JP2006079769A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve information holding without refresh, stable reading operation and low standby power requirement in a semiconductor device using a memory cell consisting of four transistors. <P>SOLUTION: Capacitors C1 and C2 are provided to the storage nodes N1 and N2 of a memory cell MC to carry out rewriting after destructive read in the case of information reading and to hold the potential of the storage nodes N1 and N2 by leakage current flowing through transistors MP1 and MP2 by keeping bit lines BL and /BL to have a fixed potential in the case of information holding. In the case, impedance in the off state of transistors MN1 and MN2 is designated to be larger than the impedance in the off state of transistors MP1 and MP2. Moreover, by using a TFT transistor whose channel part is about 5 nm, the leakage current is reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に低い待機電力と高い集積度を持ち、リフレッシュ動作が不要な半導体記憶装置に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a technology that is effective when applied to a semiconductor memory device that has low standby power and high integration and does not require a refresh operation.

例えば、本発明者が検討した技術として、半導体記憶装置の一種であるランダムアクセスメモリ(RAM)として、スタティックメモリ(SRAM)が広く使われている。SRAMは、ダイナミックメモリ(DRAM)と比較すると、メモリセルを構成する素子の数が多いので集積度の点で不利であるが、リフレッシュが不要で使いやすい。   For example, as a technique examined by the present inventors, a static memory (SRAM) is widely used as a random access memory (RAM) which is a kind of semiconductor memory device. Compared to dynamic memory (DRAM), SRAM is disadvantageous in terms of integration because it has a large number of elements constituting a memory cell, but it is not necessary to refresh and is easy to use.

SRAMのメモリセルとしては、6つのトランジスタから構成されているものが一般的であるが、4つのトランジスタで構成した例が、特許文献1〜3に開示されている。
特開2000−124333号公報 特開2001−167573号公報 特開2003−303491号公報
An SRAM memory cell is generally composed of six transistors. Examples of four memory transistors are disclosed in Patent Documents 1 to 3.
JP 2000-124333 A JP 2001-167573 A JP 2003-303491 A

ところで、前記のようなSRAMメモリセルの技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。   By the way, as a result of examination of the SRAM memory cell technology as described above by the present inventors, the following has been clarified.

4つのトランジスタでSRAMセルを構成する場合の課題は2つある。   There are two problems when an SRAM cell is composed of four transistors.

第1の課題は、情報保持の条件と読み出し時に情報が破壊されない条件の両立が困難になることである。特許文献1、2には、4つのトランジスタから構成されるセルにおいて、リフレッシュを伴わずに情報を保持する手段が開示されているが、この課題が解決されていない。   The first problem is that it is difficult to satisfy both the information holding condition and the condition in which information is not destroyed during reading. Patent Documents 1 and 2 disclose means for retaining information without refreshing in a cell composed of four transistors, but this problem has not been solved.

第2の課題は、情報保持の条件を満たした上で待機電流を削減することが困難なことである。この課題の解決方法は特許文献1〜3には開示されていない。   The second problem is that it is difficult to reduce the standby current while satisfying the information retention condition. A solution to this problem is not disclosed in Patent Documents 1 to 3.

特許文献3には、6つのトランジスタからなるSRAMセルにおいて、破壊読み出しを行い、再書き込み動作により情報を復活させる方法が開示されており、4つのトランジスタからなる実施の形態も記載されている。しかし、4つのトランジスタからなる実施の形態については、情報保持や読み出しに必要な設計条件、低待機電力にするための設計条件や手段について十分な記載がなされていない。また、製造プロセスを簡単にするためのキャパシタの構成方法について具体的な手段が十分に述べられていない。   Patent Document 3 discloses a method of performing destructive read and restoring information by a rewrite operation in an SRAM cell composed of six transistors, and also describes an embodiment composed of four transistors. However, in the embodiment composed of four transistors, the design conditions necessary for holding and reading information and the design conditions and means for reducing the standby power are not sufficiently described. In addition, specific means are not sufficiently described regarding a method of configuring a capacitor for simplifying the manufacturing process.

そこで、本発明の目的は、4つのトランジスタからなるメモリセルを有する半導体装置について、安定的な情報保持と読み出し/書き込みを行い、かつ、低い待機電力を実現することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to stably hold information and read / write and realize low standby power for a semiconductor device having memory cells composed of four transistors.

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

4つのトランジスタからなるメモリセルにおいて、情報を保持するキャパシタを設けて、書き込みは、ビット線からキャパシタへの電荷の出し入れで行い、読み出しは、あらかじめプリチャージしたビット線と前記キャパシタを電気的に導通させることによるビット線電位の変化をセンスアンプで検知増幅することで行い、読み出しで変化したキャパシタの電位を読み出しサイクル内に再書き込みすることで回復させる。情報の保持は、読み出し時のプリチャージと同電位にプリチャージしたビット線と電源の間にソースドレイン経路が接続されたトランジスタのインピーダンスの差でキャパシタの電位を保つことにより行う。   A memory cell consisting of four transistors is provided with a capacitor for holding information, and writing is performed by taking charge into and out of the capacitor from the bit line, and reading is conducted electrically between the precharged bit line and the capacitor. The change in the bit line potential due to the detection is detected and amplified by the sense amplifier, and the potential of the capacitor changed in the reading is restored by rewriting in the reading cycle. Information is held by maintaining the potential of the capacitor by the difference in impedance of the transistor in which the source / drain path is connected between the bit line precharged to the same potential as the precharge at the time of reading and the power supply.

また、情報保持は、ビット線・蓄積ノード間のトランジスタのオフ状態でのインピーダンスを蓄積ノード・電源間のトランジスタのオフ状態でのインピーダンスよりも小さくすることにより安定する。   Information retention is stabilized by making the impedance in the off state of the transistor between the bit line and the storage node smaller than the impedance in the off state of the transistor between the storage node and the power source.

さらに、キャパシタとして電界効果型トランジスタや周辺回路の配線に用いる金属層を利用した平面型のMIM(Metal Insulator Metal)キャパシタを利用し、キャパシタと電源の間にソースドレイン経路が接続されたトランジスタとして、チャネル領域の膜厚が8nm以下、好ましくは5nm程度以下の膜で形成されたトランジスタを用いる。   In addition, as a capacitor, a field effect transistor or a planar MIM (Metal Insulator Metal) capacitor using a metal layer used for wiring of a peripheral circuit is used, and a transistor in which a source / drain path is connected between a capacitor and a power source, A transistor formed using a film having a channel region thickness of 8 nm or less, preferably about 5 nm or less is used.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

本発明によれば、低電力動作の半導体装置が実現できる。   According to the present invention, a low power operation semiconductor device can be realized.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

図1(a),(b)は本発明の一実施の形態によるメモリセルの等価回路とその動作を示す図である。   1A and 1B are diagrams showing an equivalent circuit of a memory cell and its operation according to an embodiment of the present invention.

まず、図1により、本実施の形態によるメモリセルの構成の一例を説明する。本実施の形態のメモリセルMCは、4つの電界効果型トランジスタMP1(第1トランジスタ),MP2(第2トランジスタ),MN1(第3トランジスタ),MN2(第4トランジスタ)と、2つのキャパシタC1(第1キャパシタ),C2(第2キャパシタ)で構成されている。トランジスタのうち、MP1,MP2はpチャネル型トランジスタ、MN1,MN2はnチャネル型トランジスタである。WLはワード線、BL,/BLはビット線である。PLはプレート電極であり、例えば、Vdd,Vssなどの一定電位に保たれている。   First, an example of the configuration of the memory cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The memory cell MC of the present embodiment includes four field effect transistors MP1 (first transistor), MP2 (second transistor), MN1 (third transistor), MN2 (fourth transistor), and two capacitors C1 ( First capacitor) and C2 (second capacitor). Of the transistors, MP1 and MP2 are p-channel transistors, and MN1 and MN2 are n-channel transistors. WL is a word line, and BL and / BL are bit lines. PL is a plate electrode, and is maintained at a constant potential such as Vdd, Vss, for example.

トランジスタMP1は、ビット線/BL(第1ビット線)と記憶ノードN1(第1キャパシタC1の第1電極)とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極がワード線WLに接続されている。トランジスタMP2は、ビット線BL(第2ビット線)と記憶ノードN2(第2キャパシタC2の第1電極)とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極がワード線WLに接続されている。トランジスタMN1は、記憶ノードN1と電源GND(第1電源)とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が記憶ノードN2に接続されている。トランジスタMN2は、記憶ノードN2と電源GNDとにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が記憶ノードN1に接続されている。キャパシタC1およびキャパシタC2の第2電極は、プレート電極PLに接続されている。   The transistor MP1 has a source / drain path connected to the bit line / BL (first bit line) and the storage node N1 (first electrode of the first capacitor C1), and a gate electrode connected to the word line WL. In the transistor MP2, the source / drain path is connected to the bit line BL (second bit line) and the storage node N2 (first electrode of the second capacitor C2), and the gate electrode is connected to the word line WL. The transistor MN1 has a source / drain path connected to the storage node N1 and a power supply GND (first power supply), and a gate electrode connected to the storage node N2. In the transistor MN2, a source / drain path is connected to the storage node N2 and the power supply GND, and a gate electrode is connected to the storage node N1. The second electrodes of the capacitors C1 and C2 are connected to the plate electrode PL.

このメモリセルMCに蓄積される情報は、記憶ノードN1,N2の電位を、一方を高電位、他方を低電位に設定することにより記憶される。すなわち、キャパシタC1の第1電極が高電位でキャパシタC2の第1電極が低電位の場合と、キャパシタC1の第1電極が低電位でキャパシタC2の第1電極が高電位の場合の2通りの状態により、1ビットの情報を記憶することができる。   Information stored in the memory cell MC is stored by setting one of the storage nodes N1 and N2 to a high potential and the other to a low potential. That is, the first electrode of the capacitor C1 is high potential and the first electrode of the capacitor C2 is low potential, and the first electrode of the capacitor C1 is low potential and the first electrode of the capacitor C2 is high potential. Depending on the state, 1-bit information can be stored.

図1(b)を用いて、読み出し動作(read)、書き込み動作(write)および情報保持動作(retention)を説明する。以下、メモリセルの動作の基準となる電位のうち高電位をVdd、低い電位を0V、電源GNDを0Vとして説明する。   A read operation (read), a write operation (write), and an information holding operation (retention) will be described with reference to FIG. In the following description, it is assumed that the high potential is Vdd, the low potential is 0 V, and the power supply GND is 0 V among the potentials that serve as the reference for the operation of the memory cell.

読み出しは、ビット線BL,/BLをVddにプリチャージした状態でワード線WLを低電位にする。このときpチャネルトランジスタMP1,MP2が十分にオンして後述の再書き込みが十分に行われるように、ワード線WLの電位を0Vより下げる。これにより、キャパシタC1,C2とビット線BL,/BLの容量の間で電荷の再配分が起こり、記憶された情報によってビット線のどちらかの電位が低下する。このビット線BL,/BLに生じた電位差をセンスアンプSA(図示していない)で検知増幅し、メモリから情報を読み出すとともに、高電位側をVddにしたまま、低電位側を0V とする。この結果、キャパシタC1,C2の第1電極の電位が回復する。その後、ワード線WLの電位をVddに戻し、再びビット線BL,/BLをVddにプリチャージする。   In reading, the word line WL is set to a low potential in a state where the bit lines BL and / BL are precharged to Vdd. At this time, the potential of the word line WL is lowered from 0V so that the p-channel transistors MP1 and MP2 are sufficiently turned on and rewriting described later is sufficiently performed. As a result, charge redistribution occurs between the capacitors C1 and C2 and the capacitances of the bit lines BL and / BL, and the potential of one of the bit lines is lowered according to the stored information. The potential difference generated in the bit lines BL and / BL is detected and amplified by a sense amplifier SA (not shown), information is read from the memory, and the low potential side is set to 0 V while the high potential side is kept at Vdd. As a result, the potential of the first electrode of the capacitors C1 and C2 is recovered. Thereafter, the potential of the word line WL is returned to Vdd, and the bit lines BL and / BL are precharged to Vdd again.

書き込み動作は以下の通りである。まず、読み出し動作と同様にワード線WLを0V以下に立ち下げ、センスアンプSAによる増幅を開始した後に、ビット線BL,/BLを新しく記憶したい電位に設定する。図1(b)では、記憶情報と異なる電位を書き込む様子を示した。その後、ワード線WLの電位をVddに戻し、再びビット線BL,/BLをVddにプリチャージする。   The write operation is as follows. First, similarly to the read operation, the word line WL is lowered to 0 V or less, and after the amplification by the sense amplifier SA is started, the bit lines BL and / BL are set to a potential to be newly stored. FIG. 1B shows a state where a potential different from the stored information is written. Thereafter, the potential of the word line WL is returned to Vdd, and the bit lines BL and / BL are precharged to Vdd again.

このように、一旦情報を読み出して増幅を始めてから書き込むのは下記の理由からである。後述のように(図3参照)、メモリセルMCはアレイ状に並べて、一本のワード線WLに多数のメモリセルMCが接続される。したがって、ワード線WLを0V以下に立ち下げると同時に複数のメモリセルMCが選択される。書き込みするセルの数が、選択されたメモリセル数より少ない場合でも、同一ワード線上の非選択セルでは再書き込みが行われるので原理的には問題はない。しかし、センスアンプSAによる増幅を始める前に選択セルの書き込みを行うと、選択セルに近接した同一ワード線上の非選択セルのビット線の電位がノイズで変動し、非選択セル側のセンスアンプSAが誤動作する可能性があるためである。上記のようにすれば、センスアンプSAが動作しているので、ノイズの影響を受けにくく安定した動作が期待できる。   As described above, the information is once read and written after the amplification is started for the following reason. As will be described later (see FIG. 3), the memory cells MC are arranged in an array, and a large number of memory cells MC are connected to one word line WL. Accordingly, the plurality of memory cells MC are selected at the same time when the word line WL is lowered to 0 V or less. Even if the number of cells to be written is smaller than the number of selected memory cells, there is no problem in principle because rewriting is performed in unselected cells on the same word line. However, if the selected cell is written before the amplification by the sense amplifier SA, the potential of the bit line of the non-selected cell on the same word line adjacent to the selected cell fluctuates due to noise, and the sense amplifier SA on the non-selected cell side. This is because there is a possibility of malfunction. In this manner, since the sense amplifier SA is operating, it is possible to expect a stable operation that is hardly affected by noise.

次に情報保持動作を説明する。情報保持動作は単純である。図1(b)に示すように、ワード線WLをVddとしたまま、後述のプリチャージ回路PRG(図3参照)をオンさせて、ビット線BL,/BLをVddにしておくだけでよい。通常のDRAMのようなリフレッシュ動作は不要である。   Next, the information holding operation will be described. The information holding operation is simple. As shown in FIG. 1B, it is only necessary to turn on the precharge circuit PRG (see FIG. 3) to be described later and keep the bit lines BL and / BL at Vdd while keeping the word line WL at Vdd. A refresh operation like a normal DRAM is not necessary.

図2(a),(b)は、本実施の形態によるメモリセルの情報保持の原理と条件を示す図である。図2(a),(b)を用いて情報保持の原理を説明する。図2(a)は、キャパシタC1側の記憶ノードN1が高電位VH、キャパシタC2側の記憶ノードN2が低電位VLの場合について示したものである。この場合、トランジスタMP1,MP2,MN1はオフ、トランジスタMN2はオンしている。この結果、キャパシタC2側の記憶ノードN2は、トランジスタMN2によって0Vに保たれる。一方、トランジスタMP1,MN1は、ともにオフしているので、両者のインピーダンスの違いにより、ビット線/BLの電位VddとGNDの電位0Vの間の電位となる。これを利用して、トランジスタMP1のオフ状態のインピーダンスを、トランジスタMN1のオフ状態でのインピーダンスより低くなるように、トランジスタMP1,MN1の定数や閾値電圧を設定することにより、キャパシタC1側の記憶ノードN1の電位をVddに近い電位に保持する。   FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the principle and conditions for holding information in the memory cell according to the present embodiment. The principle of information retention will be described with reference to FIGS. FIG. 2A shows a case where the storage node N1 on the capacitor C1 side is at the high potential VH and the storage node N2 on the capacitor C2 side is at the low potential VL. In this case, the transistors MP1, MP2, and MN1 are off, and the transistor MN2 is on. As a result, the storage node N2 on the capacitor C2 side is kept at 0V by the transistor MN2. On the other hand, since the transistors MP1 and MN1 are both turned off, a potential between the potential Vdd of the bit line / BL and the potential 0V of the GND is set due to the difference in impedance between the transistors MP1 and MN1. By using this, the constants and threshold voltages of the transistors MP1 and MN1 are set so that the impedance of the transistor MP1 in the off state is lower than the impedance in the off state of the transistor MN1, so that the storage node on the capacitor C1 side is set. The potential of N1 is held at a potential close to Vdd.

上記では、キャパシタC1側の記憶ノードN1が高電位VHの場合を説明したが、記憶ノードN2が高電位VHの場合も同様な原理で情報を保持する。その場合は、トランジスタMP2のオフ状態でのインピーダンスが、トランジスタMN2がオフ状態でのインピーダンスより低く設定すればよい。つまり、図2(a)のメモリセルにおいて情報保持を行うには、トランジスタMP1,MP2のオフ状態でのインピーダンスを、トランジスタMN1,MN2のオフ状態でのインピーダンスより低くなるように定数(チャネル幅W、チャネル長L、閾値電圧Vthなど)を設定すればよい。両者のインピーダンスの比率を1対10程度にすれば、高電位側の記憶ノードを十分な電位に保持できる。例えば、トランジスタMP1,MP2のチャネル長Lとチャネル幅Wとの比L/Wを、トランジスタMN1,MN2のチャネル長Lとチャネル幅Wとの比L/Wより小さくしたり、トランジスタMP1,MP2の閾値電圧を、トランジスタMN1,MN2の閾値電圧より小さくしたりする。   Although the case where the storage node N1 on the capacitor C1 side is at the high potential VH has been described above, information is retained on the same principle when the storage node N2 is at the high potential VH. In that case, the impedance in the off state of the transistor MP2 may be set lower than the impedance in the off state of the transistor MN2. That is, in order to retain information in the memory cell of FIG. 2A, a constant (channel width W) is set so that the impedance in the off state of the transistors MP1 and MP2 is lower than the impedance in the off state of the transistors MN1 and MN2. , Channel length L, threshold voltage Vth, etc.) may be set. If the ratio of both impedances is about 1:10, the storage node on the high potential side can be held at a sufficient potential. For example, the ratio L / W of the channel length L and the channel width W of the transistors MP1 and MP2 is made smaller than the ratio L / W of the channel length L and the channel width W of the transistors MN1 and MN2, The threshold voltage is made smaller than the threshold voltages of the transistors MN1 and MN2.

図2(b)の上段に、上記の情報保持(データリテンション)の条件をまとめた。高電位VHの保持条件は、
Z(MP−off) < Z(MN−off) (1)
低電位VLの保持条件は、
Z(MP−off) > Z(MN−on) (2)
と表すことができる。ここで、Zはインピーダンスを示し、その後ろの括弧内のMPはpチャネルトランジスタ、MNはnチャネルトランジスタを示し、onはそれらがオン状態、offはそれらがオフ状態にあることを示している。なお、ここでは、分かりやすくするため、オン状態、オフ状態の区別で示したが、式(1)では記憶ノードが高電位、式(2)では低電位であるので、例えば、式(1)のZ(MP−off)と式(2)のZ(MP−off)とでは、pチャネルトランジスタのドレイン電位は異なる。
The above information retention (data retention) conditions are summarized in the upper part of FIG. The holding condition of the high potential VH is
Z (MP-off) <Z (MN-off) (1)
The holding condition of the low potential VL is
Z (MP-off)> Z (MN-on) (2)
It can be expressed as. Here, Z indicates impedance, MP in parentheses after that indicates a p-channel transistor, MN indicates an n-channel transistor, on indicates that they are in an on state, and off indicates that they are in an off state. For the sake of simplicity, the distinction between the on state and the off state is shown here. However, since the storage node is at a high potential in Equation (1) and is at a low potential in Equation (2), for example, Equation (1) The drain potential of the p-channel transistor differs between Z (MP-off) of the equation (2) and Z (MP-off) of the equation (2).

なお、図2(b)の下段に示したのは、特許文献1などにあるような非破壊読み出しの条件である。非破壊読み出しのためには、読出し時に低電位側の記憶ノードの電位が上がらないようにpチャネルトランジスタのインピーダンスをnチャネルトランジスタのインピーダンスよりも高くする必要があり、図2(b)の下段に示したように、
Z(MP−on)> Z(MN−on) (3)
と表すことができる。
The lower part of FIG. 2B shows the nondestructive reading conditions as described in Patent Document 1 and the like. For nondestructive reading, it is necessary to make the impedance of the p-channel transistor higher than the impedance of the n-channel transistor so that the potential of the storage node on the low potential side does not rise at the time of reading. As shown,
Z (MP-on)> Z (MN-on) (3)
It can be expressed as.

式(1)〜(3)より、
Z(MN−off)> Z(MP−off)> Z(MP−on)> Z(MN−on) (4)
と表すことができる。
From formulas (1) to (3),
Z (MN-off)> Z (MP-off)> Z (MP-on)> Z (MN-on) (4)
It can be expressed as.

したがって、非破壊読み出しと高電位の保持条件を両立させるには、nチャネルトランジスタにおけるオンオフ時のインピーダンスの差は、pチャネルトランジスタにおけるオンオフ時のインピーダンスの差よりも大きい必要があることが分かる。この条件をトランジスタのばらつきや広い動作温度の範囲で満たすのは困難な場合が多い。   Therefore, it can be seen that in order to achieve both non-destructive reading and high potential holding conditions, the difference in impedance between the n-channel transistors when turning on and off needs to be larger than the difference between impedances when turning on and off in the p-channel transistors. In many cases, it is difficult to satisfy this condition within a range of transistor variations and a wide operating temperature.

本実施の形態では、読み出しを非破壊で行わずに、再書き込みを行うので式(3)の条件が不要となり、十分にマージンをもった安定な動作が期待できる。なお、式(2)の条件は、nチャネルトランジスタのオン状態のインピーダンスをpチャネルトランジスタのオフ状態のインピーダンスより低くすればよいため、容易に満足することが可能である。   In the present embodiment, since rewriting is performed without performing non-destructive reading, the condition of Expression (3) becomes unnecessary, and a stable operation with a sufficient margin can be expected. Note that the condition of Equation (2) can be easily satisfied because the on-state impedance of the n-channel transistor only needs to be lower than the off-state impedance of the p-channel transistor.

以上述べたような本実施の形態による回路と設計条件のさらなる利点として、待機電力を低減することが容易であることが挙げられる。図2(a)からも分かるように、待機時間の消費電流の主要な成分は、オフ状態のトランジスタMP1,MN1を流れるリーク電流と、オフ状態のトランジスタMP2とオン状態のトランジスタMN2を流れるリーク電流である。前者は両方のトランジスタがオフしているので後者に較べて無視でき、後者はトランジスタMP2のリーク電流に支配される。   As a further advantage of the circuit and design conditions according to this embodiment as described above, it is easy to reduce standby power. As can be seen from FIG. 2A, the main components of the consumption current during the standby time are the leakage current flowing through the off-state transistors MP1 and MN1, and the leakage current flowing through the off-state transistor MP2 and the on-state transistor MN2. It is. The former is negligible compared to the latter because both transistors are off, and the latter is governed by the leakage current of the transistor MP2.

したがって、待機電流は、pチャネルトランジスタのリーク電流で決まり、それを低減させるには、pチャネルトランジスタのオフ状態でのインピーダンスZ(MP−off)を高くする必要がある。したがって、式(1)の条件から、待機電流を低減させるには、nチャネルトランジスタのオフ状態でのインピーダンスZ(MN−off)をさらに高くする必要がある。   Therefore, the standby current is determined by the leakage current of the p-channel transistor, and in order to reduce it, it is necessary to increase the impedance Z (MP-off) in the OFF state of the p-channel transistor. Therefore, in order to reduce the standby current from the condition of equation (1), it is necessary to further increase the impedance Z (MN-off) in the off state of the n-channel transistor.

もしも、式(3)の非破壊読み出しの条件を満足した上で、待機電力を下げようとすると、nチャネルトランジスタのオンオフ時のインピーダンスの差を非常に広くする必要があることが分かる。このことから、図1に示した本実施の形態では、式(3)の条件が不要なので、低い待機電力にすることが容易であると言える。   If the standby power is to be lowered while satisfying the nondestructive readout condition of Equation (3), it can be seen that the impedance difference when turning on and off the n-channel transistor needs to be very wide. From this, it can be said that the present embodiment shown in FIG. 1 does not require the condition of the expression (3), and can easily achieve low standby power.

図3は、図1のメモリセルを用いたメモリアレイの構成を示す図である。図3では、アドレスバッファ、デコーダおよびドライバ回路、読み出しおよび書き込み回路、タイミング生成回路、電源回路などは省略している。これらは通常のメモリの設計知識の範囲で構成することが可能である。図3では、前記図1に示したメモリセルMCを2次元状に配置し、一対のビット線BL,/BLごとにプリチャージ回路PRG、センスアンプSAを設けている。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a memory array using the memory cells of FIG. In FIG. 3, an address buffer, a decoder and driver circuit, a read and write circuit, a timing generation circuit, a power supply circuit, and the like are omitted. These can be configured within the range of ordinary memory design knowledge. In FIG. 3, the memory cells MC shown in FIG. 1 are two-dimensionally arranged, and a precharge circuit PRG and a sense amplifier SA are provided for each pair of bit lines BL and / BL.

プリチャージ回路PRGは、pチャネルトランジスタMP3,MP4,MP5から構成されている。トランジスタMP3は、ソースドレイン経路がビット線BL,/BLに接続され、ゲートが信号線PRに接続されている。トランジスタMP4,MP5は、ソースがVddに接続され、ドレインがビット線BL,/BLに接続され、ゲートが信号線PRに接続されている。   The precharge circuit PRG is composed of p-channel transistors MP3, MP4 and MP5. The transistor MP3 has a source / drain path connected to the bit lines BL and / BL and a gate connected to the signal line PR. Transistors MP4 and MP5 have sources connected to Vdd, drains connected to bit lines BL and / BL, and gates connected to signal line PR.

センスアンプSAは、pチャネルトランジスタMP6,MP7、nチャネルトランジスタMN3,MN4から構成されている。トランジスタMP6,MP7は、ソースが信号線PSAに接続され、ゲートが一方のビット線BL,/BLに接続され、ドレインが他方のビット線/BL,BLに接続されている。トランジスタMN3,MN4は、ソースが信号線NSAに接続され、ゲートが一方のビット線BL,/BLに接続され、ドレインが他方のビット線/BL,BLに接続されている。   The sense amplifier SA includes p-channel transistors MP6 and MP7 and n-channel transistors MN3 and MN4. The transistors MP6 and MP7 have sources connected to the signal line PSA, gates connected to one bit line BL, / BL, and drains connected to the other bit line / BL, BL. The transistors MN3 and MN4 have sources connected to the signal line NSA, gates connected to one bit line BL, / BL, and drains connected to the other bit line / BL, BL.

プリチャージ回路PRGを起動するには、信号線PRの電位を0Vにすればよい。これにより、信号線PRに接続されたpチャネルトランジスタMP3,MP4,MP5がオンして、対を成すビット線BL,/BLがトランジスタMP3により短絡され、トランジスタMP4,MP5によりVddにプリチャージされる。プリチャージ後は、信号線PRの電位をVddにすれば、ビット線BL,/BLは、Vddの電位でフローティング状態となり、読み出しや書き込み動作を開始できる。情報保持状態においては、PRを0Vとしてメモリセルに情報保持電流を供給できるようにする。なお、プリチャージ回路PRGをpチャネルトランジスタMP4,MP5で構成したのは、ビット線BL,/BLを高電位Vddでプリチャージするからである。nチャネルトランジスタで構成する場合は、信号線PRの電位をVddより高い電位にする必要がある。   In order to activate the precharge circuit PRG, the potential of the signal line PR may be set to 0V. As a result, the p-channel transistors MP3, MP4, and MP5 connected to the signal line PR are turned on, and the paired bit lines BL and / BL are short-circuited by the transistor MP3 and precharged to Vdd by the transistors MP4 and MP5. . After the precharge, if the potential of the signal line PR is set to Vdd, the bit lines BL and / BL are brought into a floating state at the potential of Vdd, and read and write operations can be started. In the information holding state, PR is set to 0 V so that an information holding current can be supplied to the memory cell. The reason why the precharge circuit PRG is configured by the p-channel transistors MP4 and MP5 is that the bit lines BL and / BL are precharged with the high potential Vdd. In the case of using an n-channel transistor, the potential of the signal line PR needs to be higher than Vdd.

センスアンプSAは、DRAMなどで使われている4トランジスタのものを使うことができる。動作させるには、信号線PSAの電位をVddに、信号線NSAの電位を0Vに落とす。待機時などでセンスアンプSAをオフするときには、信号線PSA,NSAをともにVddとしておけばよい。   As the sense amplifier SA, a four-transistor used in a DRAM or the like can be used. In order to operate, the potential of the signal line PSA is lowered to Vdd, and the potential of the signal line NSA is lowered to 0V. When the sense amplifier SA is turned off during standby or the like, both the signal lines PSA and NSA may be set to Vdd.

本実施の形態では、プリチャージ回路PRGとセンスアンプSAを少ないトランジスタ数で構成することができるので面積が小さく、ビット線ごとにこれらの回路を設けることができる。通常のSRAMでは非破壊読み出しなので、センスアンプを複数のビット線で共有することも可能であるが、前記図1に示したメモリセルでは再書き込みを行うので、ビット線対ごとに設ける必要があるので、図3に示した本実施の形態による構成が効果的である。   In the present embodiment, the precharge circuit PRG and the sense amplifier SA can be configured with a small number of transistors, so that the area is small, and these circuits can be provided for each bit line. Since a normal SRAM is nondestructive reading, it is possible to share a sense amplifier with a plurality of bit lines. However, since the memory cell shown in FIG. 1 performs rewriting, it must be provided for each bit line pair. Therefore, the configuration according to the present embodiment shown in FIG. 3 is effective.

これまで述べた実施の形態を低い製造コストで集積回路上に実現するには、メモリセルMCのキャパシタC1,C2を単純な工程で形成することが効果的である。その例として、周辺回路の配線層を電極に利用したMIM(Metal Insulator Metal:金属・絶縁体・金属)構造の平面型キャパシタが有効である。この場合、メモリセルを構成するトランジスタの上方にキャパシタを配置することができるので、メモリセル面積も小さくなり、面積低減による製造コストのさらなる低減が期待できる。   In order to implement the above-described embodiment on an integrated circuit at a low manufacturing cost, it is effective to form the capacitors C1 and C2 of the memory cell MC by a simple process. As an example, a planar capacitor having an MIM (Metal Insulator Metal) structure using a wiring layer of a peripheral circuit as an electrode is effective. In this case, since the capacitor can be arranged above the transistor constituting the memory cell, the area of the memory cell is also reduced, and further reduction in manufacturing cost due to the area reduction can be expected.

このようなキャパシタの製造プロセスおよび断面構造については、本出願人先願の特許出願JP01/010991(PCT)および特開2003−264236号公報に記載されているものを用いることができる。この例では、絶縁膜として五酸化タンタルを利用しており、小さい面積で十分な容量がとれるので、本実施の形態に適している。このようなキャパシタは論理LSIのプロセスとの互換性がよいので、通常のプロセッサなど論理LSIのオンチップメモリとして本実施の形態のメモリを利用する場合に適している。   As the manufacturing process and the cross-sectional structure of such a capacitor, those described in the patent application JP01 / 010991 (PCT) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-264236 filed earlier by the present applicant can be used. In this example, tantalum pentoxide is used as the insulating film, and a sufficient capacity can be obtained with a small area, which is suitable for this embodiment. Since such a capacitor has good compatibility with a process of a logic LSI, it is suitable when the memory of the present embodiment is used as an on-chip memory of a logic LSI such as an ordinary processor.

なお、通常、図3のような差動型のセンスアンプでは、トランジスタの閾値電圧のばらつきなどを考慮すると、読み出し時のビット線対の電位差、すなわち信号電圧を50mV程度以上にする必要がある。図1に示したメモリセルでは、信号電圧は、ほぼVdd・Cs/(Cs+Cd)に比例する。ここで、CsはキャパシタC1,C2の容量、Cdはビット線BL,/BLの容量である。   Normally, in the differential sense amplifier as shown in FIG. 3, the potential difference between the bit line pair at the time of reading, that is, the signal voltage needs to be about 50 mV or more in consideration of variations in the threshold voltage of the transistors. In the memory cell shown in FIG. 1, the signal voltage is approximately proportional to Vdd · Cs / (Cs + Cd). Here, Cs is the capacitance of the capacitors C1 and C2, and Cd is the capacitance of the bit lines BL and / BL.

したがって、電圧Vddとビット線BL,/BLの容量Cdに応じて上記の最低信号量以上の値が得られるようにキャパシタC1,C2の容量を設計すればよい。   Therefore, the capacitances of the capacitors C1 and C2 may be designed so as to obtain a value equal to or higher than the minimum signal amount according to the voltage Vdd and the capacitance Cd of the bit lines BL and / BL.

場合によっては、キャパシタのために製造プロセスを追加することが困難な場合もあり得る。そのような場合は、トランジスタのゲート容量でキャパシタを形成することも可能である。そのような実施の形態を図4に示す。   In some cases, it may be difficult to add a manufacturing process for the capacitor. In such a case, it is possible to form a capacitor with the gate capacitance of the transistor. Such an embodiment is shown in FIG.

図4(a),(b)は、メモリセルのキャパシタを電界効果型トランジスタで構成した場合の等価回路とその動作を示す図である。 図4(a)に示すメモリセルは、キャパシタC1,C2をトランジスタMN5,MN6で構成したものであり、トランジスタMN5,MN6のゲート電極を記憶ノードN1,N2に、ドレインおよびソースをプレート電極PLに接続している。本実施の形態では、上記のようなプロセス工程増加をなくす効果に加えて、図4(b)のような動作をさせることで信号量を大きくすることもできる。   FIGS. 4A and 4B are diagrams showing an equivalent circuit and its operation when the capacitor of the memory cell is formed of a field effect transistor. In the memory cell shown in FIG. 4A, capacitors C1 and C2 are composed of transistors MN5 and MN6. The gate electrodes of the transistors MN5 and MN6 are storage nodes N1 and N2, and the drain and source are plate electrodes PL. Connected. In the present embodiment, in addition to the effect of eliminating the increase in process steps as described above, the signal amount can be increased by performing the operation as shown in FIG.

図4(b)を用いてその原理を説明する。なお、図4(b)には読み出し動作のみを示したが、前記図1(b)のような書込み動作でも、まず読み出し動作をするので同様な効果がある。情報保持については前記図1に示した実施の形態と同様である。図4(b)では、ワード線WLの電位を下げたときにプレート電極PLの電位をVddに上げる。このとき、高電位側の記憶ノード(N1またはN2)に接続されたトランジスタ(MN5またはMN6)では容量が十分形成されているが、低電位側のキャパシタ(C1またはC2)はトランジスタ(MN5またはMN6)がオフしているので容量が少ない。したがって、プレート電極PLの電位を立ち上げると高電位側の記憶ノードの電位が上昇し、低電位側はあまり変わらない。この結果、高電位側のビット線の電位をVddより高くすることができ、信号量を増加させることができる。   The principle will be described with reference to FIG. Although FIG. 4B shows only the read operation, the write operation as shown in FIG. 1B has the same effect because the read operation is first performed. Information holding is the same as that of the embodiment shown in FIG. In FIG. 4B, the potential of the plate electrode PL is raised to Vdd when the potential of the word line WL is lowered. At this time, the transistor (MN5 or MN6) connected to the storage node (N1 or N2) on the high potential side has a sufficient capacity, but the capacitor (C1 or C2) on the low potential side has the transistor (MN5 or MN6). ) Is off, so the capacity is low. Therefore, when the potential of the plate electrode PL is raised, the potential of the storage node on the high potential side rises and the low potential side does not change much. As a result, the potential of the bit line on the high potential side can be made higher than Vdd, and the signal amount can be increased.

なお、ワード線WLをVddに立ち上げてからプレート電極PLの電位を下げると、記憶ノードN1,N2の電位が下がってしまうので、センスアンプSAが動作しているうちに、プレート電極PLの電位を0Vに戻しておく。   If the potential of the plate electrode PL is lowered after the word line WL is raised to Vdd, the potentials of the storage nodes N1 and N2 are lowered, so that the potential of the plate electrode PL is increased while the sense amplifier SA is operating. Return to 0V.

以上のように、図4(b)の読み出し動作によれば、プレート電極PLを駆動することで信号量を増加させることができる。   As described above, according to the read operation of FIG. 4B, the signal amount can be increased by driving the plate electrode PL.

また、待機電力を低減させるために、ゲートリーク電流が問題にならないように、ゲート絶縁膜膜厚の比較的厚い(例えば4nm以上の)トランジスタをメモリセルに用いる場合に、キャパシタの容量不足が問題になる可能性もある。そのような場合には、図4(b)に示した実施の形態が有効となる。   In addition, in order to reduce standby power, when a transistor having a relatively large gate insulating film thickness (for example, 4 nm or more) is used for a memory cell so that gate leakage current does not become a problem, insufficient capacity of the capacitor is a problem. There is a possibility of becoming. In such a case, the embodiment shown in FIG. 4B is effective.

上記は、トランジスタをキャパシタとして使用した場合に信号量を増加させる方法であったが、前記したようなMIMキャパシタのような通常のキャパシタでも信号量を増加させることが可能である。図5に示すメモリセルは、そのために効果的な実施の形態である。   The above is a method for increasing the signal amount when a transistor is used as a capacitor. However, it is possible to increase the signal amount even with a normal capacitor such as the MIM capacitor described above. The memory cell shown in FIG. 5 is an effective embodiment for that purpose.

図5は、キャパシタを一つにした場合のメモリセルの等価回路を示す図である。図5に示すメモリセルの特長は、キャパシタを一つ(図5ではC0)にして、一方の電極を記憶ノードN1(キャパシタC0の第1電極)に、他方の電極を記憶ノードN2(キャパシタC0の第2電極)に接続したことである。このようにすると、キャパシタC0の電極間の一種のカップリング作用により信号量が増加する。信号量に関する式は、本出願人先願の特許出願JP01/010991(PCT)に記載されている。本実施の形態によれば、MIMキャパシタの場合でも信号量を増加できるので、面積が小さく、低電圧でも十分な動作マージンを持つメモリセルが実現可能である。   FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of a memory cell when a single capacitor is used. The memory cell shown in FIG. 5 is characterized by one capacitor (C0 in FIG. 5), one electrode serving as the storage node N1 (first electrode of the capacitor C0), and the other electrode serving as the storage node N2 (capacitor C0). To the second electrode). If it does in this way, the amount of signals will increase by a kind of coupling action between the electrodes of capacitor C0. The expression relating to the signal amount is described in the patent application JP01 / 010991 (PCT) of the applicant's earlier application. According to the present embodiment, since the signal amount can be increased even in the case of the MIM capacitor, it is possible to realize a memory cell having a small area and a sufficient operation margin even at a low voltage.

これまでの実施の形態では、キャパシタC0,C1,C2とビット線BL,/BLを接続するトランジスタをpチャネルトランジスタMP1,MP2で構成し、記憶ノードN1,N2と電源GNDを接続するトランジスタにnチャネルトランジスタMN1,MN2を用いた。読み出しおよび書き込み速度を決定するのは、ビット線BL,/BLと記憶ノードN1,N2を接続するトランジスタであるので、場合によっては、大きな電流を得やすいnチャネルトランジスタをビット線BL,/BLとの接続に使う方が有利な場合もあり得る。そのような場合には、図6に示す実施の形態が有効である。   In the embodiments described so far, the transistors that connect the capacitors C0, C1, and C2 and the bit lines BL and / BL are configured by the p-channel transistors MP1 and MP2, and the transistors that connect the storage nodes N1 and N2 and the power supply GND are n Channel transistors MN1 and MN2 were used. Since the transistors that connect the bit lines BL and / BL and the storage nodes N1 and N2 determine the read and write speeds, in some cases, n-channel transistors that easily obtain a large current are connected to the bit lines BL and / BL. It may be advantageous to use this for connection. In such a case, the embodiment shown in FIG. 6 is effective.

図6は、図1のメモリセルに対して、nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタを置き換えた場合の等価回路を示す図である。図6に示すメモリセルは、図1の回路において、nチャネルトランジスタMN1,MN2とpチャネルトランジスタMP1,MP2を入れ替え、pチャネルトランジスタMP1,MP2に接続する電源をVddとした例である。ここでは、図1のメモリセルに対する実施の形態を示したが、図4や図5のメモリセルにおいても、トランジスタMN1,MN2,MP1,MP2の役割を同様に変更できることはもちろんである。   FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit in the case where an n-channel transistor and a p-channel transistor are replaced with respect to the memory cell of FIG. The memory cell shown in FIG. 6 is an example in which the n-channel transistors MN1 and MN2 and the p-channel transistors MP1 and MP2 are replaced in the circuit of FIG. 1 and the power source connected to the p-channel transistors MP1 and MP2 is Vdd. Although the embodiment of the memory cell of FIG. 1 has been described here, it is a matter of course that the roles of the transistors MN1, MN2, MP1, and MP2 can be similarly changed in the memory cells of FIG. 4 and FIG.

なお、nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタでは、ゲート、ソース間電圧に対するオンオフ特性が逆になるので、図6の実施の形態において、ワード線WLは、ビット線BL,/BLのプリチャージ期間とリテンション期間は0Vであり、読み出し、書き込み時には高電位(例えばVddにnチャネルトランジスタのしきい電圧の2倍程度を加算した電位)にすることはもちろんである。   In the n-channel transistor and the p-channel transistor, the on / off characteristics with respect to the gate-source voltage are reversed. Therefore, in the embodiment of FIG. 6, the word line WL is connected to the precharge period and the retention of the bit lines BL and / BL. The period is 0 V, and it is a matter of course that the potential is set to a high potential (for example, a potential obtained by adding about twice the threshold voltage of the n-channel transistor to Vdd) at the time of reading and writing.

また、図6の実施の形態では、トランジスタMP1,MP2の電源がVddであるので、ビット線BL,/BLのプリチャージ電圧は0Vとすることももちろんである。図6における情報保持条件については、前記の実施の形態での説明から容易に分かるように、高電位VHの保持条件は、
Z(MN−off) > Z(MP−on) (5)
低電位VLの保持条件は、
Z(MN−off) < Z(MP−off) (6)
と表すことができる。
In the embodiment of FIG. 6, since the power sources of the transistors MP1 and MP2 are Vdd, the precharge voltages of the bit lines BL and / BL are of course set to 0V. As for the information holding condition in FIG. 6, as can be easily understood from the description in the above embodiment, the holding condition of the high potential VH is:
Z (MN-off)> Z (MP-on) (5)
The holding condition of the low potential VL is
Z (MN-off) <Z (MP-off) (6)
It can be expressed as.

これまで述べてきた実施の形態においては、待機電流は、ビット線に接続された方のトランジスタのオフ時のインピーダンスで決まり、そのインピーダンスを高く(リーク電流を少なく)するほど待機電流は下がる。一方、情報保持(リテンション)の条件から分かるように、電源と接続されたトランジスタのオフ時のインピーダンスは、ビット線に接続されたトランジスタのオフ時のインピーダンスよりさらに上げる必要がある。したがって、目標とする待機電流が小さい場合には、電源に接続するトランジスタを、通常のバルクトランジスタだけではなく、図7(a),(b)のようなチャネル部が非常に薄いTFTトランジスタを用いるとよい。   In the embodiments described so far, the standby current is determined by the off-state impedance of the transistor connected to the bit line, and the standby current decreases as the impedance increases (leakage current decreases). On the other hand, as can be seen from the information retention (retention) condition, the off-state impedance of the transistor connected to the power supply needs to be further increased than the off-state impedance of the transistor connected to the bit line. Therefore, when the target standby current is small, not only a normal bulk transistor but also a TFT transistor having a very thin channel portion as shown in FIGS. 7A and 7B is used as a transistor connected to the power source. Good.

図7(a),(b)は、前述のメモリセルに使用される好適なチャネル部がごく薄いトランジスタの構造を示す断面図である。図7(a)に示す実施の形態では、トランジスタを半導体基板SUB内に形成された素子分離領域ISOの上に平面的に形成している。図7(a)では、図1、図4および図5の実施の形態におけるトランジスタMN1を例にとり、それに合わせた記号で説明するが、図1、図4および図5のトランジスタMN2や、図6のトランジスタMP1,MP2なども同様にして構成できる。   FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views showing the structure of a transistor having a very thin channel portion used in the memory cell described above. In the embodiment shown in FIG. 7A, the transistor is planarly formed on the element isolation region ISO formed in the semiconductor substrate SUB. In FIG. 7A, the transistor MN1 in the embodiment of FIGS. 1, 4 and 5 is taken as an example and will be described with symbols corresponding thereto, but the transistor MN2 of FIGS. 1, 4 and 5 and FIG. The transistors MP1, MP2, etc. can be configured in the same manner.

また、本実施の形態のトランジスタはチャネル部CHの膜厚を厚くすれば電流が増えるので、前記した設計条件を満たすようにチャネル部CHの膜厚を調整することにより、ビット線に接続するトランジスタにも適用することが可能であり、さらに、図4のキャパシタC1,C2にも適用することも可能である。   In addition, since the current of the transistor of this embodiment increases as the thickness of the channel portion CH is increased, the transistor connected to the bit line is adjusted by adjusting the thickness of the channel portion CH so as to satisfy the above-described design condition. It is also possible to apply to the capacitors C1 and C2 of FIG.

図7(a)において、チャネル部CHは、厚さが8nm以下、好ましくは5nm程度以下の薄膜ポリシリコンで形成したチャネル部であり、これにより、リーク電流を非常に少なくして待機電流を低減できる。OXは絶縁膜である。N1,N2は記憶ノード、GNDと記したのは電位が0Vの電源端子に接続することを表している。SUBは半導体基板である。本実施の形態では、通常のトランジスタと同じように、基板上に平面的に形成されている。このため、大きな段差がなく、配線、コンタクトなどの工程が容易になるというメリットがある。   In FIG. 7A, the channel portion CH is a channel portion formed of thin-film polysilicon having a thickness of 8 nm or less, preferably about 5 nm or less, thereby reducing the leakage current and reducing the standby current. it can. OX is an insulating film. N1 and N2 are storage nodes, and GND represents connection to a power supply terminal having a potential of 0V. SUB is a semiconductor substrate. In this embodiment, like a normal transistor, it is formed in a plane over a substrate. For this reason, there is an advantage that a process such as wiring and contact is facilitated without a large step.

図7(b)に示したのは、同様なトランジスタを高集積に実現するために好適な実施の形態であり、上記平面型の構造では面積の増加が問題となる場合に特に有効である。本実施の形態は、バルクトランジスタのゲート層に使うポリシリコン上に開けた孔の内部に、たて型の構造をもつトランジスタを形成したものである。CHはトランジスタのチャネル部であり、8nm好ましくは5nm程度以下の厚みをもつ多結晶シリコンなどの薄膜により形成されている。トランジスタのゲート電極は円筒状で、その周囲を酸化絶縁膜OXとチャネル部CHが取り囲んでいる。トランジスタのソースドレイン領域の一方は、バルクトランジスタのゲート電極に使用するポリシリコンと接続し、その電位を電源GNDの電位0Vとしている。   FIG. 7B shows a preferred embodiment for realizing high integration of similar transistors, and is particularly effective when the increase in area becomes a problem in the planar structure. In this embodiment, a transistor having a vertical structure is formed inside a hole formed on polysilicon used for a gate layer of a bulk transistor. CH is a channel portion of the transistor, and is formed of a thin film such as polycrystalline silicon having a thickness of about 8 nm, preferably about 5 nm or less. The gate electrode of the transistor has a cylindrical shape, and the periphery thereof is surrounded by the oxide insulating film OX and the channel portion CH. One of the source and drain regions of the transistor is connected to polysilicon used for the gate electrode of the bulk transistor, and the potential thereof is set to the potential 0 V of the power supply GND.

図7(a),(b)いずれの場合も、ゲート電極の電位が高電位となるとチャネル部CHが導通し、低電位になると非導通状態となる。チャネル部CHの厚さは8nm以下または5nm程度以下と非常に薄いため、オフ時のリーク電流を通常のトランジスタに比べて極端に小さくすることができる。通常のトランジスタのオフ時のリーク電流が、10のマイナス10乗から12乗アンペア程度であるのに対して、本実施の形態のようにチャネルが5nm程度以下の薄膜トランジスタでは、膜厚方向の量子力学的な閉じ込め効果のため、リーク電流を10のマイナス19乗程度にすることも可能である。このような構造の薄膜チャネルを持つ電界効果型トランジスタについては、例えば、米国特許USP6576943に記載されている。   7A and 7B, when the potential of the gate electrode becomes high, the channel portion CH becomes conductive, and when the potential becomes low, the channel portion CH becomes non-conductive. Since the thickness of the channel part CH is very thin, about 8 nm or less or about 5 nm or less, the leakage current at the time of off can be made extremely small as compared with a normal transistor. While a normal transistor has a leakage current of 10 minus 10 to 12 amperes, the thin film transistor having a channel of about 5 nm or less as in the present embodiment has a quantum mechanics in the film thickness direction. Because of the effective confinement effect, it is possible to make the leakage current about 10 to the 19th power. A field effect transistor having a thin film channel having such a structure is described, for example, in US Pat. No. 6,576,943.

以上述べたように、図7(a),(b)のようなトランジスタを用いることで、本実施の形態のメモリセルを用いた半導体装置の待機電流を非常に小さくできる。また、このようなトランジスタを使えば、オフ時のインピーダンスを大きく保つことが容易なので、情報保持条件を満たすことが容易となり、動作マージンが増える。例えば、動作電源電圧や動作温度の範囲を大きくする必要のある場合には、情報保持時のワード線の電圧を制御することが必要となってくる。ワード線の電圧を制御することにより、ビット線に接続したトランジスタのオフ時のインピーダンスを温度や電圧に応じて変化させることができ、情報保持条件を満足させることに有効である。しかし、図7(a),(b)に示した形態のトランジスタを用いた場合には、その必要がないか、必要があっても簡単な制御で済ませることが可能となる。   As described above, by using the transistors as shown in FIGS. 7A and 7B, the standby current of the semiconductor device using the memory cell of this embodiment can be extremely reduced. In addition, if such a transistor is used, it is easy to keep the impedance at the time of off, so that it becomes easy to satisfy the information retention condition and the operation margin is increased. For example, when it is necessary to increase the range of the operating power supply voltage or the operating temperature, it is necessary to control the voltage of the word line when holding information. By controlling the voltage of the word line, the impedance when the transistor connected to the bit line is turned off can be changed according to temperature and voltage, which is effective in satisfying the information holding condition. However, when the transistors of the form shown in FIGS. 7A and 7B are used, it is not necessary or simple control can be performed even if necessary.

したがって、以上述べてきた本実施の形態の半導体装置によれば、上記の読み出し書き込みと情報保持の方式によって、リフレッシュ動作が不要となり、使いやすいメモリが実現できる。また、読み出し時に再書き込みを行うので、読み出し時の情報の非破壊のためのトランジスタの設計制約がなくなり、動作マージンが増加する。さらに、情報の破壊を前提にした設計により情報の保持電流を少なくすることが容易となるので、上記のようなチャネル部が薄く、リークが非常に少ないトランジスタを用いることによって待機電流を非常に小さくすることが可能となる。また、キャパシタとして上記のような素子を用いることで低コストが実現される。   Therefore, according to the semiconductor device of the present embodiment described above, a refresh operation is not required and an easy-to-use memory can be realized by the above read / write and information holding method. In addition, since rewriting is performed at the time of reading, there is no transistor design restriction for nondestructive information at the time of reading, and the operation margin is increased. Furthermore, since the information holding current can be easily reduced by the design based on the destruction of information, the standby current is extremely reduced by using a transistor having a thin channel portion and a very small leakage as described above. It becomes possible to do. Moreover, low cost is implement | achieved by using the above elements as a capacitor.

図8〜図10に、これまで述べてきたメモリセルを半導体基板上に実現する場合のその平面構造の一例を、また、図11に、対応する断面構造の一例を示す。ここでは、図5に示したメモリセルの回路構成を仮定し、また、キャパシタC0として、前述のMIMキャパシタを適用した場合を仮定している。層の数が多いので、平面構造を示すために下の(基板に近い)ものから順に、図8から図10へと分けて示した。なお、図8(a)、図9(a)、図10(a)はメモリセルの平面構造を、図8(b)、図9(b)、図10(b)は、各層の名称(符号)と平面図に用いた記号との対応を示している。また、図8(a)、図9(a)、図10(a)には、図5の回路との電気的な対応が分かるように、主なところに、図5の回路に対応する部分の符号を示している。なお、層が重なった場合は、下の層も見えるように表示しているが、図8のFG,SG,Lのように斜線の模様をつけた層が重なる場合は分かりにくいので、下の層は輪郭のみ示し、上の層の模様のみを示した。図8(a)、図9(a)、図10(a)の平面図において、外周部に粗い破線で示したのはメモリセルMCの境界領域である。メモリアレイを形成する場合には、この境界線を重ねて並べればよい。なお、層間のスペース、層の幅などの制約は、製造プロセスに依存するが、ここでは、図を見やすくするために,各パターンの寸法・比率等を変えて描いている。   8 to 10 show an example of the planar structure when the memory cell described so far is realized on a semiconductor substrate, and FIG. 11 shows an example of the corresponding cross-sectional structure. Here, the circuit configuration of the memory cell shown in FIG. 5 is assumed, and the case where the above-described MIM capacitor is applied as the capacitor C0 is assumed. Since the number of layers is large, in order to show a planar structure, it is divided into FIG. 8 to FIG. 10 in order from the bottom (close to the substrate). 8A, 9A, and 10A show the planar structure of the memory cell, and FIGS. 8B, 9B, and 10B show the names of the respective layers ( Symbols) and the symbols used in the plan view are shown. 8A, FIG. 9A, and FIG. 10A mainly show portions corresponding to the circuit of FIG. 5 so that the electrical correspondence with the circuit of FIG. 5 can be seen. Is shown. When the layers overlap, the lower layer is also shown so that it can be seen. However, if the layers with diagonal lines overlap like FG, SG, L in FIG. The layers only show the outline and only the top layer pattern. In the plan views of FIG. 8A, FIG. 9A, and FIG. 10A, a rough broken line on the outer periphery is a boundary region of the memory cell MC. When forming a memory array, the boundary lines may be overlapped. Note that the constraints such as the space between layers and the width of the layers depend on the manufacturing process, but here, in order to make the drawing easier to see, the dimensions and ratios of the patterns are changed.

図8には、第1ポリシリコン層FG、第2ポリシリコン層SG、拡散層L、第1金属層M1、コンタクト層CONTを示してある。コンタクト層CONTは、第1ポリシリコン層FG、第2ポリシリコン層SG、あるいは拡散層Lと、それらの上部にある第1金属層M1を接続するための層である。図5のトランジスタMP1は、図8(a)の上部左にある拡散層部分に、トランジスタMP2は上部右にある拡散層部分に形成されている。また、図5のトランジスタMN1,MN2は、図8(a)の下部に形成されている。これらは、図7(a)に示した構造のチャネル部分が非常に薄いTFTトランジスタである。図8(a)の下部に第1ポリシリコン層FGと第2ポリシリコン層SGが並んでいるが、ここの第2ポリシリコン層SGがトランジスタMN1,MN2のゲート電極である。トランジスタのチャネル層は、第2ポリシリコン層SGの下に、第1ポリシリコン層FGを繋ぐように形成されている。   FIG. 8 shows the first polysilicon layer FG, the second polysilicon layer SG, the diffusion layer L, the first metal layer M1, and the contact layer CONT. The contact layer CONT is a layer for connecting the first polysilicon layer FG, the second polysilicon layer SG, or the diffusion layer L and the first metal layer M1 above them. The transistor MP1 in FIG. 5 is formed in the diffusion layer portion on the upper left in FIG. 8A, and the transistor MP2 is formed in the diffusion layer portion on the upper right. Further, the transistors MN1 and MN2 in FIG. 5 are formed in the lower part of FIG. These are TFT transistors having a very thin channel portion having the structure shown in FIG. A first polysilicon layer FG and a second polysilicon layer SG are arranged in the lower part of FIG. 8A. The second polysilicon layer SG is a gate electrode of the transistors MN1 and MN2. The channel layer of the transistor is formed under the second polysilicon layer SG so as to connect the first polysilicon layer FG.

図9には、図8に示した層より上方の層が示してある。M2、M3、VIA1、VIA2は、それぞれ第2金属層、第3金属層、第1ビア層、第2ビア層である。第1ビア層VIA1は第1金属層M1と第2金属層M2とを接続するためのものであり、第2ビア層VIA2は、第2金属層M2と第3金属層M3を接続するための層である。ビット線対BL,/BLは、図9(a)に示したように第2金属層M2でメモリセル領域の上下方向に配線されている。図9(a)には、2つの第3金属層M3があるが、大きい方は、図5のキャパシタC0の下部電極となるもので、電気的には記憶ノードN2に接続されている。もう一方の第3金属層M3は、電気的には記憶ノードN1に接続されており、後述するようにキャパシタC0の上部電極に接続される。   FIG. 9 shows a layer above the layer shown in FIG. M2, M3, VIA1, and VIA2 are a second metal layer, a third metal layer, a first via layer, and a second via layer, respectively. The first via layer VIA1 is for connecting the first metal layer M1 and the second metal layer M2, and the second via layer VIA2 is for connecting the second metal layer M2 and the third metal layer M3. Is a layer. As shown in FIG. 9A, the bit line pair BL, / BL is wired in the vertical direction of the memory cell region by the second metal layer M2. In FIG. 9A, there are two third metal layers M3. The larger one is the lower electrode of the capacitor C0 in FIG. 5, and is electrically connected to the storage node N2. The other third metal layer M3 is electrically connected to the storage node N1, and is connected to the upper electrode of the capacitor C0 as will be described later.

図10には、第4金属層M4、キャパシタC0の上部電極層MU、第3ビア層VIA3が示してある。第3ビア層VIA3は、第3金属層M3もしくはキャパシタC0の上部電極層MUを第4金属層M4に接続するための層である。図9と較べると分かるように、記憶ノードN1は、いったん第4金属層M4に上げてから第3ビア層VIA3によりキャパシタC0の上部電極層MUに接続されている。   FIG. 10 shows the fourth metal layer M4, the upper electrode layer MU of the capacitor C0, and the third via layer VIA3. The third via layer VIA3 is a layer for connecting the third metal layer M3 or the upper electrode layer MU of the capacitor C0 to the fourth metal layer M4. As can be seen from comparison with FIG. 9, the storage node N1 is once raised to the fourth metal layer M4 and then connected to the upper electrode layer MU of the capacitor C0 by the third via layer VIA3.

なお、前記したように、メモリアレイを形成する場合には上記メモリセルをセル境界に重ねて並べればよいが、その場合、図8に示したように、ワード線WLは第1ポリシリコン層FGで構成されているので、ワード線WLの方向に多くのメモリセルを接続するとワード線の抵抗による信号遅延が問題となる場合がある。そのような場合には、新たに、ワード線WLの上方に平行に第4金属層M4を配置して、適当な数のメモリセルごとに隙間を空け、ワード線WLに相当する第1ポリシリコン層FGと、上方に設けた第4金属層M4とをシャントするか、あるいはワード線WLを階層構造として、第1ポリシリコン層FG層で形成されるローカルワード線の長さを短くすればよい。   As described above, when the memory array is formed, the memory cells may be arranged so as to overlap the cell boundary. In this case, the word line WL is connected to the first polysilicon layer FG as shown in FIG. Therefore, when many memory cells are connected in the direction of the word line WL, signal delay due to the resistance of the word line may become a problem. In such a case, a fourth metal layer M4 is newly arranged in parallel above the word line WL so that a gap is formed for each appropriate number of memory cells, and the first polysilicon corresponding to the word line WL is formed. The layer FG and the fourth metal layer M4 provided above may be shunted, or the word line WL may be hierarchized to shorten the length of the local word line formed by the first polysilicon layer FG layer. .

図11は、図8〜図10のA−A切断面における断面図である。なお、実際の半導体装置では、層の断面は、図のように真四角にはならないが、ここでは、層の上下関係を分かりやすくするために真四角で表現してある。半導体基板SUB、素子分離領域ISOの酸化膜の上部に、図8に示した第1ポリシリコン層FG、第2ポリシリコン層SGがあるが、この部分に、図5のトランジスタMN1,MN2が形成されている。また、図の上部にキャパシタC0の上部電極層MUと、下部電極に相当する第3金属層M3とが示してある。このキャパシタC0の上部電極層MUと下部電極の間には層間膜ILがある。この層間膜ILは、実際には、MIMキャパシタに関する前述の文献にあるように、例えばバリア金属層や、五酸化タンタル層など複数の層から構成されるが、図11では省略している。   FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIGS. In an actual semiconductor device, the cross section of the layer does not become a true square as shown in the figure, but here, it is expressed by a true square for easy understanding of the vertical relationship of the layers. The first polysilicon layer FG and the second polysilicon layer SG shown in FIG. 8 are provided above the oxide film of the semiconductor substrate SUB and the element isolation region ISO, and the transistors MN1 and MN2 of FIG. 5 are formed in this portion. Has been. Further, an upper electrode layer MU of the capacitor C0 and a third metal layer M3 corresponding to the lower electrode are shown in the upper part of the drawing. There is an interlayer film IL between the upper electrode layer MU and the lower electrode of the capacitor C0. The interlayer film IL is actually composed of a plurality of layers such as a barrier metal layer and a tantalum pentoxide layer, as described in the above-mentioned document relating to the MIM capacitor, but is omitted in FIG.

以上のように、図8〜図11に示したメモリセル構造によれば、図5のメモリセルにおいて、キャパシタC0をトランジスタの上部に配置できるので、メモリセルを高集積に実現できる。したがって、本実施の形態によれば、平面型のMIMキャパシタの形成によるプロセス工程の増加が少ないことと、高集積であることから、低コストなメモリが実現できる 。   As described above, according to the memory cell structure shown in FIGS. 8 to 11, in the memory cell of FIG. 5, the capacitor C0 can be disposed above the transistor, so that the memory cell can be highly integrated. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to realize a low-cost memory due to a small increase in process steps due to the formation of the planar MIM capacitor and high integration.

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本願において開示される発明は、SRAMなどのメモリを含む半導体装置について適用可能である。   The invention disclosed in the present application can be applied to a semiconductor device including a memory such as an SRAM.

(a),(b)は、本発明の一実施の形態による半導体装置において、メモリセルの等価回路とその動作を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the equivalent circuit of a memory cell, and its operation | movement in the semiconductor device by one embodiment of this invention. (a),(b)は、本発明の一実施の形態による半導体装置において、メモリセルの情報保持の原理と条件を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the principle and conditions of information retention of a memory cell in the semiconductor device by one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態による半導体装置において、メモリアレイの構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a memory array in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. (a),(b)は、本発明の一実施の形態による半導体装置において、キャパシタをトランジスタで構成した場合のメモリセルの等価回路とその動作を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the equivalent circuit and operation | movement of a memory cell when a capacitor is comprised with the transistor in the semiconductor device by one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態による半導体装置において、キャパシタを一つにした場合のメモリセルの等価回路を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of a memory cell when a single capacitor is used in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態による半導体装置において、図1のメモリセルに対して、nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタを置き換えた場合のメモリセルの等価回路を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of a memory cell when an n-channel transistor and a p-channel transistor are replaced with respect to the memory cell of FIG. 1 in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. (a),(b)は、本発明の一実施の形態による半導体装置において、チャネル部がごく薄いトランジスタの構造を示す断面図である。(A), (b) is sectional drawing which shows the structure of a transistor with a very thin channel part in the semiconductor device by one embodiment of this invention. (a),(b)は、図5のメモリセルを半導体基板上に形成する場合の第1金属層までの平面構造を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the planar structure to the 1st metal layer in the case of forming the memory cell of FIG. 5 on a semiconductor substrate. (a),(b)は、図5のメモリセルを半導体基板上に形成する場合の第3金属層までの平面構造を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the planar structure to the 3rd metal layer in the case of forming the memory cell of FIG. 5 on a semiconductor substrate. (a),(b)は、図5のメモリセルを半導体基板上に形成する場合の第4金属層までの平面構造を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the planar structure to the 4th metal layer in the case of forming the memory cell of FIG. 5 on a semiconductor substrate. 図8〜図10のA−A切断面における断面図である。It is sectional drawing in the AA cut surface of FIGS.

符号の説明Explanation of symbols

MN1〜MN6,MP1〜MP7 トランジスタ
C0〜C2 キャパシタ
N1,N2 記憶ノード
WL,WL1,WLn ワード線
BL,/BL,BL1,/BL1,BLm,/BLm ビット線
PL プレート電極
PRG プリチャージ回路
PR,PSA,NSA 信号線
SA センスアンプ
MC メモリセル
SUB 半導体基板
CH チャネル部
ISO 素子分離領域
OX 絶縁膜
GND 電源
VH 高電位
VL 低電位
M1 第1金属層
M2 第2金属層
M3 第3金属層
M4 第4金属層
MU キャパシタC0の上部電極層
IL 層間膜
FG 第1ポリシリコン層
SG 第2ポリシリコン層
L 拡散層
CONT コンタクト層
VIA1 第1ビア層
VIA2 第2ビア層
VIA3 第3ビア層
MN1 to MN6, MP1 to MP7 Transistors C0 to C2 Capacitors N1, N2 Storage nodes WL, WL1, WLn Word lines BL, / BL, BL1, / BL1, BLm, / BLm Bit line PL Plate electrode PRG Precharge circuit PR, PSA , NSA signal line SA sense amplifier MC memory cell SUB semiconductor substrate CH channel part ISO element isolation region OX insulating film GND power supply VH high potential VL low potential M1 first metal layer M2 second metal layer M3 third metal layer M4 fourth metal Layer MU upper electrode layer IL of capacitor C0 interlayer film FG first polysilicon layer SG second polysilicon layer L diffusion layer CONT contact layer VIA1 first via layer VIA2 second via layer VIA3 third via layer

Claims (10)

キャパシタに情報を蓄積するメモリセルを含む半導体装置であって、
前記メモリセルは、
第1ビット線と第1キャパシタの第1電極とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極がワード線に接続された第1トランジスタと、
第2ビット線と第2キャパシタの第1電極とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記ワード線に接続された第2トランジスタと、
前記第1キャパシタの第1電極と第1電源とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記第2キャパシタの第1電極に接続された第3トランジスタと、
前記第2キャパシタの第1電極と前記第1電源とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記第1キャパシタの第1電極に接続された第4トランジスタとを含んで構成され、
前記第1、第2トランジスタのオフ状態でのインピーダンスは、前記第3、第4トランジスタのオフ状態でのインピーダンスよりも小さいことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device including a memory cell for storing information in a capacitor,
The memory cell is
A first transistor having a source / drain path connected to the first bit line and the first electrode of the first capacitor and a gate electrode connected to the word line;
A second transistor having a source / drain path connected to the second bit line and the first electrode of the second capacitor and a gate electrode connected to the word line;
A third transistor having a source / drain path connected to the first electrode of the first capacitor and a first power supply, and a gate electrode connected to the first electrode of the second capacitor;
A source and drain path connected to the first electrode of the second capacitor and the first power supply, and a fourth transistor having a gate electrode connected to the first electrode of the first capacitor;
The semiconductor device according to claim 1, wherein impedances of the first and second transistors in an off state are smaller than impedances of the third and fourth transistors in an off state.
キャパシタに情報を蓄積するメモリセルを含む半導体装置であって、
前記メモリセルは、
第1ビット線と第1キャパシタの第1電極とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極がワード線に接続された第1トランジスタと、
第2ビット線と第2キャパシタの第1電極とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記ワード線に接続された第2トランジスタと、
前記第1キャパシタの第1電極と第1電源とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記第2キャパシタの第1電極に接続された第3トランジスタと、
前記第2キャパシタの第1電極と前記第1電源とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記第1キャパシタの第1電極に接続された第4トランジスタとを含んで構成され、
書き込み動作時には、前記第1、第2トランジスタを通じて前記第1、第2ビット線から、前記第1、第2キャパシタの第1電極の電位を所望の電位に設定し、
読み出し動作時は、前記第1、第2ビット線を一定電位に充電した状態で前記第1、第2トランジスタを導通させ、前記第1、第2ビット線の電位の変化をセンスアンプにより検知増幅し、増幅した電位を再び前記第1、第2キャパシタの第1電極に書き込み、
非選択状態では、前記第1、第2ビット線を一定電位に充電し、前記第1、第2トランジスタを非導通状態にすることにより、前記第1、第3トランジスタを通じて前記第1ビット線から前記第1電源に流れるリーク電流と、前記第2、第4トランジスタを通じて前記第2ビット線から前記第1電源に流れるリーク電流との違いによって、前記第1、第2キャパシタの第1電極の電位を保持することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device including a memory cell for storing information in a capacitor,
The memory cell is
A first transistor having a source / drain path connected to the first bit line and the first electrode of the first capacitor and a gate electrode connected to the word line;
A second transistor having a source / drain path connected to the second bit line and the first electrode of the second capacitor and a gate electrode connected to the word line;
A third transistor having a source / drain path connected to the first electrode of the first capacitor and a first power supply, and a gate electrode connected to the first electrode of the second capacitor;
A source and drain path connected to the first electrode of the second capacitor and the first power supply, and a fourth transistor having a gate electrode connected to the first electrode of the first capacitor;
During a write operation, the potential of the first electrode of the first and second capacitors is set to a desired potential from the first and second bit lines through the first and second transistors,
During a read operation, the first and second transistors are turned on while the first and second bit lines are charged to a constant potential, and a change in the potential of the first and second bit lines is detected and amplified by a sense amplifier. And writing the amplified potential to the first electrodes of the first and second capacitors again,
In the non-selected state, the first and second bit lines are charged to a constant potential, and the first and second transistors are made non-conductive, whereby the first and third transistors are connected to the first bit line. The potential of the first electrodes of the first and second capacitors depends on the difference between the leakage current flowing through the first power supply and the leakage current flowing from the second bit line through the second and fourth transistors to the first power supply. The semiconductor device characterized by holding.
キャパシタに情報を蓄積するメモリセルを含む半導体装置であって、
前記メモリセルは、
第1ビット線と前記キャパシタの第1電極とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極がワード線に接続された第1トランジスタと、
第2ビット線と前記キャパシタの第2電極とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記ワード線に接続された第2トランジスタと、
前記キャパシタの第1電極と第1電源とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記キャパシタの第2電極に接続された第3トランジスタと、
前記キャパシタの第2電極と前記第1電源とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記キャパシタの第1電極に接続された第4トランジスタとを含んで構成され、
前記第1、第2トランジスタのオフ状態でのインピーダンスは、前記第3、第4トランジスタのオフ状態でのインピーダンスよりも小さいことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device including a memory cell for storing information in a capacitor,
The memory cell is
A first transistor having a source / drain path connected to a first bit line and a first electrode of the capacitor, and a gate electrode connected to a word line;
A second transistor having a source / drain path connected to a second bit line and a second electrode of the capacitor, and a gate electrode connected to the word line;
A third transistor having a source / drain path connected to the first electrode of the capacitor and a first power supply, and a gate electrode connected to the second electrode of the capacitor;
A fourth transistor having a source / drain path connected to the second electrode of the capacitor and the first power supply, and a gate electrode connected to the first electrode of the capacitor;
The semiconductor device according to claim 1, wherein impedances of the first and second transistors in an off state are smaller than impedances of the third and fourth transistors in an off state.
キャパシタに情報を蓄積するメモリセルを含む半導体装置であって、
前記メモリセルは、
第1ビット線と前記キャパシタの第1電極とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極がワード線に接続された第1トランジスタと、
第2ビット線と前記キャパシタの第2電極とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記ワード線に接続された第2トランジスタと、
前記キャパシタの第1電極と第1電源とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記キャパシタの第2電極に接続された第3トランジスタと、
前記キャパシタの第2電極と前記第1電源とにソースドレイン経路が接続され、ゲート電極が前記キャパシタの第1電極に接続された第4トランジスタとを含んで構成され、
書き込み動作時には、前記第1、第2トランジスタを通じて前記第1、第2ビット線から、前記キャパシタの第1、第2電極の電位を所望の電位に設定し、
読み出し動作時は、前記第1、第2ビット線を一定電位に充電した状態で前記第1、第2トランジスタを導通させ、前記第1、第2ビット線の電位の変化をセンスアンプにより検知増幅し、増幅した電位を再び前記キャパシタの第1、第2電極に書き込み、
非選択状態では、前記第1、第2ビット線を一定電位に充電し、前記第1、第2トランジスタを非導通状態にすることにより、前記第1、第3トランジスタを通じて前記第1ビット線から前記第1電源に流れるリーク電流と、前記第2、第4トランジスタを通じて前記第2ビット線から前記第1電源に流れるリーク電流との違いによって、前記キャパシタの第1、第2電極の電位を保持することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device including a memory cell for storing information in a capacitor,
The memory cell is
A first transistor having a source / drain path connected to a first bit line and a first electrode of the capacitor, and a gate electrode connected to a word line;
A second transistor having a source / drain path connected to a second bit line and a second electrode of the capacitor, and a gate electrode connected to the word line;
A third transistor having a source / drain path connected to the first electrode of the capacitor and a first power supply, and a gate electrode connected to the second electrode of the capacitor;
A fourth transistor having a source / drain path connected to the second electrode of the capacitor and the first power supply, and a gate electrode connected to the first electrode of the capacitor;
During the write operation, the potentials of the first and second electrodes of the capacitor are set to desired potentials from the first and second bit lines through the first and second transistors,
During a read operation, the first and second transistors are turned on while the first and second bit lines are charged to a constant potential, and a change in the potential of the first and second bit lines is detected and amplified by a sense amplifier. Then, the amplified potential is again written to the first and second electrodes of the capacitor,
In the non-selected state, the first and second bit lines are charged to a constant potential, and the first and second transistors are made non-conductive, whereby the first and third transistors are connected to the first bit line. The potential of the first and second electrodes of the capacitor is held by the difference between the leakage current flowing through the first power supply and the leakage current flowing from the second bit line through the second and fourth transistors to the first power supply. A semiconductor device comprising:
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記第1、第2トランジスタのチャネル長Lとチャネル幅Wとの比L/Wは、前記第3、第4トランジスタのチャネル長Lとチャネル幅Wとの比L/Wよりも小さいことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The ratio L / W between the channel length L and the channel width W of the first and second transistors is smaller than the ratio L / W between the channel length L and the channel width W of the third and fourth transistors. A semiconductor device.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記第1、第2トランジスタの閾値電圧は、前記第3、第4トランジスタの閾値電圧よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a threshold voltage of the first and second transistors is smaller than a threshold voltage of the third and fourth transistors.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記キャパシタは電界効果型トランジスタで構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the capacitor comprises a field effect transistor.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記第3、第4トランジスタは、チャネル部の厚さが8nm以下である電界効果型トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The third and fourth transistors are field effect transistors having a channel portion thickness of 8 nm or less.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記第3、第4トランジスタは、チャネル部の厚さが5nm以下である電界効果型トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The third and fourth transistors are field effect transistors having a channel portion thickness of 5 nm or less.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記キャパシタの第1電極と第2電極がいずれも金属であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor device according to claim 1, wherein both the first electrode and the second electrode of the capacitor are metal.
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