JP2007179602A - Semiconductor device - Google Patents

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Kiyoo Ito
清男 伊藤
Riichiro Takemura
理一郎 竹村
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Hitachi Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory cell of a high speed/low voltage DRAM running under a voltage of 1 V or lower and array peripheral circuits thereof. <P>SOLUTION: A DRAM cell is composed of a memory cell transistor in a FD-SOI MOST structure and a planer capacitor. Since it has no junction leakage current, it does not lose the accumulated charge and can operate under a low voltage. Further, the gate and well are connected in a cross coupled sense amplifier using a FD-SOI MOST. Thus, the threshold dynamically changes to achieve high-speed sensing. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、CMOS回路が半導体チップ上に集積された半導集積回路に関する。より特定的には、本発明は、MOSダイナミック・ランダムアクセス・メモリ(DRAM)の低電圧・高速動作を実現する回路方式ならびにデバイス方式に関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit in which a CMOS circuit is integrated on a semiconductor chip. More specifically, the present invention relates to a circuit system and a device system for realizing a low voltage and high speed operation of a MOS dynamic random access memory (DRAM).

MOSトランジスタ(MOST)は、微細化とともにMOSTの閾値電圧Vのばらつきが増大するので、チップ内のMOSTの動作速度が益々ばらつくようになる。この速度ばらつきは、その動作電圧VDDが低下するほど顕著になる。したがって、低電圧動作には、Vのばらつきの少ないMOSTが望まれるようになってきている。図9(b)は、非特許文献1に掲載された図であるが、図示するように、Vのばらつきの標準偏差σはバルクMOSTの微細化とともに増大する。図中σintは、MOSTのチャンネル内の不純物原子の数のばらつきやその位置のばらつきで決まるいわゆるイントリンシックVの標準偏差、σextは、チャンネルの寸法などのばらつきで決まるいわゆるエクストリンシックVの標準偏差である。全体のVばらつきσは両者のばらつきで決まる。微細加工技術が90nm程度でもσは30mV程度にもなる。一個のチップ内では5σ程度のVばらつき(ΔV)を考慮して設計する必要があるので、この値は150mVにもなる。したがって、VDD−(VT0+ΔV)で表されるチップ内の各MOSTの実効ゲート電圧は大きくばらつくようになる。ここでVT0 は、平均のVである。このゲート電圧は、MOSTの負荷駆動電流にほぼ比例するから、たとえば、VT0=0.3V、ΔV=150mVでは、VDDが1V以下になるとMOSTの駆動電流は急激に減少し、0.45Vになると駆動電流はゼロになり回路遅延時間は無限大になる。このようなVばらつきは、ダイナミック・ランダム・アクセスメモリ(DRAM)などに使われるセンスアンプのオフセット電圧(対MOSTのVの差)も増加させ、センス動作を不安定にする。 In MOS transistors (MOST), the variation in threshold voltage V T of MOST increases with miniaturization, so that the operating speed of MOST in a chip becomes more and more varied. This speed variation becomes more prominent as the operating voltage V DD decreases. Therefore, the low-voltage operation has come to a small variation MOST of V T are desired. FIG. 9 (b), is a diagram published in non-patent document 1, as shown, the standard deviation σ of the variations in V T increases with miniaturization of bulk MOST. Figure sigma int is the standard deviation of the so-called intrinsic V T determined by the variation in the number of variations and its position of the impurity atoms in the channel of the MOST, sigma ext is the so-called extrinsic V T determined by the variation of such dimensions of the channel Is the standard deviation. Overall V T variation σ is determined by the variation of both. Even if the microfabrication technology is about 90 nm, σ can be about 30 mV. Since it is necessary to design in consideration of a V T variation (ΔV T ) of about 5σ in one chip, this value is 150 mV. Therefore, the effective gate voltage of each MOST in the chip represented by V DD − (V T0 + ΔV T ) varies greatly. Here, V T0 is an average V T. Since this gate voltage is substantially proportional to the load drive current of MOST, for example, when V T0 = 0.3 V and ΔV T = 150 mV, the drive current of MOST decreases rapidly when V DD becomes 1 V or less. At 45V, the drive current becomes zero and the circuit delay time becomes infinite. Such V T variation, (the difference in V T pairs MOST) offset voltage of the sense amplifier to be used such as dynamic random access memory (DRAM) is also increased, to destabilize the sensing operation.

このような微細化・低電圧化にともなう速度ばらつきや動作の不安定性を抑えるためには、完全空乏型SOI(完全空乏形の2重ゲート構造のSOI(Silicon On Insulator) (以下、FD−SOI)MOSTを使えばよい。該SOIMOSTの詳細な構造と特性は、非特許文献2に記載されている。   In order to suppress such speed variation and instability of operation due to such miniaturization and voltage reduction, a fully depleted SOI (Silicon On Insulator (SOI) with a fully depleted double gate structure (hereinafter referred to as FD-SOI). The detailed structure and characteristics of the SOIMOST are described in Non-Patent Document 2.

非特許文献2に示される構造の概略を以下に示す。図9(a)は、それぞれ、NチャンネルMOST(NMOST)とPチャネルMOST(PMOST)の断面図と等価回路である。ゲートGはNiSiなどの金属珪化物膜ゲート電極、ゲート直下のチャンネル形成部は単結晶半導体薄膜(SOI層)、DあるいはSはP型あるいはN型高濃度極薄ドレインあるいはソース拡散層、BOXは埋め込み酸化膜層(BOX層:Buried OXide)、BOXの直下にはPMOSTならn+ウェル層、NMOSTならp+ウェル層とその直下にさらに深いnウェル層(n−Well)が形成され、それらはp型基板の上に集積されている。このMOSTの特長は、図9(c)に示すように、ゲート材料の種類とBOX層下のウェルの濃度、それにウェル層に印加する電圧でVを制御できることである。実際のMOSTは、チャンネル長(Lg)は100nm以下、MOSTが形成されているSOI層の厚さは20nm以下、BOX層の厚さは10nm以下、その下部のウェル層の濃度は1016cm−3から1018cm−3程度である。前述したように、薄いBOX膜などによって、MOSTのVのばらつきのσは、従来のバルク構造の20パーセント以下(図9(b))に低減される。ランダムなばらつきなのでセンスアンプのオフセットを決定するイントリンシックのVばらつきにいたっては、10分の1以下と無視できるほど小さくなる。該2重ゲートMOST構造は、上部のMOSTと下部のMOSTが並列接続された一個のMOSTとみなすことができる。ここで下部のMOSTでは、ウェルがゲートでBOX層がゲート絶縁膜になる。したがって、図9(c)のNMOSTの例で示すように、下部のウェル電圧を変えると2重ゲートMOST全体の閾値電圧Vを大きく変えることができる。ウェル層は他から絶縁されているので、pn接合リーク電流を発生させることなく、ウェル電圧を大きく変化させられるからである。 The outline of the structure shown in Non-Patent Document 2 is shown below. FIG. 9A is a cross-sectional view and an equivalent circuit of an N-channel MOST (NMOST) and a P-channel MOST (PMOST), respectively. The gate G is a metal silicide film gate electrode such as NiSi, the channel forming part immediately below the gate is a single crystal semiconductor thin film (SOI layer), D or S is a P-type or N-type highly concentrated ultrathin drain or source diffusion layer, and BOX is A buried oxide layer (BOX layer: Buried OXide), an n + well layer is formed immediately below the BOX in the case of PMOST, a p + well layer in the case of NMOST, and a deeper n well layer (n-well) is formed directly below the n + well layer. Integrated on the substrate. Features of this MOST is as shown in FIG. 9 (c), the type and concentration of the well under the BOX layer of gate material, it is to be controlled V T The voltage applied to the well layer. In an actual MOST, the channel length (Lg) is 100 nm or less, the thickness of the SOI layer in which the MOST is formed is 20 nm or less, the thickness of the BOX layer is 10 nm or less, and the concentration of the well layer below it is 10 16 cm −. It is about 3 to 10 18 cm −3 . As described above, by a thin BOX layer, the σ of the variations in V T of MOST, 20 percent of the conventional bulk structure below is reduced (FIG. 9 (b)). Since random variation is reached to the V T variation intrinsic to determine the offset of the sense amplifier becomes negligibly small as 1/10 or less. The double gate MOST structure can be regarded as a single MOST in which an upper MOST and a lower MOST are connected in parallel. Here, in the lower MOST, the well is the gate and the BOX layer is the gate insulating film. Therefore, as shown in the example of the NMOST in FIG. 9C, the threshold voltage V T of the entire double gate MOST can be greatly changed by changing the lower well voltage. This is because the well layer is insulated from others, so that the well voltage can be greatly changed without generating a pn junction leakage current.

M. Yamaoka et al., " Low Power SRAM Menu for SOC Application Using Yin−Yang−Feedback Memory Cell Technology," Symp. VLSI Circuits Dig., pp.288−291, June 2004M. Yamaoka et al., "Low Power SRAM Menu for SOC Application Using Yin-Yang-Feedback Memory Cell Technology," Symp. VLSI Circuits Dig., Pp.288-291, June 2004

R. Tsuchiya et al., "Silicon on Thin BOX: A New Paradigm of The CMOSFET for Low−Power and High−Performance Application Featuring Wide−Range Back−Bias Control," IEDM Dig. Tech. Papers, pp. 631−634, Dec. 2004R. Tsuchiya et al., "Silicon on Thin BOX: A New Paradigm of The CMOSFET for Low-Power and High-Performance Application Featuring Wide-Range Back-Bias Control," IEDM Dig. Tech. Papers, pp. 631-634 , Dec. 2004

一方、DRAMでは、データ対線を浮遊状態のVDD/2にプリチャージした後に、ワード線を駆動してデータ線に読み出されたメモリセルの微小信号電圧を、該VDD/2のレベルを参照して差動増幅器(センスアンプ)で弁別する。このセンス方式はミッド・ポイント・センシング(mid−point sensing)とも呼ばれ、メモリセルアレー内に雑音を発生させないうえに、データ線の充電電流が少なく低消費電力に適していることは良く知られている。しかしセンスアンプがVDD/2という低電圧をもとに動作するので、本来、高速動作は困難である。したがって、このような条件下でも高速に増幅できる回路・デバイス方式が見出せれば、その分だけVDDを下げることができる。 On the other hand, in the DRAM, after the data pair line is precharged to V DD / 2 in a floating state, the minute signal voltage of the memory cell read to the data line by driving the word line is set to the level of V DD / 2. And discriminate with a differential amplifier (sense amplifier). This sensing method is also called mid-point sensing, and it is well known that it does not generate noise in the memory cell array and is suitable for low power consumption because it has a small data line charging current. ing. However, since the sense amplifier operates based on a low voltage of V DD / 2, it is inherently difficult to operate at high speed. Therefore, if a circuit / device system capable of high-speed amplification under such conditions is found, V DD can be lowered accordingly.

本明細書に記載される発明のうち、代表的なものは以下の通りである。   Among the inventions described in this specification, typical ones are as follows.

メモリセルを駆動する複数のワード線と、ワード線と直交しメモリセルと情報の授受を行う複数のデータ対線と、ワード線とデータ線の交点に接続された1個のMOSトランジスタと1個のキャパシタから成るメモリセルの複数個と、データ線をプリチャージするMOSトランジスタから成り、データ線をプリチャージすることによってデータ線に結合する電圧は、ワード線を駆動することによってデータ線に結合する電圧にほぼ等しいかあるいは小さく、かつ2つの結合電圧は互いに逆極性である。   A plurality of word lines for driving the memory cells, a plurality of data pairs orthogonal to the word lines and for exchanging information with the memory cells, one MOS transistor and one connected to the intersection of the word lines and the data lines A voltage coupled to the data line by precharging the data line is coupled to the data line by driving the word line. The voltage is approximately equal to or smaller than the voltage, and the two combined voltages have opposite polarities.

更に好ましくは、データ線をプリチャージすることによってデータ線に結合する電圧は、データ線の取りうる電圧の最小値側に向かって結合するものであり、ワード線を駆動することによってデータ線に結合する電圧は、データ線の取りうる電圧の最大値側に向かって結合するものである。   More preferably, the voltage coupled to the data line by precharging the data line is coupled toward the minimum value of the voltage that the data line can take, and is coupled to the data line by driving the word line. The voltage to be coupled is to be coupled toward the maximum value side of the voltage that can be taken by the data line.

また、別の観点から見れば、メモリセルを駆動する複数のワード線と、ワード線と直交しメモリセルと情報の授受を行う複数のデータ対線と、ワード線とデータ線の交点に接続された1個のMOSトランジスタと1個のキャパシタから成るメモリセルの複数個と、データ線をプリチャージするMOSトランジスタから成り、データ線をプリチャージすることによってデータ線に結合する電圧は、データ線の取りうる電圧の最大値側に結合するものである。   From another point of view, it is connected to a plurality of word lines that drive the memory cells, a plurality of data pairs that are orthogonal to the word lines and exchange information with the memory cells, and intersections of the word lines and the data lines. A plurality of memory cells each composed of one MOS transistor and one capacitor and a MOS transistor for precharging the data line, and the voltage coupled to the data line by precharging the data line is It is coupled to the maximum value side of the voltage that can be taken.

さらに望ましくは、データ線のプリチャージ電圧は、データ線の取りうる電圧の最大値と最小値のほぼ中間に設定される。   More preferably, the precharge voltage of the data line is set to be approximately halfway between the maximum value and the minimum value of the voltage that can be taken by the data line.

また、別の観点から見れば、第1のゲートと埋め込み酸化膜の下に存在するウェル層を第2のゲートとする2重ゲートを有する完全空乏形SOI構造のMOSトランジスタを含む回路と、その構造のMOSトランジスタとキャパシタから成るメモリセルを含むものである。   From another point of view, a circuit including a fully-depleted SOI structure MOS transistor having a double gate having a first gate and a well layer existing below the buried oxide film as a second gate, It includes a memory cell composed of a MOS transistor and a capacitor having a structure.

更に望ましくは、キャパシタは、その構造のMOSトランジスタの第1のゲートを第1の電極とし、MOSトランジスタのドレインあるいはソースを第2の電極とする。   More preferably, the capacitor uses the first gate of the MOS transistor having the structure as the first electrode and the drain or source of the MOS transistor as the second electrode.

本発明によれば、CMOS DRAMの低電圧化、高速化ならびに小型化が可能になる。   According to the present invention, it is possible to reduce the voltage, increase the speed and reduce the size of the CMOS DRAM.

本発明は、FD−SOIのMOST構造あるいはその特性を活かした、1V以下の低電圧DRAMに好適な高速DRAM用のメモリセル、メモリセルアレー、あるいはセンスアンプなどの周辺回路を提供するものである。   The present invention provides a peripheral circuit such as a memory cell, a memory cell array, or a sense amplifier for a high-speed DRAM suitable for a low-voltage DRAM of 1 V or less, utilizing the FD-SOI MOST structure or its characteristics. .

即ち、上述したFD−SOIMOSTの特性を使えば、安定動作に優れる低電圧DRAMが実現する可能性である。FD−SOIMOSTは、上記のように、Vのばらつきが小さく、したがってセンスアンプのオフセット電圧も無視できるほど小さくなる。たとえば3シグマ(標準偏差)で5mV以下にもでき、その分だけ実効的に雑音が小さくなり、また増幅速度のばらつきも小さくなるから、SOIMOSTはDRAMに好適なデバイスである。 That is, if the above-described FD-SOIMOST characteristics are used, a low-voltage DRAM having excellent stable operation can be realized. FD-SOI MOST, as described above, the variation of V T is small, hence the smaller the ignorable offset voltage of the sense amplifier. For example, since 3 sigma (standard deviation) can be reduced to 5 mV or less, noise is effectively reduced by that amount, and variation in amplification speed is also reduced. Therefore, SOIMOST is a suitable device for DRAM.

以下、実施例に従い、SOIMOSTを用いたDRAMについて詳細に説明する。   Hereinafter, a DRAM using SOIMOST will be described in detail according to an embodiment.

図1は、本発明の一実施例で、SOIMOSTを用いたDRAMの断面図である。このような構造をとると、メモリセルの電荷蓄積ノード内に余分な不純物を拡散していないのでリーク電流は無視できるほど小さい、したがってリフレッシュ時間が十分長くなるなどのデータ保持特性が改善される、アルファ線や宇宙線が入射してもセル内の収集面積が極めて小さいのでソフトエラーは無視できるほど小さくなる、あるいはVのばらつきが顕著に少なくなるのでセンスアンプのオフセット電圧が小さくなりその感度が向上する。さらには、DRAMではデータ線からの高電圧(VDD)をセルノードにフルに書き込むためにワード電圧をVDD+V以上に昇圧する必要があるが、この昇圧電圧もVのばらつきが少ない分だけ小さくでき、また基板効果がないので、ワード回路の低電圧設計が可能となる。周辺のロジック回路とほぼ同じ構造を使って高集積なメモリセルやセンスアンプを構成できる利点もある。メモリセル(MC)は、スイッチ用のNMOSTと情報電荷蓄積用のNMOSキャパシタ(図では平面構造)から構成されている。メモリセルでは、NMOSTのゲートはワード線(図1ではWL)に、またソースあるいはドレインはデータ線DLに、またドレインあるいはソースはキャパシタ電極に接続されている。該セル内のコンタクトからメタル配線で形成されたデータ線DLは、図2のように、ワード線WLの上部をワード線WLに直交して配線される。キャパシタは該MOSTとともに、SOI層、BOX、ならびに直流電圧(たとえば0.5V)の印加されたp型ウェル層(p+)を共有し、それらは共通のn−ウェル(n−Well)の上部に形成されている。電極PLには、良く知られているように、データ線の最大電圧VDDの半分、すなわちVDD/2が印加されている。2値の情報蓄積電圧VDDと0Vの両者に対してキャパシタの電極間電圧は最小になり、一定のストレス電圧に対してキャパシタ絶縁膜は薄くでき、その分だけ容量値が大きく取れるからである。ここで、セルにVDDが書き込まれる場合にも、セル内のMOSTのソースと電極PLの間に大きな容量を形成させるためには、キャパシタの電極PLにVDD/2が印加された状態でMOS構造のキャパシタを深く空乏層化させる必要がある。通常スイッチMOSTのVはエンハンス型なので、結局、MOSキャパシタのゲート(電極PL)材料は、該MOSTとは異なる仕事関数の材料でなければならない。通常、電極PL材料は、ワード線材料よりも仕事関数の小さい、たとえば、ワード線材料がNiSiならErSixなどや、ワード線材料がPtSiならばNiSiになる。ここでメモリセルのリフレッシュ時間を確保するために、サブスレッショルド電流を抑えなければならない。このため、該MOSTのVはある一定の値、たとえば0.7V以上に選ばなければならないが、該Vをそれほど大きく選べない場合には、周知のように、非選択時のワード線電圧を負にして実効的にVを大きくすることができる。たとえば、後述するように、VT0=0.2Vなら、ワード電圧は、非選択時には−0.5V(後述)、選択時にはVDDが0.5Vの時には、1.2Vに選べばよい。さらに、本実施例では、小型化のために、センスアンプのp−ウェル(p+)とアレーのp−ウェル(p+)は同じ層で構成し、センスアンプ内のNMOSTとセル内のスイッチNMOSTは浅い溝形アイソレーション(STI)で分離し、センスアンプ内あるいは周辺回路内のNMOSTとPMOSTとは深い他の溝形アイソレーション(STI)で分離している。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a DRAM using SOIMOST according to an embodiment of the present invention. With such a structure, the leakage current is negligibly small because no extra impurity is diffused in the charge storage node of the memory cell, and therefore the data retention characteristics such as a sufficiently long refresh time are improved. since the collection area within even cell alpha and cosmic rays are incident is extremely small soft error is negligible, or its sensitivity offset voltage becomes smaller in the sense amplifier because the variation of V T is significantly reduced improves. Furthermore, it is necessary to boost the word voltage to write high voltage from the data line in the DRAM (V DD) to the full cell node than V DD + V T, the variation of the boosted voltage V T less min Since it can be made as small as possible and there is no substrate effect, a low voltage design of the word circuit becomes possible. There is also an advantage that a highly integrated memory cell and sense amplifier can be configured using almost the same structure as the peripheral logic circuit. The memory cell (MC) is composed of an NMOST for switching and an NMOS capacitor for storing information charges (planar structure in the figure). In the memory cell, the gate of the NMOST is connected to the word line (WL 0 in FIG. 1), the source or drain is connected to the data line DL, and the drain or source is connected to the capacitor electrode. Data line DL formed of metal wire from the contact within the cell, as shown in FIG. 2, it is wired orthogonally top of the word lines WL 0 to the word line WL 0. The capacitor shares with the MOST an SOI layer, a BOX, and a p-type well layer (p +) to which a DC voltage (for example, 0.5 V) is applied, and they are on the top of a common n-well (n-Well). Is formed. As is well known, half of the maximum voltage V DD of the data line, that is, V DD / 2, is applied to the electrode PL. This is because the voltage between the electrodes of the capacitor is minimized with respect to both the binary information storage voltage V DD and 0 V, and the capacitor insulating film can be made thinner with respect to a certain stress voltage, and the capacitance value can be increased accordingly. . Here, even when V DD is written in the cell, in order to form a large capacitance between the source of the MOST in the cell and the electrode PL, V DD / 2 is applied to the electrode PL of the capacitor. It is necessary to deepen a MOS structure capacitor into a depletion layer. Since V T of the normal switch MOST of enhancement type, after all, the MOS capacitor gate (electrode PL) material must be a material different work function with the MOST. Usually, the electrode PL material has a work function smaller than that of the word line material, for example, ErSi x if the word line material is NiSi, or NiSi if the word line material is PtSi. Here, in order to ensure the refresh time of the memory cell, the subthreshold current must be suppressed. Therefore, a constant value V T is in the said MOST, for example, must be chosen above 0.7 V, if not choose a much larger the V T, as is well known, the non-selection time of the word line voltage it can be increased effectively V T to the negative. For example, as will be described later, if V T0 = 0.2V, the word voltage may be selected to be −0.5V (described later) when not selected, and 1.2V when V DD is 0.5V when selected. Further, in this embodiment, for the purpose of miniaturization, the p-well (p +) of the sense amplifier and the p-well (p +) of the array are formed of the same layer, and the NMOST in the sense amplifier and the switch NMOST in the cell are It is separated by shallow trench isolation (STI), and NMOST and PMOST in the sense amplifier or the peripheral circuit are separated by other trench isolation (STI).

図2は基準寸法をFとしてレイアウトした2種類のセル、図3はそれらに対応したデータ線回路である。SOIMOSTを使わなくても、低雑音で高集積なセルレイアウトであるが、SOI構造なら上述した顕著な利点が出てくるので、断面はSOI構造であることを前提に説明する。尚、図1に示されているセル断面は、これらのセルのA−A’断面である。セル(a)は、図3(a)に示すように、ワード線WLとデータ対線(DLと/DL)2つの交点の一方に接続されたセル(以下、1−Tセルと略称)で、セル1個で1ビットの情報を扱う。ここで、DLに接続されているセルが読み出される場合を考えてみよう。蓄積電圧がVDDなら、該VDDとデータ線のプリチャージ電圧VDD/2の差とセルノードの容量Cとデータ線容量Cの大きさで決まる信号電圧v
=(VDD/2)・C/(C+C
が、プリチャージ後のデータ線(DL)の浮遊電圧VDD/2に重畳して出力する。その極性はVDD/2に対して正極性である。もし蓄積電圧が0Vなら、同様にして、その信号は負極性である。1−Tセルでは、一方のデータ線(/DL)電圧はVDD/2のままで、該VDD/2を基準にして、上記の正極性あるいは負極性の信号はセンスアンプ(図中SA)で弁別される。図4のセンスアンプは、交差結合型のNMOSアンプ(MとM)とPMOSアンプ(MとM)が縦積みされた構成で、通常はNMOSアンプを動作して、ある程度信号を増幅した後でPMOSアンプを動作させるので、高速化にはNMOSアンプでできるだけ高速に増幅する必要がある。一方、2−Tセルは、図3(b)に示すように、2つの交点のそれぞれに接続されたセル(以下2−Tセルと略称)であり、2個のセルの一方にVDD、他方に0V、あるいはその逆に一方に0V、他方にVDDを蓄積して読み出すことで1ビットの情報を扱う。したがって、データ対線のそれぞれに、蓄積情報によってその組み合わせは異なるが、常に正負の信号が出力され、この組み合わせがセンスアンプ(SA)で弁別される。図2では、1ビットで比較すると、両方のセル面積は同じセル面積(37.5F)である。したがって、1個のセル内のキャパシタの容量値Cは2−Tセルの方が小さい。たとえば、65ナノメータのプロセス技術でキャパシタ酸化膜厚が2.2nmの場合、酸窒化シリコン膜(SiON)等の比誘電率6〜7の高誘電体膜を用いることで、Cは1−Tセルでは2.0fF、2−Tセルでは0.75fFを実現できる。2−Tセルでは、正負のセル信号が差動で読み出されるから、実効的なCは0.75fF の2倍の1.5fF となる。それでも1−TセルはCが大きい分だけ信号電圧は大きく、また、Cの面積が大きい分だけ、Cは加工ばらつきの影響を受け難い利点がある。一方、2−Tセルには、各種の雑音が少ないという利点がある。たとえば、図2(b)のレイアウトと図3(b)の動作方式を組み合わせると、隣接するデータ線から影響を受けにくいアレー構成が可能である。すなわち、図示するように、ひとつおきのデータ対線、たとえばDLと/DLならびにDLと/DLに信号を読み出し、センスアンプSAとSAを選択的に動作させれば、動作する対線同士は動作させない対線でシールドされるので他のデータ線から雑音を受け難くなる。これに対して、1−Tセルでは、すべてのデータ対線に信号が読み出されてから、それらをすべてのセンスアンプを同時に動作させて増幅するので、データ線間容量を介して隣接データ線の電圧変化の影響を受けやすい。この種の雑音は、対線を交差する方法で相殺できるが面積が増加する。また1−Tセルでは、ワード線を駆動した状態でセンスアンプを動作させる時、セル容量Cの分だけデータ対線が電気的に不平衡になる。この不平衡は、センスアンプで増幅中に雑音として作用する。これに対して2−Tセルでは、対線のそれぞれにCが付加されるから、データ対線は常に平衡で雑音は発生しない。
FIG. 2 shows two types of cells laid out with a reference dimension F, and FIG. 3 shows data line circuits corresponding to them. Even if the SOIMOST is not used, the cell layout is low noise and highly integrated. However, the SOI structure has the above-described significant advantages, and therefore the description will be made on the assumption that the cross section is the SOI structure. In addition, the cell cross section shown by FIG. 1 is an AA 'cross section of these cells. As shown in FIG. 3A, the cell (a) is a cell (hereinafter abbreviated as 1-T cell) connected to one of two intersections of a word line WL and a data pair line (DL and / DL). 1-bit information is handled in one cell. Consider the case where a cell connected to the DL is read out. If the storage voltage V DD, the V DD and the data line precharge voltage V DD / 2 of the difference and the cell node capacitance C S and the data line capacitance C signal voltage determined by the magnitude of D v S
v S = (V DD / 2) · C S / (C S + C D )
Is superimposed on the floating voltage V DD / 2 of the precharged data line (DL) and output. Its polarity is positive with respect to V DD / 2. If the accumulated voltage is 0V, the signal is negative in the same manner. 1-T in cell, remains one of the data lines (/ DL) voltage V DD / 2, based on the V DD / 2, the positive polarity or negative polarity of the signal of the sense amplifier (figure SA ). The sense amplifier shown in FIG. 4 has a configuration in which cross-coupled NMOS amplifiers (M 1 and M 2 ) and PMOS amplifiers (M 3 and M 4 ) are vertically stacked. Since the PMOS amplifier is operated after amplification, it is necessary to amplify as fast as possible with the NMOS amplifier in order to increase the speed. On the other hand, as shown in FIG. 3B, the 2-T cell is a cell connected to each of two intersections (hereinafter abbreviated as 2-T cell), and one of the two cells has V DD , on the other hand the handle 0V, or 0V to one vice versa, one bit of information by reading and other accumulated V DD to. Therefore, although the combination differs depending on the accumulated information, a positive / negative signal is always output to each data pair line, and this combination is discriminated by the sense amplifier (SA). In FIG. 2, when compared with 1 bit, both cell areas are the same cell area (37.5 F 2 ). Therefore, the capacitance value C S of the capacitor in one cell is smaller 2-T cells. For example, if the capacitor oxide film thickness of 2.2nm in 65 nanometer process technology, the use of the high dielectric film having a relative dielectric constant 6-7 such as silicon oxynitride film (SiON), C S is 1-T A cell can achieve 2.0 fF and a 2-T cell can achieve 0.75 fF. The 2-T cells, since the positive and negative cell signal is read out by the differential, the effective C S is twice the 1.5fF of 0.75FF. Still 1-T cell C S is larger amount corresponding signal voltage is large, also, only a large amount area of C S, C S has the advantage of not easily influenced by the processing variations. On the other hand, the 2-T cell has an advantage that there are few noises. For example, when the layout of FIG. 2B and the operation method of FIG. 3B are combined, an array configuration that is not easily affected by adjacent data lines can be obtained. That is, as shown in the figure, if signals are read out to every other data pair line, for example, DL 0 and / DL 0 and DL 2 and / DL 2 , and the sense amplifiers SA 0 and SA 2 are selectively operated, Since the paired wires are shielded by the paired wires that are not operated, it is difficult to receive noise from other data lines. On the other hand, in the 1-T cell, after signals are read out to all the data pair lines, they are amplified by operating all the sense amplifiers at the same time. Susceptible to voltage changes. This type of noise can be canceled out by crossing pairs, but the area increases. In addition 1-T cell, when operating the sense amplifier in a state of driving the word line, an amount corresponding data line pair of the cell capacitance C S is electrically unbalanced. This unbalance acts as noise during amplification in the sense amplifier. On the other hand, in the 2-T cell, since CS is added to each of the paired lines, the data paired lines are always balanced and no noise is generated.

他の導体からデータ対線に結合する電圧もセル動作やセンスアンプの動作に影響を与えるので、この観点から1−Tセルと2−Tセルを比較してみよう。ここで、メモリセルMOSTのV(すなわちVTM)、プリチャージMOSTのV(VTP)、ならびに増幅開始時のセンスアンプMOSTのV(VTS)をそれぞれ0.2V、0.1V、0.1Vと仮定する。セルMOSTのVTMは、前述したように、非選択時にデータ線に流れるMOSTのサブスレッショルド電流を抑えてセルのリフレッシュ時間を十分確保するためには、0.7V程度に高くする必要がある。本実施例では、キャパシタとワード線の電極材の選択の容易さの点から、実際のVTMを0.2Vにし、非選択時の負のワード電圧−0.5Vの助けを借りて実効的にVTMを所要の0.7Vにしている。プリチャージMOSTのVTPは、周辺のロジック回路のVと同程度にできる。ここで、プリチャージ時は、データ対線がVDDと0Vになった後にそれらをVDD/2にプリチャージする必要があるので、プリチャージ信号の振幅はVDD+VTP以上でなければならない。センスアンプのVTSは低いことが望まれる。増幅開始時のセンスアンプMOSTの実効ゲート電圧をできるだけ高くするためである。しかしこの値には下限がある。このVが低すぎると、読み出された信号を増幅しようとしても瞬時にMOSTが導通し信号が消失してしまうからである。センス時間は長くても10ns程度で、その程度の時間だけ信号を保持できればよいので、実際にはさらに小さくできて、VTSは−0.05V程度にできる。 Since the voltage coupled from the other conductor to the data pair line also affects the cell operation and the operation of the sense amplifier, the 1-T cell and the 2-T cell will be compared from this viewpoint. Here, V T (i.e. V TM) memory cells MOST, V T (V TP) of the precharge MOST, and V T (V TS) to 0.2V respective sense amplifier MOST amplification start time, 0.1 V , 0.1V. As described above, the VTM of the cell MOST needs to be increased to about 0.7 V in order to suppress the subthreshold current of the MOST flowing in the data line when not selected and to ensure a sufficient cell refresh time. In this embodiment, from the viewpoint of easy selection of the electrode material of the capacitor and the word line, the actual VTM is set to 0.2 V, and it is effective with the help of the negative word voltage −0.5 V when not selected. VTM is set to the required 0.7V. V TP of the precharge MOST may to the same extent as V T of the peripheral logic circuit. Here, at the time of precharging, since it is necessary to precharge them to V DD / 2 after the data pair lines become V DD and 0 V, the amplitude of the precharge signal must be V DD + V TP or more. . It is desired that the VTS of the sense amplifier is low. This is because the effective gate voltage of the sense amplifier MOST at the start of amplification is made as high as possible. However, this value has a lower limit. This is because if this VT is too low, the MOST is turned on instantaneously and the signal disappears even if an attempt is made to amplify the read signal. At about 10ns even sense time is long, since it is sufficient hold signal by that much time, and can actually even smaller, V TS can be in the order of -0.05 V.

このような条件下でデータ対線への結合電圧を検討してみよう。なお、前述したように、隣接データ線からの結合雑音は小さくできるのでここでは無視する。信号電圧をセンスするまでに電圧が結合するタイミングは、プリチャージ終了時とワード線駆動時である。図4で、データ線DLに接続されているメモリセルMCを読み出す場合を例にとろう。振幅Vのプリチャージ信号が高レベルから低レベルに駆動されNMOSで構成されたプリチャージ回路PCがオフになる時、その駆動線とデータ線間の容量C、より具体的にはプリチャージ回路を構成する3個のMOSTの合計のゲート容量によって、データ対線には負方向の電圧Δ(C)が等しく結合する。ゲート容量は、プリチャージ信号がVからほぼVDD/2+VTPまで降下する期間中だけ形成されるので、この結合電圧は、
Δ(C)=(VP−DD/2−VTP)・C/(C+C
となる。またワード線を駆動すると、ワード線とデータ線の線間容量によってそれぞれのデータ線に電圧が結合し、これが信号電圧に重畳する。1−Tセルでは、信号電圧は常にセルが接続されたデータ線DLにのみ読み出され、他方のデータ線には読み出されない。またセルが接続されている方の上記線間容量CWDはMOSTを介した大きなゲート容量なのに対して、それが接続されていない線間容量C'WDは無視できるほど小さな交差配線容量である。したがって、データ線DLには、ほぼCWDに対応する正方向の電圧Δ(CWD)が結合するが、他方のデータ線/DLには結合しない。ゲート容量は、ワード電圧がVからほぼVDD/2+VTMに下降する期間だけ形成されるから、
Δ(CWD)=(V−VDD/2−VTM)CWD/(CWD+C+C
となる。2−Tセルに対しても、同様に結合電圧が求められる。ただし、2−Tセルでは、セルの記憶情報によって、正負の組み合わせは異なるものの、常に正負の信号がデータ対線に読み出される。また上記のΔ(CWD)もデータ対線に等しく結合する。
Let's examine the coupling voltage to the data pair under these conditions. As described above, since the coupling noise from the adjacent data line can be reduced, it is ignored here. The timing at which the voltages are combined before the signal voltage is sensed is when the precharge ends and when the word line is driven. In the example shown in FIG. 4, the memory cell MC connected to the data line DL is read. When the precharge signal amplitude V P precharge circuit PC, which is an NMOS is driven low will be turned off from the high level, capacitor C P between the driving lines and the data lines, precharge and more specifically Due to the total gate capacitance of the three MOSTs constituting the circuit, a negative voltage Δ (C P ) is equally coupled to the data pair. Since the gate capacitance is formed only during the period when the precharge signal drops from VP to approximately V DD / 2 + V TP , this coupling voltage is
Δ (C P ) = (V P− V DD / 2−V TP ) · C P / (C P + C D )
It becomes. When the word line is driven, a voltage is coupled to each data line due to the capacitance between the word line and the data line, and this is superimposed on the signal voltage. In the 1-T cell, the signal voltage is always read only to the data line DL to which the cell is connected, and is not read to the other data line. Also the line capacitance C WD towards the cell are connected whereas a large gate capacitance via the MOST, a small cross-wiring capacitance as it is negligible capacitance C 'WD between the lines that are not connected. Thus, the data line DL, but the positive direction of the voltage corresponding to the substantially C WD Δ (C WD) are attached, do not bind to the other data line / DL. Since the gate capacitance is formed only during the period when the word voltage drops from V W to approximately V DD / 2 + V TM ,
Δ (C WD ) = (V W −V DD / 2−V TM ) C WD / (C WD + C S + C D )
It becomes. The coupling voltage is similarly determined for the 2-T cell. However, in the 2-T cell, although the positive / negative combination differs depending on the stored information of the cell, the positive / negative signal is always read to the data pair line. The above Δ (C WD ) is also coupled equally to the data pair.

図5は、センスアンプ動作直前のデータ対線それぞれの電圧、差動電圧(対線間の電圧差)ならびにセンスアンプ内のオンとなるべきMOSTのゲート電圧を比較したものである。明らかに、1−Tセルでは、結合電圧を考慮に入れた実効信号電圧は、負極性信号(図中‘L’読み出し)ではΔ(CWD)の分だけ小さくなり、逆に正極性信号(図中‘H’読み出し)ではΔ(CWD)の分だけ大きくなる。これに対して、2−Tセルでは、常に一定で正負の極性の信号の和に等しい。また、センスアンプのオンすべきMOSTのゲート電圧は、1−Tセルでは、‘L’読み出しのほうが‘H’読み出しよりもΔ(CWD)と信号電圧(vS1)の和の分だけ小さくなる。したがってセンスアンプの高速動作は‘L’読み出しのほうで決まってしまう。一方、2−Tセルでは、上記の‘L’読み出しの場合よりもΔ(CWD)とその信号電圧(vS2)の和だけ大きい。つまり2−Tセルの方がセンスアンプは高速動作することになる。1−Tセルか2−Tセルかを問わず、セル信号を高速にセンスするには、最初にオンとなるべきMOSTのゲート電圧が高いほどよい。このためには、信号電圧とVDDが一定のもとでは、図5から、Δ(C)をできるだけ小さくする、あるいはΔ(CWD)− Δ(C)をできるだけ大きくすることである。したがって、プリチャージ時の結合電圧をワード線駆動時のそれよりもできるだけ小さくする、あるいはプリチャージ時の結合電圧をできるだけ小さくしなければならない。そのためには、たとえば、プリチャージ回路内のMOSTの寸法を小さくする、あるいはプリチャージ信号の電圧振幅を小さくすればよい。このことは、図6のセンスアンプ起動前のデータ対線電圧波形からも明らかである。図は、ワード線駆動時の結合電圧を一定にして、プリチャージ回路を構成する3個のMOSTの1つあたりのチャンネル幅Wをパラメータにした波形で、明らかに、‘L’読み出し、‘H’読み出しともに、Wを小さくしていくとプリチャージ時の参照電圧は上がる。あるいはもっと積極的にプリチャージ回路をPMOSで構成し、プリチャージ時にプリチャージ信号を低レベルから高レベルに立ち上げれば、データ線の結合電圧は正の方向になるので実効ゲート電圧はさらに増加しセンス速度を高速化できる。 FIG. 5 compares the voltage of each data pair line immediately before the sense amplifier operation, the differential voltage (voltage difference between the pair lines), and the gate voltage of the MOST to be turned on in the sense amplifier. Apparently, in the 1-T cell, the effective signal voltage taking the coupling voltage into consideration is smaller by Δ (C WD ) in the negative polarity signal (“L” reading in the figure), and on the contrary, the positive polarity signal ( In the figure, “H” reading) increases by Δ (C WD ). On the other hand, in the 2-T cell, it is always equal to the sum of signals of constant positive and negative polarity. Further, the gate voltage of the MOST to be turned on by the sense amplifier is smaller in the 1-T cell by the sum of Δ (C WD ) and the signal voltage (v S1 ) in the “L” reading than in the “H” reading. Become. Therefore, the high speed operation of the sense amplifier is determined by 'L' reading. On the other hand, in the 2-T cell, the sum of Δ (C WD ) and the signal voltage (v S2 ) is larger than that in the case of the above “L” reading. That is, the sense amplifier operates at a higher speed in the 2-T cell. Regardless of whether it is a 1-T cell or a 2-T cell, in order to sense a cell signal at high speed, the higher the gate voltage of the MOST to be turned on first, the better. For this purpose, it is to make Δ (C P ) as small as possible or Δ (C WD ) −Δ (C P ) as large as possible from FIG. 5 when the signal voltage and V DD are constant. . Therefore, the coupling voltage at the time of precharging must be made as small as possible than that at the time of driving the word line, or the coupling voltage at the time of precharging must be made as small as possible. For this purpose, for example, the size of the MOST in the precharge circuit may be reduced, or the voltage amplitude of the precharge signal may be reduced. This is also apparent from the data pair voltage waveform before activation of the sense amplifier in FIG. Figure by the coupling voltage at the word line driving constant, the waveform in which the channel width W P per one of the three MOST constituting a precharge circuit parameters, apparently, 'L' read ' H 'to read both the reference voltage during the precharge As you decrease the W P rises. Alternatively, if the precharge circuit is configured with PMOS more actively and the precharge signal is raised from low level to high level during precharge, the effective voltage on the gate increases further because the data line coupling voltage becomes positive. Sense speed can be increased.

尚、バルクCMOSを用いた1−Tセルでは、FD−SOIとは異なり、セル内のリーク電流やソフトエラーが問題になるが、これらは’H’側、すなわちVDDが蓄えられた場合の蓄積電圧を減少させる。したがって、’H’をデータ線DLに読み出した場合、データ線/DLの電圧(参照電圧)に対する差の電圧、すなわちその信号電圧は小さくなる。相対的に’L’側、すなわち0Vが蓄えられた場合の信号電圧が大きくなるから、上記の減少分だけ結合電圧Δ(CWD)− Δ(C)を下げておけばよい。つまり逆にΔ(C)を大きくすればよい。また、FD―SOIやバルクCMOSを問わず、2−Tセルでは、正負の極性の信号電圧の大きさとセンスアンプMOSTのゲート電圧の大きさを勘案して、結合電圧をVDD/2(250mV)の中心値に対して、正負の極性の信号が対称に読み出されるように設定する場合もある。このためには、プリチャージMOSTのゲートサイズとして、メモリセルMOSTのゲート面積の半分程度となるW=50−100nm程度が望まれる。 In the 1-T cell using the bulk CMOS, unlike the FD-SOI, the leak current and the soft error in the cell become a problem. However, these are the cases where the “H” side, that is, the V DD is stored. Reduce the stored voltage. Therefore, when “H” is read out to the data line DL, the difference voltage with respect to the voltage (reference voltage) of the data line / DL, that is, the signal voltage becomes small. Since the signal voltage becomes relatively large on the 'L' side, that is, when 0V is stored, the coupling voltage Δ (C WD ) −Δ (C P ) may be lowered by the amount of decrease. In other words, Δ (C P ) should be increased conversely. Regardless of the FD-SOI or bulk CMOS, in the 2-T cell, the coupling voltage is set to V DD / 2 (250 mV in consideration of the magnitude of the signal voltage of positive and negative polarity and the magnitude of the gate voltage of the sense amplifier MOST. ) May be set so that positive and negative polarity signals are read out symmetrically. For this purpose, the gate size of the precharge MOST is desirably about W P = 50-100 nm, which is about half the gate area of the memory cell MOST.

図7は、センスアンプ内の交差結合しているMOSTなどのゲートとウェル(図1の端子BN)を接続し、該MOSTのVをダイナミックに変えて、センスアンプを高速に動作させる実施例である。1−Tセルか2−Tセルかを問わず、ダイナミック動作するまったく新しいエンハンス・デプレッション形センスアンプさえ実現できる。このことは、たとえば、図9(c)のNMOST、VDD=1Vの例で明らかである。プリチャージ終了時には、MとMのゲート電圧もウェル電圧もVDD/2(0.5V)なので、それらのVは0.05V(点A)である。データ線DLに負極性の信号vが読み出され、それが増幅され始めると、センスアンプ起動信号ACTがオンしてNMOSアンプ内のMが最初にオンし始め、Mのゲート電圧は下がり始める。このときvが小さいのでMもわずかにオンしMのゲート電圧も下げようとするが、vの電圧差があるので、Mのゲート電圧ほどには下がらない。この過程でMのVは大きくなり、これがMのゲート電圧をより下げない方向に働く。つまり時間とともに両MOSTのVの差は大きくなり、両ゲート電圧の差をますます大きくさせる、つまり増幅を加速させる。これによって、Mのゲート(DL)は放電され続ける。続いてPMOSアンプがその起動信号/ACTによってオンすると、データ対線にはすでに電圧差ができてしまっているので、PMOSTMのVは、Mのそれよりも小さくなっている。したがって、データ線/DLはMによってより充電される。これによって、NMOSTMのVは小さくなり、さらにデータ線の放電を加速させる。増幅の最終段階では、データ線DLは0Vに放電し、/DLはVDDに充電される。オン状態のMOSTのVはますます小さくなり、オフ状態のMOSTのVはますます大きくなるので、そのフィードバック効果で増幅は高速に完了する。増幅完了後、たとえオン状態のNMOST(M、M)のVが小さくなっても(図9(c)の点B)、オフ状態のMOS
(M、M)のVが十分大きくなるので(図9(c)の点C)、2個のインバータ、すなわちMとMで構成されるインバータとMとMで構成されるインバータには、片方が常に大きなVなので周知のサブスレショルド電流は流れない。たとえば、BOXの厚さが10nmのNMOSTでVDD=1Vの図9(c)の例では、インバータ内の1Vが入力されるNMOSTは、そのウェル電圧は1Vになるから、そのVは負の0.1Vであり、0Vが入力されるNMOSTは、そのウェル電圧は0Vになるから、そのVは正の0.1V以上となる。PMOSTについても同様である。インバータ内のNMOSTがエンハンス状態になっているときには、他方のPMOSはデプリーション状態になっている。すなわち本実施例のセンスアンプは、デプリーション形MOSTの高い電流駆動能力と、エンハンス形MOSTの高いVによって、小さなサブスレショルド電流で高速な増幅が可能となる。MOST構造としては、ウェル電圧に対するVの感度が高いことが望まれる。それには、BOX層の厚さを薄くすることである。VDDがさらに低い場合、たとえば0.5V以下の場合でも、BOX層の厚さをたとえば酸化膜のトンネル電流が問題にならない程度の下限、たとえば2nm程度にすれば、ゲート電圧に対するVの感度が高くなり、デプリーション形のMOSTが実現できる。図8は、1−Tセルと2−Tセルのそれぞれに対して求めた動作波形である。それぞれに対して、ゲートとウェルを接続しない場合と接続した場合について求めている。ここでは、データ線あたり32個のセルが接続されている場合に相当するデータ線容量C=8fF、セルノードの容量C=2fF(1−T)、0.75fF(2−T)、データ線電圧VDD=0.5V、プリチャージMOSTのゲートサイズW=50nm、セルトランジスタのサイズW/L=97nm/65nm、ワード線とプリチャージ信号の立ち上がり時間trと立ち下がり時間tfはそれぞれ0.1nsを仮定している。また、ゲートとウェルを接続しない構成では、NMOSTの基板電圧VBN=0V、PMOSTの基板電圧VBP=0.5Vとしている。ゲートとウェルを接続すると高速動作することが明らかである。
Figure 7 connects the gate and the well, such as MOST intersecting bonds in the sense amplifier (terminal BN of FIG. 1), examples of changing the V T of the MOST dynamically, to operate the sense amplifier at high speed It is. Whether it is a 1-T cell or a 2-T cell, even a completely new enhanced depletion type sense amplifier that operates dynamically can be realized. This is apparent from the example of NMOST, V DD = 1V in FIG. 9C, for example. At the end of precharge, the gate voltage and well voltage of M 1 and M 2 are both V DD / 2 ( 0.5 V), so their V T is 0.05 V (point A). When the negative signal v S is read out to the data line DL 0 and starts to be amplified, the sense amplifier activation signal ACT is turned on, and M 1 in the NMOS amplifier is first turned on, and the gate voltage of M 2 Begins to fall. At this time, since v S is small, M 2 is also turned on slightly to try to lower the gate voltage of M 1 , but since there is a voltage difference of v S , it does not drop as much as the gate voltage of M 2 . In this process, the V T of M 2 increases, and this works in a direction that does not lower the gate voltage of M 1 further. In other words, the difference in V T between both MOSTs increases with time, and the difference between both gate voltages becomes larger, that is, the amplification is accelerated. As a result, the gate (DL 0 ) of M 2 continues to be discharged. Subsequently, when the PMOS amplifier is turned on by the activation signal / ACT, a voltage difference has already occurred in the data pair line, so that V T of PMOSTM 4 is smaller than that of M 3 . Accordingly, the data line / DL is more charged by M 4. Thus, V T of NMOSTM 1 is reduced, thereby further accelerating the discharge of the data line. In the final stage of amplification, the data line DL is discharged to 0V and / DL is charged to V DD . The V T of the MOST in the on state becomes smaller and smaller, because the increasingly large V T of the MOST off, amplified by the feedback effect is completed at high speed. After amplification completion, if the ON state NMOST (M 1, M 4) be V T becomes small (point B in FIG. 9 (c)), the off-state MOS
Since V T of (M 2, M 3) is sufficiently large (C point in FIG. 9 (c)), 2 pieces of inverters, i.e., composed of inverter composed and M 2 and M 4 in M 1 and M 3 the inverters, one does not flow very large V T Since known subthreshold current. For example, in the example of V DD = 1V at NMOST thickness of 10nm in BOX Figure 9 (c), NMOST the 1V in the inverter is input, since the well voltage becomes 1V, its V T negative Since the well voltage is 0V, the NMOS T to which 0V is input is 0V, so that the VT becomes positive 0.1V or more. The same applies to PMOST. When the NMOST in the inverter is in the enhanced state, the other PMOS is in the depletion state. That sense amplifier of this embodiment, a high current driving capability of depletion type MOST, the higher enhancement type MOST V T, a high-speed amplification becomes possible with a small sub-threshold current. The MOST structure, the sensitivity of V T against the well voltage is high is desired. For this purpose, the thickness of the BOX layer is reduced. If V DD is lower, for example even in the case of 0.5V or less, the lower limit of the degree to which tunneling current thickness of the BOX layer, for example oxide film is not an issue, for example, if the order of 2 nm, the sensitivity of V T against gate voltage The depletion type MOST can be realized. FIG. 8 shows operation waveforms obtained for each of the 1-T cell and the 2-T cell. For each, the case where the gate and the well are not connected and the case where they are connected are obtained. Here, data line capacitance C D = 8 fF, cell node capacitance C S = 2 fF (1-T), 0.75 fF (2-T), data corresponding to the case where 32 cells are connected per data line Line voltage V DD = 0.5 V, precharge MOST gate size W P = 50 nm, cell transistor size W / L = 97 nm / 65 nm, word line and precharge signal rise time tr and fall time tf are 0, respectively. .1 ns is assumed. In the configuration in which the gate and the well are not connected, the substrate voltage V BN of NMOST is 0 V and the substrate voltage V BP of PMOST is 0.5 V. It is clear that the gate and the well operate at high speed.

本発明のメモリセル及び周辺回路トランジスタの断面構造を示した図である。It is the figure which showed the cross-sectional structure of the memory cell and peripheral circuit transistor of this invention. FD SOIMOSTを用いた1−T及び2−TDRAMセルのレイアウト例を示した図である。It is the figure which showed the layout example of the 1-T and 2-TDRAM cell using FD SOIMOST. 図2のメモリセルを用いたアレーとセンスアンプの構成図例である。FIG. 3 is a configuration diagram of an array and a sense amplifier using the memory cell of FIG. 2. 1−Tおよび2−Tセルを用いたデータ線とセンスアンプ回路構成を示した図である。It is the figure which showed the data line and sense amplifier circuit structure using 1-T and 2-T cell. センスアンプ動作直前のデータ対線それぞれの電圧、差動電圧(対線間の電圧差)ならびにセンスアンプ内のオンとなるべきMOSTのゲート電圧を比較表である。5 is a comparison table showing the voltage of each data pair line immediately before the sense amplifier operation, the differential voltage (voltage difference between the pair lines) and the gate voltage of the MOST to be turned on in the sense amplifier. 1−Tおよび2−Tセルのセンス動作前の読み出し動作の波形図例である。It is an example of a wave form diagram of read-out operation before sensing operation of 1-T and 2-T cells. ゲート・ウェル接続センスアンプの回路構成を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of a gate / well connection sense amplifier. 1−T及び2−Tセルのゲート・ウェル接続センスアンプ及び非接続センスアンプを用いたサイクル動作を示した図である。It is the figure which showed the cycle operation | movement using the gate well connection sense amplifier and non-connection sense amplifier of 1-T and 2-T cell. SOIMOSTの断面構造とバルクMOSTとSOIMOSTのしきい値ばらつきの比較及び、しきい値電圧のウェル電位依存性を示した図である。It is the figure which showed the cross-sectional structure of SOIMOST, the threshold value dispersion | variation of bulk MOST, and SOIMOST, and the well potential dependence of the threshold voltage.

符号の説明Explanation of symbols

・・・MOSTの閾値電圧、/ACT、ACT・・・アンプの起動信号、DL、 /DLなど・・・データ線、SOI・・・埋め込み酸化膜上のSi領域、BOX・・・埋め込み酸化膜、WL、WL,など・・・ワード線、STI・・・素子分離領域、p−Sub・・・p型半導体基板、n−Well・・・n型基板領域、p+・・・p型ウェル領域、n+・・・n型ウェル領域、CT・・・コンタクト、Diffusion、拡散層領域、PL・・・プレート電極、F・・・最小加工寸法、SA、SA,SA・・・センスアンプ、MC・・・メモリセル、CWD,C'WD・・・ワード線データ線結合容量、VDD・・・電源電圧、C・・・セルノード容量、C・・・データ線容量、PC・・・プリチャージ回路、C・・・プリチャージ信号データ線結合容量、W・・・プリチャージ回路ゲートサイズ、VBN・・・NMOSTウェル電位、VBP・・・PMOSTウェル電位。
Threshold voltage of V T ··· MOST, / ACT, ACT ··· amplifier activation signal, DL 0, / DL 0 ... etc. data lines, Si regions on SOI ... buried oxide film, BOX · · - the buried oxide film, WL 0, WL 1, ... etc. word line, STI ... isolation region, p-Sub ... p-type semiconductor substrate, n-Well ... n-type substrate region, p + - ..P-type well region, n + ... n-type well region, CT ... contact, diffusion, diffusion layer region, PL ... plate electrode, F ... minimum processing dimension, SA, SA 0 , SA 1 ... sense amplifier, MC ... memory cells, C WD, C 'WD ··· word lines data lines coupling capacitance, V DD ... power supply voltage, C S ... cell node capacitance, C D ... Data line capacity, PC: Precharge times , C P · · · precharge signal data line coupling capacitance, W P · · · precharge circuit gate sizes, V BN ··· NMOST well potential, V BP ··· PMOST well potential.

Claims (23)

メモリセルを駆動する複数のワード線と、該ワード線と直交し該メモリセルと情報の授受を行う複数のデータ対線と、該ワード線と該データ線の交点に接続された1個のMOSトランジスタと1個のキャパシタから成るメモリセルの複数個と、データ線をプリチャージするMOSトランジスタから成り、データ線をプリチャージすることによって該データ線に結合する電圧は、ワード線を駆動することによってデータ線に結合する電圧にほぼ等しいかあるいは小さく、かつ該2つの結合電圧は互いに逆極性であることを特長とする半導体記憶装置。 A plurality of word lines for driving the memory cells; a plurality of data pair lines orthogonal to the word lines for transferring information to and from the memory cells; and a MOS connected to the intersection of the word lines and the data lines It consists of a plurality of memory cells consisting of a transistor and a capacitor, and a MOS transistor that precharges the data line. By precharging the data line, the voltage coupled to the data line is driven by driving the word line. A semiconductor memory device, characterized in that it is approximately equal to or smaller than a voltage coupled to a data line, and the two coupled voltages have opposite polarities. データ線をプリチャージすることによってデータ線に結合する該電圧は、データ線の取りうる電圧の最小値側に向かって結合するものであり、ワード線を駆動することによってデータ線に結合する電圧は、データ線の取りうる電圧の最大値側に向かって結合するものである請求項第1項の半導体装置。 The voltage coupled to the data line by precharging the data line is coupled toward the minimum value of the voltage that the data line can take, and the voltage coupled to the data line by driving the word line is 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is coupled toward a maximum value of a voltage that can be taken by the data line. メモリセルを駆動する複数のワード線と、該ワード線と直交し該メモリセルと情報の授受を行う複数のデータ対線と、該ワード線と該データ線の交点に接続された1個のMOSトランジスタと1個のキャパシタから成るメモリセルの複数個と、データ線をプリチャージするMOSトランジスタから成り、データ線をプリチャージすることによって該データ線に結合する電圧は、データ線の取りうる電圧の最大値側に結合するものである半導体装置。 A plurality of word lines for driving the memory cells; a plurality of data pair lines orthogonal to the word lines for transferring information to and from the memory cells; and a MOS connected to the intersection of the word lines and the data lines A plurality of memory cells including a transistor and one capacitor, and a MOS transistor for precharging the data line, the voltage coupled to the data line by precharging the data line is a voltage that can be taken by the data line. A semiconductor device that is coupled to the maximum value side. データ線のプリチャージ電圧は、データ線の取りうる電圧の最大値と最小値のほぼ中間に設定された請求項第1項から第3項までの半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the precharge voltage of the data line is set to be approximately halfway between the maximum value and the minimum value of the voltage that can be taken by the data line. 該メモリセルが該ワード線と該一対のデータ線の2つの交点に接続された請求項第1項から第4項までの半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the memory cell is connected to two intersections of the word line and the pair of data lines. データ対線は1つおきのデータ線で構成され、該データ対線はひとつおきに選択動作する請求項第5項の半導体装置。 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the data pair lines are composed of every other data line, and every other data pair line is selectively operated. 1対のデータ線には、交差結合したMOSトランジスタから成るセンスアンプが接続されていることを特長とした請求項第1項から第6項までの半導体装置。 7. The semiconductor device according to claim 1, wherein a sense amplifier composed of a cross-coupled MOS transistor is connected to the pair of data lines. データ線の最大電圧は1V以下である請求項第1項から第7項までの半導体装置。 8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a maximum voltage of the data line is 1V or less. 第1のゲートと埋め込み酸化膜の下に存在するウェル層を第2のゲートとする2重ゲートを有する完全空乏形SOI構造のMOSトランジスタを含む回路と、該構造のMOSトランジスタとキャパシタから成るメモリセルを含む半導体装置。 A circuit including a MOS transistor having a fully-depleted SOI structure having a double gate having a first gate and a well layer existing under a buried oxide film as a second gate, and a memory comprising the MOS transistor having the structure and a capacitor A semiconductor device including a cell. 該キャパシタは、該構造のMOSトランジスタの第1のゲートを第1の電極とし、該MOSトランジスタのドレインあるいはソースを第2の電極としたことを特長とする請求項第9項の半導体装置。 10. The semiconductor device according to claim 9, wherein the capacitor includes a first gate of the MOS transistor having the structure as a first electrode and a drain or source of the MOS transistor as a second electrode. 該メモリセル群で構成されたメモリセルアレー内のそれぞれのメモリセル内の該MOSトランジスタと該キャパシタのSOI層ならびに第2のゲートはそれぞれ共通であることを特長とする請求項第10項の半導体装置。 11. The semiconductor according to claim 10, wherein the MOS transistor, the SOI layer and the second gate of the capacitor in each memory cell in the memory cell array constituted by the memory cell group are common to each other. apparatus. 共通のウェルの上に形成された請求項第11項の半導体装置。 12. The semiconductor device according to claim 11, formed on a common well. 第2のゲートには直流電圧が印加されている請求項第11項の半導体装置。 12. The semiconductor device according to claim 11, wherein a DC voltage is applied to the second gate. 該MOSトランジスタの第1のゲート電極と該キャパシタの第1のゲート電極が異なる材料で形成されている請求項第10項の半導体装置。 11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the first gate electrode of the MOS transistor and the first gate electrode of the capacitor are formed of different materials. 該キャパシタの第1のゲート電極は、アレー内で共通な電極層で形成されている請求項第11項の半導体装置。 12. The semiconductor device according to claim 11, wherein the first gate electrode of the capacitor is formed of a common electrode layer in the array. キャパシタはほぼ平面構造である請求項第9項の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9, wherein the capacitor has a substantially planar structure. 該MOSトランジスタの第1ゲートはワード線に接続され、該MOSトランジスタのドレインあるいはソースはデータ線に接続され、該MOSトランジスタのソースあるいはドレインは該キャパシタの電極に接続された請求項第9項の半導体装置。 The first gate of the MOS transistor is connected to a word line, the drain or source of the MOS transistor is connected to a data line, and the source or drain of the MOS transistor is connected to the electrode of the capacitor. Semiconductor device. 該キャパシタの他の電極には、データ線の最大電圧のほぼ半分の直流電圧が印加される請求項第17項の半導体装置。 18. The semiconductor device according to claim 17, wherein a DC voltage substantially half the maximum voltage of the data line is applied to the other electrode of the capacitor. 該MOSトランジスタの仕事関数は、該キャパシタの仕事関数よりも高い請求項第14項の半導体装置。 15. The semiconductor device according to claim 14, wherein a work function of the MOS transistor is higher than a work function of the capacitor. 該メモリセル内トランジスタはN型MOSであり、非選択時にはそのゲートに負電圧が印加される請求項第17項の半導体装置。 18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the transistor in the memory cell is an N-type MOS, and a negative voltage is applied to the gate when the transistor is not selected. 交差結合したMOSトランジスタから成るセンスアンプのウェルとアレーのウェルは共通である請求項第9項の半導体装置。 10. The semiconductor device according to claim 9, wherein the well of the sense amplifier and the well of the array composed of cross-coupled MOS transistors are common. 該回路は交差結合したMOSトランジスタから成るセンスアンプを含み、該トランジスタのゲートとウェルが接続された請求項第9項の半導体装置。 10. The semiconductor device according to claim 9, wherein the circuit includes a sense amplifier composed of cross-coupled MOS transistors, and the gate and well of the transistor are connected. 該MOSトランジスタは、デプリーションモードとエンハンスメントモードの間でダイナミックに変化する請求項第22項の半導体装置。
23. The semiconductor device according to claim 22, wherein the MOS transistor dynamically changes between a depletion mode and an enhancement mode.
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