型のコンピュータや携帯電話、PDAが注目されている。尚、モバイル型のコンピュータ、携帯電話、PDAを総称して、以下、モバイル型コンピュータ等と呼ぶ場合がある。
【0007】
モバイル型コンピュータ等のシステム構成例の概念図を図32の(B)に示す。揮発性メインメモリ304は、DRAM又はSRAM等の揮発性の半導体メモリから成り、CPU301に周知の構成にて接続されている。また、二次記憶手段として、フラッシュメモリから成る不揮発性半導体メモリ307が配置されている。
【0008】
オペレーション・システム(OS)及び各種プログラムは、通常、不揮発性半導体メモリ307に記憶(保存)されており、最初のシステム起動時に、不揮発性半導体メモリ307から揮発性メインメモリ304にダウンロードされ、初期化される。そして、各種プログラムがCPU301によって実行される。CPU301における各種プログラムの実行中に生成されるデータは、揮発性メインメモリ304内に確保された領域に保存される。
【0009】
不揮発性半導体メモリ307として、従来、安価なフラッシュメモリが使用されている。しかしながら、フラッシュメモリは、書込み時や読出し時のアクセス単位やアクセス速度に制限がある。従って、従来の技術においては、DRAMやSRAMから成る揮発性メインメモリ304をワークエリアとして用い、オペレーション・システム及び各種プログラムの記憶(保存)やユーザデータ、生成データのバックアップ用として不揮発性半導体メモリ307を用いる形で、役割分担が為されている。
【0010】
通常、このようなモバイル型コンピュータ等では、最初にシステムが起動された後にあっては、電源切断中(待ち受け中)にも、揮発性メインメモリ304内の記憶内容が揮発性メインメモリ304内にそのまま保存される。これは、電源再投入時におけるシステムの初期化を不要とし、システムの立ち上げを迅速に行うためである。また、電源切断直前(待ち受け状態となる直前)の環境や各種データを維持するためでもある。そして、この場合、不揮発性半導体メモリ307から揮発性メインメモリ304内にダウンロードされたオペレーション・システムや各種プログラム、あるいは、各種データは、破棄されることなく、揮発性メインメモリ304内にそのまま保存され続ける。従って、揮発性メインメモリ304には、常時、通電が必要とされ、特にDRAMでは適時リフレッシュ動作を行って記憶内容を保持している。
【0011】
【特許文献1】特開平9−116107号
【特許文献2】特開2000−349248
【特許文献3】特開2002−197857
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記のハイバーネーション機能やメモリスワップ機能においては、ハードディスク記憶装置206へのアクセス速度が揮発性システムメモリ202よりも遥かに遅いため、以下の問題が生じる。
【0013】
即ち、ハイバーネーション機能にあっては、電源切断時、揮発性システムメモリ202の記憶内容を衝撃に弱いハードディスク記憶装置206に書き込むため、暫くの間、自由にコンピュータを移動することができない。更には、電源再投入時、ハードディスク記憶装置206から揮発性システムメモリ202に記憶内容を書き戻すまでの時間、即ち、電源再投入時の立ち上げ時間は、オペレーション・システムをリセット状態から起動するよりも高速であるが、それでも数秒〜数十秒を要し、使い勝手が悪い。
【0014】
また、メモリスワップ機能にあっては、ハードディスク記憶装置206への退避を始めた途端に、システム性能がハードディスク記憶装置206へのアクセス速度によって律速され、処理能力が大幅に低下する。
【0015】
モバイル型コンピュータ等では、上述のように、電源切断中にも揮発性メインメモリ304内に各種プログラムや各種データを保存し続ける。しかし、そのためには、揮発性メインメモリ304に、常時、通電し続ける必要がある。従って、不使用状態(待ち受け中)でも電力消費が発生する。これに伴って、以下の問題が発生する。
【0016】
第1の問題は、特にバッテリーバックアップされたモバイル型コンピュータ等を不使用状態で長時間、放置すると、知らぬ間にバッテリーが切れて、揮発性メインメモリ304内の記憶内容が消滅してしまうことにある。そのため、使用者は、揮発性メインメモリ304内の記憶内容の内、必要な記憶内容を高い頻度で不揮発性半導体メモリ307にバックアップしなければならない。しかしながら、このような操作は非常に煩雑な操作である。尚、このような問題は、必ずしも揮発性メインメモリ304がDRAMから構成されている場合に限られず、揮発性メインメモリ304を待機時消費電力の少ないSRAMから構成する場合にも発生する。即ち、メインメモリ304が揮発性である限り、記憶内容の保持には通電が必要であり、上記の問題を避けることはできない。
【0017】
第2の問題は、消費電力の増大である。一般に、モバイル型コンピュータ等は不使用時間の方が長い。従って、不使用中の電力消費がトータルの消費電力に及ぼす影響は大きい。これは、特に揮発性メインメモリ304がDRAMから構成されている場合に顕著となる。即ち、DRAMでは、記憶内容を保持し続けるために適時リフレッシュ動作を行う必要がある。このリフレッシュ動作はアクセス時と同様の消費電力を必要とするため、トータルの電力消費が非常に大きい。
【0018】
従って、本発明の目的は、衝撃に対して耐性を有し、電源切断時や、動作時、使用停止時、及び、電源再投入時や使用再開時、システム及び/又は各種プログラムの立ち下げや立ち上げ等を高速にて行うことを可能とし、また、使用停止中(待機中)の消費電力を極力抑えたコンピュータ機器を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の第1の態様に係るコンピュータ機器は、少なくとも、CPU、揮発性システムメモリ、及び、不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器であって、
電源切断時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納し、電源再投入時、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリに格納された該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すことを特徴とする。
【0020】
上記の目的を達成するための本発明の第2の態様に係るコンピュータ機器は、少なくとも、CPU、揮発性システムメモリ、及び、不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器であって、
動作時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させて揮発性システムメモリの領域を開放し、その後、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリに退避された該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すことを特徴とする。
【0021】
上記の目的を達成するための本発明の第3の態様に係るコンピュータ機器は、少なくとも、CPU、揮発性システムメモリ、及び、不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器であって、
動作時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させて揮発性システムメモリの領域を開放し、その後、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリに退避された該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻し、
電源切断時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納し、電源再投入時、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリに格納された該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すことを特徴とする。
【0022】
本発明の第2の態様若しくは第3の態様に係るコンピュータ機器にあっては、動作時、CPUの動作に基づき揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させるが、この退避動作は、揮発性システムメモリに対してメモリ領域を要求し、且つ、揮発性システムメモリに空きメモリ領域が存在しない場合に実行される。また、CPUの動作に基づき不揮発性半導体メモリに退避された記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すが、この書き戻し動作は、不揮発性半導体メモリに退避させた記憶内容へのアクセスが要求された場合に実行される。
【0023】
上記の目的を達成するための本発明の第4の態様に係るコンピュータ機器は、少なくとも、CPU、揮発性システムメモリ、及び、不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器であって、
使用停止時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリにコピーし、使用再開時、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリにコピーされた該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すことを特徴とする。
【0024】
本発明の第4の態様に係るコンピュータ機器において、「使用停止時」とは、例えば、コンピュータ機器の電源を切断したとき、あるいは又、使用者が一定時間の間コンピュータ機器に対して何らの操作を行わなかったときを意味し、「使用再開時」とは、例えば、コンピュータ機器の電源を再投入したとき、あるいは又、使用停止後、使用者がコンピュータ機器に対して何らかの操作を行ったときを意味する。
【0025】
本発明の第4の態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリはDRAMから成り、使用停止時、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリにコピーした後、不揮発性半導体メモリにコピーされた記憶内容を記憶していた揮発性システムメモリの部分におけるリフレッシュ動作を停止する構成とすることが、コンピュータ機器の消費電力の一層の低減といった観点から好ましい。尚、このような構成を、便宜上、本発明の第4Aの態様に係るコンピュータ機器と呼ぶ。
【0026】
本発明の第1の態様〜第4の態様あるいは第4Aの態様に係るコンピュータ機器(以下、これらを総称して、本発明のコンピュータ機器と呼ぶ場合がある)として、所謂デスクトップ型のパーソナルコンピュータ、ノートブック型のパーソナルコンピュータ、モバイル型のパーソナルコンピュータ、PDA(パーソナル・デジタル・アシスト)、携帯電話、ゲーム機を挙げることができる。本発明の第1の態様〜第4の態様に係るコンピュータ機器における揮発性システムメモリには、DRAM及びSRAMを含む揮発性メインメモリ、CPU内の各種レジスタ、VRAM等が包含される。
【0027】
尚、一般に揮発性メインメモリの構成は、DRAMとCPUとの間にキャッシュメモリを設けたり、VRAMの機能を揮発性メインメモリの一部に割り当てる等、様々なバリエーションがあるが、本発明のコンピュータ機器における揮発性システムメモリは、これらの構成をも包含する。また、揮発性メインメモリの記憶内容には、演算等により簡単に再構築できたり、キャッシュメモリのように元の揮発性メインメモリにライトバックすることで破棄可能である等、格納不要若しくは格納不可能な部分、退避不要若しくは退避不可能な部分、コピー不要若しくはコピー不可能な部分が存在し得る。このような場合、本発明にコンピュータ機器にあっては、必ずしも揮発性システムメモリ全体の記憶内容を格納、退避、コピーする必要はなく、格納、退避、コピーはその主要部分とすればよい。
【0028】
本発明のコンピュータ機器において、不揮発性半導体メモリは、コンピュータ機器内部に設置されていてもよいし、脱着可能なICカード内に設置されていてもよい。即ち、プラスチック・カードに不揮発性半導体メモリが埋め込まれた構造を有していてもよい。不揮発性半導体メモリが脱着可能なICカード内に設置されている場合、CPU及び揮発性システムメモリはコンピュータ機器本体部に配置されている。ICカードのコンピュータ機器本体部への接続は、周知の方法を採用すればよい。このように、不揮発性半導体メモリを脱着可能なICカード内に設置すれば、不揮発性半導体メモリを有効に活用することができる。即ち、コンピュータ機器の使用者は、余分な投資をすることなく、例えば、高速なるハイバーネーション機能やメモリスワップ機能を享受することができるし、同一種類あるいは規格が統一されたコンピュータ機器間での作業状態の移植を容易に行うことができる。ICカードの仕様は、PCMCIA基準のカードに限定されず、如何なる仕様のICカードであってもよい。
【0029】
不揮発性半導体メモリが脱着可能なICカード内に設置されている場合、本発明の第1の態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納する際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶される構成とすることが好ましい。また、本発明の第2の態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させる際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶される構成とすることが好ましい。更には、本発明の第3の態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させる際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶される構成とすることが好ましく、及び/又は、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納する際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶される構成とすることが好ましい。また、本発明の第4の態様若しくは第4Aの態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリにコピーする際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶される構成とすることが好ましい。
【0030】
識別情報は、コンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリにも記憶しておくことが好ましい。このような構成にすることで、一旦、コンピュータ機器から取り外したICカードを、係るコンピュータ機器とは別のコンピュータ機器に取り付けたとき、識別情報が不一致となり、例えば、警告を発することができ、コンピュータ機器の誤用を防止することができる。識別情報は、如何なる情報であってもよく、例えば乱数で発生させたビット列や、揮発性システムメモリの記憶内容(の少なくとも一部)を不揮発性半導体メモリに格納、退避、コピーする日時を例示することができる。
【0031】
また、不揮発性半導体メモリに揮発性システムメモリの記憶内容(の少なくとも一部)を格納、退避、コピーする際、ファイル名を規定して不揮発性半導体メモリに格納、退避、コピーするが、コンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリに、例えば、不揮発性半導体メモリに格納、退避、コピーされたファイル名と同じファイル名を記憶しておくことが好ましい。これによって、不揮発性半導体メモリに格納、退避、コピーされた記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻す際の記憶内容を記憶したファイルの不揮発性半導体メモリにおける検索が容易になるし、ファイルの照合を行うこともできる。
【0032】
上記の各種の形態を含む本発明のコンピュータ機器にあっては、不揮発性半導体メモリは、フラッシュメモリやMRAM(磁気メモリ)、1つのメモリセルと選択用トランジスタ(スイッチング用トランジスタ)とから構成された強誘電体型不揮発性半導体メモリ、一対のメモリセルと一対の選択用トランジスタとから構成された強誘電体型不揮発性半導体メモリから構成することもできるが、以下に説明する強誘電体型不揮発性半導体メモリユニット(便宜上、クロスポイント型不揮発性メモリユニットと呼ぶ)から構成されていることが好ましい。
【0033】
即ち、前記不揮発性半導体メモリは、K個のクロスポイント型不揮発性メモリユニットが集合した強誘電体型不揮発性半導体メモリ群から成り、
各クロスポイント型不揮発性メモリユニットは、
(A)ビット線と、
(B)選択用トランジスタと、
(C)M個(但し、M≧2)のメモリセルから構成されたサブメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
サブメモリユニットは、半導体基板の上方に絶縁層を介して形成されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
サブメモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は選択用トランジスタを介してビット線に接続されており、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は第m番目のプレート線に接続されており、
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群において、第m番目のプレート線は共通である構成とすることが好ましい。
【0034】
尚、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8,16・・・)を挙げることができる。
【0035】
クロスポイント型不揮発性メモリユニットは、複数のメモリセルによって選択用トランジスタを共有するが故に、高集積化を図ることができ、しかも、安価に製造することができる。また、消去動作を必要とせず、任意のセクターへの瞬時の書込み、任意のセクターから瞬時の読出しが可能であり、DRAM並のデータ転送速度(データ書込み速度、読出し速度)が得られる。
【0036】
そして、この場合、強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることが好ましい。即ち、コンピュータ機器ファイルシステムにおけるセクター単位での一括アクセスを実行することが好ましい。具体的には、本発明の第1の態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納する際、及び、不揮発性半導体メモリに格納された記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻す際、強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることが好ましい。また、本発明の第2の態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させる際、及び、不揮発性半導体メモリに退避された記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻す際、強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることが好ましい。更には、本発明の第3の態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させる際、及び、不揮発性半導体メモリに退避された記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻す際、並びに、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納する際、及び、不揮発性半導体メモリに格納された記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻す際、強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることが好ましい。また、本発明の第4の態様若しくは第4Aの態様に係るコンピュータ機器にあっては、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリにコピーする際、及び、不揮発性半導体メモリにコピーされた記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻す際、強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることが好ましい。更には、M×Kの値は、2(512)バイト、210(1024)バイト、211(2048)バイト、212(4096)バイト又は213(8192)バイトに相当する値であることが好ましい。尚、必要に応じて、強誘電体型不揮発性半導体メモリ群に、エラー検出用あるいはエラー補正用のクロスポイント型不揮発性メモリユニットを付加してもよい。
【0037】
あるいは又、この場合、強誘電体型不揮発性半導体メモリ群には、少なくとも2段のKビット・レジスタが備えられていることが好ましい。このように少なくとも2段のKビット・レジスタを備えることによって、メモリセルへのデータ転送を並列して実行することが可能となり、メモリセルへのデータ転送の高速化を図ることができるし、メモリセルからのデータ転送を並列して実行することが可能となり、メモリセルからのデータ転送の高速化を図ることができる。
【0038】
本発明の第1の態様〜第3の態様に係るコンピュータ機器においては、不揮発性半導体メモリを備えることによって、ハイバーネーション機能あるいはメモリスワップ機能が高速化され、コンピュータ機器の使い勝手が大幅に向上する。また、本発明の第4の態様に係るコンピュータ機器にあっても、不揮発性半導体メモリを備えることによって、コンピュータ機器の使用停止時(不使用時)の揮発性メインメモリの待機電流をゼロ、若しくは、最小限に留め、バッテリーの寿命を大幅に向上させることができるし、コンピュータ機器の不使用の間にバッテリーが切れてもデータ等が失われることがなく、煩雑なバックアップ作業を必要としない。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、発明の実施の形態(以下、実施の形態と略称する)に基づき本発明を説明する。
【0040】
(実施の形態1)
実施の形態1は、本発明の第1の態様に係るコンピュータ機器、具体的には、ノートブック型のパーソナルコンピュータに関する。実施の形態1のコンピュータ機器の概念図を図1の(A)に示す。
【0041】
実施の形態1のコンピュータ機器は、少なくとも、CPU1、揮発性システムメモリ2、及び、不揮発性半導体メモリ7を備えている。揮発性システムメモリ2は、CPU1内の各種レジスタ群3、DRAMから成る揮発性メインメモリ4及びVRAM5等から構成されている。CPU1と、揮発性メインメモリ4やVRAM5、不揮発性半導体メモリ7とは、周知のバスライン(図示せず)によって接続されている。実施の形態1にあっては、不揮発性半導体メモリ7はコンピュータ機器に内蔵されている。システムの状態は、コンピュータ機器の動作時、揮発性システムメモリ2に記憶(保存)されている。
【0042】
そして、電源切断時、CPU1の動作に基づき、揮発性システムメモリ2の記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリ7に格納し、電源再投入時、CPU1の動作に基づき、不揮発性半導体メモリ7に格納されたこの記憶内容を揮発性システムメモリ2に書き戻す。即ち、不揮発性半導体メモリ7によって、ハイバーネーション(冬眠)機能を実現している。
【0043】
オペレーション・システム及び/又は各種プログラムの起動時、CPU1の動作により、オペレーション・システム、各種プログラム毎に揮発性システムメモリ2内に独立したメモリ領域が確保され、ハードディスク記憶装置6あるいは不揮発性半導体メモリ7からオペレーション・システム及び/又は各種プログラムが読み出され、揮発性システムメモリ2内に確保されたメモリ領域にオペレーション・システム及び/又は各種プログラム、ワークデータが格納される。
【0044】
電源切断時、使用者の電源切断の操作に応じて、ハードディスク記憶装置6あるいは不揮発性半導体メモリ7に記憶されていた格納用プログラムが起動され、揮発性メインメモリ4に転送され、実行される。尚、格納用プログラムをコンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ(図示せず)内に記憶しておき、CPU1が係る不揮発性半導体メモリにアクセスすることで、格納用プログラムを実行してもよい。
【0045】
格納用プログラムの実行において、具体的には、電源切断の操作に応じて電源切断コマンドを受け取ったCPU1は、先ず、不揮発性半導体メモリ7へ格納すべき記憶内容を記憶している揮発性システムメモリ2の総容量が、不揮発性半導体メモリ7上に確保可能な容量であるかどうかを確認する。もしも確保できない場合には、使用者に告知し、場合によっては、不揮発性半導体メモリ7へ格納すべき揮発性システムメモリ2の記憶内容をハードディスク記憶装置6に格納する。確保できる場合には、揮発性システムメモリ2の記憶内容の少なくとも一部(格納用プログラムを除く全てであってもよい)を不揮発性半導体メモリ7に格納(転送)する。尚、この際、不揮発性半導体メモリ7への格納に要する容量節約のため、オペレーションシステムやプログラムのコード領域を格納対象から除外してもよく、この場合、例えば、その初期呼び出し元である(ハードディスク記憶装置6や不揮発性半導体メモリ7上の)これらのオペレーションシステムやプログラムのファイルパス若しくはファイルの先頭アドレス等を替わりに不揮発性半導体メモリ7に格納しておくことが望ましい。ここで、上述の記憶内容は、例えば1又は複数の「格納用ファイル」として、所定のファイル名で不揮発性半導体メモリ7に格納(保存)される。尚、このファイル名を、コンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ(図示せず)内に記憶しておいてもよい。その後、CPU1の動作に基づき、電源を切断する。
【0046】
このようなデータ格納は、従来、ハードディスク記憶装置6において行われていたが、データ転送速度が不十分なため、電源が実際に切断されるまでに相当の時間を要している。更には、ハードディスク記憶装置6は衝撃に弱いため、その間、コンピュータ機器を移動できないという問題がある。実施の形態1においては、衝撃に強い不揮発性半導体メモリ7を用いることにより、少なくとも電源切断コマンドの実行開始後、即座にコンピュータ機器を移動させることが可能となり、コンピュータ機器の使い勝手が向上する。
【0047】
また、ハードディスク記憶装置6では、通常のアクセスのように書込みが不連続セクターに分散されると、そのシーク時間によって大幅なアクセス速度低下を招く。そこで、予め、連続性の高いブロックに格納領域を確保する手段が屡々採られている。しかしながら、このような手段を採用した場合、ハードディスク記憶装置の容量を圧迫するのみならず、コンピュータ機器に揮発性メインメモリ4が増設されると正常に動作しなくなるといった問題がある。これに対して、不揮発性半導体メモリ7にあっては、不連続セクターにも速やかにアクセスが可能なものがあり、この場合には、予め、不揮発性半導体メモリ7において格納領域を確保しておく必要がない。従って、コンピュータ機器における揮発性メインメモリ4の構成が変わっても、柔軟に対応することができる。
【0048】
一方、電源再投入時、CPU1の動作に基づき、先ず、ハードディスク記憶装置6あるいは不揮発性半導体メモリ7に記憶されていた復帰用プログラムが起動され、揮発性メインメモリ4に転送され、実行される。尚、復帰用プログラムをコンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ(図示せず)内に記憶しておき、CPU1が係る不揮発性半導体メモリにアクセスすることで、復帰用プログラムを実行してもよい。
【0049】
復帰用プログラムの実行にあっては、具体的には、先ず、CPU1は、不揮発性半導体メモリ7にアクセスし、「格納用ファイル」の有無を確認する。「格納用ファイル」が存在している場合には、「格納用ファイル」に格納されていた各種のデータを揮発性システムメモリ2に書き戻す。尚、「格納用ファイル」のファイル名がコンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ内に記憶されている場合には、「格納用ファイル」に格納されていた記憶内容を揮発性システムメモリ2に書き戻す前に、不揮発性半導体メモリ7における「格納用ファイル」のファイル名と、コンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ内に記憶されていた「格納用ファイル」のファイル名とを照合してもよい。照合結果が不一致の場合には、「格納用ファイル」が存在していないとみなせばよい。尚、格納時にオペレーションシステムやプログラムのコード領域を格納対象から除外した場合、コードの替わりに格納されているファイルパスやアドレス等を元に、ハードディスク記憶装置6又は不揮発性半導体メモリ7から、オペレーションシステムや起動していたプログラムのコードを再度揮発性システムメモリ2に転送する。その後、不揮発性半導体メモリ7に記憶された「格納用ファイル」を削除してもよいし、そのまま、残しておいてもよいが、後者の場合、格納用プログラムの実行の際、新たな「格納用ファイル」によって古い「格納用ファイル」を上書きすればよい。「格納用ファイル」が存在していない場合には、CPU1は使用者に対して警告を発し、例えば、システムを初期状態からリブートする。
【0050】
フラッシュメモリ、強誘電体型不揮発性半導体メモリ(FeRAM)、MRAM等の殆どの不揮発性半導体メモリの読出し動作は、純粋にロジック回路の電気的な接続で行われる。従って、不揮発性半導体メモリ7を用いた場合のシステムの電源再投入時の動作(復帰動作)は、一般に、ハードディスク記憶装置6を用いる場合よりも高速化し易い。従って、コンピュータ機器の高速な立ち上げが可能となる。
【0051】
(実施の形態2)
実施の形態2は、実施の形態1の変形であり、図1の(B)に概念図を示すように、CPU1及び揮発性システムメモリ2はコンピュータ機器本体部に配置されており、不揮発性半導体メモリ7は脱着可能なICカード8内に設置されている。そして、揮発性システムメモリ2の記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリ7に格納する際、不揮発性半導体メモリ7には、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報(例えば、乱数で発生させたビット列や、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリ7に格納する日時)が、同時に、不揮発性半導体メモリ7内の「識別用ファイル」に記憶される。
【0052】
このような「識別用ファイル」への記憶は、実施の形態1において説明した格納用プログラムの実行において、具体的には、電源切断の操作に応じて電源切断コマンドを受け取ったCPU1は、先ず、不揮発性半導体メモリ7へ格納すべき記憶内容を記憶している揮発性システムメモリ2の総容量が不揮発性半導体メモリ7上に確保可能な容量であるかどうかを確認し、確保できる場合、識別情報を不揮発性半導体メモリ7内の「識別用ファイル」に記憶した後、揮発性システムメモリ2の記憶内容の少なくとも一部(格納用プログラムを除く全てであってもよい)を不揮発性半導体メモリ7に格納(転送)すればよい。また、併せて、識別情報を、「識別用ファイル」として、コンピュータ機器内に別途設けられた不揮発性半導体メモリ(図示せず)内に記憶しておく。
【0053】
一方、実施の形態1と同様に、電源再投入時、CPU1の動作に基づき、復帰用プログラムが実行されるが、具体的には、先ず、CPU1は、不揮発性半導体メモリ7にアクセスし、「識別用ファイル」の存在の有無を確認する。「識別用ファイル」が存在する場合、CPU1はその内容を読み出し、コンピュータ機器内に別途設けられた不揮発性半導体メモリ内に記憶された「識別用ファイル」における識別情報と照合する。照合結果が一致した場合、「格納用ファイル」の有無を確認する。「格納用ファイル」が存在している場合には、「格納用ファイル」に格納されていた各種のデータを揮発性システムメモリ2に書き戻す。その後、不揮発性半導体メモリ7に記憶された「格納用ファイル」を削除してもよいし、そのまま、残しておいてもよいが、後者の場合、格納用プログラムの実行の際、新たな「格納用ファイル」によって古い「格納用ファイル」を上書きすればよい。「識別用ファイル」が存在しない場合、あるいは又、識別情報が不一致の場合、CPU1は使用者に対して警告を発する。また、「格納用ファイル」が存在していない場合には、例えば、システムを初期状態からリブートする。
【0054】
実施の形態2にあっては、不揮発性半導体メモリとして、通常の可搬型半導体ストレージメディアを使用することも可能である。このような可搬型半導体ストレージメディアは、近年、デジタルスチルカメラのファイル格納やフレキシブルディスクに替わるモバイルメディアとして盛んに使用されており、これらの用途を兼用すれば、実際上、使用者の大きな経済的負担を伴わず、コンピュータ機器のコストアップを招くこともない。
【0055】
更には、このようにICカード8に揮発性システムメモリ2の内容を格納(転送)することで、同じ仕様を持つ複数のコンピュータ機器間で作業環境を瞬時に移植することも可能になる。例えば、自宅とオフィス間で、コンピュータ機器の運搬無しで1つの作業を継続することができるといった、作業環境の統一をスムーズに行うことができる。
【0056】
また、或るコンピュータ機器の記憶内容を格納したICカードが、仕様の異なるコンピュータ機器に接続される場合もあり得る。このような場合、コンピュータ機器の立ち上げに混乱が生ずることが予想される。然るに、格納元のコンピュータ機器の識別情報がICカードに同時に格納されているので、このような混乱を確実に防止することが可能となる。
【0057】
(実施の形態3)
実施の形態3は、本発明の第2の態様に係るコンピュータ機器、具体的には、ノートブック型のパーソナルコンピュータに関する。実施の形態3のコンピュータ機器の概念図を図2の(A)に示す。
【0058】
実施の形態3のコンピュータ機器は、実施の形態1と同様に、少なくとも、CPU1、揮発性システムメモリ2、及び、不揮発性半導体メモリ7を備えている。実施の形態1と同様に、揮発性システムメモリ2は、CPU1内の各種レジスタ群3、DRAMから成る揮発性メインメモリ4及びVRAM5等から構成されている。CPU1と、揮発性メインメモリ4やVRAM5、不揮発性半導体メモリ7とは、周知のバスライン(図示せず)によって接続されている。実施の形態3にあっては、不揮発性半導体メモリ7はコンピュータ機器に内蔵されている。システムの状態は、コンピュータ機器の動作時、揮発性システムメモリ2に記憶(保存)されている。
【0059】
そして、動作時、CPU1の動作に基づき、揮発性システムメモリ2の記憶内容の一部(より具体的には、揮発性メインメモリ4の一部の領域4Bの記憶内容)を不揮発性半導体メモリ7に退避させて揮発性システムメモリ2の領域(より具体的には、揮発性メインメモリ4の一部の領域4B)を開放し、その後、CPU1の動作に基づき、不揮発性半導体メモリ7に退避されたこの記憶内容を揮発性システムメモリ(より具体的には、揮発性メインメモリ4の一部の領域)に書き戻す。即ち、不揮発性半導体メモリ7によって、メモリスワップ機能を実現している。
【0060】
オペレーション・システム及び/又は各種プログラムの起動時、CPU1の動作により、オペレーション・システム、各種プログラム毎に揮発性システムメモリ2内に独立したメモリ領域が確保され、ハードディスク記憶装置6あるいは不揮発性半導体メモリ7からオペレーション・システム及び/又は各種プログラムが読み出され、揮発性システムメモリ2内に確保されたメモリ領域にオペレーション・システム及び/又は各種プログラム、ワークデータが格納される。
【0061】
動作時、システムが揮発性メインメモリ4に対してメモリ領域を要求し、且つ、揮発性メインメモリ4に空きメモリ領域が存在しない場合、ハードディスク記憶装置6あるいは不揮発性半導体メモリ7に記憶されていた退避用プログラムが起動され、揮発性メインメモリ4に転送され、実行される。尚、退避用プログラムをコンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ(図示せず)内に記憶しておき、CPU1が係る不揮発性半導体メモリにアクセスすることで、退避用プログラムを実行してもよい。
【0062】
尚、以下の説明においては、揮発性メインメモリ4の領域4Aには実行中のプログラム等の内容が記憶されており、揮発性メインメモリ4の残りの領域4Bには退避すべきプログラム等が記憶されているものとする。
【0063】
退避用プログラムの実行において、具体的には、CPU1は、先ず、不揮発性半導体メモリ7へ退避すべき記憶内容を記憶している揮発性システムメモリ2(より具体的には、揮発性メインメモリ4の領域4B)の総容量が、不揮発性半導体メモリ7上に確保可能な容量であるかどうかを確認する。もしも確保できない場合には、使用者に告知し、場合によっては、不揮発性半導体メモリ7へ退避すべき揮発性メインメモリ4の記憶内容をハードディスク記憶装置6に退避させる。確保できる場合には、例えば、実行中のプログラム等の内容を揮発性メインメモリ4の領域4Aに残し、他のプログラム等については、揮発性メインメモリ4の領域4Bに記憶されたその記憶内容を不揮発性半導体メモリ7に退避(転送)させる。尚、この際、不揮発性半導体メモリ7への退避(転送)に要する容量節約のため、揮発性メインメモリ4の領域4B内のオペレーションシステムやプログラムのコード部分は退避(転送)対象から除外してもよく、この場合、例えば、その初期呼び出し元である(ハードディスク記憶装置6や不揮発性半導体メモリ7上)のこれらのオペレーションシステムやプログラムのファイルパス若しくはファイルの先頭アドレス等を替わりに不揮発性半導体メモリ7に記憶させておくことが望ましい。ここで、上述の記憶内容は、例えば1又は複数の「退避用ファイル」として、所定のファイル名で不揮発性半導体メモリ7に退避(保存)される。尚、このファイル名を、コンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ(図示せず)内に記憶しておいてもよい。
【0064】
退避完了後にあっては、揮発性システムメモリ2の領域(より具体的には、揮発性メインメモリ4の領域4B)を開放する。揮発性メインメモリ4の領域4Bには、例えば、CPU1の動作によって、システムが要求したメモリ領域が割り当てられ、例えば新たなプログラム等が記憶される。
【0065】
一方、システムが不揮発性半導体メモリ7に退避した記憶内容へのアクセスを要求した場合、CPU1の動作に基づき、先ず、ハードディスク記憶装置6あるいは不揮発性半導体メモリ7に記憶されていた復帰用プログラムが起動され、揮発性メインメモリ4に転送され、実行される。尚、復帰用プログラムをコンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ(図示せず)内に記憶しておき、CPU1が係る不揮発性半導体メモリにアクセスすることで、復帰用プログラムを実行してもよい。そして、CPU1の動作に基づき、復帰用プログラムが実行されるが、具体的には、先ず、不揮発性半導体メモリ7にアクセスし、「退避用ファイル」の存在の有無を確認する。「退避用ファイル」が存在する場合、「退避用ファイル」に退避されていた記憶内容を揮発性システムメモリ2に書き戻す。尚、退避時にオペレーションシステムやプログラムのコード領域を格納対象から除外した場合、コードの替わりに記憶されているファイルパスやアドレス等を元に、ハードディスク記憶装置6又は不揮発性半導体メモリ7から、オペレーションシステムや起動していたプログラムのコードを再度揮発性システムメモリ2に転送する。そして、この際、揮発性メインメモリ4に十分な空きが無ければ、揮発性メインメモリ4におけるアクセス対象外の別メモリ領域における記憶内容が不揮発性半導体メモリ7に退避される等の処理が行われる。その後、不揮発性半導体メモリ7に記憶された「退避用ファイル」を削除してもよいし、そのまま、残しておいてもよいが、後者の場合、退避用プログラムの実行の際、新たな「退避用ファイル」によって古い「退避用ファイル」を上書きすればよい。「退避用ファイル」が存在していない場合には、CPU1は使用者に対して警告を発し、例えば、システムを初期状態からリブートする。尚、「退避用ファイル」のファイル名がコンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ内に記憶されている場合には、「退避用ファイル」に格納されていた記憶内容を揮発性システムメモリ2に書き戻す前に、不揮発性半導体メモリ7における「退避用ファイル」のファイル名と、コンピュータ機器に別途内蔵された不揮発性半導体メモリ内に記憶されていた「退避用ファイル」のファイル名とを照合してもよい。照合結果が不一致の場合には、「退避用ファイル」が存在していないとみなせばよい。
【0066】
このようにメモリスワップ機能を、ハードディスク記憶装置6に基づき行うのではなく、不揮発性半導体メモリ7に基づき行うことで、ハードディスク記憶装置6へのシークによるタイムラグが無く、高速にて退避領域を確保し、必要な記憶内容を退避させることができる。また、不揮発性半導体メモリ7はハードディスク記憶装置6よりも高速に読み出すことが可能である。
【0067】
(実施の形態4)
実施の形態4は、実施の形態3の変形であり、図2の(B)に概念図を示すように、CPU1及び揮発性システムメモリ2はコンピュータ機器本体部に配置されており、不揮発性半導体メモリ7は脱着可能なICカード8内に設置されている。そして、揮発性システムメモリ2(より具体的には、揮発性メインメモリ4)の記憶内容の一部(より具体的には、揮発性メインメモリ4の一部の領域4Bに記憶された記憶内容)を不揮発性半導体メモリ7に退避させる際、不揮発性半導体メモリ7には、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報(例えば乱数で発生させたビット列や、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリ7に退避する日時)が、同時に、不揮発性半導体メモリ7内の「識別用ファイル」に記憶される。
【0068】
このような「識別用ファイル」への記憶は、実施の形態3において説明した退避用プログラムの実行において、具体的には、CPU1は、先ず、不揮発性半導体メモリ7へ退避すべき記憶内容を記憶している揮発性システムメモリ2(より具体的には、揮発性メインメモリ4の領域4B)の総容量が不揮発性半導体メモリ7上に確保可能な容量であるかどうかを確認し、確保できる場合、識別情報を不揮発性半導体メモリ7内の「識別用ファイル」に記憶した後、揮発性システムメモリ2の記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリ7に退避(転送)すればよい。また、併せて、識別情報を、「退避用ファイル」として、コンピュータ機器内に別途設けられた不揮発性半導体メモリ(図示せず)内に記憶しておく。
【0069】
一方、実施の形態3と同様に、システムが不揮発性半導体メモリ7に退避した記憶内容へのアクセスを要求した場合、CPU1の動作に基づき、復帰用プログラムが実行されるが、具体的には、先ず、CPU1は、不揮発性半導体メモリ7にアクセスし、「識別用ファイル」の存在の有無を確認する。「識別用ファイル」が存在する場合、CPU1はその内容を読み出し、コンピュータ機器内に別途設けられた不揮発性半導体メモリ内に記憶された「退避用ファイル」における識別情報と照合する。照合結果が一致した場合、「退避用ファイル」の有無を確認する。「退避用ファイル」が存在している場合には、「退避用ファイル」に退避されていた記憶内容を揮発性システムメモリ2に書き戻す。その後、不揮発性半導体メモリ7に記憶された「退避用ファイル」を削除してもよいし、そのまま、残しておいてもよいが、後者の場合、退避用プログラムの実行の際、新たな「退避用ファイル」によって古い「退避用ファイル」を上書きすればよい。「退避用ファイル」が存在しない場合、あるいは又、識別情報が不一致の場合、CPU1は使用者に対して警告を発する。
【0070】
或るコンピュータ機器の記憶内容を退避させたICカードが、仕様の異なるコンピュータ機器に接続される場合もあり得る。このような場合、コンピュータ機器の動作に混乱が生ずることが予想される。然るに、格納元のコンピュータ機器の識別情報がICカードに同時に格納されているので、このような混乱を確実に防止することが可能となる。
【0071】
実施の形態4にあっては、不揮発性半導体メモリとして、実施の形態2と同様に、通常の可搬型半導体ストレージメディアを使用することも可能である。
【0072】
(実施の形態5)
実施の形態5は、本発明の第3の態様に係るコンピュータ機器、具体的には、ノートブック型のパーソナルコンピュータに関する。実施の形態5のコンピュータ機器の概念図は、図2の(A)あるいは図2の(B)に示した概念図と同じである。実施の形態5のコンピュータ機器は、実施の形態1のコンピュータ機器と実施の形態3のコンピュータ機器との組合せ、あるいは又、実施の形態2のコンピュータ機器と実施の形態4のコンピュータ機器との組合せ、あるいは又、実施の形態1のコンピュータ機器と実施の形態4のコンピュータ機器との組合せ、あるいは又、実施の形態2のコンピュータ機器と実施の形態3のコンピュータ機器との組合せである。
【0073】
即ち、実施の形態5のコンピュータ機器は、少なくとも、CPU1、CPU1内の各種レジスタ群3、DRAMから成る揮発性メインメモリ4及びVRAM5等から構成された揮発性システムメモリ2、及び、不揮発性半導体メモリ7を備えている。実施の形態5にあっては、実施の形態1及び実施の形態3と同様に、不揮発性半導体メモリ7はコンピュータ機器に内蔵されていてもよいし、実施の形態2及び実施の形態4と同様に、不揮発性半導体メモリ7は脱着可能なICカード8内に設置されていてもよい。
【0074】
そして、動作時、CPU1の動作に基づき、揮発性システムメモリ2の記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリ7に退避させて揮発性システムメモリ2の領域を開放し、その後、CPU1の動作に基づき、不揮発性半導体メモリ7に退避されたこの記憶内容を揮発性システムメモリ2に書き戻す。尚、この動作は、実施の形態3あるいは実施の形態4にて説明したコンピュータ機器の動作と同一とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0075】
また、電源切断時、CPU1の動作に基づき、揮発性システムメモリ2の記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリ7に格納し、電源再投入時、CPU1の動作に基づき、不揮発性半導体メモリ7に格納されたこの記憶内容を揮発性システムメモリ2に書き戻す。尚、この動作は、実施の形態1あるいは実施の形態2にて説明したコンピュータ機器の動作と同一とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0076】
(実施の形態6)
実施の形態6は、本発明の第4の態様、より具体的には、本発明の第4Aの態様に係るコンピュータ機器、具体的には、携帯電話に関する。実施の形態6のコンピュータ機器の概念図を図3に示す。
【0077】
実施の形態6のコンピュータ機器は、少なくとも、CPU101、揮発性システムメモリ102、及び、不揮発性半導体メモリ107を備えている。揮発性システムメモリ102は、具体的には、例えば、シンクロナスDRAMから成る揮発性メインメモリ104から構成されている。CPU101と、揮発性メインメモリ104、不揮発性半導体メモリ107とは、周知のバスライン(図示せず)によって接続されている。実施の形態6にあっては、不揮発性半導体メモリ107はコンピュータ機器に内蔵されており、オペレーション・システムや各種プログラムは、予め、不揮発性半導体メモリ107内に記憶されている。システムの状態は、コンピュータ機器の動作時、揮発性システムメモリ102に記憶(保存)されている。尚、揮発性メインメモリ104には、外部コマンドによって、シンクロナスDRAMから成る揮発性メインメモリ104のリフレッシュ領域を、揮発性メインメモリ104の一部の領域104B以外の残りの領域104Aに限定し得る機能を設けておく。
【0078】
そして、使用停止時、CPU101の動作に基づき、揮発性システムメモリ102の記憶内容の少なくとも一部(実施の形態6にあっては、より具体的には、揮発性メインメモリ104の領域104Bに記憶された内容)を不揮発性半導体メモリ107にコピーし、使用再開時、CPU101の動作に基づき、不揮発性半導体メモリ107にコピーされたこの記憶内容を揮発性システムメモリ102(実施の形態6にあっては、より具体的には、揮発性メインメモリ104の領域104B)に書き戻す。
【0079】
オペレーション・システム及び各種プログラムの起動時、CPU1の動作により、オペレーション・システム及び各種プログラム毎に揮発性システムメモリ102内に独立したメモリ領域が確保され、不揮発性半導体メモリ107からオペレーション・システム及び各種プログラムが読み出され、揮発性システムメモリ102内に確保されたメモリ領域にオペレーション・システム及び各種のプログラム、ワークデータが格納される。より具体的には、使用停止中にも必要とされるオペレーション・システム及び各種プログラムは、揮発性メインメモリ104の領域104Aに記憶され、揮発性メインメモリ104の残りの領域104Bには、使用停止中に必要とされないプログラム及びデータが記憶される。具体的には、使用停止中にも必要とされるプログラムとして、例えば、携帯電話における待ち受け時に間欠的に起動されるプログラムを挙げることができる。
【0080】
コンピュータ機器の使用停止時、具体的には、携帯電話の電源を例えばオフにしたとき、揮発性メインメモリ104の領域104Bに記憶された記憶内容が、CPU101の動作に基づき、自動的に不揮発性半導体メモリ107の空き領域にコピーされる。その後、揮発性メインメモリ104の領域104Bにおけるリフレッシュ動作が停止され、揮発性メインメモリ104の領域104Bに記憶されていた内容は破棄される。揮発性メインメモリ104の領域104Aにあっては、使用停止中もリフレッシュ動作は継続される。
【0081】
リフレッシュ動作に要する消費電流は、リフレッシュされるメモリ領域のサイズに比例するため、従来のコンピュータ機器に比較して、消費電流を大幅に低下させることができる。
【0082】
使用再開時、具体的には、携帯電話の電源を例えばオンにしたとき、CPU101の動作に基づき、今度は自動的に、不揮発性半導体メモリ107の所定の領域にコピーされていた記憶内容が、揮発性メインメモリ104の領域104Bに書き戻され、復元される。これにより、コンピュータ機器(具体的には、携帯電話)の使用者は、電源オフ以前と同じ操作環境を獲得することができる。
【0083】
実施の形態6にあっては、使用停止中(不使用中)に万一バッテリー切れが発生した場合であっても、通常、データは不揮発性半導体メモリ107に保存されているので、後刻、問題無く取り出すことが可能である。従って、頻繁なデータのバックアップを行う必要がない。尚、使用停止中(不使用中)に動作を必要とされるプログラムが無ければ、揮発性メインメモリ104の全ての領域における記憶内容を不揮発性半導体メモリ107にコピーし、DRAMから成る揮発性メインメモリ104のリフレッシュ動作を完全に停止してもよい。更には、この場合、揮発性メインメモリ104への電源供給そのものを止めてもよい。
【0084】
このような消費電力低減の効果は、あらゆるコンピュータ機器に有効であるが、特にバッテリーバックアップ型の携帯用コンピュータ機器に有効である。また、バッテリーバックアップ型のコンピュータ機器において、揮発性メインメモリ104としてSRAMを用いた場合にも、その安全性を向上させる上で有効である。即ち、バッテリーバックアップ型のコンピュータ機器においては、使用停止中(不使用中)にバッテリーが切れる危険が常につきまとうので、メインメモリが揮発性である限りそのデータの安全性は低い。使用停止中(不使用中)に揮発性メインメモリ104のデータを不揮発性半導体メモリ107に自動的にコピー(転送、退避)しておけば、バッテリー切れでデータを失うことを確実に防止することができる。
【0085】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニットに関して]
実施の形態1〜実施の形態6にて説明した本発明のコンピュータ機器にあっては、不揮発性半導体メモリ7,107として、フラッシュメモリやMRAM、1つのメモリセルと選択用トランジスタ(スイッチング用トランジスタ)とから構成された強誘電体型不揮発性半導体メモリ、一対のメモリセルと一対の選択用トランジスタとから構成された強誘電体型不揮発性半導体メモリを使用することもできるが、以下に説明するクロスポイント型不揮発性メモリユニット(以下、単に不揮発性メモリユニットと略称する)を採用することが好ましい。
【0086】
この不揮発性メモリユニットは、製造コストが安価な上、消去動作を必要とせず、任意のセクターに瞬時に書込みを行うことができる。また、任意のセクターへの瞬時の書込み、任意のセクターから瞬時の読出しが可能であり、読出し、書込み共にDRAM並の転送速度が得られるので、殆どシステム性能が劣化しない。更には、複数のサブメモリユニットによって選択用トランジスタを共有するが故に、高集積化を図ることができる。
【0087】
不揮発性半導体メモリが、K個の不揮発性メモリユニットが集合した強誘電体型不揮発性半導体メモリ群(以下、不揮発性半導体メモリ群と呼ぶ)から構成されている場合の等価回路図の一例を図4に示し、1つの不揮発性メモリユニットMUの等価回路図の一例を図5に示す。また、ビット線に延びる方向に沿った不揮発性メモリユニットの模式的な一部断面図を図6に示す。この不揮発性半導体メモリは、K個(例えば、K=256)の不揮発性メモリユニットMUが集合した不揮発性半導体メモリ群から成る。
【0088】
尚、このような不揮発性メモリユニットの構造は、例えば、特開平9−116107号公報や特開2000−349248に開示されている。
【0089】
そして、各不揮発性メモリユニットMU(但し、k=1,2・・・,K)は、
(A)ビット線BLと、
(B)選択用トランジスタTRと、
(C)M個(但し、M≧2)のメモリセルMCkMから構成されたサブメモリユニットSMUと、
(D)M本のプレート線PL
から成る。
【0090】
サブメモリユニットSMUは、半導体基板10の上方に絶縁層16を介して形成されている。
【0091】
そして、各メモリセルMCkm(m=1,2・・・Mであり、図示した例ではM=16)は、第1の電極(下部電極)21と強誘電体層22と第2の電極(上部電極)23とから成る。また、サブメモリユニットSMUを構成するメモリセルMCkmの第1の電極21は、サブメモリユニットSMUにおいて共通であり、該共通の第1の電極21(共通ノードCNと呼ぶ場合がある)は、選択用トランジスタTRを介してビット線BLに接続されている。具体的には、選択用トランジスタTRの一方のソース/ドレイン領域14Aは絶縁層16に設けられたコンタクトホール15を介してビット線BLに接続され、選択用トランジスタTRの他方のソース/ドレイン領域14Bは、絶縁層16に設けられた開口部に設けられた接続孔17を介して、サブメモリユニットSMUにおける共通の第1の電極21(共通ノードCN)に接続されている。また、サブメモリユニットSMUを構成するメモリセルMCkmの第2の電極23はプレート線PLに接続されている。更には、不揮発性半導体メモリ群において、第m番目のプレート線PLは共通である。尚、図6においては、選択用トランジスタTR及びメモリセルMCkmと、ビット線BLの延在する方向に隣接する選択用トランジスタTR’及びメモリセルMC’kmの一部分を併せて図示した。
【0092】
メモリセルMCkmにおけるプレート線PLは、プレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、選択用トランジスタTRのゲート電極はワード線WLに接続され、ワード線WLは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。また、ビット線BLは、センスアンプSAに接続されている。センスアンプSAは、例えば、ラッチ回路から構成されている。
【0093】
このメモリセルは、強誘電体薄膜の高速分極反転とその残留分極を利用し、強誘電体層の蓄積電荷量の変化を検出する方式の、高速書き換えが可能な不揮発性のメモリである。このメモリセルにおけるデータの書込みや読出しは、図31に示す強誘電体のP−E(V)ヒステリシスループを応用して行われる。即ち、強誘電体層に外部電界を加えた後、外部電界を除いたとき、強誘電体層は残留分極を示す。そして、強誘電体層の残留分極は、プラス方向の外部電界が印加されたとき+P、マイナス方向の外部電界が印加されたとき−Pとなる。ここで、残留分極が+Pの状態(図31の「D」参照)の場合を「0」とし、残留分極が−Pの状態(図31の「A」参照)の場合を「1」とする。
【0094】
「1」あるいは「0」の状態を判別するために、強誘電体層に例えばプラス方向の外部電界を印加する。これによって、強誘電体層の分極は図31の「C」の状態となる。このとき、データが「0」であれば、強誘電体層の分極状態は、「D」から「C」の状態に変化する。一方、データが「1」であれば、強誘電体層の分極状態は、「A」から「B」を経由して「C」の状態に変化する。データが「0」の場合には、強誘電体層の分極反転は生じない。一方、データが「1」の場合には、強誘電体層に分極反転が生じる。その結果、メモリセルの蓄積電荷量に差が生じる。選択されたメモリセルの選択用トランジスタをオンにすることで、この蓄積電荷を信号電流として検出する。データの読出し後、外部電界を0にすると、データが「0」のときでも「1」のときでも、強誘電体層の分極状態は図31の「D」の状態となってしまう。即ち、読出し時、データ「1」は、一旦、破壊されてしまう。それ故、データが「1」の場合、マイナス方向の外部電界を印加して、「D」、「E」という経路で「A」の状態とし、データ「1」を再度書き込む。
【0095】
不揮発性半導体メモリ群には、2段のKビット・レジスタ(256ビット・レジスタ)RS,RSが備えられている。各センスアンプSAは、第2段目のKビット・レジスタRSに32ビット・バスラインで接続され、第2段目のKビット・レジスタRSは第1段目のKビット・レジスタRSに接続され、第1段目のKビット・レジスタRSは、図示しないI/O回路に接続されている。I/O回路は、例えば8ビット構成である。
【0096】
メモリセルへのデータの書込みにおいては、I/O回路から第1段目のKビット・レジスタRSに32サイクルで256ビットのデータを送り込んだ後、一括して、第1段目のKビット・レジスタRSにおける256ビットのデータを、第2段目のKビット・レジスタRSに転送する。
【0097】
I/O回路から第1段目のKビット・レジスタRSに32サイクルで新たな256ビットのデータが送られている間に、以下の動作が行われる。即ち、第2段目のKビット・レジスタRSから各1ビットのデータがそれぞれのセンスアンプSAに転送される。合計256ビットのデータの転送は8サイクルで完了する。そして、残りのサイクル(32−8=24サイクル)において、メモリセルMCk1へのデータの一括した書き込みを行う。
【0098】
このような動作を16回、繰り返すことによって、メモリセルMCk1,MCk2,MCk3・・・・,MCk,M−1,MCk,Mへのデータの書込みが完了する。こうして、不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K(=16×256=4096)個のメモリセルに一括アクセスがなされる。尚、M×Kの値は、ファイルシステムにおけるセクター単位での一括アクセスに相当する値、具体的には、2(512)バイトに相当する値である。
【0099】
以下、各メモリセルにデータを書き込む方法を説明する。尚、一例として、メモリセルMCkmにデータを書き込むものとする。図7の(A)に動作波形を示す。尚、図7の(A)中、括弧内の数字は、以下に説明する工程の番号と対応している。
【0100】
(1)待機状態では、ワード線、全プレート線、ビット線BLは0ボルトとなっている。また、センスアンプSAには、書き込むべきデータ(高電位Vccあるいは低電位=0ボルト)が保持されているものとする。ここで、Vccは電源電圧である。
【0101】
(2)データ書込みの開始時、ビット線BLをセンスアンプSAに接続する。メモリセルMCkmに書き込むデータに依存して、ビット線BLは、Vccあるいは0ボルトとなる。
【0102】
(3)次いで、ワード線WLをハイレベルとすることによって、選択用トランジスタTRをオン状態とする。併せて、選択プレート線PLに高電位Vccを印加し、非選択プレート線PL(j≠m)には中間電位VPL[=(1/2)Vcc]を印加する。これによって、ビット線BLの電位が低電位(0ボルト)である場合、メモリセルMCkmにおいては、選択プレート線PLの電位が高電位Vccであり、データ「0」が書き込まれる。一方、ビット線BLの電位が高電位Vccである場合、メモリセルMCkmには何らデータは書き込まれない。
【0103】
(4)その後、選択プレート線PLを低電位(0ボルト)とする。これによって、ビット線BLの電位が低電位(0ボルト)である場合、メモリセルMCkmにおいてはデータに変化はない。一方、ビット線BLの電位が高電位Vccである場合、メモリセルMCkmには、データ「1」が書き込まれる。
【0104】
(5)データの読出しを終了する場合には、次いで、ワード線WLをローレベルとすることによって、選択用トランジスタTRをオフ状態とした後、ビット線BLを0ボルトまで放電し、非選択プレート線PLを0ボルトまで放電する。
【0105】
メモリセルからのデータの読出しにおいては、各メモリセルMCk1からのデータ読出しを一括して行う。そして、それぞれのセンスアンプSAから各1ビットのデータが第2段目のKビット・レジスタRSに転送される。合計256ビットのデータの転送は8サイクルで完了する。
【0106】
以上のサイクルの間に、第1段目のKビット・レジスタRSから32サイクルで256ビットのデータをI/O回路に送り出す。
【0107】
その後、一括して、第2段目のKビット・レジスタRSにおける256ビットのデータを、第1段目のKビット・レジスタRSに転送する。
【0108】
このような動作を16回、繰り返すことによって、メモリセルMCk1,MCk2,MCk3・・・・,MCk,M−1,MCk,Mからのデータの読出しが完了する。こうして、不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K(=16×256=4096)個のメモリセルに一括アクセスがなされる。
【0109】
次に、各メモリセルからデータを読み出し、各メモリセルにデータを再書込みする方法の一例を、以下、説明する。尚、一例として、メモリセルMCkmからデータを読み出すものとする。図7の(B)に動作波形を示す。尚、図7の(B)中、括弧内の数字は、以下に説明する工程の番号と対応している。
【0110】
(11)待機状態では、全ビット線、全ワード線、全プレート線が接地されている。そして、接地線(図示せず)とビット線BLとの電気的な接続を解き、ビット線BLを浮遊状態とする。
【0111】
(12)データ読出しの開始時、ワード線WLをハイレベルとすることによって、選択用トランジスタTRをオン状態とする。併せて、選択プレート線PLに高電位Vccを印加する。また、非選択プレート線PLを浮遊状態とする。これによって、メモリセルMCkmの記憶していたデータに依存して、ビット線BLには高電位あるいは低電位が出現する。次に、センスアンプSAを活性化して、かかるビット線BLの電位をデータとして読み出す。
【0112】
(13)その後、ワード線WLをローレベルとすることによって、選択用トランジスタTRをオフ状態とする。併せて、選択プレート線PLを0ボルトとする。同時に、ビット線BLをセンスアンプSAによって充放電させ、ビット線BLにデータに依存してVcc又は0ボルトを印加する。
【0113】
(14)その後、上述した(3)〜(5)を実行することによって、メモリセルMCkmに、データが再び書き込まれる。
【0114】
このように、2段のKビット・レジスタを備えることによって、外部からのデータの取り込みとメモリセルへのデータの書込み、あるいは又、メモリセルからのデータの読出しと外部へのデータの送出を並列して実行することができる。
【0115】
また、上述のメモリセルからのデータの読出し及び再書込み方法を採用することによって、即ち、不揮発性メモリユニットのアレイブロック(不揮発性半導体メモリ群)とアクセス単位となるファイルセクターを一致させることで、外部から意識することなくディスターブの上限を規定し、データ破壊を防止することができる。尚、この手法は、実施の形態1〜実施の形態6にて説明したコンピュータ機器の動作において適用できるだけでなく、一般のファイルストレージを構成する不揮発性半導体メモリ群におけるメモリセルへのデータの書込み、あるいは又、メモリセルからの読出し及び再書込みにも適用することができる。ここで、ディスターブとは、非選択のメモリセルの強誘電体層に対して、分極が反転する方向に、即ち、保存されていたデータが劣化若しくは破壊される方向に、電界が加わる現象を指す。
【0116】
また、以上の説明においては、不揮発性半導体メモリ群を16×256=4096のメモリセルから構成したが、I/O回路を、例えば9ビット(8+1)構成としてもよい。ここで、付加された1ビットはエラー検出用あるいはエラー補正用に用いる。このような場合には、K=9×32=288となる。また、Kビット・レジスタRS,RSとして、288ビットのレジスタを使用する。
【0117】
更には、不揮発性半導体メモリを複数の不揮発性半導体メモリ群から構成し、複数の不揮発性半導体メモリ群において同一アドレスのプレート線(mの値が同じプレート線)を同時に作動させてもよい。例えば、上述の例において、K=128として、2つの不揮発性半導体メモリ群を同時に駆動してもよい。
【0118】
以下、不揮発性メモリユニットの各種の変形例を説明する。
【0119】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例1]
不揮発性半導体メモリ群の等価回路図を図8に示し、2つの不揮発性メモリユニットの等価回路図を図9に示すように、2つの不揮発性メモリユニットを対として、1つのセンスアンプに接続する構成とすることができる。そして、プレート線を共通とする一対のメモリセルに相補的な1ビットのデータを記憶させる。尚、図9においては、k=1及び2のみを図示した。
【0120】
以下、このような構成におけるデータの書込み動作を説明する。尚、一例として、対となったメモリセルMC11,MC21にデータを書き込むものとし、メモリセルMC11にデータ「1」を、メモリセルMC21にデータ「0」を書き込むものとする。
【0121】
(21)待機状態では、ワード線、全プレート線は0ボルトとなっている。また、ビット線BL,BLは0ボルトにイコライズされている。尚、センスアンプSAには、書き込むべきデータが保持されているものとする。
【0122】
(22)データ書込みの開始時、ビット線BLにVccを印加し、ビット線BLに0ボルトを印加する。
(23)次いで、ワード線WLをハイレベルとすることによって、選択用トランジスタTR,TRをオン状態とする。併せて、選択プレート線PLに高電位Vccを印加し、非選択プレート線PL(j≠1)には中間電位VPL[=(1/2)Vcc]を印加する。これによって、メモリセルMC21においては、選択プレート線PLの電位が高電位Vccであり、ビット線BLの電位が0ボルトであるが故に、データ「0」が書き込まれる。
(24)その後、選択プレート線PLを0ボルトとする。これによって、メモリセルMC11においては、選択プレート線PLの電位が0ボルトであり、ビット線BLの電位がVccであるが故に、データ「1」が書き込まれる。
(25)データの書込みを終了する場合には、次いで、ワード線WLをローレベルとすることによって、選択用トランジスタTR,TRをオフ状態とした後、ビット線BLを0ボルトまで放電し、非選択プレート線PLを0ボルトまで放電する。
【0123】
次に、メモリセルからデータを読み出し、データを再書き込みする方法の一例を、以下、説明する。尚、一例として、対となったメモリセルMC11,MC21からデータを読み出すものとし、メモリセルMC11にはデータ「1」が、メモリセルMC21にはデータ「0」が記憶されているとする。
【0124】
(31)待機状態では、全ビット線、全ワード線、全プレート線が接地されている。そして、接地線(図示せず)とビット線BL,BLとの電気的な接続を解き、ビット線BL,BLを浮遊状態とする。
【0125】
(32)データ読出しの開始時、ワード線WLをハイレベルとすることによって、選択用トランジスタTR,TRをオン状態とする。併せて、選択プレート線PLに高電位Vccを印加する。また、非選択プレート線PLを浮遊状態とする。これによって、データ「1」を記憶していたメモリセルMC11からは反転電荷が放出され、その結果、ビット線BL,BLの間に電位差が生じる。次に、センスアンプSAを活性化して、かかるビット線BL,BLの間の電位差をデータとして読み出す。
【0126】
(33)その後、ワード線WLをローレベルとすることによって、選択用トランジスタTR,TRをオフ状態とする。併せて、選択プレート線PLを0ボルトとする。同時に、ビット線BL,BLを、センスアンプSAによって充放電させ、ビット線BLにはVccを印加し、ビット線BLには0ボルトを印加する。
【0127】
(34)その後、先に説明した工程(23)を実行することによって、メモリセルMC21には、データ「0」が再び書き込まれる。
【0128】
(35)次いで、先に説明した工程(24)を実行することによって、即ち、選択プレート線PLを0ボルトとすることによって、メモリセルMC11には、データ「1」が再び書き込まれる。
【0129】
(36)データの書込みを終了する場合には、次いで、ビット線BL,BLを0ボルトまで放電し、非選択プレート線PLを0ボルトまで放電する。
【0130】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例2]
不揮発性半導体メモリ群の等価回路図を図10に示し(但し、プレート線デコーダ/ドライバPD及びワード線デコーダ/ドライバWDの図示は省略)、2つの不揮発性メモリユニットの等価回路図を図11に示すように、2つの不揮発性メモリユニットを対として、1つのセンスアンプに接続し、対となった不揮発性メモリユニットを構成する2つの選択用トランジスタを異なるワード線に接続し、独立して制御する構成とすることもできる。そして、プレート線を共通とする一対のメモリセルのそれぞれに1ビットのデータを記憶させる。尚、図11においては、k=1及び2を図示した。
【0131】
このような構成におけるデータの書込み動作、及び、読出し/再書込み動作は、対となった不揮発性メモリユニットを構成する2つの選択用トランジスタを独立して制御することを除き(即ち、書込み動作のサイクル、及び、読出し/再書込みのサイクルが2倍になる)、実質的に前述の(1)〜(5)、(11)〜(14)と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。尚、(12)において、データ読出しの開始時、例えば、ワード線WLをハイレベルとすることによって選択用トランジスタTRをオン状態とし、ワード線WLをローレベルとすることによって選択用トランジスタTRをオフ状態として、ビット線BLに参照電位(データ「1」に基づきビット線に出現する電位と、データ「0」のに基づきビット線に出現する電位の中間)を与えることで、ビット線BLに出現した電位を一層確実に読み出すことができる。
【0132】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例3]
ビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で不揮発性メモリユニットを切断したときの模式的な一部断面図を図12に示す。更には、一対(2つ)の不揮発性メモリユニットの概念的な等価回路図を図13の(A)及び(B)に示し、図13の(A)の概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図を図14に示し、図13の(B)の概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図を図15に示す。尚、図14及び図15には、2つの不揮発性メモリユニットMU,MU(k=1,2)を図示するが、これらの不揮発性メモリユニットMU,MUの構造は同一であり、以下においては、不揮発性メモリユニットMUに関しての説明を行う。また、図13の(A)及び(B)、図17の(A)及び(B)、図21の(A)及び(B)においては、プレート線やプレート線デコーダ/ドライバ、ワード線デコーダ/ドライバ、センスアンプの図示は省略した。
【0133】
この不揮発性メモリユニットMUは、
(A)ビット線BLと、
(B)選択用トランジスタTRと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2であり、図示した例ではM=4)のメモリセルMC1NMから構成された、N個(但し、N≧2であり、図示した例ではN=2)のサブメモリユニットSMU1Nと、
(D)M×N本のプレート線、
から成る。
【0134】
そして、N個のサブメモリユニットSMU1Nは、層間絶縁層26を介して積層されており、各メモリセルは、第1の電極21,31と強誘電体層22,32と第2の電極23,33とから成り、各サブメモリユニットSMU1Nにおいて、メモリセルMC1NMの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は、選択用トランジスタTRを介してビット線BLに接続されている。具体的には、サブメモリユニットSMU11において、メモリセルMC11Mの第1の電極21は共通であり(この共通の第1の電極を第1の共通ノードCN11と呼ぶ)、共通の第1の電極21(第1の共通ノードCN11)は、選択用トランジスタTRを介してビット線BLに接続されている。また、サブメモリユニットSMU12において、メモリセルMC12Mの第1の電極31は共通であり(この共通の第1の電極を第2の共通ノードCN12と呼ぶ)、共通の第1の電極31(第2の共通ノードCN12)は、選択用トランジスタTRを介してビット線BLに接続されている。一般には、第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のサブメモリユニットSMU1nにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMC1nmの第2の電極23,33は、第[(n−1)M+m]番目のプレート線PL(n−1)M+mに接続されている。尚、このプレート線PL(n−1)M+mは、不揮発性メモリユニットMUを構成する各メモリセルの第2の電極23,33にも接続されている。より具体的には、各プレート線は、第2の電極23,33から延在しており、これらのプレート線は図示しない領域において接続されている。
【0135】
選択用トランジスタTRの一方のソース/ドレイン領域14Aはビット線BLに接続され、選択用トランジスタTRの他方のソース/ドレイン領域14Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17を介して、第1層目のサブメモリユニットSMU11における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCN11)に接続されている。更には、選択用トランジスタTRの他方のソース/ドレイン領域14Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17、及び、層間絶縁層26に設けられた第2層目の接続孔27を介して、第2層目のサブメモリユニットSMU12における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCN12)に接続されている。尚、図12中、参照番号36Aは絶縁膜である。
【0136】
ビット線BLは、センスアンプSAに接続されている。また、プレート線PL(n−1)M+mはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WL(あるいはワード線WL,WL)は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。ワード線WLは、図12の紙面垂直方向に延びている。また、不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC11mの第2の電極23は、図12の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC21mの第2の電極と共通であり、プレート線PL(n−1)M+mを兼ねている。更には、不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC12mの第2の電極33は、図12の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC22mの第2の電極と共通であり、プレート線PL(n−1)M+mを兼ねている。また、ワード線WLは、不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTRと、図12の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTRとで共通である。
【0137】
図13の(A)及び図14に等価回路図を示す不揮発性メモリユニットMU,MUにおいて、不揮発性メモリユニットMU,MUを構成する選択用トランジスタTR,TRは同じワード線WLに接続されている。そして、対となったメモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2・・・,N、及び、m=1,2・・・,M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC1nm,MC2nm(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLを選択し、プレート線PL(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PL(n−1)M+mを駆動する。ここで、Vccは、例えば、電源電圧である。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC1nm,MC2nmから選択用トランジスタTR,TRを介して対となったビット線BL,BLに電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL,BLの電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。尚、不揮発性メモリユニットMU,MUを構成する選択用トランジスタTR,TRを、それぞれ、異なるワード線WL,WLに接続し、メモリセルMC1nm,MC2nmを独立して制御し、対となったビット線BL,BLの一方に参照電位を印加することによって、メモリセルMC1nm,MC2nmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の等価回路図は、図13の(B)及び図15を参照のこと。尚、選択用トランジスタTR,TRを同時に駆動すれば、図13の(A)及び図14に示した回路と等価となる。このように、各メモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2であり、m=1,2,3,4)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図13の(B)及び図15参照)、あるいは又、対となったメモリセルMC1nm,MC2nmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図13の(A)及び図14参照)。実際の不揮発性半導体メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶する不揮発性メモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。尚、Mの値は4に限定されない。Mの値は、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8,16・・・)を挙げることができる。また、Nの値は、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0138】
以下、この不揮発性半導体メモリの製造方法の概要を説明する。尚、他の不揮発性半導体メモリも実質的に同様の工程にて製造することができる。
【0139】
[工程−100]
先ず、不揮発性メモリユニットにおける選択用トランジスタを構成するトランジスタとして機能するMOS型トランジスタを半導体基板10に形成する。そのために、例えばLOCOS構造を有する素子分離領域11を公知の方法に基づき形成する。尚、素子分離領域は、トレンチ構造を有していてもよいし、LOCOS構造とトレンチ構造の組合せとしてもよい。その後、半導体基板10の表面を例えばパイロジェニック法により酸化し、ゲート絶縁膜12を形成する。次いで、不純物がドーピングされたポリシリコン層をCVD法にて全面に形成した後、ポリシリコン層をパターニングし、ゲート電極13を形成する。このゲート電極13はワード線を兼ねている。尚、ゲート電極13をポリシリコン層から構成する代わりに、ポリサイドや金属シリサイドから構成することもできる。次に、半導体基板10にイオン注入を行い、LDD構造を形成する。その後、全面にCVD法にてSiO層を形成した後、このSiO層をエッチバックすることによって、ゲート電極13の側面にゲートサイドウオール(図示せず)を形成する。次いで、半導体基板10にイオン注入を施した後、イオン注入された不純物の活性化アニール処理を行うことによって、ソース/ドレイン領域14A,14Bを形成する。
【0140】
[工程−110]
次いで、SiOから成る下層絶縁層をCVD法にて形成した後、一方のソース/ドレイン領域14Aの上方の下層絶縁層に開口部をRIE法にて形成する。そして、かかる開口部内を含む下層絶縁層上に不純物がドーピングされたポリシリコン層をCVD法にて形成する。これによって、コンタクトホール15が形成される。次に、下層絶縁層上のポリシリコン層をパターニングすることによって、ビット線BLを形成する。その後、BPSGから成る上層絶縁層をCVD法にて全面に形成する。尚、BPSGから成る上層絶縁層の形成後、窒素ガス雰囲気中で例えば900゜C×20分間、上層絶縁層をリフローさせることが好ましい。更には、必要に応じて、例えば化学的機械的研磨法(CMP法)にて上層絶縁層の頂面を化学的及び機械的に研磨し、上層絶縁層を平坦化することが望ましい。尚、下層絶縁層と上層絶縁層を纏めて、絶縁層16と呼ぶ。
【0141】
[工程−120]
次に、他方のソース/ドレイン領域14Bの上方の絶縁層16に開口部をRIE法にて形成した後、かかる開口部内を、不純物をドーピングしたポリシリコンで埋め込み、接続孔(コンタクトホール)17を完成させる。ビット線BLは、下層絶縁層上を、図の左右方向に接続孔17と接触しないように延びている。
【0142】
尚、接続孔17は、絶縁層16に形成された開口部内に、例えば、タングステン、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiNW、WSi、MoSi等の高融点金属や金属シリサイドから成る金属配線材料を埋め込むことによって形成することもできる。接続孔17の頂面は絶縁層16の表面と略同じ平面に存在していることが好ましい。タングステンにて開口部を埋め込み、接続孔17を形成する条件を、以下の表1に例示する。尚、タングステンにて開口部を埋め込む前に、Ti層及びTiN層を順に例えばマグネトロンスパッタ法にて開口部内を含む絶縁層16の上に形成することが好ましい。ここで、Ti層及びTiN層を形成する理由は、オーミックな低コンタクト抵抗を得ること、ブランケットタングステンCVD法における半導体基板10の損傷発生の防止、タングステンの密着性向上のためである。
【0143】
[表1]
[Ti層(厚さ:20nm)のスパッタ条件]
プロセスガス:Ar=35sccm
圧力 :0.52Pa
RFパワー :2kW
基板の加熱 :無し
[TiN層(厚さ:100nm)のスパッタ条件]
プロセスガス:N/Ar=100/35sccm
圧力 :1.0Pa
RFパワー :6kW
基板の加熱 :無し
[タングステンのCVD形成条件]
使用ガス:WF/H/Ar=40/400/2250sccm
圧力 :10.7kPa
形成温度:450゜C
[タングステン層及びTiN層、Ti層のエッチング条件]
第1段階のエッチング:タングステン層のエッチング
使用ガス :SF/Ar/He=110:90:5sccm
圧力 :46Pa
RFパワー:275W
第2段階のエッチング:TiN層/Ti層のエッチング
使用ガス :Ar/Cl=75/5sccm
圧力 :6.5Pa
RFパワー:250W
【0144】
[工程−130]
次に、絶縁層16上に、窒化チタン(TiN)から成る密着層(図示せず)を形成することが望ましい。そして、密着層上にIrから成る第1の電極(下部電極)21を構成する第1の導電材料層を、例えばスパッタ法にて形成し、第1の導電材料層及び密着層をフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術に基づきパターニングすることによって、ストライプ状の第1の電極21を得ることができる。その後、全面に、CVD法にてSiO膜あるいはSiO/TiO膜(図示せず)を形成し、CMP法にてこの膜を平坦化して、第1の電極21の間がこの膜によって埋め込まれた状態(所謂ダマシン構造)を得ることができる。CMP法においては、アルミナを含むスラリーを研磨剤として用いればよい。
【0145】
尚、絶縁層16上に例えばSiN膜を形成し、次いで、第1の電極を形成すべき部分のSiN膜を選択的に除去した後、SiN膜及び露出した絶縁層16上に密着層、第1の導電材料層を形成し、その後、CMP法にてSiN膜上の第1の導電材料層及び密着層を除去することによって、所謂ダマシン構造を有する第1の電極を形成することもできる。
【0146】
[工程−140]
その後、強誘電体薄膜を全面に形成し、次いで、必要に応じて強誘電体薄膜をパターニングして、強誘電体層22を形成する。
【0147】
[工程−150]
次に、Ir層をスパッタ法にて全面に形成した後、フォトリソグラフィ技術、ドライエッチング技術に基づき、Ir層をパターニングして、強誘電体層22上に第2の電極23を形成し、第2の電極23から延びるプレート線PLを形成する。エッチングによって、強誘電体層22にダメージが加わる場合には、ダメージ回復に必要とされる温度にて、その後、ダメージ回復アニール処理を行えばよい。
【0148】
[工程−160]
その後、
・層間絶縁層26の形成及び平坦化処理
・開口部の形成及び接続孔27の形成
・例えば、ダマシン構造を有する第1の電極31の形成
・強誘電体層32の形成
・第2の電極33の形成
・絶縁膜36Aの形成
を、順次、行う。
【0149】
尚、各第2の電極23,33はプレート線を兼ねていなくともよい。この場合には、例えば、絶縁層16及び強誘電体層22の上に上層絶縁層を形成した後、上層絶縁層上にプレート線を形成し、併せて、第2の電極23とプレート線とを、上層絶縁層に設けられた接続孔(ビアホール)によって接続すればよい。
【0150】
例えば、BiSrTaから成る強誘電体薄膜の形成条件を、以下の表2に例示する。尚、表2中、「thd」は、テトラメチルヘプタンジオネートの略である。また、表2に示したソース原料はテトラヒドロフラン(THF)を主成分とする溶媒中に溶解されている。
【0151】

Figure 2004164185
【0152】
あるいは又、BiSrTaから成る強誘電体薄膜をパルスレーザアブレーション法、ゾル−ゲル法、あるいはRFスパッタ法にて全面に形成することもできる。これらの場合の形成条件を、以下の表3、表4、表5に例示する。尚、ゾル−ゲル法によって厚い強誘電体薄膜を形成する場合、所望の回数、スピンコート及び乾燥、あるいはスピンコート及び焼成(又は、アニール処理)を繰り返せばよい。
【0153】
[表3]
[パルスレーザアブレーション法による形成]
ターゲット:BiSrTa
使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、パルス幅25n秒、5Hz)
形成温度 :400〜800゜C
酸素濃度 :3Pa
【0154】
Figure 2004164185
【0155】
[表5]
[RFスパッタ法による形成]
ターゲット:BiSrTaセラミックターゲット
RFパワー:1.2W〜2.0W/ターゲット1cm
雰囲気圧力:0.2〜1.3Pa
形成温度 :室温〜600゜C
プロセスガス:Ar/Oの流量比=2/1〜9/1
【0156】
強誘電体層を、PZTあるいはPLZTから構成するときの、マグネトロンスパッタ法によるPZTあるいはPLZTの形成条件を以下の表6に例示する。あるいは又、PZTやPLZTを、反応性スパッタ法、電子ビーム蒸着法、ゾル−ゲル法(表7の条件を参照)、MOCVD法(表8の条件を参照)、パルスレーザアブレーション法(表9の条件を参照)にて形成することもできる。
【0157】
[表6]
[マグネトロンスパッタ法]
ターゲット :PZTあるいはPLZT
プロセスガス:Ar/O=90体積%/10体積%
圧力 :4Pa
パワー :50W
形成温度 :500゜C
【0158】
Figure 2004164185
【0159】
Figure 2004164185
【0160】
[表9]
[パルスレーザアブレーション法]
ターゲット:PZT又はPLZT
使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、パルス幅25n秒、3Hz)
出力エネルギー:400mJ(1.1J/cm
形成温度 :550〜600゜C
酸素濃度 :40〜120Pa
【0161】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例4]
ビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で不揮発性メモリユニットを切断したときの模式的な一部断面図を図16に示す。更には、この不揮発性半導体メモリにおける不揮発性メモリユニットの概念的な等価回路図を図17の(A)及び(B)に示し、図17の(A)の概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図を図18に示し、図17の(B)の概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図を図19に示す。尚、図18及び図19には、2つの不揮発性メモリユニットMU,MUを図示するが、これらの不揮発性メモリユニットMU,MUの構造は同一であり、以下においては、不揮発性メモリユニットMUに関しての説明を行う。
【0162】
この不揮発性メモリユニットMUは、
(A)ビット線BLと、
(B)N個(但し、N≧2であり、図示した例ではN=2)の選択用トランジスタTR1Nと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2であり、図示した例ではM=4)のメモリセルMC1NMから構成された、N個のサブメモリユニットSMU1Nと、
(D)M本のプレート線PL
から成る。
【0163】
そして、N個のサブメモリユニットSMU1Nは、層間絶縁層26を介して積層されている。各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成る。具体的には、第1層目のサブメモリユニットSMU11を構成する各メモリセルMC11Mは、第1の電極21と強誘電体層22と第2の電極23とから成り、第2層目のサブメモリユニットSMU12を構成する各メモリセルMC12Mは、第1の電極31と強誘電体層32と第2の電極33とから成る。更には、各サブメモリユニットSMU1nにおいて、メモリセルMC1nmの第1の電極21,31は共通である。具体的には、第1層目のサブメモリユニットSMU11において、メモリセルMC11Mの第1の電極21は共通である。この共通の第1の電極21を第1の共通ノードCN11と呼ぶ場合がある。また、第2層目のサブメモリユニットSMU12において、メモリセルMC12Mの第1の電極31は共通である。この共通の第1の電極31を第2の共通ノードCN12と呼ぶ場合がある。一般には、第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のサブメモリユニットSMU1nにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極23,33は、サブメモリユニットSMU1n間で共通とされた第m番目のプレート線PLに接続されている。より具体的には、各プレート線は、第2の電極23,33から延在しており、これらのプレート線は図示しない領域において接続されている。
【0164】
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のサブメモリユニットSMU1nにおける共通の第1の電極は、第n番目の選択用トランジスタTR1nを介してビット線BLに接続されている。具体的には、各選択用トランジスタTR11,TR12の一方のソース/ドレイン領域14Aはビット線BLに接続され、第1番目の選択用トランジスタTR11の他方のソース/ドレイン領域14Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17を介して、第1層目のサブメモリユニットSMU11における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCN11)に接続されている。また、第2番目の選択用トランジスタTR12の他方のソース/ドレイン領域14Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17、パッド部25、及び、層間絶縁層26に設けられた第2層目の接続孔27を介して、第2層目のサブメモリユニットSMU12における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCN12)に接続されている。
【0165】
ビット線BLは、センスアンプSAに接続されている。また、プレート線PLはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WL,WL(あるいはワード線WL11,WL12,WL21,WL22)は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。ワード線WL,WLは、図16の紙面垂直方向に延びている。また、不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC11mの第2の電極23は、図16の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC21mの第2の電極と共通であり、プレート線PLを兼ねている。更には、不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC12mの第2の電極33は、図16の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC22mの第2の電極と共通であり、プレート線PLを兼ねている。これらのプレート線PLは、図示しない領域において接続されている。また、ワード線WLは、不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTR11と、図16の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTR21とで共通である。更には、ワード線WLは、不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTR12と、図16の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTR22とで共通である。
【0166】
図17の(A)及び図18に等価回路図を示す不揮発性メモリユニットMU,MUにおいて、不揮発性メモリユニットMU,MUを構成する選択用トランジスタTR1n,TR2nは同じワード線WLに接続されている。そして、対となったメモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2、及び、m=1,2・・・,M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC11m,MC21m(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLを選択し、プレート線PL(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLを駆動する。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC11m,MC21mから選択用トランジスタTR11,TR21を介して対となったビット線BL,BLに電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL,BLの電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。尚、不揮発性メモリユニットMU,MUを構成する選択用トランジスタTR11,TR12,TR21,TR22を、それぞれ、異なるワード線WL11,WL12,WL21,WL22に接続し、メモリセルMC1nm,MC2nmを独立して制御し、対となったビット線BL,BLの一方に参照電位を印加することによって、メモリセルMC1nm,MC2nmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の等価回路図は、図17の(B)及び図19を参照のこと。尚、選択用トランジスタTR11,TR21を同時に駆動し、選択用トランジスタTR12,TR22を同時に駆動すれば、図17の(A)及び図18に示した回路と等価となる。このように、各メモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2であり、m=1,2,3,4)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図17の(B)及び図19参照)、あるいは又、対となったメモリセルMC1nm,MC2nmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図17の(A)及び図18参照)。実際の不揮発性半導体メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶する不揮発性メモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。尚、Mの値は4に限定されない。Mの値は、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8,16・・・)を挙げることができる。また、Nの値は、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0167】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例5]
ビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で不揮発性メモリユニットを切断したときの模式的な一部断面図を図20に示す。更には、不揮発性メモリユニットの概念的な等価回路図を図21の(A)及び(B)に示し、具体的な等価回路図を図22に示す。尚、図21の(A)及び(B)には、2つの不揮発性メモリユニットMU,MUを図示するが、これらの不揮発性メモリユニットMU,MUの構造は同一であり、以下においては、不揮発性メモリユニットMUに関しての説明を行う。
【0168】
この不揮発性メモリユニットMUは、
(A)N本(但し、N≧2であり、図示した例ではN=2)のビット線BL1Nと、
(B)N個の選択用トランジスタTR1Nと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2であり、図示した例ではM=4)のメモリセルMC1NMから構成された、N個のサブメモリユニットSMU1Nと、
(D)M本のプレート線PL
から成る。
【0169】
そして、N個のサブメモリユニットSMU1Nは、層間絶縁層26を介して積層されている。各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成る。具体的には、第1層目のサブメモリユニットSMU11を構成する各メモリセルMC11Mは、第1の電極21と強誘電体層22と第2の電極23とから成り、第2層目のサブメモリユニットSMU12を構成する各メモリセルMC12Mは、第1の電極31と強誘電体層32と第2の電極33とから成る。更には、各サブメモリユニットSMU1nにおいて、メモリセルMC1nmの第1の電極21,31は共通である。具体的には、第1層目のサブメモリユニットSMU11において、メモリセルMC11Mの第1の電極21は共通である。この共通の第1の電極21を第1の共通ノードCN11と呼ぶ場合がある。また、第2層目のサブメモリユニットSMU12において、メモリセルMC12Mの第1の電極31は共通である。この共通の第1の電極31を第2の共通ノードCN12と呼ぶ場合がある。一般には、第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のサブメモリユニットSMU1nにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極23,33は、サブメモリユニットSMU1n間で共通とされた第m番目のプレート線PLに接続されている。より具体的には、各プレート線は、第2の電極23,33から延在しており、これらのプレート線は図示しない領域において接続されている。
【0170】
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のサブメモリユニットSMU1nにおける共通の第1の電極は、第1番目の選択用トランジスタTR11を介して第1番目のビット線BL11に接続されている。具体的には、第n番目の選択用トランジスタTR1nの一方のソース/ドレイン領域14Aは第n番目のビット線BL1nに接続され、第1番目の選択用トランジスタTR11の他方のソース/ドレイン領域14Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17を介して、第1層目のサブメモリユニットSMU11における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCN11)に接続されている。また、第2番目の選択用トランジスタTR12の他方のソース/ドレイン領域14Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17、パッド部25、及び、層間絶縁層26に設けられた第2層目の接続孔27を介して、第2層目のサブメモリユニットSMU12における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCN12)に接続されている。
【0171】
ビット線BL1nは、センスアンプSAに接続されている。また、プレート線PLはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WL,WL(あるいはワード線WL11,WL12,WL21,WL22)は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。ワード線WL,WLは、図20の紙面垂直方向に延びている。また、不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC11mの第2の電極23は、図20の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC21mの第2の電極と共通であり、プレート線PLを兼ねている。更には、不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC12mの第2の電極33は、図20の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成するメモリセルMC22mの第2の電極と共通であり、プレート線PLを兼ねている。これらのプレート線PLは、図示しない領域において接続されている。また、ワード線WLは、不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTR11と、図20の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTR21とで共通である。更には、ワード線WLは、不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTR12と、図20の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリユニットMUを構成する選択用トランジスタTR22とで共通である。
【0172】
図21の(A)及び図22に等価回路図を示す不揮発性メモリユニットMU,MUにおいては、不揮発性メモリユニットMU,MUを構成する選択用トランジスタTR11,TR21は同じワード線WLに接続され、選択用トランジスタTR12,TR22は同じワード線WLに接続されている。そして、対となったメモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2、及び、m=1,2・・・,M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC11m,MC21m(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLを選択し、プレート線PL(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLを駆動する。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC11m,MC21mから選択用トランジスタTR11,TR21を介して対となったビット線BL11,BL21に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL11,BL21の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。尚、不揮発性メモリユニットMU,MUを構成する選択用トランジスタTR11,TR12,TR21,TR22を、それぞれ、異なるワード線WL11,WL12,WL21,WL22に接続し、メモリセルMC1nm,MC2nmを独立して制御し、対となったビット線BL11,BL21、あるいは、対となったビット線BL12,BL22の一方に参照電位を印加することによって、メモリセルMC1nm,MC2nmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の等価回路図は、図21の(B)及び図22を参照のこと。尚、選択用トランジスタTR11,TR21を同時に駆動し、選択用トランジスタTR12,TR22を同時に駆動すれば、図21の(A)に示した回路と等価となる。このように、各メモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2であり、m=1,2,3,4)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図21の(B)参照)、あるいは又、対となったメモリセルMC1nm,MC2nmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図21の(A)参照)。実際の不揮発性半導体メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶する不揮発性メモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。尚、Mの値は4に限定されない。Mの値は、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8,16・・・)を挙げることができる。また、Nの値は、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0173】
あるいは又、図21の(A)及び図22に等価回路図を示す不揮発性メモリユニットMUにおいて、例えば、対となったメモリセルMC11m,MC12m(m=1,2・・・,M)に相補的なデータを記憶してもよい。例えば、メモリセルMC11m,MC12m(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WL,WLを選択し、プレート線PL(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLを駆動する。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC11m,MC12mから選択用トランジスタTR11,TR12を介して対となったビット線BL11,BL12に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL11,BL12の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。尚、メモリセルMC11m,MC12mを独立して制御し、対となったビット線BL11,BL12の一方に参照電位を印加することによって、メモリセルMC11m,MC12mのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の等価回路図は、図21の(B)及び図22を参照のこと。
【0174】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例6]
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例4]において説明した不揮発性メモリユニットを、図23に示す構造のように変形することもできる。尚、等価回路図を図24に示す。
【0175】
この不揮発性メモリユニットは、センスアンプSAに接続されているビット線BLと、MOS型FETから構成されたN個(但し、N≧2であり、この例においてはN=4)の選択用トランジスタTR11,TR12,TR13,TR14と、N個のサブメモリユニットSMU11,SMU12,SMU13,SMU14と、プレート線から構成されている。第1層目のサブメモリユニットSMU11は、M個(但し、M≧2であり、この例においてはM=8)のメモリセルMC11m(m=1,2,・・・,8)から構成されている。また、第2層目のサブメモリユニットSMU12も、M個(M=8)のメモリセルMC12m(m=1,2・・・,8)から構成されている。更には、第3層目のサブメモリユニットSMU13も、M個(M=8)のメモリセルMC13m(m=1,2・・・,8)から構成され、第4層目のサブメモリユニットSMU14も、M個(M=8)のメモリセルMC14m(m=1,2・・・,8)から構成されている。プレート線の数は、M本(この例においては8本)であり、PL(m=1,2・・・,8)で表している。選択用トランジスタTR1nのゲート電極に接続されたワード線WL1nは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。一方、各プレート線PLは、プレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。
【0176】
また、第1層目のサブメモリユニットSMU11を構成する各メモリセルMC11mは、第1の電極21Aと強誘電体層22Aと第2の電極23とから成り、第2層目のサブメモリユニットSMU12を構成する各メモリセルMC12mは、第1の電極21Bと強誘電体層22Bと第2の電極23とから成り、第3層目のサブメモリユニットSMU13を構成する各メモリセルMC13mは、第1の電極31Aと強誘電体層32Aと第2の電極33とから成り、第4層目のサブメモリユニットSMU14を構成する各メモリセルMC14mは、第1の電極31Bと強誘電体層32Bと第2の電極33とから成る。そして、各サブメモリユニットSMU11,SMU12,SMU13,SMU14において、メモリセルの第1の電極21A,21B,31A,31Bは共通である。この共通の第1の電極21A,21B,31A,31Bを、便宜上、共通ノードCN11,CN12,CN13,CN14と呼ぶ。
【0177】
ここで、第1層目のサブメモリユニットSMU11における共通の第1の電極21A(第1の共通ノードCN11)は、第1番目の選択用トランジスタTR11を介してビット線BLに接続されている。また、第2層目のサブメモリユニットSMU12における共通の第1の電極21B(第2の共通ノードCN12)は、第2番目の選択用トランジスタTR12を介してビット線BLに接続されている。更には、第3層目のサブメモリユニットSMU13における共通の第1の電極31A(第3の共通ノードCN13)は、第3番目の選択用トランジスタTR13を介してビット線BLに接続されている。また、第4層目のサブメモリユニットSMU14における共通の第1の電極31B(第4の共通ノードCN14)は、第4番目の選択用トランジスタTR14を介してビット線BLに接続されている。
【0178】
また、第1層目のサブメモリユニットSMU11を構成するメモリセルMC11mと、第2層目のサブメモリユニットSMU12を構成するメモリセルMC12mは、第2の電極23を共有しており、この共有された第m番目の第2の電極23はプレート線PLに接続されている。更には、第3層目のサブメモリユニットSMU13を構成するメモリセルMC13mと、第4層目のサブメモリユニットSMU14を構成するメモリセルMC14mは、第2の電極33を共有しており、この共有された第m番目の第2の電極33はプレート線PLに接続されている。具体的には、この共有された第m番目の第2の電極23の延在部からプレート線PLが構成され、この共有された第m番目の第2の電極33の延在部からプレート線PLが構成されており、各プレート線PLは図示しない領域で接続されている。
【0179】
この不揮発性メモリユニットにおいては、サブメモリユニットSMU11,SMU12とサブメモリユニットSMU13,SMU14は、層間絶縁層26を介して積層されている。サブメモリユニットSMU14は絶縁膜36Aで被覆されている。また、サブメモリユニットSMU11は、半導体基板10の上方に絶縁層16を介して形成されている。半導体基板10には素子分離領域11が形成されている。また、選択用トランジスタTR11,TR12,TR13,TR14は、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、ソース/ドレイン領域14A,14Bから構成されている。そして、第1の選択用トランジスタTR11、第2の選択用トランジスタTR12、第3の選択用トランジスタTR13、第4の選択用トランジスタTR14の一方のソース/ドレイン領域14Aはコンタクトホール15を介してビット線BLに接続されている。また、第1の選択用トランジスタTR11の他方のソース/ドレイン領域14Bは、絶縁層16に形成された開口部中に設けられた接続孔17を介して第1の共通ノードCN11に接続されている。更には、第2の選択用トランジスタTR12の他方のソース/ドレイン領域14Bは、接続孔17を介して第2の共通ノードCN12に接続されている。また、第3の選択用トランジスタTR13の他方のソース/ドレイン領域14Bは、接続孔17、パッド部25、層間絶縁層26に形成された開口部中に設けられた接続孔27を介して第3の共通ノードCN13に接続されている。更には、第4の選択用トランジスタTR14の他方のソース/ドレイン領域14Bは、接続孔17、パッド部25、接続孔27を介して第4の共通ノードCN14に接続されている。
【0180】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例7]
例えば、図25に示すように、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例4]の不揮発性メモリユニットの変形例として、第1の電極21’,31’を上部電極とし、第2の電極23’,33’を下部電極とすることもできる。このような構造は、他のクロスポイント型不揮発性メモリユニットにも適用することができる。
【0181】
[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例8]
以上に説明した各種のクロスポイント型不揮発性メモリユニットを、特開2002−197857に開示された所謂ゲインセル型とすることもできる。このような不揮発性メモリユニットの等価回路図を図26に示し、不揮発性メモリユニットを構成する各種のトランジスタの模式的なレイアウトを図27に示し、不揮発性メモリユニットの模式的な一部断面図を図28及び図29に示す。尚、図27において、各種のトランジスタの領域を点線で囲み、活性領域及び配線を実線で示し、ゲート電極あるいはワード線を一点鎖線で示した。また、図28に示す不揮発性メモリユニットの模式的な一部断面図は、図27の線A−Aに沿った模式的な一部断面図であり、図29に示す不揮発性メモリユニットの模式的な一部断面図は、図27の線B−Bに沿った模式的な一部断面図である。
【0182】
図6に示したクロスポイント型不揮発性メモリユニットから構成された不揮発性メモリユニットにゲインセル型を適用した例を、以下に説明する。この不揮発性メモリユニットは、例えば、ビット線BLと、書込用トランジスタ示した(図6に不揮発性メモリユニットにおける選択用トランジスタである)TRと、M個(但し、M≧2であり、例えば、M=8)のメモリセルMCから構成され、例えば層間絶縁層を介して積層されたN個のサブメモリユニットSMUと、M本のプレート線PLから成る不揮発性メモリユニットMUから構成されている。そして、各メモリセルMCは、第1の電極21と強誘電体層22と第2の電極23とから成り、サブメモリユニットSMUを構成するメモリセルMCの第1の電極21は、サブメモリユニットSMUにおいて共通であり、この共通の第1の電極(共通ノードCN)は、書込用トランジスタTRを介してビット線BLに接続され、各メモリセルMCを構成する第2の電極23はプレート線PLに接続されている。メモリセルMCは層間絶縁層26によって被覆されている。尚、不揮発性メモリユニットのサブメモリユニットSMUを構成するメモリセルの数(M)は8個に限定されず、一般には、M≧2を満足すればよく、2のべき数(M=2,4,8,16・・・)とすることが好ましい。
【0183】
更には、共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果をビット線に電流又は電圧として伝達する信号検出回路を備えている。言い換えれば、検出用トランジスタTR、及び、読出用トランジスタTRを備えている。信号検出回路は、検出用トランジスタTR及び読出用トランジスタTRから構成されている。そして、検出用トランジスタTRの一端は所定の電位Vccを有する配線(例えば、不純物層から構成された電源線)に接続され、他端は読出用トランジスタTRを介してビット線BLに接続され、各メモリセルMCに記憶されたデータの読出し時、読出用トランジスタTRが導通状態とされ、各メモリセルMCに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCN)に生じた電位により、検出用トランジスタTRの動作が制御される。
【0184】
具体的には、各種のトランジスタはMOS型FETから構成されており、書込用トランジスタ(選択用トランジスタ)TRの一方のソース/ドレイン領域は絶縁層16に形成されたコンタクトホール15を介してビット線BLに接続され、他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層16に形成された開口部中に設けられた接続孔17を介して共通の第1の電極(共通ノードCN)に接続されている。また、検出用トランジスタTRの一方のソース/ドレイン領域は、所定の電位Vccを有する配線に接続され、他方のソース/ドレイン領域は、読出用トランジスタTRの一方のソース/ドレイン領域に接続されている。より具体的には、検出用トランジスタTRの他方のソース/ドレイン領域と読出用トランジスタTRの一方のソース/ドレイン領域とは、1つのソース/ドレイン領域を占めている。更には、読出用トランジスタTRの他方のソース/ドレイン領域はコンタクトホール15を介してビット線BLに接続され、更に、共通の第1の電極(共通ノードCN、あるいは、書込用トランジスタTRの他方のソース/ドレイン領域)は、開口部中に設けられた接続孔17A、ワード線WLを介して検出用トランジスタTRのゲート電極に接続されている。また、書込用トランジスタTRのゲート電極に接続されたワード線WL及び読出用トランジスタTRのゲート電極に接続されたワード線WLは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。一方、各プレート線PLは、プレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ビット線BLはセンスアンプSAに接続されている。
【0185】
この不揮発性メモリユニットのメモリセルMCからデータを読み出す場合、選択プレート線PLにVccを印加する。このとき、選択メモリセルMCにデータ「1」が記憶されていれば、強誘電体層に分極反転が生じ、蓄積電荷量が増加し、共通ノードCNの電位が上昇する。一方、選択メモリセルMCにデータ「0」が記憶されていれば、強誘電体層に分極反転が生ぜず、共通ノードCNの電位は殆ど上昇しない。即ち、共通ノードCNは、非選択メモリセルの強誘電体層を介して複数の非選択プレート線PLにカップリングされているので、共通ノードCNの電位は0ボルトに比較的近いレベルに保たれる。このようにして、選択メモリセルMCに記憶されたデータに依存して共通ノードCNの電位に変化が生じる。従って、選択メモリセルの強誘電体層には、分極反転に十分な電界を与えることができる。そして、ビット線BLを浮遊状態とし、読出用トランジスタTRをオン状態とする。一方、選択メモリセルMCに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCN)に生じた電位により、検出用トランジスタTRの動作が制御される。具体的には、選択メモリセルMCに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCN)に高い電位が生じれば、検出用トランジスタTRは導通状態となり、検出用トランジスタTRの一方のソース/ドレイン領域は所定の電位Vccを有する配線に接続されているので、かかる配線から、検出用トランジスタTR及び読出用トランジスタTRを介してビット線BLに電流が流れ、ビット線BLの電位が上昇する。即ち、信号検出回路によって共通の第1の電極(共通ノードCN)の電位変化が検出され、この検出結果がビット線BLに電圧(電位)として伝達される。ここで、検出用トランジスタTRの閾値をVth、検出用トランジスタTRのゲート電極の電位(即ち、共通ノードCNの電位)をVとすれば、ビット線BLの電位は概ね(V−Vth)となる。尚、検出用トランジスタTRをディプレッション型のNMOSFETとすれば、閾値Vthは負の値をとる。これにより、ビット線BLの負荷の大小に拘わらず、安定したセンス信号量を確保できる。尚、検出用トランジスタTRをPMOSFETから構成することもできる。
【0186】
尚、検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位はVccに限定されず、例えば、接地されていてもよい。即ち、検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位を0ボルトとしてもよい。但し、この場合には、選択メモリセルにおけるデータの読出し時に電位(Vcc)がビット線に現れた場合、再書込み時には、ビット線の電位を0ボルトとし、選択メモリセルにおけるデータの読出し時に0ボルトがビット線に現れた場合、再書込み時には、ビット線の電位をVccとする必要がある。そのためには、図30に例示するような、トランジスタTRIV−1,TRIV−2,TRIV−3,TRIV−4から構成された一種のスイッチ回路(反転回路)をビット線間に配設し、データの読出し時には、トランジスタTRIV−2,TRIV−4をオン状態とし,データの再書込み時には、トランジスタTRIV−1,TRIV−3をオン状態とすればよい。
【0187】
以上、各種のクロスポイント型不揮発性メモリユニットを説明したが、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例3]〜[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例8]において、複数のメモリセルに1つの選択用トランジスタを共有させ、しかも、サブメモリユニットを三次元積層構造とすることにより、半導体基板表面を占有するトランジスタの数に制約されることが無くなり、従来の強誘電体型不揮発性半導体メモリに比べて飛躍的に記憶容量を増大させることができ、ビット記憶単位の実効占有面積を大幅に縮小することが可能となる。
【0188】
また、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例3]〜[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例8]にあっては、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0189】
上方に位置するサブメモリユニットのメモリセルを構成する強誘電体層の結晶化温度が、下方に位置するサブメモリユニットのメモリセルを構成する強誘電体層の結晶化温度よりも低いことが好ましい。ここで、メモリセルを構成する強誘電体層の結晶化温度は、例えば、X線回折装置や表面走査型電子顕微鏡を用いて調べることができる。具体的には、例えば、強誘電体材料層を形成した後、強誘電体材料層の結晶化を行うための熱処理温度を種々変えて結晶化促進のための熱処理を行い、熱処理後の強誘電体材料層のX線回折分析を行い、強誘電体材料に特有の回折パターン強度(回折ピークの高さ)を評価することによって、強誘電体層の結晶化温度を求めることができる。
【0190】
ところで、サブメモリユニットが積層された構成を有する不揮発性半導体メモリを製造する場合、強誘電体層、あるいは、強誘電体層を構成する強誘電体薄膜の結晶化のために、熱処理(結晶化熱処理と呼ぶ)を積層されたサブメモリユニットの段数だけ行わなければならない。従って、下段に位置するサブメモリユニットほど長時間の結晶化熱処理を受け、上段に位置するほどサブメモリユニットは短時間の結晶化熱処理を受けることになる。それ故、上段に位置するサブメモリユニットに対して最適な結晶化熱処理を施すと、下段に位置するサブメモリユニットは過度の熱負荷を受ける虞があり、下段に位置するサブメモリユニットの特性劣化が生じる虞がある。尚、多段のサブメモリユニットを作製した後、一度で結晶化熱処理を行う方法も考えられるが、結晶化の際に強誘電体層に大きな体積変化が生じたり、各強誘電体層から脱ガスが生じる可能性が高く、強誘電体層にクラックや剥がれが生じるといった問題が発生し易い。上方に位置するサブメモリユニットを構成する強誘電体層の結晶化温度を、下方に位置するサブメモリユニットを構成する強誘電体層の結晶化温度よりも低くすれば、積層されたサブメモリユニットの段数だけ結晶化熱処理を行っても、下方に位置するサブメモリユニットを構成するメモリセルの特性劣化といった問題は生じない。また、各段におけるサブメモリユニットを構成するメモリセルに対して、最適な条件での結晶化熱処理を行うことができ、特性の優れた不揮発性半導体メモリを得ることができる。以下の表10に、強誘電体層を構成する代表的な材料の結晶化温度を示すが、強誘電体層を構成する材料をかかる材料に限定するものではない。
【0191】
[表10]
材料名 結晶化温度
BiSrTa 700〜800゜C
BiSr(Ta1.5,Nb0.5)O 650〜750゜C
BiTi12 600〜700゜C
Pb(Zr0.48,Ti0.52)O 550〜650゜C
PbTiO 500〜600゜C
【0192】
強誘電体層を構成する材料として、ビスマス層状化合物、より具体的には、Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料を挙げることができる。Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料は、所謂不定比化合物に属し、金属元素、アニオン(O等)元素の両サイトにおける組成ずれに対する寛容性がある。また、化学量論的組成からやや外れたところで最適な電気的特性を示すことも珍しくない。Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料は、例えば、一般式(Bi2+(Am−13m+12−で表すことができる。ここで、「A」は、Bi、Pb、Ba、Sr、Ca、Na、K、Cd等の金属から構成された群から選択された1種類の金属を表し、「B」は、Ti、Nb、Ta、W、Mo、Fe、Co、Crから成る群から選択された1種類、若しくは複数種の任意の比率による組み合わせを表す。また、mは1以上の整数である。
【0193】
あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
(Bi,Sr1−X(Sr,Bi1−Y)(Ta,Nb1−Z 式(1)
(但し、0.9≦X≦1.0、0.7≦Y≦1.0、0≦Z≦1.0、8.7≦d≦9.3)で表される結晶相を主たる結晶相として含んでいることが好ましい。あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
BiSrTa 式(2)
(但し、X+Y=3、0.7≦Y≦1.3、8.7≦d≦9.3)で表される結晶相を主たる結晶相として含んでいることが好ましい。これらの場合、式(1)若しくは式(2)で表される結晶相を主たる結晶相として85%以上含んでいることが一層好ましい。尚、式(1)中、(Bi,Sr1−X)の意味は、結晶構造における本来Biが占めるサイトをSrが占め、このときのBiとSrの割合がX:(1−X)であることを意味する。また、(Sr,Bi1−Y)の意味は、結晶構造における本来Srが占めるサイトをBiが占め、このときのSrとBiの割合がY:(1−Y)であることを意味する。式(1)若しくは式(2)で表される結晶相を主たる結晶相として含む強誘電体層を構成する材料には、Biの酸化物、TaやNbの酸化物、Bi、TaやNbの複合酸化物が若干含まれている場合もあり得る。
【0194】
あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
Bi(Sr,Ca,Ba)(Ta,Nb1−Z 式(3)
(但し、1.7≦X≦2.5、0.6≦Y≦1.2、0≦Z≦1.0、8.0≦d≦10.0)で表される結晶相を含んでいてもよい。尚、「(Sr,Ca,Ba)」は、Sr、Ca及びBaから構成された群から選択された1種類の元素を意味する。これらの各式で表される強誘電体層を構成する材料の組成を化学量論的組成で表せば、例えば、例えば、BiSrTa(タンタル酸ストロンチウムビスマス)、BiSrNb(ニオブ酸ストロンチウムビスマス)、BiBaTa(タンタル酸バリウムビスマス)、BiBaNb(ニオブ酸バリウムビスマス)、BiSr(Ta,Nb)(ニオブ酸タンタル酸ストロンチウムビスマス)等を挙げることができる。あるいは又、強誘電体材料として、BiSrTi15(チタン酸ストロンチウムビスマス)、BiTiNbO(ニオブ酸ビスマスチタン)、BiTiTaO(タンタル酸ビスマスチタン)、BiTi12(チタン酸ビスマス)、(Bi,La)Ti12(チタン酸ランタンビスマス)、BiPbTa(タンタル酸ビスマス鉛)等を例示することができるが、これらの場合においても、各金属元素の比率は、結晶構造が変化しない程度に変化させ得る。即ち、金属元素及び酸素元素の両サイトにおける組成ずれがあってもよい。
【0195】
あるいは又、強誘電体材料として、PbTiO(チタン酸鉛)、BaTiO(チタン酸バリウム)、LiNbO(ニオブ酸リチウム)、LiTaO(タンタル酸リチウム)、YMnO(マンガン酸イットリウム)、ペロブスカイト型構造を有するPbZrOとPbTiOの固溶体であるチタン酸ジルコン酸鉛[PZT,Pb(Zr1−y,Ti)O(但し、0<y<1)]、PZTにLaを添加した金属酸化物であるPLZT[(Pb,La)(Zr,Ti)O(チタン酸ジルコン酸ランタン鉛)]、あるいはPZTにNbを添加した金属酸化物であるPNZT、PZTにストロンチウム(Sr)を添加した金属酸化物であるPSZT[(Pb,Sr)(Zr,Ti)O]、これらの混合物を挙げることができる。
【0196】
以上に説明した強誘電体層を構成する材料において、これらの組成を化学量論的組成から外すことによって、結晶化温度を変化させることが可能である。
【0197】
強誘電体層を得るためには、強誘電体薄膜を形成した後の工程において、強誘電体薄膜をパターニングすればよい。場合によっては、強誘電体薄膜のパターニングは不要である。強誘電体薄膜の形成は、例えば、MOCVD法;ビスマス−酸素結合を有するビスマス有機金属化合物(ビスマスアルコキシド化合物)を原料としたMOD(Metal Organic Decomposition)法;LSMCD(Liquid Source Mist Chemical Deposition)法;パルスレーザアブレーション法;マグネトロンスパッタリング法や反応性スパッタリング法といったスパッタリング法;電子ビーム蒸着法;スプレー塗布法、スピンコート法といった溶液化学法(ゾル−ゲル法)といった強誘電体薄膜を構成する材料に適した方法にて適宜行うことができる。また、強誘電体薄膜のパターニングは、例えば異方性イオンエッチング(RIE)法にて行うことができる。
【0198】
先に説明したとおり、強誘電体層の下に第1の電極を形成し、強誘電体層の上に第2の電極を形成する構成(即ち、第1の電極は下部電極に相当し、第2の電極は上部電極に相当する)とすることもできるし、強誘電体層の上に第1の電極を形成し、強誘電体層の下に第2の電極を形成する構成(即ち、第1の電極は上部電極に相当し、第2の電極は下部電極に相当する)とすることもできる。プレート線は、第2の電極から延在している構成とすることが、配線構造の簡素化といった観点から好ましい。第1の電極が共通である構造として、具体的には、ストライプ状の第1の電極を形成し、かかるストライプ状の第1の電極の全面を覆うように強誘電体層を形成する構成を挙げることができる。尚、このような構造においては、第1の電極と強誘電体層と第2の電極の重複領域がメモリセルに相当する。第1の電極が共通である構造として、その他、第1の電極の所定の領域に、それぞれの強誘電体層が形成され、強誘電体層上に第2の電極が形成された構造、あるいは又、配線の所定の表面領域に、それぞれの第1の電極が形成され、かかるそれぞれの第1の電極上に強誘電体層が形成され、強誘電体層上に第2の電極が形成された構造を挙げることができるが、これらの構成に限定するものではない。
【0199】
第1の電極が共通である構造として、具体的には、ストライプ状の第1の電極を形成し、かかるストライプ状の第1の電極の全面を覆うように強誘電体層を形成する構成を挙げることができる。尚、このような構造においては、第1の電極と強誘電体層と第2の電極の重複領域がメモリセルに相当する。第1の電極が共通である構造として、その他、第1の電極の所定の領域に、それぞれの強誘電体層が形成され、強誘電体層上に第2の電極が形成された構造、あるいは又、配線層の所定の表面領域に、それぞれの第1の電極が形成され、かかるそれぞれの第1の電極上に強誘電体層が形成され、強誘電体層上に第2の電極が形成された構造を挙げることができるが、これらの構成に限定するものではない。
【0200】
第1の電極及び第2の電極は、白金族から選択された少なくとも1種類の金属、あるいは、その酸化物から構成され、あるいは又、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及びレニウム(Re)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属、あるいは、その酸化物から構成されていることが望ましく、具体的には、例えば、Ir、IrO2−X、IrO2−X/Ir、Ir/IrO2−X、SrIrO、Ru、RuO2−X、SrRuO、Pt、Pt/IrO2−X、Pt/RuO2−X、Pd、Pt/Tiの積層構造、Pt/Taの積層構造、Pt/Ti/Taの積層構造を例示することができ、あるいは又、La0.5Sr0.5CoO(LSCO)、Pt/LSCOの積層構造、YBaCuを挙げることができる。ここで、Xの値は、0≦X<2である。u尚、積層構造においては、「/」の後ろに記載された材料が強誘電体層と接する。第1の電極と第2の電極は、同じ材料から構成されていてもよいし、同種の材料から構成されていてもよいし、異種の材料から構成されていてもよい。第1の電極あるいは第2の電極を形成するためには、第1の電極材料層あるいは第2の電極材料層を形成した後の工程において、第1の電極材料層あるいは第2の電極材料層をパターニングすればよい。第1の電極材料層あるいは第2の電極材料層の形成は、例えばスパッタ法、反応性スパッタ法、電子ビーム蒸着法、MOCVD法、あるいはパルスレーザアブレーション法といった第1の電極材料層や第2の電極材料層を構成する材料に適宜適した方法にて行うことができる。また、第1の電極材料層や第2の電極材料層のパターニングは、例えばイオンミーリング法やRIE法にて行うことができる。
【0201】
強誘電体層の下に第1の電極を形成し、強誘電体層の上に第2の電極を形成する構成の場合、メモリセルを構成する第1の電極は、所謂ダマシン構造を有しており、強誘電体層の上に第1の電極を形成し、強誘電体層の下に第2の電極を形成する構成の場合、メモリセルを構成する第2の電極は、所謂ダマシン構造を有していることが、強誘電体層を平坦な下地上に形成することができるといった観点から好ましい。
【0202】
層間絶縁層を構成する材料として、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、SiON、SOG、NSG、BPSG、PSG、BSGあるいはLTOを例示することができる。
【0203】
メモリセルの下方の半導体基板に絶縁層を介して形成された選択用トランジスタ(スイッチング用トランジスタ)や各種のトランジスタは、例えば、周知のMIS型FETやMOS型FETから構成することができる。ビット線を構成する材料として、不純物がドーピングされたポリシリコンや高融点金属材料を挙げることができる。共通の第1の電極と選択用トランジスタとの電気的な接続は、共通の第1の電極と選択用トランジスタとの間に形成された絶縁層に設けられた接続孔(コンタクトホール)を介して、あるいは又、かかる絶縁層に設けられた接続孔(コンタクトホール)及び絶縁層上に形成された配線層を介して行うことができる。尚、絶縁層を構成する材料として、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、SiON、SOG、NSG、BPSG、PSG、BSGあるいはLTOを例示することができる。また、メモリセルを、例えば酸化アルミニウム(Al)等から成る水素ガス不透過層で被覆してもよい。
【0204】
以上、本発明を、発明の実施の形態に基づき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。発明の実施の形態にて説明したコンピュータ機器の構造や構成、不揮発性半導体メモリの構造、使用した材料、各種の形成条件、回路構成、駆動方法等は例示であり、適宜変更することができる。
【0205】
【発明の効果】
本発明の第1の態様、第2の態様あるいは第3の態様に係るコンピュータ機器においては、不揮発性半導体メモリを備えることによって、ハイバーネーション機能あるいはメモリスワップ機能が高速化され、コンピュータ機器の使い勝手が大幅に向上する。即ち、従来のシステムを大きく変更することなく、あたかも揮発性メインメモリが不揮発性であるが如くに高速にシステムを立ち上げ、立ち下げすることができる。更には、揮発性メインメモリの容量が増加したが如く、高速にメモリ領域をスワップすることができ、コンピュータ機器の使用の利便性を大幅に向上させることができる。
【0206】
尚、フラッシュメモリ等の不揮発性半導体メモリにあっては書込みにハードディスク記憶装置以上の長時間を要するものもあるが、不揮発性半導体メモリは衝撃性に強いため、ハイバーネーション機能の実行において電源切断時に書込み終了を待つ必要がなく、コンピュータ機器を速やかに移動させることができる。従って、読出し時間さえハードディスク記憶装置よりも高速であれば、コンピュータ機器の使用者にとっての利便性は向上する。
【0207】
また、本発明の第1の態様、第2の態様あるいは第3の態様に係るコンピュータ機器において、不揮発性半導体メモリをコンピュータ機器に内蔵するのではなく、外部のICカード内に設置し、可搬性のある記憶メディアとして利用すれば、不揮発性半導体メモリを有効利用できる。即ち、コンピュータ機器の使用者は、システムの全体コストを増大させることなく、即ち、コンピュータ機器本体に余分な投資をすることなく、高速なハイバーネーション機能やメモリスワップ機能による利便性を享受することができる。更には、ハイバーネーション機能を外部ICカードを用いて行えば、同一種類又は規格を統一したコンピュータ機器間であれば、作業状態を移植することも可能である。
【0208】
本発明の第4の態様に係るコンピュータ機器にあっては、コンピュータ機器の使用停止中(不使用中)、例えばDRAMから成る揮発性メインメモリの待機電流をゼロ、若しくは、最小限に留め、バッテリーの寿命を大幅に向上させることができる。更には、使用停止中(不使用中)、生成データを自動的に不揮発性半導体メモリにコピーするため、不使用の間にバッテリーが切れても生成データが失われることがなく、煩雑なバックアップ作業を必要としない。
【0209】
更には、本発明において、クロスポイント型不揮発性メモリユニットを不揮発性半導体メモリとして使用すれば、頻繁な書き換えに対する信頼性が保証されると共に、揮発性の半導体メモリに記憶された記憶内容の格納、退避、コピー、並びに、記憶内容の復帰を非常に高速に行うことができ、利便性は更に向上する。更には、このような構成にすれば、揮発性メインメモリをキャッシュメモリの如くに使用し、クロスポイント型不揮発性メモリユニットを恰もメインメモリの如くに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1の(A)及び(B)は、それぞれ、発明の実施の形態1及び発明の実施の形態2のコンピュータ機器の概念図である。
【図2】図2の(A)及び(B)は、それぞれ、発明の実施の形態3及び発明の実施の形態4のコンピュータ機器の概念図である。
【図3】図3は、発明の実施の形態6のコンピュータ機器の概念図である。
【図4】図4は、クロスポイント型不揮発性メモリユニットを構成する強誘電体型不揮発性半導体メモリ群の等価回路図の一例を示す図である。
【図5】図5は、1つの強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの等価回路図の一例を示す図である。
【図6】図6は、ビット線に延びる方向に沿った強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの模式的な一部断面図である。
【図7】図7の(A)及び(B)は、それぞれ、強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットを構成するメモリセルへの書込み動作、及び、読出し/再書込み動作を説明するための動作波形を示す図である。
【図8】図8は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例1]における強誘電体型不揮発性半導体メモリ群の等価回路図である。
【図9】図9は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例1]における2つの強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの等価回路図である。
【図10】図10は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例2]における強誘電体型不揮発性半導体メモリ群の等価回路図である。
【図11】図11は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例2]における2つの強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの等価回路図である。
【図12】図12は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例3]における強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットを切断したときの模式的な一部断面図である。
【図13】図13の(A)及び(B)は、それぞれ、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例3]における2つの強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの等価回路図である。
【図14】図14は、図13の(A)に示す概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図である。
【図15】図15は、図13の(B)に示す概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図である。
【図16】図16は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例4]における強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットを切断したときの模式的な一部断面図である。
【図17】図17の(A)及び(B)は、それぞれ、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例4]における2つの強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの等価回路図である。
【図18】図18は、図17の(A)に示す概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図である。
【図19】図19は、図17の(B)に示す概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図である。
【図20】図20は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例5]における強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットを切断したときの模式的な一部断面図である。
【図21】図21の(A)及び(B)は、それぞれ、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例5]における2つの強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの等価回路図である。
【図22】図22は、図21の(A)及び(B)に示す概念的な等価回路図のより具体的な等価回路図である。
【図23】図23は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例6]における強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットを切断したときの模式的な一部断面図である。
【図24】図24は、図23に示す[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例6]における1つの強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの等価回路図である。
【図25】図25は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例7]における強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットを切断したときの模式的な一部断面図である。
【図26】図26は、[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例8]における強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの等価回路図である。
【図27】図27は、図26に示した[クロスポイント型不揮発性メモリユニット−変形例8]における強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットのレイアウト図である。
【図28】図28は、図26に示した強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの模式的な一部断面図である。
【図29】図29は、図26に示した強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットの、図28とは異なる断面で見たときの模式的な一部断面図である。
【図30】図30は、検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位を0ボルトとした場合の、ビット線間に配設された一種のスイッチ回路を示す等価回路図である。
【図31】強誘電体のP−E(V)ヒステリシスループ図である。
【図32】図32の(A)及び(B)は、それぞれ、従来のコンピュータの概念図、及び、従来のモバイル型コンピュータ等のシステム構成例の概念図である。
【符号の説明】
1,101・・・CPU、2,102・・・揮発性システムメモリ、3・・・レジスタ群、4,4A,4B,104,104A,104B・・・揮発性メインメモリ、5・・・VRAM、6・・・ハードディスク記憶装置、7,107・・・不揮発性半導体メモリ、8・・・ICカード、10・・・シリコン半導体基板、11・・・素子分離領域、12・・・ゲート絶縁膜、13・・・ゲート電極、14A,14B・・・ソース/ドレイン領域、15・・・コンタクトホール、16・・・絶縁層、17,27・・・接続孔、21,21A,21B,21’,31,31A,31B,31’・・・第1の電極、22,22A,22B,32,32A,32B・・・強誘電体層、23,23’,33,33’・・・第2の電極、25・・・パッド部、26・・・層間絶縁層、36A・・・絶縁膜、TR・・・選択用トランジスタ、TR・・・書込用トランジスタ、TR・・・読出用トランジスタ、TR・・・検出用トランジスタ、WL・・・ワード線、BL・・・ビット線、PL・・・プレート線、WD・・・ワード線デコーダ/ドライバ、SA・・・センスアンプ、PD・・・プレート線デコーダ/ドライバ、CN・・・共通ノード[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a computer device including a volatile system memory and a nonvolatile semiconductor memory.
[0002]
[Prior art]
At present, various types of computers utilize storage and saving of a storage area of a volatile system memory using a hard disk storage device (HDD). Examples of the application include a hibernation (hibernation) function and a memory swap function. Can be mentioned.
[0003]
The hibernation function in the computer whose conceptual diagram is shown in FIG. 32A is a volatile main memory 204 composed of a DRAM, various registers 203 in a CPU 201, a VRAM 205, and the like (these are collectively referred to as a volatile system memory). 202) is stored in the hard disk storage device 206 based on the operation of the CPU 201 when the power is turned off. When the power is turned on again (when the power is restored), the contents stored in the hard disk storage device 206 are written back from the hard disk storage device 206 to the volatile system memory 202 based on the operation of the CPU 201.
[0004]
With such a hibernation function, information of the computer immediately before the power is turned off can be stored without consuming the standby power of the computer. In addition, when the power is turned on again (when the power is restored), initialization of various drivers and the like is not required, and simple data transfer is mainly performed. Therefore, the system can be started up faster than starting from the beginning. This hibernation function is becoming indispensable for notebook personal computers and the like that require battery backup.
[0005]
When the memory area requested by the system exceeds the capacity of the volatile main memory, the memory swap function saves part of the storage contents stored in the volatile main memory to the hard disk storage device, This function releases some memory areas. The stored contents saved in the hard disk storage device are written back to the volatile main memory as needed. This allows the computer to continue operating even when the system requests a memory area that exceeds the capacity of the mounted volatile main memory.
[0006]
In recent years, so-called mobile computers, mobile phones, and PDAs having a CPU and a volatile system memory have attracted attention. In addition, a mobile computer, a mobile phone, and a PDA may be collectively referred to as a mobile computer or the like hereinafter.
[0007]
A conceptual diagram of a system configuration example of a mobile computer or the like is shown in FIG. The volatile main memory 304 is composed of a volatile semiconductor memory such as a DRAM or an SRAM, and is connected to the CPU 301 in a known configuration. In addition, a nonvolatile semiconductor memory 307 including a flash memory is provided as a secondary storage unit.
[0008]
The operation system (OS) and various programs are usually stored (saved) in the nonvolatile semiconductor memory 307, and are downloaded from the nonvolatile semiconductor memory 307 to the volatile main memory 304 and initialized when the system is first started. Is done. Then, various programs are executed by the CPU 301. Data generated during execution of various programs in the CPU 301 is stored in an area secured in the volatile main memory 304.
[0009]
Conventionally, an inexpensive flash memory has been used as the nonvolatile semiconductor memory 307. However, the flash memory has limitations on the access unit and access speed at the time of writing and reading. Therefore, in the prior art, the volatile main memory 304 composed of DRAM or SRAM is used as a work area, and the nonvolatile semiconductor memory 307 is used for storing (storing) the operation system and various programs and for backing up user data and generated data. Roles are assigned by using.
[0010]
Usually, in such a mobile computer or the like, after the system is first started, the contents stored in the volatile main memory 304 are stored in the volatile main memory 304 even during power-off (standby). Saved as is. This is because the system does not need to be initialized when the power is turned on again, and the system is quickly started. It is also for maintaining the environment and various data just before the power is turned off (just before the standby state). In this case, the operation system, various programs, and various data downloaded from the nonvolatile semiconductor memory 307 to the volatile main memory 304 are stored in the volatile main memory 304 without being discarded. to continue. Therefore, the volatile main memory 304 needs to be energized at all times, and in particular, a DRAM performs a timely refresh operation to retain the stored contents.
[0011]
[Patent Document 1] JP-A-9-116107
[Patent Document 2] JP-A-2000-349248
[Patent Document 3] JP-A-2002-197857
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the hibernation function and the memory swap function, since the access speed to the hard disk storage device 206 is much slower than that of the volatile system memory 202, the following problems occur.
[0013]
That is, in the hibernation function, when the power is turned off, the contents stored in the volatile system memory 202 are written to the hard disk storage device 206 that is vulnerable to impact, so that the computer cannot be freely moved for a while. Further, when the power is turned on again, the time until the stored contents are written back from the hard disk storage device 206 to the volatile system memory 202, that is, the power-on startup time is longer than when the operation system is started from the reset state. Is fast, but still requires several seconds to several tens of seconds, which is inconvenient.
[0014]
Further, in the memory swap function, as soon as the evacuation to the hard disk storage device 206 is started, the system performance is limited by the access speed to the hard disk storage device 206, and the processing performance is greatly reduced.
[0015]
As described above, the mobile computer or the like keeps storing various programs and various data in the volatile main memory 304 even when the power is turned off. However, for that purpose, it is necessary to always keep the volatile main memory 304 energized. Therefore, power consumption occurs even in an unused state (during standby). Accordingly, the following problem occurs.
[0016]
The first problem is that if a battery-backed mobile computer or the like is left unused for a long period of time, the battery runs out unknowingly and the contents stored in the volatile main memory 304 are lost. It is in. Therefore, the user must frequently back up the necessary storage contents of the volatile main memory 304 to the nonvolatile semiconductor memory 307. However, such an operation is a very complicated operation. Such a problem is not necessarily limited to the case where the volatile main memory 304 is constituted by a DRAM, but also occurs when the volatile main memory 304 is constituted by an SRAM which consumes less power during standby. That is, as long as the main memory 304 is volatile, it is necessary to energize it to retain the stored contents, and the above problem cannot be avoided.
[0017]
The second problem is an increase in power consumption. Generally, a mobile computer or the like has a longer non-use time. Therefore, the effect of power consumption during non-use on total power consumption is significant. This becomes remarkable especially when the volatile main memory 304 is configured by a DRAM. That is, in the DRAM, it is necessary to perform a refresh operation as needed in order to keep the stored contents. Since this refresh operation requires the same power consumption as that at the time of access, the total power consumption is very large.
[0018]
Therefore, an object of the present invention is to have resistance to an impact, and to shut down a system and / or various programs at the time of power-off, operation, stop of use, power-on or restart of use, It is an object of the present invention to provide a computer device capable of performing startup and the like at a high speed and minimizing power consumption during use suspension (standby).
[0019]
[Means for Solving the Problems]
A computer device according to a first aspect of the present invention for achieving the above object is at least a computer device including a CPU, a volatile system memory, and a nonvolatile semiconductor memory,
When the power is turned off, at least a part of the storage contents of the volatile system memory is stored in the nonvolatile semiconductor memory based on the operation of the CPU. When the power is turned on again, the data stored in the nonvolatile semiconductor memory is stored based on the operation of the CPU. The storage contents are written back to the volatile system memory.
[0020]
A computer device according to a second aspect of the present invention for achieving the above object is a computer device including at least a CPU, a volatile system memory, and a nonvolatile semiconductor memory,
At the time of operation, based on the operation of the CPU, a part of the storage contents of the volatile system memory is evacuated to the non-volatile semiconductor memory to release the area of the volatile system memory, and then the non-volatile semiconductor memory is operated based on the operation of the CPU. And writing the stored contents back to the volatile system memory.
[0021]
A computer device according to a third aspect of the present invention for achieving the above object is at least a computer device including a CPU, a volatile system memory, and a nonvolatile semiconductor memory,
At the time of operation, based on the operation of the CPU, a part of the storage contents of the volatile system memory is evacuated to the non-volatile semiconductor memory to release the area of the volatile system memory, and then the non-volatile semiconductor memory is operated based on the operation of the CPU. Write the stored contents back to the volatile system memory,
When the power is turned off, at least a part of the storage contents of the volatile system memory is stored in the nonvolatile semiconductor memory based on the operation of the CPU. When the power is turned on again, the data stored in the nonvolatile semiconductor memory is stored based on the operation of the CPU. The storage contents are written back to the volatile system memory.
[0022]
In the computer device according to the second or third aspect of the present invention, during operation, a part of the storage content of the volatile system memory is saved in the nonvolatile semiconductor memory based on the operation of the CPU. The save operation is performed when a memory area is requested from the volatile system memory and there is no free memory area in the volatile system memory. In addition, the storage contents saved in the nonvolatile semiconductor memory are written back to the volatile system memory based on the operation of the CPU. However, this write-back operation requires access to the storage contents saved in the nonvolatile semiconductor memory. Will be executed if
[0023]
A computer device according to a fourth aspect of the present invention for achieving the above object is a computer device including at least a CPU, a volatile system memory, and a nonvolatile semiconductor memory,
When the use is stopped, at least a part of the storage contents of the volatile system memory is copied to the nonvolatile semiconductor memory based on the operation of the CPU. When the use is resumed, the storage copied to the nonvolatile semiconductor memory is performed based on the operation of the CPU. The contents are written back to the volatile system memory.
[0024]
In the computer device according to the fourth aspect of the present invention, “when the use of the computer device is stopped” means, for example, when the power of the computer device is turned off, or when the user performs any operation on the computer device for a certain period of time. "When resuming use" means, for example, when the power of the computer device is turned on again, or when the user performs some operation on the computer device after stopping use. Means
[0025]
In the computer device according to the fourth aspect of the present invention, the volatile system memory comprises a DRAM, and at the time of use suspension, after copying at least a part of the storage contents of the volatile system memory to the nonvolatile semiconductor memory, From the viewpoint of further reducing the power consumption of the computer device, it is preferable to stop the refresh operation in the portion of the volatile system memory that has stored the memory content copied to the nonvolatile semiconductor memory. Note that such a configuration is referred to as a computer device according to the fourth embodiment of the present invention for convenience.
[0026]
A so-called desktop personal computer may be used as the computer device according to the first embodiment to the fourth embodiment or the fourth embodiment 4A (hereinafter, these may be collectively referred to as the computer device of the present invention). A notebook personal computer, a mobile personal computer, a PDA (personal digital assist), a mobile phone, and a game machine can be given. The volatile system memory in the computer device according to the first to fourth aspects of the present invention includes a volatile main memory including a DRAM and an SRAM, various registers in a CPU, a VRAM, and the like.
[0027]
In general, the configuration of the volatile main memory has various variations, such as providing a cache memory between the DRAM and the CPU, and allocating the function of the VRAM to a part of the volatile main memory. The volatile system memory in the device also includes these configurations. In addition, the storage contents of the volatile main memory can be easily reconstructed by calculation or the like, or can be discarded by writing back to the original volatile main memory such as a cache memory. There may be a possible part, a part that does not need to be saved or cannot be saved, and a part that does not need to be copied or cannot be copied. In such a case, in the computer device of the present invention, it is not always necessary to store, save, and copy the storage contents of the entire volatile system memory, and the storage, save, and copy may be the main parts.
[0028]
In the computer device of the present invention, the nonvolatile semiconductor memory may be installed inside the computer device or may be installed in a removable IC card. That is, it may have a structure in which a nonvolatile semiconductor memory is embedded in a plastic card. When the non-volatile semiconductor memory is installed in a removable IC card, the CPU and the volatile system memory are arranged in the computer device main body. The connection of the IC card to the main body of the computer device may employ a known method. As described above, if the nonvolatile semiconductor memory is installed in the removable IC card, the nonvolatile semiconductor memory can be effectively used. That is, the user of the computer device can enjoy, for example, a high-speed hibernation function and a memory swap function without any extra investment, and work between computer devices of the same type or standardized. The transplantation of the state can be easily performed. The specification of the IC card is not limited to the PCMCIA standard card, but may be any specification IC card.
[0029]
When the nonvolatile semiconductor memory is installed in a removable IC card, in the computer device according to the first aspect of the present invention, at least a part of the storage content of the volatile system memory is stored in the nonvolatile semiconductor memory. It is preferable that the nonvolatile semiconductor memory be configured to simultaneously store identification information for alternatively identifying a computer device. In the computer device according to the second aspect of the present invention, when a part of the storage content of the volatile system memory is saved in the nonvolatile semiconductor memory, the computer device is selected as the nonvolatile semiconductor memory. It is preferable that the identification information for identification is simultaneously stored. Further, in the computer device according to the third aspect of the present invention, when a part of the storage content of the volatile system memory is saved in the nonvolatile semiconductor memory, the computer device is selected as the nonvolatile semiconductor memory. It is preferable that identification information to be uniquely identified is simultaneously stored, and / or when at least a part of the storage content of the volatile system memory is stored in the nonvolatile semiconductor memory, It is preferable that identification information for alternatively identifying a computer device is stored at the same time. Further, in the computer device according to the fourth aspect or the fourth aspect of the present invention, when copying at least a part of the storage content of the volatile system memory to the nonvolatile semiconductor memory, the nonvolatile semiconductor memory includes It is preferable that identification information for alternatively identifying a computer device is stored at the same time.
[0030]
It is preferable that the identification information is also stored in a nonvolatile semiconductor memory separately built in the computer device. With such a configuration, when the IC card once removed from the computer device is attached to another computer device different from the computer device, the identification information becomes inconsistent, for example, a warning can be issued, and Misuse of the device can be prevented. The identification information may be any information, for example, a date and time when a bit string generated by a random number and the storage contents (at least a part) of the volatile system memory are stored, saved, and copied in the nonvolatile semiconductor memory. be able to.
[0031]
When storing, saving, and copying (at least a part of) the contents of the volatile system memory in the nonvolatile semiconductor memory, a file name is defined, stored, saved, and copied in the nonvolatile semiconductor memory. For example, it is preferable that the same file name as the file name stored, saved, or copied in the nonvolatile semiconductor memory is stored in the nonvolatile semiconductor memory separately incorporated in the nonvolatile semiconductor memory. This makes it easy to search the nonvolatile semiconductor memory for a file storing the stored content when the stored content saved, saved, or copied in the nonvolatile semiconductor memory is written back to the volatile system memory, and the file collation can be performed. You can do it too.
[0032]
In the computer device of the present invention including the above-described various embodiments, the nonvolatile semiconductor memory includes a flash memory or an MRAM (magnetic memory), one memory cell, and a selection transistor (switching transistor). A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory, which can be composed of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory composed of a pair of memory cells and a pair of selection transistors, can be constituted by a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit described below. (For convenience, referred to as a cross-point nonvolatile memory unit).
[0033]
That is, the nonvolatile semiconductor memory includes a group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories in which K cross-point nonvolatile memory units are aggregated,
Each cross-point nonvolatile memory unit is
(A) a bit line;
(B) a selection transistor;
(C) a sub-memory unit composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate lines,
Consisting of
The sub memory unit is formed above the semiconductor substrate via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In the sub memory unit, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected to the bit line via the selection transistor, and the m-th (where m = 1, 2) , M) are connected to the m-th plate line,
In the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories, it is preferable that the m-th plate line is common.
[0034]
Note that it suffices to satisfy M ≧ 2, and examples of practical values of M include a power of 2 (2, 4, 8, 16,...).
[0035]
The cross-point nonvolatile memory unit can achieve high integration and can be manufactured at low cost because the selection transistor is shared by a plurality of memory cells. Further, instantaneous writing to an arbitrary sector and instantaneous reading from an arbitrary sector are possible without requiring an erasing operation, and a data transfer speed (data writing speed, reading speed) comparable to that of a DRAM can be obtained.
[0036]
In this case, it is preferable that the M × K memory cells constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group be accessed collectively. That is, it is preferable to execute collective access in sector units in the computer device file system. Specifically, in the computer device according to the first aspect of the present invention, when storing at least a part of the storage content of the volatile system memory in the nonvolatile semiconductor memory, When writing back the stored contents to the volatile system memory, it is preferable that M × K memory cells constituting the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories are collectively accessed. Further, in the computer device according to the second aspect of the present invention, when a part of the storage contents of the volatile system memory is saved in the nonvolatile semiconductor memory, and when the storage contents saved in the nonvolatile semiconductor memory are saved. Is written back to the volatile system memory, it is preferable that M × K memory cells constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group be accessed collectively. Furthermore, in the computer device according to the third aspect of the present invention, when a part of the storage content of the volatile system memory is saved to the nonvolatile semiconductor memory, and when the saved content is saved to the nonvolatile semiconductor memory. When writing the contents back into the volatile system memory, when storing at least a part of the storage contents of the volatile system memory in the nonvolatile semiconductor memory, and when storing the storage contents stored in the nonvolatile semiconductor memory in the volatile system memory. When writing back to the memory, it is preferable that batch access is made to M × K memory cells constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group. Also, in the computer device according to the fourth aspect or the fourth aspect of the present invention, when copying at least a part of the storage content of the volatile system memory to the nonvolatile semiconductor memory, When writing back the stored contents to the volatile system memory, it is preferable that batch access is made to the M × K memory cells constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group. Furthermore, the value of M × K is 29(512) bytes, 210(1024) bytes, 211(2048) bytes, 212(4096) bytes or 2ThirteenIt is preferably a value corresponding to (8192) bytes. If necessary, a cross-point nonvolatile memory unit for error detection or error correction may be added to the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group.
[0037]
Alternatively, in this case, it is preferable that the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories include at least two K-bit registers. Providing at least two K-bit registers in this manner makes it possible to execute data transfer to memory cells in parallel, and to speed up data transfer to memory cells. Data transfer from cells can be executed in parallel, and data transfer from memory cells can be speeded up.
[0038]
In the computer device according to the first to third aspects of the present invention, the provision of the nonvolatile semiconductor memory speeds up the hibernation function or the memory swap function, thereby greatly improving the usability of the computer device. Also, in the computer device according to the fourth aspect of the present invention, by providing the nonvolatile semiconductor memory, the standby current of the volatile main memory when the use of the computer device is stopped (when not in use) is reduced to zero, or In addition, the life of the battery can be greatly improved, and even if the battery runs out while the computer device is not used, no data or the like is lost, and a complicated backup operation is not required.
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments of the present invention (hereinafter, abbreviated as embodiments) with reference to the drawings.
[0040]
(Embodiment 1)
The first embodiment relates to a computer device according to the first embodiment of the present invention, specifically, a notebook personal computer. FIG. 1A is a conceptual diagram of the computer device according to the first embodiment.
[0041]
The computer device according to the first embodiment includes at least a CPU 1, a volatile system memory 2, and a nonvolatile semiconductor memory 7. The volatile system memory 2 includes a group of various registers 3 in the CPU 1, a volatile main memory 4 including a DRAM, a VRAM 5, and the like. The CPU 1, the volatile main memory 4, the VRAM 5, and the nonvolatile semiconductor memory 7 are connected by a known bus line (not shown). In the first embodiment, the nonvolatile semiconductor memory 7 is built in a computer device. The state of the system is stored (saved) in the volatile system memory 2 when the computer device operates.
[0042]
When the power is turned off, at least a part of the storage contents of the volatile system memory 2 is stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 based on the operation of the CPU 1, and when the power is turned on again, the nonvolatile semiconductor memory 7 is stored based on the operation of the CPU 1. Is written back to the volatile system memory 2. That is, the non-volatile semiconductor memory 7 realizes a hibernation (hibernation) function.
[0043]
When the operation system and / or various programs are started, the operation of the CPU 1 secures an independent memory area in the volatile system memory 2 for each of the operation system and various programs, and the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7 The operating system and / or various programs are read from the CPU, and the operation system and / or various programs and work data are stored in a memory area secured in the volatile system memory 2.
[0044]
When the power is turned off, the storage program stored in the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7 is started, transferred to the volatile main memory 4, and executed in response to the user's operation of turning off the power. The storage program is stored in a non-volatile semiconductor memory (not shown) separately built in the computer device, and the CPU 1 accesses the non-volatile semiconductor memory to execute the storage program. Good.
[0045]
In executing the storage program, specifically, the CPU 1 that has received the power-off command in response to the power-off operation first operates the volatile system memory that stores the storage contents to be stored in the nonvolatile semiconductor memory 7. It is confirmed whether or not the total capacity of No. 2 is a capacity that can be secured on the nonvolatile semiconductor memory 7. If it cannot be secured, the user is notified, and in some cases, the storage contents of the volatile system memory 2 to be stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 are stored in the hard disk storage device 6. If it can be secured, at least a part of the storage contents of the volatile system memory 2 (may be all except the storage program) is stored (transferred) to the nonvolatile semiconductor memory 7. At this time, in order to save the capacity required for storage in the nonvolatile semiconductor memory 7, the code area of the operation system or the program may be excluded from the storage target. In this case, for example, the initial call source (the hard disk) It is desirable to store these operation systems and program file paths or file start addresses in the nonvolatile semiconductor memory 7 instead of the storage device 6 and the nonvolatile semiconductor memory 7. Here, the above-mentioned stored contents are stored (saved) in the nonvolatile semiconductor memory 7 under a predetermined file name, for example, as one or a plurality of “storage files”. The file name may be stored in a non-volatile semiconductor memory (not shown) separately built in the computer device. Thereafter, the power is turned off based on the operation of the CPU 1.
[0046]
Conventionally, such data storage has been performed in the hard disk storage device 6. However, since the data transfer speed is insufficient, it takes a considerable time before the power is actually turned off. Furthermore, since the hard disk storage device 6 is vulnerable to impact, there is a problem that the computer equipment cannot be moved during that time. In the first embodiment, by using the non-volatile semiconductor memory 7 that is strong against impact, the computer device can be moved immediately at least after the execution of the power-off command is started, and the usability of the computer device is improved.
[0047]
Further, in the hard disk storage device 6, when writing is distributed to discontinuous sectors as in a normal access, the seek time causes a significant decrease in access speed. Therefore, means for securing a storage area in a highly continuous block is often employed in advance. However, when such a means is employed, not only does the capacity of the hard disk storage device be squeezed, but also if the volatile main memory 4 is added to the computer device, it will not operate properly. On the other hand, some of the nonvolatile semiconductor memories 7 can quickly access discontinuous sectors. In this case, a storage area is reserved in the nonvolatile semiconductor memory 7 in advance. No need. Therefore, even if the configuration of the volatile main memory 4 in the computer device changes, it can be flexibly handled.
[0048]
On the other hand, when the power is turned on again, first, the recovery program stored in the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7 is started, transferred to the volatile main memory 4 and executed based on the operation of the CPU 1. The return program is stored in a non-volatile semiconductor memory (not shown) separately built in the computer device, and the CPU 1 accesses the non-volatile semiconductor memory to execute the return program. Good.
[0049]
Specifically, in executing the return program, first, the CPU 1 accesses the nonvolatile semiconductor memory 7 and checks whether or not the “storage file” exists. If the “storage file” exists, various data stored in the “storage file” is written back to the volatile system memory 2. If the file name of the “storage file” is stored in the nonvolatile semiconductor memory separately built in the computer device, the storage contents stored in the “storage file” are stored in the volatile system memory 2. Before rewriting the file, the file name of the “storage file” in the nonvolatile semiconductor memory 7 is compared with the file name of the “storage file” stored in the nonvolatile semiconductor memory separately built in the computer device. May be. If the collation results do not match, it may be determined that the “storage file” does not exist. When the code area of the operating system or the program is excluded from the storage target at the time of storage, the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7 reads the operating system from the hard disk storage device 6 or the non-volatile semiconductor memory 7 based on the file path or address stored instead of the code. And the code of the activated program is transferred to the volatile system memory 2 again. After that, the “storage file” stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 may be deleted or may be left as it is. In the latter case, a new “storage file” is used when the storage program is executed. File may overwrite the old "storage file". If the “storage file” does not exist, the CPU 1 issues a warning to the user, and reboots the system from the initial state, for example.
[0050]
The read operation of most nonvolatile semiconductor memories such as a flash memory, a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory (FeRAM), and an MRAM is performed purely by electrical connection of a logic circuit. Therefore, the operation (return operation) when the power of the system is turned on again when the nonvolatile semiconductor memory 7 is used is generally easier to operate at a higher speed than when the hard disk storage device 6 is used. Therefore, the computer device can be started up at a high speed.
[0051]
(Embodiment 2)
The second embodiment is a modification of the first embodiment. As shown in the conceptual diagram of FIG. 1B, a CPU 1 and a volatile system memory 2 are arranged in a computer device main body, and a non-volatile semiconductor The memory 7 is installed in a removable IC card 8. When storing at least a part of the storage content of the volatile system memory 2 in the nonvolatile semiconductor memory 7, the nonvolatile semiconductor memory 7 includes identification information (for example, a random number generated by a random number) for identifying a computer device. The bit string and the date and time when at least a part of the storage contents of the volatile system memory are stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 are simultaneously stored in the “identification file” in the nonvolatile semiconductor memory 7.
[0052]
The storage in the “identification file” is performed by executing the storage program described in the first embodiment, specifically, the CPU 1 that receives the power-off command in response to the power-off operation, It is checked whether or not the total capacity of the volatile system memory 2 storing the storage contents to be stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 is a capacity that can be secured on the nonvolatile semiconductor memory 7. Is stored in the “identification file” in the nonvolatile semiconductor memory 7, and at least a part of the storage contents of the volatile system memory 2 (or all except the storage program) may be stored in the nonvolatile semiconductor memory 7. It may be stored (transferred). At the same time, the identification information is stored as an “identification file” in a non-volatile semiconductor memory (not shown) separately provided in the computer device.
[0053]
On the other hand, as in Embodiment 1, when the power is turned on again, the return program is executed based on the operation of the CPU 1. Specifically, the CPU 1 first accesses the nonvolatile semiconductor memory 7 and Check if the "identification file" exists. If the "identification file" exists, the CPU 1 reads out the content and compares it with the identification information in the "identification file" stored in the non-volatile semiconductor memory separately provided in the computer device. If the collation results match, check for the existence of a “storage file”. If the “storage file” exists, various data stored in the “storage file” is written back to the volatile system memory 2. After that, the “storage file” stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 may be deleted or may be left as it is. In the latter case, a new “storage file” is used when the storage program is executed. File may overwrite the old "storage file". If the “identification file” does not exist, or if the identification information does not match, the CPU 1 issues a warning to the user. If the “storage file” does not exist, for example, the system is rebooted from the initial state.
[0054]
In the second embodiment, an ordinary portable semiconductor storage medium can be used as the nonvolatile semiconductor memory. In recent years, such a portable semiconductor storage medium has been actively used as a mobile medium in place of a digital still camera file storage and a flexible disk. There is no burden and no increase in computer equipment costs.
[0055]
Further, by storing (transferring) the contents of the volatile system memory 2 in the IC card 8 as described above, it is possible to instantaneously transfer a work environment between a plurality of computer devices having the same specifications. For example, the work environment can be smoothly unified between the home and the office, such that one work can be continued without carrying the computer equipment.
[0056]
Further, an IC card storing the storage contents of a certain computer device may be connected to a computer device having different specifications. In such a case, it is expected that confusion will occur in the startup of the computer device. However, since the identification information of the storage source computer device is simultaneously stored in the IC card, it is possible to reliably prevent such confusion.
[0057]
(Embodiment 3)
Embodiment 3 relates to a computer device according to the second embodiment of the present invention, specifically, a notebook personal computer. FIG. 2A is a conceptual diagram of a computer device according to the third embodiment.
[0058]
The computer device according to the third embodiment includes at least a CPU 1, a volatile system memory 2, and a nonvolatile semiconductor memory 7 as in the first embodiment. As in the first embodiment, the volatile system memory 2 includes various register groups 3 in the CPU 1, a volatile main memory 4 including a DRAM, a VRAM 5, and the like. The CPU 1, the volatile main memory 4, the VRAM 5, and the nonvolatile semiconductor memory 7 are connected by a known bus line (not shown). In the third embodiment, the nonvolatile semiconductor memory 7 is built in a computer device. The state of the system is stored (saved) in the volatile system memory 2 when the computer device operates.
[0059]
At the time of operation, based on the operation of the CPU 1, a part of the storage contents of the volatile system memory 2 (more specifically, the storage contents of a partial area 4 </ b> B of the volatile main memory 4) is stored in the nonvolatile semiconductor memory 7. To save the area of the volatile system memory 2 (more specifically, a part of the area 4B of the volatile main memory 4), and then save the area to the nonvolatile semiconductor memory 7 based on the operation of the CPU 1. The stored contents are written back to the volatile system memory (more specifically, a part of the volatile main memory 4). That is, the nonvolatile semiconductor memory 7 realizes a memory swap function.
[0060]
When the operation system and / or various programs are started, the operation of the CPU 1 secures an independent memory area in the volatile system memory 2 for each of the operation system and various programs, and the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7 The operating system and / or various programs are read from the CPU, and the operation system and / or various programs and work data are stored in a memory area secured in the volatile system memory 2.
[0061]
During operation, when the system requests a memory area from the volatile main memory 4 and there is no free memory area in the volatile main memory 4, the data is stored in the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7. The evacuation program is started, transferred to the volatile main memory 4, and executed. The evacuation program is stored in a non-volatile semiconductor memory (not shown) separately built in the computer device, and the CPU 1 accesses the non-volatile semiconductor memory to execute the evacuation program. Good.
[0062]
In the following description, the contents of the running program and the like are stored in the area 4A of the volatile main memory 4, and the programs and the like to be saved are stored in the remaining area 4B of the volatile main memory 4. It is assumed that
[0063]
In executing the evacuation program, specifically, the CPU 1 firstly stores the volatile system memory 2 (more specifically, the volatile main memory 4) storing the storage contents to be saved in the nonvolatile semiconductor memory 7. It is confirmed whether or not the total capacity of the area 4B) is a capacity that can be secured on the nonvolatile semiconductor memory 7. If it cannot be secured, the user is notified, and in some cases, the storage contents of the volatile main memory 4 to be saved to the nonvolatile semiconductor memory 7 are saved to the hard disk storage device 6. If it can be secured, for example, the contents of the running program and the like are left in the area 4A of the volatile main memory 4, and the contents of other programs and the like stored in the area 4B of the volatile main memory 4 are stored. The data is saved (transferred) to the nonvolatile semiconductor memory 7. At this time, in order to save the capacity required for saving (transferring) to the nonvolatile semiconductor memory 7, the code part of the operation system or the program in the area 4B of the volatile main memory 4 is excluded from the saving (transferring) target. In this case, for example, instead of the initial call source (on the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7), the operating system or the file path of the program or the head address of the file is replaced with the nonvolatile semiconductor memory. 7 is desirably stored. Here, the above-mentioned stored contents are saved (saved) in the nonvolatile semiconductor memory 7 under a predetermined file name, for example, as one or a plurality of “save files”. The file name may be stored in a non-volatile semiconductor memory (not shown) separately built in the computer device.
[0064]
After the evacuation is completed, the area of the volatile system memory 2 (more specifically, the area 4B of the volatile main memory 4) is released. For example, a memory area requested by the system is allocated to the area 4B of the volatile main memory 4 by the operation of the CPU 1, and a new program or the like is stored, for example.
[0065]
On the other hand, when the system requests access to the stored contents saved in the nonvolatile semiconductor memory 7, first, the recovery program stored in the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7 is started based on the operation of the CPU 1. Then, it is transferred to the volatile main memory 4 and executed. The return program is stored in a non-volatile semiconductor memory (not shown) separately built in the computer device, and the CPU 1 accesses the non-volatile semiconductor memory to execute the return program. Good. Then, the restoration program is executed based on the operation of the CPU 1. Specifically, first, the non-volatile semiconductor memory 7 is accessed to check whether or not the “save file” exists. If the “save file” exists, the storage contents saved in the “save file” are written back to the volatile system memory 2. When the operation system or the code area of the program is excluded from the storage target at the time of evacuation, the operation system is read from the hard disk storage device 6 or the nonvolatile semiconductor memory 7 on the basis of the file path or address stored instead of the code. And the code of the activated program is transferred to the volatile system memory 2 again. At this time, if there is not enough free space in the volatile main memory 4, processing such as saving the contents stored in another memory area of the volatile main memory 4 not to be accessed to the nonvolatile semiconductor memory 7 is performed. . Thereafter, the “save file” stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 may be deleted or may be left as it is. In the latter case, a new “save file” is executed when the save program is executed. File overwrites the old "save file". If the "evacuation file" does not exist, the CPU 1 issues a warning to the user and, for example, reboots the system from the initial state. If the file name of the “evacuation file” is stored in the non-volatile semiconductor memory separately built in the computer device, the storage contents stored in the “evacuation file” are stored in the volatile system memory 2. Before writing back to the computer, the file name of the “save file” in the nonvolatile semiconductor memory 7 is compared with the file name of the “save file” stored in the nonvolatile semiconductor memory separately built in the computer device. May be. If the collation results do not match, it may be determined that the “evacuation file” does not exist.
[0066]
As described above, the memory swap function is performed not on the basis of the hard disk storage device 6 but on the basis of the nonvolatile semiconductor memory 7, so that there is no time lag due to the seek to the hard disk storage device 6 and the save area is secured at high speed. , Necessary storage contents can be saved. Further, the nonvolatile semiconductor memory 7 can be read out faster than the hard disk storage device 6.
[0067]
(Embodiment 4)
The fourth embodiment is a modification of the third embodiment. As shown in a conceptual diagram of FIG. 2B, a CPU 1 and a volatile system memory 2 are arranged in a computer device main body, and a non-volatile semiconductor The memory 7 is installed in a removable IC card 8. Then, a part of the storage contents of the volatile system memory 2 (more specifically, the volatile main memory 4) (more specifically, the storage contents stored in a partial area 4B of the volatile main memory 4) ) Is saved in the nonvolatile semiconductor memory 7, the nonvolatile semiconductor memory 7 includes identification information (for example, a bit string generated by a random number or at least a storage content of the volatile system memory) for selectively identifying the computer device. The date and time when a part of the data is saved in the nonvolatile semiconductor memory 7) is simultaneously stored in the “identification file” in the nonvolatile semiconductor memory 7.
[0068]
Such storage in the “identification file” is performed by executing the save program described in the third embodiment. Specifically, the CPU 1 first stores the storage contents to be saved in the nonvolatile semiconductor memory 7. It is confirmed whether the total capacity of the volatile system memory 2 (more specifically, the area 4B of the volatile main memory 4) is a capacity that can be secured on the nonvolatile semiconductor memory 7, and if it can be secured. After storing the identification information in the “identification file” in the nonvolatile semiconductor memory 7, a part of the storage contents of the volatile system memory 2 may be saved (transferred) to the nonvolatile semiconductor memory 7. At the same time, the identification information is stored as a “save file” in a non-volatile semiconductor memory (not shown) separately provided in the computer device.
[0069]
On the other hand, as in the third embodiment, when the system requests access to the storage contents saved in the nonvolatile semiconductor memory 7, the return program is executed based on the operation of the CPU 1. Specifically, First, the CPU 1 accesses the nonvolatile semiconductor memory 7 and checks whether or not the “identification file” exists. When the “identification file” exists, the CPU 1 reads the content and compares it with the identification information in the “evacuation file” stored in the nonvolatile semiconductor memory separately provided in the computer device. If the collation results match, check whether there is a "save file". If the “save file” exists, the storage contents saved in the “save file” are written back to the volatile system memory 2. Thereafter, the “save file” stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 may be deleted or may be left as it is. In the latter case, a new “save file” is executed when the save program is executed. File overwrites the old "save file". When there is no “evacuation file” or when the identification information does not match, the CPU 1 issues a warning to the user.
[0070]
An IC card in which the storage content of a certain computer device has been saved may be connected to a computer device having a different specification. In such a case, it is expected that the operation of the computer device will be confused. However, since the identification information of the storage source computer device is simultaneously stored in the IC card, it is possible to reliably prevent such confusion.
[0071]
In the fourth embodiment, a normal portable semiconductor storage medium can be used as the nonvolatile semiconductor memory as in the second embodiment.
[0072]
(Embodiment 5)
Embodiment 5 relates to a computer device according to the third aspect of the present invention, specifically, a notebook personal computer. The conceptual diagram of the computer device according to the fifth embodiment is the same as the conceptual diagram shown in FIG. 2A or FIG. 2B. The computer device of the fifth embodiment is a combination of the computer device of the first embodiment and the computer device of the third embodiment, or a combination of the computer device of the second embodiment and the computer device of the fourth embodiment. Alternatively, it is a combination of the computer device of the first embodiment and the computer device of the fourth embodiment, or a combination of the computer device of the second embodiment and the computer device of the third embodiment.
[0073]
That is, the computer device according to the fifth embodiment includes at least a CPU 1, a group of registers 3 in the CPU 1, a volatile main memory 4 including a DRAM, a volatile system memory 2 including a VRAM 5, and the like, and a nonvolatile semiconductor memory. 7 is provided. In the fifth embodiment, similarly to the first and third embodiments, the nonvolatile semiconductor memory 7 may be built in a computer device, or may be the same as in the second and fourth embodiments. Alternatively, the nonvolatile semiconductor memory 7 may be installed in a removable IC card 8.
[0074]
Then, during operation, based on the operation of the CPU 1, a part of the storage content of the volatile system memory 2 is evacuated to the non-volatile semiconductor memory 7 to open the area of the volatile system memory 2, and thereafter, based on the operation of the CPU 1. Then, the storage contents saved in the nonvolatile semiconductor memory 7 are written back to the volatile system memory 2. Note that this operation can be the same as the operation of the computer device described in the third embodiment or the fourth embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
[0075]
When the power is turned off, at least a part of the storage contents of the volatile system memory 2 is stored in the nonvolatile semiconductor memory 7 based on the operation of the CPU 1, and when the power is turned on again, the nonvolatile semiconductor memory 7 is stored based on the operation of the CPU 1. Is written back to the volatile system memory 2. Note that this operation can be the same as the operation of the computer device described in the first embodiment or the second embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
[0076]
(Embodiment 6)
Embodiment 6 relates to the computer apparatus according to the fourth aspect of the present invention, more specifically, the computer apparatus according to the fourth aspect of the present invention, specifically, to a mobile phone. FIG. 3 shows a conceptual diagram of a computer device according to the sixth embodiment.
[0077]
The computer device according to the sixth embodiment includes at least a CPU 101, a volatile system memory 102, and a nonvolatile semiconductor memory 107. More specifically, the volatile system memory 102 includes a volatile main memory 104 composed of, for example, a synchronous DRAM. The CPU 101, the volatile main memory 104, and the nonvolatile semiconductor memory 107 are connected by a known bus line (not shown). In the sixth embodiment, the nonvolatile semiconductor memory 107 is incorporated in a computer device, and the operation system and various programs are stored in the nonvolatile semiconductor memory 107 in advance. The state of the system is stored (saved) in the volatile system memory 102 when the computer device operates. In the volatile main memory 104, the refresh area of the volatile main memory 104 composed of the synchronous DRAM can be limited to the remaining area 104A other than the partial area 104B of the volatile main memory 104 by an external command. Functions are provided.
[0078]
At the time of suspension of use, based on the operation of the CPU 101, at least a part of the storage contents of the volatile system memory 102 (in the sixth embodiment, more specifically, stored in the area 104B of the volatile main memory 104). Is copied to the nonvolatile semiconductor memory 107, and when the use is resumed, based on the operation of the CPU 101, the stored content copied to the nonvolatile semiconductor memory 107 is stored in the volatile system memory 102 (in the sixth embodiment). More specifically, write back to the area 104B) of the volatile main memory 104.
[0079]
When the operation system and various programs are started, the operation of the CPU 1 secures an independent memory area in the volatile system memory 102 for each operation system and various programs. Is read out, and the operation system, various programs, and work data are stored in the memory area secured in the volatile system memory 102. More specifically, the operation system and various programs required even during the suspension of use are stored in the area 104A of the volatile main memory 104, and the remaining area 104B of the volatile main memory 104 is Unnecessary programs and data are stored therein. Specifically, as a program required even during the suspension of use, for example, a program that is started intermittently at the time of standby in a mobile phone can be cited.
[0080]
When the use of the computer device is stopped, specifically, when the power of the mobile phone is turned off, for example, the contents stored in the area 104B of the volatile main memory 104 are automatically stored in the nonvolatile memory based on the operation of the CPU 101. The data is copied to a free area of the semiconductor memory 107. Thereafter, the refresh operation in the area 104B of the volatile main memory 104 is stopped, and the contents stored in the area 104B of the volatile main memory 104 are discarded. In the area 104A of the volatile main memory 104, the refresh operation is continued even while the use is stopped.
[0081]
Since the current consumption required for the refresh operation is proportional to the size of the memory area to be refreshed, the current consumption can be significantly reduced as compared with the conventional computer equipment.
[0082]
At the time of resuming use, specifically, when the power of the mobile phone is turned on, for example, based on the operation of the CPU 101, the stored contents copied automatically to a predetermined area of the nonvolatile semiconductor memory 107 this time are The data is written back to the area 104B of the volatile main memory 104 and restored. Thus, the user of the computer device (specifically, the mobile phone) can acquire the same operation environment as before the power was turned off.
[0083]
In the sixth embodiment, even if the battery runs out during use stop (during use), the data is usually stored in the non-volatile semiconductor memory 107. It is possible to take out without. Therefore, there is no need to frequently back up data. If there is no program that needs to be operated during the suspension of use (during non-use), the contents stored in all areas of the volatile main memory 104 are copied to the nonvolatile semiconductor memory 107, and the volatile main memory 104 composed of DRAM is used. The refresh operation of the memory 104 may be completely stopped. Furthermore, in this case, the power supply itself to the volatile main memory 104 may be stopped.
[0084]
Such an effect of reducing power consumption is effective for all types of computer equipment, but is particularly effective for battery-backup type portable computer equipment. Further, even in the case of using an SRAM as the volatile main memory 104 in a battery backup type computer device, it is effective in improving the safety. That is, in a battery-backup type computer device, there is always a danger that the battery will run out during use stop (during non-use), so the security of the data is low as long as the main memory is volatile. If the data in the volatile main memory 104 is automatically copied (transferred and saved) to the nonvolatile semiconductor memory 107 while the use is stopped (not used), it is possible to reliably prevent the data from being lost due to the battery exhaustion. Can be.
[0085]
[Cross-point nonvolatile memory unit]
In the computer device of the present invention described in the first to sixth embodiments, a flash memory or MRAM, one memory cell and a selection transistor (switching transistor) are used as the nonvolatile semiconductor memories 7 and 107. And a ferroelectric non-volatile semiconductor memory composed of a pair of memory cells and a pair of selection transistors can be used, but a cross-point type non-volatile semiconductor memory described below can be used. It is preferable to employ a nonvolatile memory unit (hereinafter simply referred to as a nonvolatile memory unit).
[0086]
This non-volatile memory unit is inexpensive to manufacture and does not require an erasing operation, and can write to any sector instantaneously. In addition, instantaneous writing to an arbitrary sector and instantaneous reading from an arbitrary sector are possible. Since both reading and writing can obtain a transfer speed comparable to that of a DRAM, the system performance hardly deteriorates. Furthermore, since the selection transistor is shared by a plurality of sub-memory units, high integration can be achieved.
[0087]
FIG. 4 shows an example of an equivalent circuit diagram in the case where the nonvolatile semiconductor memory is constituted by a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group (hereinafter, referred to as a nonvolatile semiconductor memory group) in which K nonvolatile memory units are aggregated. And one nonvolatile memory unit MUkFIG. 5 shows an example of an equivalent circuit diagram of FIG. FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory unit along the direction extending to the bit lines. This nonvolatile semiconductor memory has K (for example, K = 256) nonvolatile memory units MU.KConsists of a group of nonvolatile semiconductor memories.
[0088]
The structure of such a nonvolatile memory unit is disclosed in, for example, JP-A-9-116107 and JP-A-2000-349248.
[0089]
Then, each nonvolatile memory unit MUk(Where k = 1, 2,..., K)
(A) Bit line BLkWhen,
(B) Selection transistor TRkWhen,
(C) M (where M ≧ 2) memory cells MCkmMemory unit SMU composed ofkWhen,
(D) M plate lines PLM,
Consists of
[0090]
Sub memory unit SMUkIs formed above the semiconductor substrate 10 via an insulating layer 16.
[0091]
Then, each memory cell MCkm(M = 1, 2,..., M, M = 16 in the illustrated example) is formed by the first electrode (lower electrode) 21, the ferroelectric layer 22, and the second electrode (upper electrode) 23. Become. Also, the sub memory unit SMUkMemory cell MC constitutingkmOf the sub-memory unit SMUkAnd the common first electrode 21 (common node CNk) May be referred to as the selection transistor TR.kThrough the bit line BLkIt is connected to the. Specifically, the selection transistor TRkOne of the source / drain regions 14A is connected to the bit line BL via a contact hole 15 provided in the insulating layer 16.kAnd the selection transistor TRkThe other source / drain region 14B is connected to the sub memory unit SMU via a connection hole 17 provided in an opening provided in the insulating layer 16.kOf the common first electrode 21 (common node CNk)It is connected to the. Also, the sub memory unit SMUkMemory cell MC constitutingkmOf the second electrode 23 is a plate line PLmIt is connected to the. Further, in the nonvolatile semiconductor memory group, the m-th plate line PLkAre common. In FIG. 6, the selection transistor TRkAnd memory cell MCkmAnd the bit line BLkSelect transistor TR 'adjacent in the direction in whichkAnd the memory cell MC 'kmAre also illustrated.
[0092]
Memory cell MCkmPlate line PL atmAre connected to a plate line decoder / driver PD. Further, the selection transistor TRkAre connected to a word line WL, and the word line WL is connected to a word line decoder / driver WD. Also, the bit line BLkIs the sense amplifier SAkIt is connected to the. Sense amplifier SAkIs composed of, for example, a latch circuit.
[0093]
This memory cell is a high-speed rewritable non-volatile memory that uses a high-speed polarization inversion of a ferroelectric thin film and its residual polarization to detect a change in the amount of charge stored in a ferroelectric layer. Writing and reading of data in this memory cell are performed by applying a ferroelectric PE (V) hysteresis loop shown in FIG. That is, when the external electric field is removed after the external electric field is applied to the ferroelectric layer, the ferroelectric layer exhibits remanent polarization. The remanent polarization of the ferroelectric layer becomes + P when an external electric field in the positive direction is applied.r, When an external electric field in the negative direction is applied, -PrBecomes Here, the remanent polarization is + Pr(See “D” in FIG. 31) is “0” and the remanent polarization is −Pr(See “A” in FIG. 31) is “1”.
[0094]
To determine the state of “1” or “0”, for example, an external positive electric field is applied to the ferroelectric layer. As a result, the polarization of the ferroelectric layer is in the state of “C” in FIG. At this time, if the data is “0”, the polarization state of the ferroelectric layer changes from “D” to “C”. On the other hand, if the data is “1”, the polarization state of the ferroelectric layer changes from “A” to “C” via “B”. When the data is "0", no polarization inversion of the ferroelectric layer occurs. On the other hand, when the data is “1”, polarization inversion occurs in the ferroelectric layer. As a result, a difference occurs in the amount of charge stored in the memory cell. By turning on the selection transistor of the selected memory cell, this accumulated charge is detected as a signal current. If the external electric field is set to 0 after reading the data, the polarization state of the ferroelectric layer becomes the state of "D" in FIG. 31 regardless of whether the data is "0" or "1". That is, at the time of reading, data "1" is temporarily destroyed. Therefore, when the data is “1”, an external electric field in the negative direction is applied to change the state to “A” along the paths “D” and “E”, and the data “1” is written again.
[0095]
The nonvolatile semiconductor memory group includes a two-stage K-bit register (256-bit register) RS1, RS2Is provided. Each sense amplifier SAkIs the second-stage K-bit register RS2Is connected to the second-stage K-bit register RS by a 32-bit bus line.2Is the first-stage K-bit register RS1And the first-stage K-bit register RS1Are connected to an I / O circuit (not shown). The I / O circuit has, for example, an 8-bit configuration.
[0096]
In writing data to a memory cell, the first-stage K-bit register RS1After sending 256 bits of data in 32 cycles to the first stage, the first-stage K-bit register RS1In the second-stage K-bit register RS2Transfer to
[0097]
First-stage K-bit register RS from I / O circuit1The following operation is performed while new 256-bit data is sent in 32 cycles during the period. That is, the second-stage K-bit register RS21 bit data from each sense amplifier SAkIs forwarded to Transfer of a total of 256 bits of data is completed in eight cycles. In the remaining cycle (32-8 = 24 cycles), the memory cell MCk1Write data in batches.
[0098]
By repeating such an operation 16 times, the memory cell MCk1, MCk2, MCk3...., MCk, M-1, MCk, MWriting of data to is completed. In this manner, M × K (= 16 × 256 = 4096) memory cells constituting the nonvolatile semiconductor memory group are collectively accessed. It should be noted that the value of M × K is a value corresponding to batch access in sector units in the file system.9(512) A value corresponding to a byte.
[0099]
Hereinafter, a method of writing data to each memory cell will be described. Incidentally, as an example, the memory cell MCkmIt is assumed that data is written to FIG. 7A shows an operation waveform. In FIG. 7A, the numbers in parentheses correspond to the numbers of the steps described below.
[0100]
(1) In the standby state, word lines, all plate lines, bit lines BLkIs 0 volt. Also, the sense amplifier SAkContains the data to be written (high potential VccAlternatively, it is assumed that low potential = 0 volt) is held. Where VccIs the power supply voltage.
[0101]
(2) At the start of data writing, bit line BLkIs the sense amplifier SAkConnect to. Memory cell MCkmBit line BL depending on the data to be written tokIs VccOr it becomes 0 volt.
[0102]
(3) Next, by setting the word line WL to high level, the selection transistor TRkIs turned on. In addition, select plate line PLmHigh potential VccIs applied to the unselected plate line PLj(J ≠ m) has an intermediate potential VPL[= (1/2) Vcc] Is applied. Thereby, the bit line BLkIs low potential (0 volt), memory cell MCkm, The selection plate line PLmIs high potential VccAnd data "0" is written. On the other hand, the bit line BLkIs high potential Vcc, The memory cell MCkmNo data is written to.
[0103]
(4) Then, select plate line PLmAt a low potential (0 volt). Thereby, the bit line BLkIs low potential (0 volt), memory cell MCkmDoes not change the data. On the other hand, the bit line BLkIs high potential Vcc, The memory cell MCkmIs written with data "1".
[0104]
(5) When the data reading is completed, the word line WL is set to the low level to set the selection transistor TR.kIs turned off, the bit line BLkTo 0 volts, and the unselected plate line PLjTo 0 volts.
[0105]
In reading data from a memory cell, each memory cell MCk1Data read from the memory at once. Then, each sense amplifier SAk1-bit data is stored in the second-stage K-bit register RS2Is forwarded to Transfer of a total of 256 bits of data is completed in eight cycles.
[0106]
During the above cycle, the first-stage K-bit register RS1The 256-bit data is sent to the I / O circuit in 32 cycles from.
[0107]
Then, collectively, the second-stage K-bit register RS2Are stored in the first-stage K-bit register RS1Transfer to
[0108]
By repeating such an operation 16 times, the memory cell MCk1, MCk2, MCk3...., MCk, M-1, MCk, MIs completed. In this manner, M × K (= 16 × 256 = 4096) memory cells constituting the nonvolatile semiconductor memory group are collectively accessed.
[0109]
Next, an example of a method of reading data from each memory cell and rewriting data in each memory cell will be described below. Incidentally, as an example, the memory cell MCkmIt is assumed that data is read from. FIG. 7B shows an operation waveform. In FIG. 7B, the numbers in parentheses correspond to the numbers of the steps described below.
[0110]
(11) In the standby state, all bit lines, all word lines, and all plate lines are grounded. Then, a ground line (not shown) and a bit line BLkElectrical connection with the bit line BLkTo a floating state.
[0111]
(12) At the start of data reading, the word line WL is set to the high level, thereby selecting the transistor for selection TR.kIs turned on. In addition, select plate line PLmHigh potential VccIs applied. In addition, unselected plate lines PLjTo a floating state. Thereby, the memory cell MCkmDepends on the stored data of the bit line BL.k, A high potential or a low potential appears. Next, the sense amplifier SAkTo activate the bit line BLkIs read as data.
[0112]
(13) After that, by setting the word line WL to low level, the selection transistor TRkIs turned off. In addition, select plate line PLmTo 0 volts. At the same time, the bit line BLkIs the sense amplifier SAkTo charge and discharge the bit line BLkV depends on the dataccAlternatively, 0 volt is applied.
[0113]
(14) After that, by executing the above (3) to (5), the memory cell MCkmIs written again.
[0114]
As described above, the provision of the two-stage K-bit register makes it possible to take in data from the outside and write data to the memory cell, or read data from the memory cell and send data to the outside in parallel. And run it.
[0115]
Further, by adopting the method of reading and rewriting data from the memory cells described above, that is, by matching the array block (nonvolatile semiconductor memory group) of the nonvolatile memory unit with the file sector serving as an access unit, The upper limit of disturbance can be specified without being aware from the outside, and data destruction can be prevented. Note that this method can be applied not only to the operation of the computer device described in the first to sixth embodiments, but also to data writing to memory cells in a nonvolatile semiconductor memory group forming a general file storage. Alternatively, the present invention can be applied to reading and rewriting from a memory cell. Here, disturb refers to a phenomenon in which an electric field is applied to a ferroelectric layer of a non-selected memory cell in a direction in which polarization is inverted, that is, in a direction in which stored data is deteriorated or destroyed. .
[0116]
Further, in the above description, the nonvolatile semiconductor memory group is configured by 16 × 256 = 4096 memory cells, but the I / O circuit may be configured to have a 9-bit (8 + 1) configuration, for example. Here, the added one bit is used for error detection or error correction. In such a case, K = 9 × 32 = 288. Also, the K-bit register RS1, RS2Use a 288-bit register.
[0117]
Further, the nonvolatile semiconductor memory may be configured from a plurality of nonvolatile semiconductor memory groups, and plate lines of the same address (plate lines having the same value of m) may be simultaneously operated in the plurality of nonvolatile semiconductor memory groups. For example, in the above-described example, two nonvolatile semiconductor memory groups may be simultaneously driven with K = 128.
[0118]
Hereinafter, various modifications of the nonvolatile memory unit will be described.
[0119]
[Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 1]
FIG. 8 shows an equivalent circuit diagram of a nonvolatile semiconductor memory group, and FIG. 9 shows an equivalent circuit diagram of two nonvolatile memory units. Two nonvolatile memory units are paired and connected to one sense amplifier. It can be configured. Then, complementary 1-bit data is stored in a pair of memory cells having a common plate line. In FIG. 9, only k = 1 and k are shown.
[0120]
Hereinafter, a data write operation in such a configuration will be described. Incidentally, as an example, the paired memory cells MC11, MC21Data to the memory cell MC.11Data "1" to the memory cell MC.21Data "0" is written in
[0121]
(21) In the standby state, the word lines and all plate lines are at 0 volt. Also, the bit line BL1, BL2Is equalized to 0 volts. Note that the sense amplifier SA1Holds data to be written.
[0122]
(22) At the start of data writing, bit line BL1To VccAnd the bit line BL20 volts.
(23) Next, by setting the word line WL to a high level, the selection transistor TR1, TR2Is turned on. In addition, select plate line PL1High potential VccIs applied to the unselected plate line PLj(J ≠ 1) has an intermediate potential VPL[= (1/2) Vcc] Is applied. Thereby, the memory cell MC21, The selection plate line PL1Is high potential VccAnd the bit line BL2Is 0 volt, data "0" is written.
(24) Then, select plate line PL1To 0 volts. Thereby, the memory cell MC11, The selection plate line PL1Is 0 volt and the bit line BL1Is VccTherefore, data "1" is written.
(25) When ending the data writing, the word line WL is set to the low level, and the selection transistor TR is set.1, TR2Is turned off, the bit line BL1To 0 volts, and the unselected plate line PLjTo 0 volts.
[0123]
Next, an example of a method for reading data from a memory cell and rewriting data will be described below. Incidentally, as an example, the paired memory cells MC11, MC21From the memory cell MC11Has data "1" in memory cell MC.21Is assumed to store data "0".
[0124]
(31) In the standby state, all bit lines, all word lines, and all plate lines are grounded. Then, a ground line (not shown) and a bit line BL1, BL2Electrical connection with the bit line BL1, BL2To a floating state.
[0125]
(32) At the start of data reading, the word line WL is set to the high level, thereby selecting the transistor for selection TR.1, TR2Is turned on. In addition, select plate line PL1High potential VccIs applied. In addition, unselected plate lines PLjTo a floating state. Thus, memory cell MC storing data "1"11Releases an inverted charge from the bit line BL1, BL2, A potential difference occurs. Next, the sense amplifier SA1To activate the bit line BL1, BL2Is read as data.
[0126]
(33) After that, by setting the word line WL to low level, the selection transistor TR1, TR2Is turned off. In addition, select plate line PL1To 0 volts. At the same time, the bit line BL1, BL2With the sense amplifier SA1To charge and discharge the bit line BL1Has VccAnd the bit line BL2Is applied with 0 volt.
[0127]
(34) Thereafter, by performing the step (23) described above, the memory cell MC21Is written with data "0" again.
[0128]
(35) Next, by executing the above-described step (24), that is, by selecting the selected plate line PL1To 0 volts, the memory cell MC11Is rewritten with data "1".
[0129]
(36) When ending the data writing, the bit line BL1, BL2To 0 volts, and the unselected plate line PLjTo 0 volts.
[0130]
[Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 2]
FIG. 10 shows an equivalent circuit diagram of the nonvolatile semiconductor memory group (however, illustration of the plate line decoder / driver PD and word line decoder / driver WD is omitted). FIG. 11 shows an equivalent circuit diagram of two nonvolatile memory units. As shown, two non-volatile memory units are paired and connected to one sense amplifier, and two selection transistors constituting the paired non-volatile memory units are connected to different word lines and independently controlled. It can also be configured to be. Then, 1-bit data is stored in each of a pair of memory cells sharing a plate line. In FIG. 11, k = 1 and 2 are shown.
[0131]
The data write operation and the read / rewrite operation in such a configuration are performed except that the two select transistors constituting the paired nonvolatile memory units are independently controlled (that is, the write operation is not performed). Cycle and read / rewrite cycle are doubled), and can be substantially the same as the above (1) to (5) and (11) to (14). Omitted. In (12), at the start of data reading, for example, the word line WL1Is set to a high level, the selection transistor TR1Is turned on, and the word line WL2Is set to the low level, the selection transistor TR2Is turned off, and the bit line BL2To the bit line BL by applying a reference potential (between a potential appearing on the bit line based on data "1" and a potential appearing on the bit line based on data "0") to the bit line BL.1Can be read out more reliably.
[0132]
[Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 3]
FIG. 12 is a schematic partial cross-sectional view when the nonvolatile memory unit is cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which the bit lines extend. Further, conceptual equivalent circuit diagrams of a pair (two) of non-volatile memory units are shown in FIGS. 13A and 13B, and more specific examples of the conceptual equivalent circuit diagram of FIG. FIG. 14 shows a typical equivalent circuit diagram, and FIG. 15 shows a more specific equivalent circuit diagram of the conceptual equivalent circuit diagram of FIG. 14 and 15 show two nonvolatile memory units MU.1, MU2(K = 1, 2), these nonvolatile memory units MU1, MU2Are the same, and hereinafter, the nonvolatile memory unit MU1Will be described. 13 (A) and (B), FIGS. 17 (A) and (B), and FIGS. 21 (A) and (B), plate lines, plate line decoders / drivers, and word line decoders / drivers. Illustration of the driver and the sense amplifier is omitted.
[0133]
This nonvolatile memory unit MU1Is
(A) Bit line BL1When,
(B) Selection transistor TR1When,
(C) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2, M = 4 in the illustrated example)1NM(Where N ≧ 2 and N = 2 in the example shown) composed of N sub memory units SMU1NWhen,
(D) M × N plate wires,
Consists of
[0134]
Then, the N sub memory units SMU1NAre stacked with an interlayer insulating layer 26 interposed therebetween. Each memory cell includes first electrodes 21 and 31, ferroelectric layers 22 and 32, and second electrodes 23 and 33. SMU1NAt the memory cell MC1NMAre common, and the common first electrode is connected to the selection transistor TR.1Through the bit line BL1It is connected to the. Specifically, the sub memory unit SMU11At the memory cell MC11MAre common to each other (the common first electrode is connected to a first common node CN).11), A common first electrode 21 (first common node CN)11) Is the selection transistor TR1Through the bit line BL1It is connected to the. Also, the sub memory unit SMU12At the memory cell MC12MAre common (the common first electrode is connected to a second common node CN).12), Common first electrode 31 (second common node CN)12) Is the selection transistor TR1Through the bit line BL1It is connected to the. Generally, the sub memory unit SMU of the n-th layer (where n = 1, 2,..., N)1n, The m-th (where m = 1, 2,..., M) memory cell MC1 nmAre connected to the [(n-1) M + m] -th plate line PL(N-1) M + mIt is connected to the. In addition, this plate line PL(N-1) M + mIs a nonvolatile memory unit MU2Are also connected to the second electrodes 23 and 33 of each memory cell. More specifically, each plate line extends from the second electrode 23, 33, and these plate lines are connected in a region (not shown).
[0135]
Selection transistor TR1One source / drain region 14A is connected to the bit line BL.1And the selection transistor TR1The other source / drain region 14B is connected to the first-layer sub-memory unit SMU through the first-layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16.11In the first common electrode 21 (first common node CN11)It is connected to the. Further, the selection transistor TR1The other source / drain region 14 </ b> B is formed via a first-layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16 and a second-layer connection hole 27 provided in the interlayer insulating layer 26. The sub memory unit SMU of the layer12Of the common first electrode 31 (the second common node CN12)It is connected to the. In FIG. 12, reference numeral 36A denotes an insulating film.
[0136]
Bit line BL1Are connected to the sense amplifier SA. The plate line PL(N-1) M + mAre connected to a plate line decoder / driver PD. Further, the word line WL (or the word line WL1, WL2) Is connected to the word line decoder / driver WD. The word line WL extends in the direction perpendicular to the plane of FIG. In addition, the nonvolatile memory unit MU1Memory cell MC constituting11mOf the nonvolatile memory unit MU adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting21mAnd the plate line PL(N-1) M + mAlso serves as. Further, the nonvolatile memory unit MU1Memory cell MC constituting12mOf the nonvolatile memory unit MU adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting22mAnd the plate line PL(N-1) M + mAlso serves as. The word line WL is connected to the non-volatile memory unit MU.1Selection transistor TR that constitutes1And the nonvolatile memory units MU adjacent to each other in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Selection transistor TR that constitutes2And is common to
[0137]
Nonvolatile memory unit MU whose equivalent circuit diagrams are shown in FIGS.1, MU2, The nonvolatile memory unit MU1, MU2Selection transistor TR that constitutes1, TR2Are connected to the same word line WL. Then, the paired memory cells MC1 nm, MC2 nm(N = 1, 2,..., N, and m = 1, 2,..., M) store complementary data. For example, the memory cell MC1 nm, MC2 nm(Where m is one of 1, 2, 3, and 4), the word line WL is selected and the plate line PL is read.j(M ≠ j) is, for example, (1 /) VccWith the voltage applied to the plate line PL(N-1) M + mDrive. Where VccIs, for example, a power supply voltage. As a result, the complementary data is transferred to the paired memory cells MC.1 nm, MC2 nmTo select transistor TR1, TR2Bit line BL paired through1, BL2Appear as a voltage (bit line potential). Then, the paired bit lines BL1, BL2(Bit line potential) is detected by the sense amplifier SA. The nonvolatile memory unit MU1, MU2Selection transistor TR that constitutes1, TR2To different word lines WL1, WL2To the memory cell MC1 nm, MC2 nmAre independently controlled to form a pair of bit lines BL1, BL2Of the memory cell MC by applying a reference potential to one of1 nm, MC2 nmData can be read from each of them. See FIG. 13B and FIG. 15 for an equivalent circuit diagram in the case of employing such a configuration. The selection transistor TR1, TR2, Are equivalent to the circuits shown in FIG. 13A and FIG. Thus, each memory cell MC1 nm, MC2 nm(N = 1, 2, and m = 1, 2, 3, 4), one bit is stored as data (see FIG. 13B and FIG. 15), or a pair of memories. Cell MC1 nm, MC2 nmIs stored as one bit (see FIG. 13A and FIG. 14). In an actual nonvolatile semiconductor memory, a set of nonvolatile memory units for storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit. Note that the value of M is not limited to 4. The value of M only needs to satisfy M ≧ 2, and a practical value of M can be, for example, a power of 2 (2, 4, 8, 16,...). The value of N only needs to satisfy N ≧ 2, and a practical value of N may be, for example, a power of 2 (2, 4, 8,...).
[0138]
Hereinafter, an outline of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory will be described. Note that other non-volatile semiconductor memories can be manufactured in substantially the same steps.
[0139]
[Step-100]
First, a MOS transistor functioning as a transistor constituting a selection transistor in a nonvolatile memory unit is formed on a semiconductor substrate 10. For that purpose, for example, the element isolation region 11 having a LOCOS structure is formed based on a known method. Note that the element isolation region may have a trench structure or a combination of a LOCOS structure and a trench structure. After that, the surface of the semiconductor substrate 10 is oxidized by, for example, a pyrogenic method to form the gate insulating film 12. Next, after a polysilicon layer doped with impurities is formed on the entire surface by a CVD method, the polysilicon layer is patterned to form a gate electrode 13. This gate electrode 13 also serves as a word line. Incidentally, instead of forming the gate electrode 13 from the polysilicon layer, the gate electrode 13 may be formed from polycide or metal silicide. Next, ions are implanted into the semiconductor substrate 10 to form an LDD structure. Thereafter, the entire surface is formed by SiO2After forming the layer, the SiO2A gate sidewall (not shown) is formed on the side surface of the gate electrode 13 by etching back the layer. Next, after ion implantation is performed on the semiconductor substrate 10, the source / drain regions 14A and 14B are formed by performing activation annealing treatment of the ion-implanted impurities.
[0140]
[Step-110]
Then, SiO2Is formed by CVD, and an opening is formed by RIE in the lower insulating layer above one of the source / drain regions 14A. Then, a polysilicon layer doped with impurities is formed on the lower insulating layer including the inside of the opening by a CVD method. Thus, a contact hole 15 is formed. Next, by patterning the polysilicon layer on the lower insulating layer, the bit line BL1To form Thereafter, an upper insulating layer made of BPSG is formed on the entire surface by a CVD method. After the formation of the upper insulating layer made of BPSG, it is preferable to reflow the upper insulating layer in a nitrogen gas atmosphere, for example, at 900 ° C. for 20 minutes. Further, if necessary, it is desirable to planarize the upper insulating layer by chemically and mechanically polishing the top surface of the upper insulating layer by, for example, a chemical mechanical polishing method (CMP method). Note that the lower insulating layer and the upper insulating layer are collectively referred to as an insulating layer 16.
[0141]
[Step-120]
Next, after an opening is formed in the insulating layer 16 above the other source / drain region 14B by RIE, the inside of the opening is filled with impurity-doped polysilicon, and a contact hole (contact hole) 17 is formed. Finalize. Bit line BL1Extends over the lower insulating layer in the left-right direction of the drawing so as not to contact the connection hole 17.
[0142]
The connection hole 17 is formed in an opening formed in the insulating layer 16 by, for example, tungsten, Ti, Pt, Pd, Cu, TiW, TiNW, or WSi.2, MoSi2It can also be formed by embedding a metal wiring material made of a metal having a high melting point or a metal silicide. It is preferable that the top surface of the connection hole 17 exists on substantially the same plane as the surface of the insulating layer 16. Table 1 shows the conditions for filling the opening with tungsten and forming the connection hole 17. It is preferable that a Ti layer and a TiN layer are sequentially formed on the insulating layer 16 including the inside of the opening by, for example, magnetron sputtering before filling the opening with tungsten. Here, the reason for forming the Ti layer and the TiN layer is to obtain an ohmic low contact resistance, to prevent the semiconductor substrate 10 from being damaged by the blanket tungsten CVD method, and to improve the adhesion of tungsten.
[0143]
[Table 1]
[Sputtering conditions for Ti layer (thickness: 20 nm)]
Process gas: Ar = 35 sccm
Pressure: 0.52Pa
RF power: 2kW
Substrate heating: None
[Sputtering conditions for TiN layer (thickness: 100 nm)]
Process gas: N2/ Ar = 100 / 35sccm
Pressure: 1.0Pa
RF power: 6kW
Substrate heating: None
[Tungsten CVD forming conditions]
Gas used: WF6/ H2/ Ar = 40/400 / 2250sccm
Pressure: 10.7kPa
Forming temperature: 450 ° C
[Etching conditions for tungsten layer, TiN layer and Ti layer]
First stage etching: Tungsten layer etching
Gas used: SF6/ Ar / He = 110: 90: 5 sccm
Pressure: 46Pa
RF power: 275W
Second stage etching: TiN layer / Ti layer etching
Gas used: Ar / Cl2= 75 / 5sccm
Pressure: 6.5 Pa
RF power: 250W
[0144]
[Step-130]
Next, it is desirable to form an adhesion layer (not shown) made of titanium nitride (TiN) on the insulating layer 16. Then, a first conductive material layer constituting a first electrode (lower electrode) 21 made of Ir is formed on the adhesion layer by, for example, a sputtering method, and the first conductive material layer and the adhesion layer are formed by photolithography. By patterning based on the dry etching technique, the stripe-shaped first electrode 21 can be obtained. After that, the entire surface is made of SiO2Film or SiO2/ TiO2A film (not shown) is formed, and the film is planarized by the CMP method, so that a state (a so-called damascene structure) in which the space between the first electrodes 21 is buried with the film can be obtained. In the CMP method, a slurry containing alumina may be used as an abrasive.
[0145]
Note that, for example, a SiN film is formed on the insulating layer 16, and then the SiN film in a portion where the first electrode is to be formed is selectively removed. The first electrode having a so-called damascene structure can also be formed by forming one conductive material layer and then removing the first conductive material layer and the adhesion layer on the SiN film by the CMP method.
[0146]
[Step-140]
After that, a ferroelectric thin film is formed on the entire surface, and then, if necessary, the ferroelectric thin film is patterned to form a ferroelectric layer 22.
[0147]
[Step-150]
Next, after an Ir layer is formed on the entire surface by a sputtering method, the Ir layer is patterned based on a photolithography technique and a dry etching technique to form a second electrode 23 on the ferroelectric layer 22. A plate line PL extending from the second electrode 23 is formed. When the ferroelectric layer 22 is damaged by the etching, the damage recovery annealing may be performed at a temperature required for the damage recovery.
[0148]
[Step-160]
afterwards,
-Formation and planarization of interlayer insulating layer 26
.Formation of opening and formation of connection hole 27
-For example, formation of the first electrode 31 having a damascene structure
.Formation of ferroelectric layer 32
.Formation of the second electrode 33
-Formation of insulating film 36A
Are sequentially performed.
[0149]
Note that each of the second electrodes 23 and 33 does not have to double as a plate line. In this case, for example, after an upper insulating layer is formed on the insulating layer 16 and the ferroelectric layer 22, a plate line is formed on the upper insulating layer. May be connected by a connection hole (via hole) provided in the upper insulating layer.
[0150]
For example, Bi2SrTa2O9Table 2 below shows the conditions for forming the ferroelectric thin film composed of: In Table 2, "thd" is an abbreviation for tetramethylheptanedionate. Further, the source materials shown in Table 2 are dissolved in a solvent containing tetrahydrofuran (THF) as a main component.
[0151]
Figure 2004164185
[0152]
Alternatively, Bi2SrTa2O9Can be formed on the entire surface by a pulsed laser ablation method, a sol-gel method, or an RF sputtering method. The forming conditions in these cases are illustrated in Tables 3, 4, and 5 below. When a thick ferroelectric thin film is formed by the sol-gel method, spin coating and drying, or spin coating and firing (or annealing) may be repeated a desired number of times.
[0153]
[Table 3]
[Formation by pulsed laser ablation method]
Target: Bi2SrTa2O9
Laser used: KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns, 5 Hz)
Forming temperature: 400-800 ° C
Oxygen concentration: 3Pa
[0154]
Figure 2004164185
[0155]
[Table 5]
[Formation by RF sputtering method]
Target: Bi2SrTa2O9Ceramic target
RF power: 1.2 W to 2.0 W / target 1 cm2
Atmospheric pressure: 0.2 to 1.3 Pa
Forming temperature: room temperature to 600 ° C
Process gas: Ar / O2Flow ratio = 2/1 to 9/1
[0156]
Table 6 shows the conditions for forming PZT or PLZT by magnetron sputtering when the ferroelectric layer is made of PZT or PLZT. Alternatively, PZT or PLZT is prepared by reactive sputtering, electron beam evaporation, sol-gel method (see the conditions in Table 7), MOCVD method (see the conditions in Table 8), pulse laser ablation method (see Table 9). (See conditions).
[0157]
[Table 6]
[Magnetron sputtering method]
Target: PZT or PLZT
Process gas: Ar / O2= 90% by volume / 10% by volume
Pressure: 4Pa
Power: 50W
Forming temperature: 500 ° C
[0158]
Figure 2004164185
[0159]
Figure 2004164185
[0160]
[Table 9]
[Pulse laser ablation method]
Target: PZT or PLZT
Laser used: KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns, 3 Hz)
Output energy: 400 mJ (1.1 J / cm2)
Forming temperature: 550-600 ° C
Oxygen concentration: 40 to 120 Pa
[0161]
[Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 4]
FIG. 16 is a schematic partial cross-sectional view when the nonvolatile memory unit is cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which the bit lines extend. Further, conceptual equivalent circuit diagrams of the nonvolatile memory unit in this nonvolatile semiconductor memory are shown in FIGS. 17A and 17B, and more specific examples of the conceptual equivalent circuit diagram of FIG. FIG. 18 shows a typical equivalent circuit diagram, and FIG. 19 shows a more specific equivalent circuit diagram of the conceptual equivalent circuit diagram of FIG. 18 and 19 show two nonvolatile memory units MU.1, MU2Are shown, these non-volatile memory units MU1, MU2Are the same, and hereinafter, the nonvolatile memory unit MU1Will be described.
[0162]
This nonvolatile memory unit MU1Is
(A) Bit line BL1When,
(B) N (where N ≧ 2, where N = 2 in the illustrated example) selection transistors TR1NWhen,
(C) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2, M = 4 in the illustrated example)1NM, And N sub memory units SMU1NWhen,
(D) M plate lines PLM,
Consists of
[0163]
Then, the N sub memory units SMU1NAre stacked with an interlayer insulating layer 26 interposed therebetween. Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode. Specifically, the sub memory unit SMU of the first layer11Each memory cell MC constituting11MIs composed of a first electrode 21, a ferroelectric layer 22, and a second electrode 23, and is a sub-memory unit SMU of the second layer.12Each memory cell MC constituting12MIs composed of a first electrode 31, a ferroelectric layer 32, and a second electrode 33. Further, each sub memory unit SMU1nAt the memory cell MC1 nmThe first electrodes 21 and 31 are common. Specifically, the sub memory unit SMU of the first layer11At the memory cell MC11MThe first electrode 21 is common. This common first electrode 21 is connected to a first common node CN.11It may be called. Also, the sub-memory unit SMU of the second layer12At the memory cell MC12MThe first electrode 31 is common. This common first electrode 31 is connected to a second common node CN.12It may be called. Generally, the sub memory unit SMU of the n-th layer (where n = 1, 2,..., N)1n, The second electrodes 23 and 33 of the m-th (where m = 1, 2,..., M) memory cell are connected to the sub-memory unit SMU.1nThe m-th plate line PL shared betweenmIt is connected to the. More specifically, each plate line extends from the second electrode 23, 33, and these plate lines are connected in a region (not shown).
[0164]
Sub memory unit SMU of the n-th layer (where n = 1, 2,..., N)1nAre common to the n-th selection transistor TR1nThrough the bit line BL1It is connected to the. Specifically, each selection transistor TR11, TR12One source / drain region 14A is connected to the bit line BL.1And the first selection transistor TR11The other source / drain region 14B is connected to the first-layer sub-memory unit SMU through the first-layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16.11In the first common electrode 21 (first common node CN11)It is connected to the. Also, the second selection transistor TR12The other source / drain region 14B is connected via a first layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16, a pad portion 25, and a second layer connection hole 27 provided in the interlayer insulating layer 26. The sub-memory unit SMU of the second layer12Of the common first electrode 31 (the second common node CN12)It is connected to the.
[0165]
Bit line BL1Are connected to the sense amplifier SA. The plate line PLMAre connected to a plate line decoder / driver PD. Further, the word line WL1, WL2(Or the word line WL11, WL12, WL21, WL22) Is connected to the word line decoder / driver WD. Word line WL1, WL2Extend in the direction perpendicular to the plane of the paper of FIG. In addition, the nonvolatile memory unit MU1Memory cell MC constituting11mOf the non-volatile memory unit MU adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting21mAnd the plate line PLmAlso serves as. Further, the nonvolatile memory unit MU1Memory cell MC constituting12mOf the non-volatile memory unit MU adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting22mAnd the plate line PLmAlso serves as. These plate lines PLmAre connected in a region not shown. Also, the word line WL1Is a nonvolatile memory unit MU1Selection transistor TR that constitutes11And the non-volatile memory units MU adjacent to each other in the vertical direction of FIG.2Selection transistor TR that constitutes21And is common to Further, the word line WL2Is a nonvolatile memory unit MU1Selection transistor TR that constitutes12And the non-volatile memory units MU adjacent to each other in the vertical direction of FIG.2Selection transistor TR that constitutes22And is common to
[0166]
Nonvolatile memory unit MU whose equivalent circuit diagram is shown in FIGS.1, MU2, The nonvolatile memory unit MU1, MU2Selection transistor TR that constitutes1n, TR2nAre the same word line WLnIt is connected to the. Then, the paired memory cells MC1 nm, MC2 nm(N = 1, 2, and m = 1, 2,..., M) store complementary data. For example, the memory cell MC11m, MC21m(Where m is one of 1, 2, 3, and 4), the word line WL1Select the plate line PLj(M ≠ j) is, for example, (1 /) VccWith the voltage applied to the plate line PLmDrive. As a result, the complementary data is transferred to the paired memory cells MC.11m, MC21mTo select transistor TR11, TR21Bit line BL paired through1, BL2Appear as a voltage (bit line potential). Then, the paired bit lines BL1, BL2(Bit line potential) is detected by the sense amplifier SA. The nonvolatile memory unit MU1, MU2Selection transistor TR that constitutes11, TR12, TR21, TR22To different word lines WL11, WL12, WL21, WL22To the memory cell MC1 nm, MC2 nmAre independently controlled to form a pair of bit lines BL1, BL2Of the memory cell MC by applying a reference potential to one of1 nm, MC2 nmData can be read from each of them. See FIG. 17B and FIG. 19 for an equivalent circuit diagram in the case of employing such a configuration. The selection transistor TR11, TR21At the same time, and the selection transistor TR12, TR22Are simultaneously driven, the circuit becomes equivalent to the circuits shown in FIGS. Thus, each memory cell MC1 nm, MC2 nm(N = 1, 2, and m = 1, 2, 3, 4), one bit is stored as data (see FIG. 17B and FIG. 19), or a pair of memories. Cell MC1 nm, MC2 nmIs stored as one bit (see FIG. 17A and FIG. 18). In an actual nonvolatile semiconductor memory, a set of nonvolatile memory units for storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit. Note that the value of M is not limited to 4. The value of M only needs to satisfy M ≧ 2, and a practical value of M can be, for example, a power of 2 (2, 4, 8, 16,...). The value of N only needs to satisfy N ≧ 2, and a practical value of N may be, for example, a power of 2 (2, 4, 8,...).
[0167]
[Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 5]
FIG. 20 is a schematic partial cross-sectional view when the nonvolatile memory unit is cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which the bit lines extend. Further, conceptual equivalent circuit diagrams of the nonvolatile memory unit are shown in FIGS. 21A and 21B, and a specific equivalent circuit diagram is shown in FIG. 21A and 21B show two nonvolatile memory units MU.1, MU2Are shown, these non-volatile memory units MU1, MU2Are the same, and hereinafter, the nonvolatile memory unit MU1Will be described.
[0168]
This nonvolatile memory unit MU1Is
(A) N (where N ≧ 2, N = 2 in the illustrated example) bit lines BL1NWhen,
(B) N selection transistors TR1NWhen,
(C) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2, M = 4 in the illustrated example)1NM, And N sub memory units SMU1NWhen,
(D) M plate lines PLM,
Consists of
[0169]
Then, the N sub memory units SMU1NAre stacked with an interlayer insulating layer 26 interposed therebetween. Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode. Specifically, the sub memory unit SMU of the first layer11Each memory cell MC constituting11MIs composed of a first electrode 21, a ferroelectric layer 22, and a second electrode 23, and is a sub-memory unit SMU of the second layer.12Each memory cell MC constituting12MIs composed of a first electrode 31, a ferroelectric layer 32, and a second electrode 33. Further, each sub memory unit SMU1nAt the memory cell MC1 nmThe first electrodes 21 and 31 are common. Specifically, the sub memory unit SMU of the first layer11At the memory cell MC11MThe first electrode 21 is common. This common first electrode 21 is connected to a first common node CN.11It may be called. Also, the sub-memory unit SMU of the second layer12At the memory cell MC12MThe first electrode 31 is common. This common first electrode 31 is connected to a second common node CN.12It may be called. Generally, the sub memory unit SMU of the n-th layer (where n = 1, 2,..., N)1n, The second electrodes 23 and 33 of the m-th (where m = 1, 2,..., M) memory cell are connected to the sub-memory unit SMU.1nThe m-th plate line PL shared betweenmIt is connected to the. More specifically, each plate line extends from the second electrode 23, 33, and these plate lines are connected in a region (not shown).
[0170]
Sub memory unit SMU of the n-th layer (where n = 1, 2,..., N)1nAre common first electrodes in the first selection transistor TR.11Via the first bit line BL11It is connected to the. Specifically, the n-th selection transistor TR1nOne source / drain region 14A is connected to the n-th bit line BL.1nAnd the first selection transistor TR11The other source / drain region 14B is connected to the first-layer sub-memory unit SMU through the first-layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16.11In the first common electrode 21 (first common node CN11)It is connected to the. Also, the second selection transistor TR12The other source / drain region 14B is connected via a first layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16, a pad portion 25, and a second layer connection hole 27 provided in the interlayer insulating layer 26. The sub-memory unit SMU of the second layer12Of the common first electrode 31 (the second common node CN12)It is connected to the.
[0171]
Bit line BL1nAre connected to the sense amplifier SA. The plate line PLMAre connected to a plate line decoder / driver PD. Further, the word line WL1, WL2(Or the word line WL11, WL12, WL21, WL22) Is connected to the word line decoder / driver WD. Word line WL1, WL2Extend in the direction perpendicular to the plane of the paper of FIG. In addition, the nonvolatile memory unit MU1Memory cell MC constituting11mOf the nonvolatile memory unit MU adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting21mAnd the plate line PLmAlso serves as. Further, the nonvolatile memory unit MU1Memory cell MC constituting12mOf the non-volatile memory unit MU adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting22mAnd the plate line PLmAlso serves as. These plate lines PLmAre connected in a region not shown. Also, the word line WL1Is a nonvolatile memory unit MU1Selection transistor TR that constitutes11And the non-volatile memory units MU adjacent to each other in the vertical direction of FIG.2Selection transistor TR that constitutes21And is common to Further, the word line WL2Is a nonvolatile memory unit MU1Selection transistor TR that constitutes12And the non-volatile memory units MU adjacent to each other in the vertical direction of FIG.2Selection transistor TR that constitutes22And is common to
[0172]
Nonvolatile memory unit MU whose equivalent circuit diagram is shown in FIGS.1, MU2, The nonvolatile memory unit MU1, MU2Selection transistor TR that constitutes11, TR21Are the same word line WL1And the selection transistor TR12, TR22Are the same word line WL2It is connected to the. Then, the paired memory cells MC1 nm, MC2 nm(N = 1, 2, and m = 1, 2,..., M) store complementary data. For example, the memory cell MC11m, MC21m(Where m is one of 1, 2, 3, and 4), the word line WL1Select the plate line PLj(M ≠ j) is, for example, (1 /) VccWith the voltage applied to the plate line PLmDrive. As a result, the complementary data is transferred to the paired memory cells MC.11m, MC21mTo select transistor TR11, TR21Bit line BL paired through11, BL21Appear as a voltage (bit line potential). Then, the paired bit lines BL11, BL21(Bit line potential) is detected by the sense amplifier SA. The nonvolatile memory unit MU1, MU2Selection transistor TR that constitutes11, TR12, TR21, TR22To different word lines WL11, WL12, WL21, WL22To the memory cell MC1 nm, MC2 nmAre independently controlled to form a pair of bit lines BL11, BL21Or the paired bit lines BL12, BL22Of the memory cell MC by applying a reference potential to one of1 nm, MC2 nmData can be read from each of them. See FIG. 21B and FIG. 22 for an equivalent circuit diagram in the case of employing such a configuration. The selection transistor TR11, TR21At the same time, and the selection transistor TR12, TR22Are simultaneously driven, the circuit becomes equivalent to the circuit shown in FIG. Thus, each memory cell MC1 nm, MC2 nm(N = 1, 2, and m = 1, 2, 3, 4), one bit is stored as data (see FIG. 21B), or alternatively, a pair of memory cells MC1 nm, MC2 nmIs stored as one bit (see FIG. 21A). In an actual nonvolatile semiconductor memory, a set of nonvolatile memory units for storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit. Note that the value of M is not limited to 4. The value of M only needs to satisfy M ≧ 2, and a practical value of M can be, for example, a power of 2 (2, 4, 8, 16,...). The value of N only needs to satisfy N ≧ 2, and a practical value of N may be, for example, a power of 2 (2, 4, 8,...).
[0173]
Alternatively, the nonvolatile memory unit MU whose equivalent circuit diagram is shown in FIGS.1In, for example, the paired memory cells MC11m, MC12m(M = 1, 2,..., M) may store complementary data. For example, the memory cell MC11m, MC12m(Where m is one of 1, 2, 3, and 4), the word line WL1, WL2Select the plate line PLj(M ≠ j) is, for example, (1 /) VccWith the voltage applied to the plate line PLmDrive. As a result, the complementary data is transferred to the paired memory cells MC.11m, MC12mTo select transistor TR11, TR12Bit line BL paired through11, BL12Appear as a voltage (bit line potential). Then, the paired bit lines BL11, BL12(Bit line potential) is detected by the sense amplifier SA. The memory cell MC11m, MC12mAre independently controlled to form a pair of bit lines BL11, BL12Of the memory cell MC by applying a reference potential to one of11m, MC12mData can be read from each of them. See FIG. 21B and FIG. 22 for an equivalent circuit diagram in the case of employing such a configuration.
[0174]
[Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 6]
The nonvolatile memory unit described in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 4] may be modified as shown in FIG. FIG. 24 shows an equivalent circuit diagram.
[0175]
This nonvolatile memory unit includes a bit line BL connected to a sense amplifier SA.1And N (where N ≧ 2, N = 4 in this example) selection transistors TR composed of MOS FETs11, TR12, TRThirteen, TR14And N sub-memory units SMU11, SMU12, SMUThirteen, SMU14And a plate line. First layer sub memory unit SMU11Is M (where M ≧ 2, M = 8 in this example) memory cells MC11m(M = 1, 2,..., 8). Also, the sub-memory unit SMU of the second layer12Also have M (M = 8) memory cells MC12m(M = 1, 2,..., 8). Further, the third layer sub memory unit SMUThirteenAlso have M (M = 8) memory cells MC13m(M = 1, 2,..., 8), and the fourth layer sub memory unit SMU14Also have M (M = 8) memory cells MC14m(M = 1, 2,..., 8). The number of plate lines is M (eight in this example) and PLm(M = 1, 2,..., 8). Selection transistor TR1nWord line WL connected to the gate electrode of1nAre connected to a word line decoder / driver WD. On the other hand, each plate line PLmAre connected to a plate line decoder / driver PD.
[0176]
Also, the first-layer sub memory unit SMU11Each memory cell MC constituting11mIs composed of a first electrode 21A, a ferroelectric layer 22A and a second electrode 23, and the sub memory unit SMU of the second layer12Each memory cell MC constituting12mIs composed of a first electrode 21B, a ferroelectric layer 22B and a second electrode 23, and a third-layer sub memory unit SMU.ThirteenEach memory cell MC constituting13mIs composed of a first electrode 31A, a ferroelectric layer 32A and a second electrode 33, and the fourth sub memory unit SMU14Each memory cell MC constituting14mIs composed of a first electrode 31B, a ferroelectric layer 32B, and a second electrode 33. Then, each sub memory unit SMU11, SMU12, SMUThirteen, SMU14, The first electrodes 21A, 21B, 31A, 31B of the memory cell are common. The common first electrodes 21A, 21B, 31A, 31B are connected to a common node CN for convenience.11, CN12, CNThirteen, CN14Call.
[0177]
Here, the first layer sub memory unit SMU11Of the first common electrode 21A (first common node CN11) Is the first selection transistor TR11Through the bit line BL1It is connected to the. Also, the sub-memory unit SMU of the second layer12Of the first common electrode 21B (the second common node CN12) Is the second selection transistor TR12Through the bit line BL1It is connected to the. Further, the third layer sub memory unit SMUThirteenIn the first common electrode 31A (third common node CNThirteen) Is the third selection transistor TRThirteenThrough the bit line BL1It is connected to the. In addition, the sub memory unit SMU of the fourth layer14Of the common first electrode 31B (fourth common node CN14) Is the fourth selection transistor TR14Through the bit line BL1It is connected to the.
[0178]
Also, the first-layer sub memory unit SMU11Memory cell MC constituting11mAnd the second layer sub memory unit SMU12Memory cell MC constituting12mShare the second electrode 23, and the shared m-th second electrode 23 is connected to the plate line PL.mIt is connected to the. Further, the third layer sub memory unit SMUThirteenMemory cell MC constituting13mAnd the sub-memory unit SMU in the fourth layer14Memory cell MC constituting14mShare the second electrode 33, and the shared m-th second electrode 33 is connected to the plate line PL.mIt is connected to the. Specifically, from the shared extension of the m-th second electrode 23, the plate line PLmIs formed, and a plate line PL is extended from the shared extension of the m-th second electrode 33.mAnd each plate line PLmAre connected in a region not shown.
[0179]
In this nonvolatile memory unit, a sub memory unit SMU11, SMU12And sub memory unit SMUThirteen, SMU14Are stacked with an interlayer insulating layer 26 interposed therebetween. Sub memory unit SMU14Is covered with an insulating film 36A. Also, the sub memory unit SMU11Is formed above the semiconductor substrate 10 via an insulating layer 16. An element isolation region 11 is formed in a semiconductor substrate 10. Also, the selection transistor TR11, TR12, TRThirteen, TR14Comprises a gate insulating film 12, a gate electrode 13, and source / drain regions 14A and 14B. Then, the first selection transistor TR11, The second selection transistor TR12, The third selection transistor TRThirteen, The fourth selection transistor TR14One of the source / drain regions 14A is connected via a contact hole 15 to a bit line BL.1It is connected to the. Further, the first selection transistor TR11The other source / drain region 14B is connected to a first common node CN via a connection hole 17 provided in an opening formed in the insulating layer 16.11It is connected to the. Further, the second selection transistor TR12Is connected to the second common node CN via the connection hole 17.12It is connected to the. Further, the third selection transistor TRThirteenThe other source / drain region 14B is connected to a third common node CN via a connection hole 17, a pad portion 25, and a connection hole 27 provided in an opening formed in the interlayer insulating layer 26.ThirteenIt is connected to the. Further, the fourth selection transistor TR14The other source / drain region 14B is connected to a fourth common node CN14It is connected to the.
[0180]
[Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 7]
For example, as shown in FIG. 25, as a modification of the nonvolatile memory unit of [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 4], the first electrodes 21 'and 31' are used as upper electrodes and the second electrodes are used as second electrodes. 23 'and 33' can be used as lower electrodes. Such a structure can be applied to other cross-point nonvolatile memory units.
[0181]
[Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 8]
The various cross-point nonvolatile memory units described above may be of a so-called gain cell type disclosed in JP-A-2002-197857. FIG. 26 shows an equivalent circuit diagram of such a nonvolatile memory unit, FIG. 27 shows a schematic layout of various transistors included in the nonvolatile memory unit, and a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory unit. Are shown in FIGS. 28 and 29. In FIG. 27, regions of various transistors are surrounded by dotted lines, active regions and wirings are indicated by solid lines, and gate electrodes or word lines are indicated by dashed lines. The schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory unit illustrated in FIG. 28 is a schematic partial cross-sectional view taken along line AA in FIG. 27, and is a schematic view of the nonvolatile memory unit illustrated in FIG. The typical partial cross-sectional view is a schematic partial cross-sectional view along the line BB in FIG.
[0182]
An example in which the gain cell type is applied to a non-volatile memory unit including the cross-point type non-volatile memory unit shown in FIG. 6 will be described below. This non-volatile memory unit includes, for example, a bit line BL and a transistor TR (shown in FIG. 6 as a selection transistor in the non-volatile memory unit).WAnd M memory cells MC (where M ≧ 2, for example, M = 8)M, For example, N sub-memory units SMU stacked via an interlayer insulating layer, and M plate lines PLMMU. Then, each memory cell MCMConsists of a first electrode 21, a ferroelectric layer 22, and a second electrode 23, and constitutes a memory cell MC constituting a sub-memory unit SMU.MIs common in the sub memory unit SMU, and the common first electrode (common node CN) is connected to the write transistor TR.WIs connected to a bit line BL through each memory cell MC.mIs formed on the plate line PLmIt is connected to the. Memory cell MCMIs covered with an interlayer insulating layer 26. Note that the number (M) of memory cells constituting the sub-memory unit SMU of the nonvolatile memory unit is not limited to eight, and generally needs to satisfy M ≧ 2, and is generally a power of two (M = 2, 4, 8, 16,...).
[0183]
Further, a signal detection circuit is provided for detecting a potential change of the common first electrode and transmitting the detection result to the bit line as a current or a voltage. In other words, the detection transistor TRSAnd the reading transistor TRRIt has. The signal detection circuit includes a detection transistor TRSAnd reading transistor TRRIt is composed of Then, the detection transistor TRSHas a predetermined potential Vcc(For example, a power supply line formed of an impurity layer), and the other end is connected to the read transistor TR.RIs connected to a bit line BL through each memory cell MC.mWhen reading the data stored in the memory cell, read transistor TRRAre turned on, and each memory cell MCmThe potential generated at the common first electrode (common node CN) based on the data stored in the detection transistor TRSIs controlled.
[0184]
Specifically, the various transistors are composed of MOS FETs, and the write transistor (selection transistor) TRWOne of the source / drain regions is connected to a bit line BL via a contact hole 15 formed in an insulating layer 16, and the other source / drain region is provided in an opening formed in the insulating layer 16. It is connected to a common first electrode (common node CN) via a connection hole 17. Also, the detection transistor TRSOne source / drain region has a predetermined potential VccAnd the other source / drain region is connected to the read transistor TRRIs connected to one of the source / drain regions. More specifically, the detection transistor TRSSource / drain region and read transistor TRRThe one source / drain region occupies one source / drain region. Further, the read transistor TRRThe other source / drain region is connected to the bit line BL via a contact hole 15 and further connected to a common first electrode (common node CN or write transistor TR).WThe other source / drain region) has a connection hole 17A provided in the opening, and a word line WL.SThrough the detection transistor TRSConnected to the gate electrode of Also, the writing transistor TRWWord line WL connected to the gate electrode ofWAnd reading transistor TRRWord line WL connected to the gate electrode ofRAre connected to a word line decoder / driver WD. On the other hand, each plate line PLmAre connected to a plate line decoder / driver PD. Further, the bit line BL is connected to the sense amplifier SA.
[0185]
The memory cell MC of this nonvolatile memory unit1When reading data from the selected plate line PL1To VccIs applied. At this time, the selected memory cell MC1, The polarization inversion occurs in the ferroelectric layer, the amount of accumulated charge increases, and the potential of the common node CN increases. On the other hand, the selected memory cell MC1Is stored in the ferroelectric layer, the polarization of the ferroelectric layer does not occur, and the potential of the common node CN hardly rises. That is, the common node CN is connected to the plurality of unselected plate lines PL via the ferroelectric layer of the unselected memory cells.j, The potential of the common node CN is kept at a level relatively close to 0 volt. Thus, the selected memory cell MC1Changes in the potential of the common node CN depending on the data stored in the common node CN. Therefore, an electric field sufficient for polarization inversion can be applied to the ferroelectric layer of the selected memory cell. Then, the bit line BL is floated, and the read transistor TRRIs turned on. On the other hand, the selected memory cell MC1The potential generated at the common first electrode (common node CN) based on the data stored in the detection transistor TRSIs controlled. Specifically, the selected memory cell MC1If a high potential is generated at the common first electrode (common node CN) based on the data stored in the detection transistor TRSBecomes conductive and the detection transistor TRSHas a predetermined potential Vcc, The detection transistor TRSAnd reading transistor TRR, A current flows through the bit line BL, and the potential of the bit line BL rises. That is, the potential change of the common first electrode (common node CN) is detected by the signal detection circuit, and the detection result is transmitted to the bit line BL as a voltage (potential). Here, the detection transistor TRSThreshold of Vth, Detection transistor TRSOf the gate electrode (that is, the potential of the common node CN) is VgThen, the potential of the bit line BL is substantially (Vg-Vth). The detection transistor TRSIs a depletion type NMOSFET, the threshold VthTakes a negative value. Thus, a stable sense signal amount can be ensured regardless of the magnitude of the load on the bit line BL. The detection transistor TRSCan be composed of PMOSFETs.
[0186]
The predetermined potential of the wiring to which one end of the detection transistor is connected is VccThe present invention is not limited to this, and may be, for example, grounded. That is, the predetermined potential of the wiring to which one end of the detection transistor is connected may be set to 0 volt. However, in this case, when data is read from the selected memory cell, the potential (Vcc) Appears on the bit line, the potential of the bit line is set to 0 volt at the time of rewriting, and when 0 volt appears at the bit line at the time of reading data from the selected memory cell, the potential of the bit line is set at V at the time of rewriting.ccIt is necessary to For this purpose, a transistor TR as illustrated in FIG.IV-1, TRIV-2, TRIV-3, TRIV-4Is arranged between bit lines, and a transistor TR is used for reading data.IV-2, TRIV-4Is turned on, and when data is rewritten, the transistor TRIV-1, TRIV-3May be turned on.
[0187]
The various cross-point nonvolatile memory units have been described above. However, in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 3] to [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 8], a plurality of memory cells are used. By sharing one selection transistor and making the sub memory unit have a three-dimensional stacked structure, the number of transistors occupying the surface of the semiconductor substrate is not restricted, and the conventional ferroelectric nonvolatile semiconductor memory In this case, the storage capacity can be dramatically increased, and the effective occupied area of the bit storage unit can be significantly reduced.
[0188]
Further, in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 3] to [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 8], it suffices to satisfy N ≧ 2. For example, a power of 2 (2, 4, 8...) Can be cited.
[0189]
It is preferable that the crystallization temperature of the ferroelectric layer forming the memory cell of the upper sub memory unit is lower than the crystallization temperature of the ferroelectric layer forming the memory cell of the lower sub memory unit. . Here, the crystallization temperature of the ferroelectric layer constituting the memory cell can be checked using, for example, an X-ray diffractometer or a surface scanning electron microscope. Specifically, for example, after forming a ferroelectric material layer, a heat treatment for promoting crystallization is performed by changing the heat treatment temperature for performing crystallization of the ferroelectric material layer variously, and the ferroelectric material after the heat treatment is performed. The crystallization temperature of the ferroelectric layer can be obtained by performing X-ray diffraction analysis of the body material layer and evaluating the diffraction pattern intensity (height of the diffraction peak) peculiar to the ferroelectric material.
[0190]
By the way, when manufacturing a nonvolatile semiconductor memory having a configuration in which sub-memory units are stacked, heat treatment (crystallization) is performed to crystallize a ferroelectric layer or a ferroelectric thin film constituting a ferroelectric layer. (Referred to as heat treatment) for the number of stacked sub-memory units. Therefore, the lower sub-memory unit receives the crystallization heat treatment for a longer time, and the upper sub-memory unit receives the crystallization heat treatment for a shorter time. Therefore, when an optimal crystallization heat treatment is performed on the upper sub memory unit, the lower sub memory unit may receive an excessive heat load, and the characteristics of the lower sub memory unit may be deteriorated. May occur. Note that a method of performing crystallization heat treatment at once after fabricating a multi-stage sub-memory unit is also conceivable. However, a large volume change occurs in the ferroelectric layer during crystallization, Is likely to occur, and problems such as cracks and peeling of the ferroelectric layer are likely to occur. If the crystallization temperature of the ferroelectric layer forming the upper sub memory unit is lower than the crystallization temperature of the ferroelectric layer forming the lower sub memory unit, the stacked sub memory units Even if the crystallization heat treatment is performed for the number of stages described above, a problem such as deterioration of characteristics of memory cells constituting the sub memory unit located below does not occur. Further, crystallization heat treatment can be performed on the memory cells constituting the sub memory unit in each stage under optimal conditions, and a nonvolatile semiconductor memory with excellent characteristics can be obtained. Table 10 below shows the crystallization temperatures of typical materials constituting the ferroelectric layer, but the materials constituting the ferroelectric layer are not limited to such materials.
[0191]
[Table 10]
Material name Crystallization temperature
Bi2SrTa2O9                    700-800 ° C
Bi2Sr (Ta1.5, Nb0.5) O9    650-750 ° C
Bi4Ti3O12                      600-700 ° C
Pb (Zr0.48, Ti0.52) O3        550-650 ° C
PbTiO3                          500-600 ° C
[0192]
Examples of the material forming the ferroelectric layer include a bismuth layered compound, more specifically, a Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric material. The Bi-based layered structure perovskite ferroelectric material belongs to a so-called non-stoichiometric compound, and has tolerance to a composition deviation at both sites of a metal element and an anion (such as O) element. Also, it is not uncommon for the composition to exhibit optimal electrical characteristics at a position slightly deviating from the stoichiometric composition. The Bi-based layered structure perovskite-type ferroelectric material has, for example, the general formula (Bi2O2)2+(Am-1BmO3m + 1)2-Can be represented by Here, “A” represents one kind of metal selected from the group consisting of metals such as Bi, Pb, Ba, Sr, Ca, Na, K, and Cd, and “B” represents Ti, Nb , Ta, W, Mo, Fe, Co, Cr and one type selected from the group consisting of, or a combination of a plurality of types at an arbitrary ratio. M is an integer of 1 or more.
[0193]
Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
(BiX, Sr1-X)2(SrY, Bi1-Y) (TaZ, Nb1-Z)2Od  Equation (1)
(Where 0.9 ≦ X ≦ 1.0, 0.7 ≦ Y ≦ 1.0, 0 ≦ Z ≦ 1.0, 8.7 ≦ d ≦ 9.3) It is preferable to include it as a phase. Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
BiXSrYTa2Od  Equation (2)
(However, it is preferable that a crystal phase represented by X + Y = 3, 0.7 ≦ Y ≦ 1.3, 8.7 ≦ d ≦ 9.3) is included as a main crystal phase. In these cases, it is more preferable that the crystal phase represented by the formula (1) or (2) be contained in a proportion of 85% or more as a main crystal phase. Note that, in equation (1), (BiX, Sr1-XThe meaning of () means that Sr occupies the site originally occupied by Bi in the crystal structure, and the ratio of Bi and Sr at this time is X: (1-X). Also, (SrY, Bi1-YThe meaning of ()) means that Bi occupies the site originally occupied by Sr in the crystal structure, and the ratio of Sr to Bi at this time is Y: (1-Y). Materials constituting the ferroelectric layer containing the crystal phase represented by the formula (1) or (2) as a main crystal phase include oxides of Bi, oxides of Ta and Nb, and oxides of Bi, Ta and Nb. In some cases, the composite oxide may be slightly contained.
[0194]
Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
BiX(Sr, Ca, Ba)Y(TaZ, Nb1-Z)2Od  Equation (3)
(However, a crystal phase represented by 1.7 ≦ X ≦ 2.5, 0.6 ≦ Y ≦ 1.2, 0 ≦ Z ≦ 1.0, 8.0 ≦ d ≦ 10.0) is included. It may be. “(Sr, Ca, Ba)” means one element selected from the group consisting of Sr, Ca, and Ba. If the composition of the material constituting the ferroelectric layer represented by each of these formulas is represented by a stoichiometric composition, for example, for example, Bi2SrTa2O9(Strontium bismuth tantalate), Bi2SrNb2O9(Strontium bismuth niobate), Bi2BaTa2O9(Barium bismuth tantalate), Bi2BaNb2O9(Barium bismuth niobate), Bi2Sr (Ta, Nb)2O9(Strontium bismuth tantalate niobate) and the like. Alternatively, as a ferroelectric material, Bi4SrTi4OFifteen(Strontium bismuth titanate), Bi3TiNbO9(Bismuth titanium niobate), Bi3TiTaO9(Bismuth titanium tantalate), Bi4Ti3O12(Bismuth titanate), (Bi, La)4Ti3O12(Lanthanum bismuth titanate), Bi2PbTa2O9(Bismuth lead tantalate) can be exemplified. In these cases, the ratio of each metal element can be changed to such an extent that the crystal structure does not change. That is, there may be a composition deviation at both sites of the metal element and the oxygen element.
[0195]
Alternatively, as a ferroelectric material, PbTiO3(Lead titanate), BaTiO3(Barium titanate), LiNbO3(Lithium niobate), LiTaO3(Lithium tantalate), YMnO3(Yttrium manganate), PbZrO having a perovskite structure3And PbTiO3Lead zirconate titanate [PZT, Pb (Zr1-y, Tiy) O3(Where 0 <y <1)], PLZT [(Pb, La) (Zr, Ti) O, which is a metal oxide obtained by adding La to PZT.3(Lanthanum lead zirconate titanate)], or PNZT, a metal oxide obtained by adding Nb to PZT, and PSZT [(Pb, Sr) (Zr), a metal oxide obtained by adding strontium (Sr) to PZT.X, TiY) O3And mixtures thereof.
[0196]
In the materials constituting the ferroelectric layer described above, the crystallization temperature can be changed by excluding these compositions from the stoichiometric composition.
[0197]
In order to obtain a ferroelectric layer, the ferroelectric thin film may be patterned in a step after the formation of the ferroelectric thin film. In some cases, patterning of the ferroelectric thin film is unnecessary. The ferroelectric thin film is formed by, for example, MOCVD; Metal Organic Decomposition (MOD) using a bismuth organometallic compound having a bismuth-oxygen bond (bismuth alkoxide compound); LSMCD (Liquid Source Mist Chemical Deposition); Pulse laser ablation method; sputtering method such as magnetron sputtering method or reactive sputtering method; electron beam evaporation method; suitable for materials constituting ferroelectric thin film such as solution chemistry method (sol-gel method) such as spray coating method and spin coating method It can be performed appropriately by the method described above. The patterning of the ferroelectric thin film can be performed by, for example, an anisotropic ion etching (RIE) method.
[0198]
As described above, the first electrode is formed below the ferroelectric layer, and the second electrode is formed above the ferroelectric layer (that is, the first electrode corresponds to the lower electrode, The second electrode may correspond to the upper electrode, or a configuration in which the first electrode is formed on the ferroelectric layer and the second electrode is formed below the ferroelectric layer (that is, the second electrode is equivalent to the upper electrode). , The first electrode corresponds to the upper electrode, and the second electrode corresponds to the lower electrode). It is preferable that the plate line extend from the second electrode from the viewpoint of simplifying the wiring structure. As a structure in which the first electrode is common, specifically, a structure in which a stripe-shaped first electrode is formed and a ferroelectric layer is formed so as to cover the entire surface of the stripe-shaped first electrode. Can be mentioned. In such a structure, the overlapping region of the first electrode, the ferroelectric layer, and the second electrode corresponds to a memory cell. As a structure in which the first electrode is common, a structure in which a ferroelectric layer is formed in a predetermined region of the first electrode, and a second electrode is formed on the ferroelectric layer, or A first electrode is formed on a predetermined surface area of the wiring, a ferroelectric layer is formed on each of the first electrodes, and a second electrode is formed on the ferroelectric layer. However, the present invention is not limited to these configurations.
[0199]
As a structure in which the first electrode is common, specifically, a structure in which a stripe-shaped first electrode is formed and a ferroelectric layer is formed so as to cover the entire surface of the stripe-shaped first electrode. Can be mentioned. In such a structure, the overlapping region of the first electrode, the ferroelectric layer, and the second electrode corresponds to a memory cell. As a structure in which the first electrode is common, a structure in which a ferroelectric layer is formed in a predetermined region of the first electrode, and a second electrode is formed on the ferroelectric layer, or A first electrode is formed in a predetermined surface area of the wiring layer, a ferroelectric layer is formed on each of the first electrodes, and a second electrode is formed on the ferroelectric layer. However, the present invention is not limited to these configurations.
[0200]
The first electrode and the second electrode are made of at least one kind of metal selected from the platinum group or an oxide thereof, or alternatively, ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), It is desirable to be made of at least one kind of metal selected from the group consisting of osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt) and rhenium (Re), or an oxide thereof. , For example, Ir, IrO2-X, IrO2-X/ Ir, Ir / IrO2-X, SrIrO3, Ru, RuO2-X, SrRuO3, Pt, Pt / IrO2-X, Pt / RuO2-X, Pd, a laminated structure of Pt / Ti, a laminated structure of Pt / Ta, a laminated structure of Pt / Ti / Ta, or La.0.5Sr0.5CoO3(LSCO), Pt / LSCO laminated structure, YBa2Cu3O7Can be mentioned. Here, the value of X is 0 ≦ X <2. In the laminated structure, the material described after "/" is in contact with the ferroelectric layer. The first electrode and the second electrode may be made of the same material, may be made of the same material, or may be made of different materials. In order to form the first electrode or the second electrode, in the step after forming the first electrode material layer or the second electrode material layer, the first electrode material layer or the second electrode material layer is formed. May be patterned. The first electrode material layer or the second electrode material layer is formed by, for example, a first electrode material layer such as a sputtering method, a reactive sputtering method, an electron beam evaporation method, a MOCVD method, or a pulse laser ablation method. It can be carried out by a method suitable for the material constituting the electrode material layer. The patterning of the first electrode material layer and the second electrode material layer can be performed by, for example, an ion milling method or an RIE method.
[0201]
In the case where the first electrode is formed below the ferroelectric layer and the second electrode is formed above the ferroelectric layer, the first electrode forming the memory cell has a so-called damascene structure. In the case where the first electrode is formed on the ferroelectric layer and the second electrode is formed below the ferroelectric layer, the second electrode forming the memory cell has a so-called damascene structure. Is preferable from the viewpoint that the ferroelectric layer can be formed on a flat base.
[0202]
Silicon oxide (SiO 2) is used as a material for forming the interlayer insulating layer.2), Silicon nitride (SiN), SiON, SOG, NSG, BPSG, PSG, BSG or LTO.
[0203]
The selection transistor (switching transistor) and various transistors formed on the semiconductor substrate below the memory cell with an insulating layer interposed therebetween can be composed of, for example, a well-known MIS type FET or MOS type FET. Examples of a material forming the bit line include polysilicon doped with impurities and a high melting point metal material. Electrical connection between the common first electrode and the selection transistor is established via a connection hole (contact hole) provided in an insulating layer formed between the common first electrode and the selection transistor. Alternatively, it can be performed through a connection hole (contact hole) provided in the insulating layer and a wiring layer formed on the insulating layer. Note that silicon oxide (SiO 2) was used as a material for forming the insulating layer.2), Silicon nitride (SiN), SiON, SOG, NSG, BPSG, PSG, BSG or LTO. Further, the memory cell is made of, for example, aluminum oxide (Al2O3) And the like.
[0204]
As described above, the present invention has been described based on the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these. The structure and configuration of the computer device, the structure of the nonvolatile semiconductor memory, the materials used, various forming conditions, the circuit configuration, the driving method, and the like described in the embodiments of the invention are examples, and can be changed as appropriate.
[0205]
【The invention's effect】
In the computer device according to the first, second, or third aspect of the present invention, by providing the nonvolatile semiconductor memory, the hibernation function or the memory swap function is speeded up, and the usability of the computer device is improved. Significantly improved. That is, the system can be started up and shut down at a high speed as if the volatile main memory is non-volatile, without largely changing the conventional system. Furthermore, as with the increase in the capacity of the volatile main memory, the memory area can be swapped at a high speed, and the usability of the computer device can be greatly improved.
[0206]
Some nonvolatile semiconductor memories, such as flash memories, require a longer time to write than hard disk storage devices.However, since nonvolatile semiconductor memories are more resistant to shocks, when the power is turned off during execution of the hibernation function, There is no need to wait for the end of writing, and the computer device can be moved quickly. Therefore, if the reading time is even faster than the hard disk storage device, the convenience for the user of the computer device is improved.
[0207]
In the computer device according to the first, second, or third aspect of the present invention, the non-volatile semiconductor memory is not installed in the computer device, but is installed in an external IC card to be portable. If it is used as a storage medium having a memory, the nonvolatile semiconductor memory can be used effectively. That is, the user of the computer device can enjoy the convenience of the high-speed hibernation function and the memory swap function without increasing the overall cost of the system, that is, without making an extra investment in the computer device itself. it can. Furthermore, if the hibernation function is performed by using an external IC card, the work state can be transplanted between computer devices of the same type or standardized.
[0208]
In a computer device according to a fourth aspect of the present invention, the standby current of a volatile main memory such as a DRAM is reduced to zero or to a minimum while the computer device is not used (during use). Life can be greatly improved. Furthermore, since the generated data is automatically copied to the non-volatile semiconductor memory when the use is stopped (not in use), the generated data is not lost even if the battery runs out during the non-use, and a complicated backup operation is performed. Do not need.
[0209]
Furthermore, in the present invention, if a cross-point type nonvolatile memory unit is used as a nonvolatile semiconductor memory, reliability against frequent rewriting is guaranteed, and storage of stored contents stored in a volatile semiconductor memory can be performed. Saving, copying, and restoring the stored contents can be performed very quickly, and the convenience is further improved. Further, with such a configuration, the volatile main memory can be used like a cache memory, and the cross-point nonvolatile memory unit can be used like a main memory.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are conceptual diagrams of computer devices according to a first embodiment of the present invention and a second embodiment of the present invention, respectively.
FIGS. 2A and 2B are conceptual diagrams of computer devices according to a third embodiment and a fourth embodiment of the present invention, respectively.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a computer device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of an equivalent circuit diagram of a group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories constituting a cross-point nonvolatile memory unit;
FIG. 5 is a diagram showing an example of an equivalent circuit diagram of one ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit;
FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit along a direction extending to a bit line.
FIGS. 7A and 7B are operation waveforms for explaining a write operation and a read / rewrite operation for a memory cell constituting a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit, respectively; FIG.
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 1].
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of two ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 1].
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 2].
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of two ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 2].
FIG. 12 is a schematic partial cross-sectional view when a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 3] is cut off.
FIGS. 13A and 13B are equivalent circuit diagrams of two ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 3], respectively.
FIG. 14 is a more specific equivalent circuit diagram of the conceptual equivalent circuit diagram shown in FIG.
FIG. 15 is a more specific equivalent circuit diagram of the conceptual equivalent circuit diagram shown in FIG.
FIG. 16 is a schematic partial cross-sectional view when a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 4] is cut off.
FIGS. 17A and 17B are equivalent circuit diagrams of two ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 4], respectively.
FIG. 18 is a more specific equivalent circuit diagram of the conceptual equivalent circuit diagram shown in FIG.
FIG. 19 is a more specific equivalent circuit diagram of the conceptual equivalent circuit diagram shown in FIG. 17 (B).
FIG. 20 is a schematic partial cross-sectional view when a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 5] is cut off.
FIGS. 21A and 21B are equivalent circuit diagrams of two ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 5], respectively.
FIG. 22 is a more specific equivalent circuit diagram of the conceptual equivalent circuit diagram shown in FIGS. 21 (A) and 21 (B).
FIG. 23 is a schematic partial cross-sectional view when a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 6] is cut off.
FIG. 24 is an equivalent circuit diagram of one ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 6] shown in FIG. 23;
FIG. 25 is a schematic partial cross-sectional view when the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit in [Cross-point nonvolatile memory unit—Modification 7] is cut off.
FIG. 26 is an equivalent circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 8].
FIG. 27 is a layout diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit in [Cross-point nonvolatile memory unit-Modification 8] shown in FIG. 26;
FIG. 28 is a schematic partial cross-sectional view of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit shown in FIG. 26;
FIG. 29 is a schematic partial cross-sectional view of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit shown in FIG. 26 when viewed from a cross section different from that of FIG. 28;
FIG. 30 is an equivalent circuit diagram showing a type of switch circuit provided between bit lines when a predetermined potential of a wiring to which one end of a detection transistor is connected is set to 0 volt;
FIG. 31 is a PE (V) hysteresis loop diagram of a ferroelectric substance.
32A and 32B are a conceptual diagram of a conventional computer and a conceptual diagram of a system configuration example of a conventional mobile computer or the like, respectively.
[Explanation of symbols]
1, 101 CPU, 2, 102 volatile system memory, 3 register group, 4, 4A, 4B, 104, 104A, 104B volatile main memory, 5 VRAM 6, hard disk storage device, 7, 107 nonvolatile semiconductor memory, 8 IC card, 10 silicon semiconductor substrate, 11 element isolation region, 12 gate insulating film , 13 gate electrode, 14A, 14B source / drain region, 15 contact hole, 16 insulating layer, 17, 27 connection hole, 21, 21A, 21B, 21 ' , 31, 31A, 31B, 31 '... first electrode, 22, 22A, 22B, 32, 32A, 32B ... ferroelectric layer, 23, 23', 33, 33 '... second Electrode, 25 ... pad , 26 ... interlayer dielectric layer, 36A ... insulating film, TR ... selection transistor, TRW... Transistor for writing, TRR... Transistor for reading, TRS... Detection transistor, WL ... word line, BL ... bit line, PL ... plate line, WD ... word line decoder / driver, SA ... sense amplifier, PD ... plate Line decoder / driver, CN ... common node

Claims (28)

少なくとも、CPU、揮発性システムメモリ、及び、不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器であって、
電源切断時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納し、電源再投入時、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリに格納された該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すことを特徴とするコンピュータ機器。
At least a CPU, a volatile system memory, and a computer device including a nonvolatile semiconductor memory,
When the power is turned off, at least a part of the storage contents of the volatile system memory is stored in the nonvolatile semiconductor memory based on the operation of the CPU. A computer device for writing stored contents back to a volatile system memory.
前記不揮発性半導体メモリは、脱着可能なICカード内に設置されていることを特徴とする請求項1に記載のコンピュータ機器。The computer device according to claim 1, wherein the non-volatile semiconductor memory is installed in a removable IC card. 前記揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納する際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶されることを特徴とする請求項2に記載のコンピュータ機器。When storing at least a part of the storage contents of the volatile system memory in the nonvolatile semiconductor memory, identification information for selectively identifying a computer device is simultaneously stored in the nonvolatile semiconductor memory. The computer device according to claim 2. 前記不揮発性半導体メモリは、K個の強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットが集合した強誘電体型不揮発性半導体メモリ群から成り、
各強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットは、
(A)ビット線と、
(B)選択用トランジスタと、
(C)M個(但し、M≧2)のメモリセルから構成されたサブメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
サブメモリユニットは、半導体基板の上方に絶縁層を介して形成されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
サブメモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は選択用トランジスタを介してビット線に接続されており、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は第m番目のプレート線に接続されており、
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群において、第m番目のプレート線は共通であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のコンピュータ機器。
The nonvolatile semiconductor memory includes a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group in which K ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units are aggregated,
Each ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit
(A) a bit line;
(B) a selection transistor;
(C) a sub-memory unit composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate lines,
Consisting of
The sub memory unit is formed above the semiconductor substrate via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In the sub memory unit, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected to the bit line via the selection transistor, and the m-th (where m = 1, 2) , M) are connected to the m-th plate line,
4. The computer device according to claim 1, wherein the m-th plate line is common in the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories.
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることを特徴とする請求項4に記載のコンピュータ機器。5. The computer device according to claim 4, wherein batch access is made to M × K memory cells constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group. M×Kの値は、2バイト、210バイト、211バイト、212バイト又は213バイトに相当する値であることを特徴とする請求項5に記載のコンピュータ機器。The value of M × K is 2 9 bytes, 2 10 bytes, 2 11 bytes, 2 12 bytes, or 2 13 computing device according to claim 5, characterized in that a value corresponding to the byte. 前記強誘電体型不揮発性半導体メモリ群には、少なくとも2段のKビット・レジスタが備えられていることを特徴とする請求項4に記載のコンピュータ機器。5. The computer device according to claim 4, wherein the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories includes at least two K-bit registers. 少なくとも、CPU、揮発性システムメモリ、及び、不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器であって、
動作時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させて揮発性システムメモリの領域を開放し、その後、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリに退避された該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すことを特徴とするコンピュータ機器。
At least a CPU, a volatile system memory, and a computer device including a nonvolatile semiconductor memory,
At the time of operation, based on the operation of the CPU, a part of the storage contents of the volatile system memory is evacuated to the non-volatile semiconductor memory to release the area of the volatile system memory, and then the non-volatile semiconductor memory is operated based on the operation of the CPU. A computer device for writing back the stored contents saved in a volatile system memory.
前記不揮発性半導体メモリは、脱着可能なICカード内に設置されていることを特徴とする請求項8に記載のコンピュータ機器。The computer device according to claim 8, wherein the nonvolatile semiconductor memory is installed in a removable IC card. 前記揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させる際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶されることを特徴とする請求項8に記載のコンピュータ機器。When a part of the storage content of the volatile system memory is saved in the nonvolatile semiconductor memory, identification information for selectively identifying a computer device is simultaneously stored in the nonvolatile semiconductor memory. Item 9. Computer equipment according to item 8. 前記不揮発性半導体メモリは、K個の強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットが集合した強誘電体型不揮発性半導体メモリ群から成り、
各強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットは、
(A)ビット線と、
(B)選択用トランジスタと、
(C)M個(但し、M≧2)のメモリセルから構成されたサブメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
サブメモリユニットは、半導体基板の上方に絶縁層を介して形成されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
サブメモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は選択用トランジスタを介してビット線に接続されており、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は第m番目のプレート線に接続されており、
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群において、第m番目のプレート線は共通であることを特徴とする請求項8乃至請求項10のいずれか1項に記載のコンピュータ機器。
The nonvolatile semiconductor memory includes a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group in which K ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units are aggregated,
Each ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit
(A) a bit line;
(B) a selection transistor;
(C) a sub-memory unit composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate lines,
Consisting of
The sub memory unit is formed above the semiconductor substrate via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In the sub memory unit, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected to the bit line via the selection transistor, and the m-th (where m = 1, 2) , M) are connected to the m-th plate line,
11. The computer device according to claim 8, wherein the m-th plate line is common in the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories.
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることを特徴とする請求項11に記載のコンピュータ機器。12. The computer device according to claim 11, wherein M × K memory cells constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group are accessed collectively. M×Kの値は、2バイト、210バイト、211バイト、212バイト又は213バイトに相当する値であることを特徴とする請求項12に記載のコンピュータ機器。The value of M × K is 2 9 bytes, 2 10 bytes, 2 11 bytes, 2 12 bytes, or 2 13 computing device according to claim 12, characterized in that a value corresponding to a byte. 前記強誘電体型不揮発性半導体メモリ群には、少なくとも2段のKビット・レジスタが備えられていることを特徴とする請求項11に記載のコンピュータ機器。12. The computer device according to claim 11, wherein the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group includes at least two K-bit registers. 少なくとも、CPU、揮発性システムメモリ、及び、不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器であって、
動作時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させて揮発性システムメモリの領域を開放し、その後、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリに退避された該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻し、
電源切断時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納し、電源再投入時、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリに格納された該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すことを特徴とするコンピュータ機器。
At least a CPU, a volatile system memory, and a computer device including a nonvolatile semiconductor memory,
At the time of operation, based on the operation of the CPU, a part of the storage contents of the volatile system memory is evacuated to the non-volatile semiconductor memory to release the area of the volatile system memory, and then the non-volatile semiconductor memory is operated based on the operation of the CPU. Write the stored contents back to the volatile system memory,
When the power is turned off, at least a part of the storage contents of the volatile system memory is stored in the nonvolatile semiconductor memory based on the operation of the CPU. A computer device for writing stored contents back to a volatile system memory.
前記不揮発性半導体メモリは、脱着可能なICカード内に設置されていることを特徴とする請求項15に記載のコンピュータ機器。The computer device according to claim 15, wherein the nonvolatile semiconductor memory is installed in a removable IC card. 前記揮発性システムメモリの記憶内容の一部を不揮発性半導体メモリに退避させる際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶されることを特徴とする請求項16に記載のコンピュータ機器。When a part of the storage content of the volatile system memory is saved in the nonvolatile semiconductor memory, identification information for selectively identifying a computer device is simultaneously stored in the nonvolatile semiconductor memory. Item 17. Computer equipment according to Item 16. 前記揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリに格納する際、不揮発性半導体メモリには、コンピュータ機器を択一的に識別する識別情報が同時に記憶されることを特徴とする請求項16に記載のコンピュータ機器。When storing at least a part of the storage contents of the volatile system memory in the nonvolatile semiconductor memory, identification information for selectively identifying a computer device is simultaneously stored in the nonvolatile semiconductor memory. The computer device according to claim 16. 前記不揮発性半導体メモリは、K個の強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットが集合した強誘電体型不揮発性半導体メモリ群から成り、
各強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットは、
(A)ビット線と、
(B)選択用トランジスタと、
(C)M個(但し、M≧2)のメモリセルから構成されたサブメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
サブメモリユニットは、半導体基板の上方に絶縁層を介して形成されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
サブメモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は選択用トランジスタを介してビット線に接続されており、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は第m番目のプレート線に接続されており、
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群において、第m番目のプレート線は共通であることを特徴とする請求項15乃至請求項18のいずれか1項に記載のコンピュータ機器。
The nonvolatile semiconductor memory includes a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group in which K ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units are aggregated,
Each ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit
(A) a bit line;
(B) a selection transistor;
(C) a sub-memory unit composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate lines,
Consisting of
The sub memory unit is formed above the semiconductor substrate via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In the sub memory unit, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected to the bit line via the selection transistor, and the m-th (where m = 1, 2) , M) are connected to the m-th plate line,
19. The computer device according to claim 15, wherein the m-th plate line is common in the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories.
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることを特徴とする請求項19に記載のコンピュータ機器。20. The computer device according to claim 19, wherein M × K memory cells constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group are accessed collectively. M×Kの値は、2バイト、210バイト、211バイト、212バイト又は213バイトに相当する値であることを特徴とする請求項20に記載のコンピュータ機器。The value of M × K is 2 9 bytes, 2 10 bytes, 2 11 bytes, 2 12 bytes, or 2 13 computing device according to claim 20, characterized in that a value corresponding to a byte. 前記強誘電体型不揮発性半導体メモリ群には、少なくとも2段のKビット・レジスタが備えられていることを特徴とする請求項19に記載のコンピュータ機器。20. The computer device according to claim 19, wherein the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group includes at least two K-bit registers. 少なくとも、CPU、揮発性システムメモリ、及び、不揮発性半導体メモリを備えたコンピュータ機器であって、
使用停止時、CPUの動作に基づき、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリにコピーし、使用再開時、CPUの動作に基づき、不揮発性半導体メモリにコピーされた該記憶内容を揮発性システムメモリに書き戻すことを特徴とするコンピュータ機器。
At least a CPU, a volatile system memory, and a computer device including a nonvolatile semiconductor memory,
At the time of suspension of use, at least a part of the storage contents of the volatile system memory is copied to the non-volatile semiconductor memory based on the operation of the CPU. A computer device characterized by writing contents back to volatile system memory.
揮発性システムメモリはDRAMから成り、
使用停止時、揮発性システムメモリの記憶内容の少なくとも一部を不揮発性半導体メモリにコピーした後、不揮発性半導体メモリにコピーされた記憶内容を記憶していた揮発性システムメモリの部分におけるリフレッシュ動作を停止することを特徴とする請求項23に記載のコンピュータ機器。
Volatile system memory consists of DRAM,
At the time of suspension of use, after at least a part of the storage content of the volatile system memory is copied to the nonvolatile semiconductor memory, the refresh operation in the portion of the volatile system memory that has stored the storage content copied to the nonvolatile semiconductor memory is performed. The computer device according to claim 23, wherein the computer device stops.
前記不揮発性半導体メモリは、K個の強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットが集合した強誘電体型不揮発性半導体メモリ群から成り、
各強誘電体型不揮発性半導体メモリユニットは、
(A)ビット線と、
(B)選択用トランジスタと、
(C)M個(但し、M≧2)のメモリセルから構成されたサブメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
サブメモリユニットは、半導体基板の上方に絶縁層を介して形成されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
サブメモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、該共通の第1の電極は選択用トランジスタを介してビット線に接続されており、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は第m番目のプレート線に接続されており、
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群において、第m番目のプレート線は共通であることを特徴とする請求項23又は請求項24に記載のコンピュータ機器。
The nonvolatile semiconductor memory includes a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group in which K ferroelectric nonvolatile semiconductor memory units are aggregated,
Each ferroelectric nonvolatile semiconductor memory unit
(A) a bit line;
(B) a selection transistor;
(C) a sub-memory unit composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate lines,
Consisting of
The sub memory unit is formed above the semiconductor substrate via an insulating layer,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In the sub memory unit, the first electrode of the memory cell is common, and the common first electrode is connected to the bit line via the selection transistor, and the m-th (where m = 1, 2) , M) are connected to the m-th plate line,
25. The computer device according to claim 23, wherein the m-th plate line is common in the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories.
強誘電体型不揮発性半導体メモリ群を構成するM×K個のメモリセルに一括アクセスがなされることを特徴とする請求項25に記載のコンピュータ機器。26. The computer device according to claim 25, wherein batch access is made to M × K memory cells constituting the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory group. M×Kの値は、2バイト、210バイト、211バイト、212バイト又は213バイトに相当する値であることを特徴とする請求項26に記載のコンピュータ機器。The value of M × K is 2 9 bytes, 2 10 bytes, 2 11 bytes, 2 12 bytes, or 2 13 computing device according to claim 26, characterized in that a value corresponding to a byte. 前記強誘電体型不揮発性半導体メモリ群には、少なくとも2段のKビット・レジスタが備えられていることを特徴とする請求項25に記載のコンピュータ機器。26. The computer device according to claim 25, wherein the group of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories includes at least two stages of K-bit registers.
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