JP2009048772A - Semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体記憶装置に関し、特に、メモリセルを構成するキャパシタの蓄電の有無によって記憶情報を記憶する半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a semiconductor memory device that stores stored information depending on whether or not a capacitor constituting a memory cell is charged.
半導体記憶装置の代表格の1つであるDRAM(Dynamic Random Access Memory)は、メモリセルの構成が1素子型(1トランジスタおよび1キャパシタ)であり、メモリセル自体の構造が単純であることから、半導体デバイスの高集積化・大容量化に最適なものとして、様々な電子機器において使用されている。 DRAM (Dynamic Random Access Memory), which is one of the typical semiconductor memory devices, has a memory cell configuration of one element type (one transistor and one capacitor), and the structure of the memory cell itself is simple. It is used in various electronic devices as the most suitable for high integration and large capacity of semiconductor devices.
図9は、DRAMにおけるメモリセルアレイ上に行列状に配列されるメモリセルの構成を示す回路図である。 FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of memory cells arranged in a matrix on a memory cell array in a DRAM.
図9を参照して、メモリセル500は、NチャネルMOSトランジスタ502と、キャパシタ504とを備える。NチャネルMOSトランジスタ502は、ビット線508およびキャパシタ504に接続され、ゲートがワード線506に接続される。キャパシタ504のNチャネルMOSトランジスタ502との接続端と異なるもう一端は、セルプレート510に接続される。
Referring to FIG. 9,
NチャネルMOSトランジスタ502は、データ書込時およびデータ読出時のみ活性化されるワード線506によって駆動され、データ書込時およびデータ読出時のみONし、それ以外のときはOFFする。
N
キャパシタ504は、電荷を蓄積しているか否かに応じて、2進情報“1”,“0”を記憶する。ビット線508からNチャネルMOSトランジスタ502を介して2進情報“1”,“0”に対応した電圧がキャパシタ504に印加されることによってキャパシタ504の充放電が行なわれ、データの書込みが行なわれる。
The
すなわち、データ“1”の書込みが行なわれるときは、ビット線508が電源電圧Vccにプリチャージされ、ワード線506が活性化されることによってNチャネルMOSトランジスタ502がONし、ビット線508からNチャネルMOSトランジスタ502を介してキャパシタ504に電源電圧Vccが印加され、キャパシタ504に電荷が蓄電される。そして、このキャパシタ504に電荷が蓄電されている状態がデータ“1”に対応する。
That is, when data “1” is written,
また、データ“0”の書込みが行なわれるときは、ビット線508が接地電圧GNDにプリチャージされ、ワード線506が活性化されることによってNチャネルMOSトランジスタ502がONし、キャパシタ504からNチャネルMOSトランジスタ502を介してビット線508に電荷が放電される。そして、このキャパシタ504に電荷が蓄電されていない状態が記憶データ“0”に対応する。
When data “0” is written,
一方、データの読出しが行なわれるときは、予めビット線508が電圧Vcc/2にプリチャージされ、ワード線506が活性化されることによってNチャネルMOSトランジスタ502がONし、ビット線508とキャパシタ504が通電する。これによって、キャパシタ504の蓄電状態に応じた微小な電圧変化がビット線508に現われ、図示しないセンスアンプがその微小な電圧変化を電圧Vccまたは接地電圧GNDに増幅する。このビット線508の電圧レベルが読出されたデータの状態に対応する。
On the other hand, when data is read,
なお、上述したデータの読出動作は破壊読出であるので、読出されたデータに応じてビット線508が電圧Vccまたは接地電圧GNDに増幅されている状態で、再びワード線506が活性化され、上述したデータの書込動作と同様の動作でキャパシタ504への再チャージが行なわれる。これによって、データの読出に応じて一旦破壊されたデータが元の状態に復帰する。
Since the data reading operation described above is destructive reading,
ここで、DRAMのメモリセルにおいては、記憶データに相当するキャパシタ504の電荷が種々の要因によってリークし、徐々に失われていく。すなわち、時間とともに記憶データが失われる。このため、DRAMにおいては、データの読出しにおいて、記憶データに対応したビット線508の電圧変化が検出できなくなる前に、データを一旦読出して再度書込むというリフレッシュ動作が実施される。
Here, in the DRAM memory cell, the charge of the
DRAMは、このリフレッシュ動作を常時周期的にすべてのメモリセルに対して行なう必要があり、この点で高速化・低消費電力化に対する欠点を有し、リフレッシュ動作を必要としないSRAM(Static Random Access Memory)に対して高速化・低消費電力化の観点からは劣る。しかしながら、DRAMは、上述したように、メモリセルの構造が単純で高集積化が可能であることから、1ビット当りのコストが他のメモリデバイスと比較して格段に安く、現在のRAMの主流となっている。 DRAMs must always perform this refresh operation periodically for all memory cells. In this respect, DRAM has the disadvantage of higher speed and lower power consumption, and does not require a refresh operation SRAM (Static Random Access). Memory) is inferior from the viewpoint of higher speed and lower power consumption. However, since the DRAM has a simple memory cell structure and can be highly integrated as described above, the cost per bit is much lower than that of other memory devices, and the mainstream of the current RAM. It has become.
一方、DRAMとともに代表的な半導体記憶装置の1つであるSRAMは、上述したように、DRAMにおいて不可欠なリフレッシュ動作が不要なRAMである。 On the other hand, an SRAM, which is one of typical semiconductor memory devices together with a DRAM, is a RAM that does not require a refresh operation that is essential in a DRAM, as described above.
図10は、6トランジスタSRAMにおけるメモリセルアレイ上に行列状に配列されるメモリセルの構成を示す回路図である。 FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of memory cells arranged in a matrix on a memory cell array in a 6-transistor SRAM.
図10を参照して、メモリセル700は、NチャネルMOSトランジスタ702〜708と、PチャネルMOSトランジスタ710,712と、記憶ノード714,716とを備える。
Referring to FIG. 10,
メモリセル700は、NチャネルMOSトランジスタ702およびPチャネルMOSトランジスタ710からなるインバータと、NチャネルMOSトランジスタ704およびPチャネルMOSトランジスタ712からなるインバータとを交差接続したフリップフロップが、トランスファゲートである2個のNチャネルMOSトランジスタ706,708を介してビット線対718,720に接続される構成となっている。
メモリセル700においては、記憶ノード714,716の電圧レベルの状態が記憶データに対応し、たとえば記憶ノード714,716がそれぞれHレベル,Lレベルであるときが記憶データ“1”に対応し、その逆の状態が記憶データ“0”に対応する。交差接続された記憶ノード714,716上のデータは、双安定状態であり、所定の電源電圧が供給されている限りは状態が維持され続けるため、この点において、キャパシタに蓄電された電荷が時間とともに消失していくDRAMと根本的に異なるものである。
In
メモリセル700においては、データの書込みが行なわれるときは、ビット線対718,720に書込データに対応した相反する電圧を印加し、ワード線722を活性化してトランスファゲート706,708をONすることによって、フリップフロップの状態を設定する。一方、データの読出しは、ワード線722を活性化してトランスファゲート706,708をONし、記憶ノード714,716の電位をビット線718,720に伝達し、このときのビット線718,720の電圧変化を検出することによって行なわれる。
In
このメモリセル700は、6個のバルクのトランジスタで構成されるが、4個のバルクのトランジスタで構成可能なメモリセルを備えるSRAMも存在する。
Although the
図11は、4トランジスタSRAMにおけるメモリセルアレイ上に行列状に配列されるメモリセルの構成を示す回路図である。 FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of memory cells arranged in a matrix on a memory cell array in a 4-transistor SRAM.
図11を参照して、メモリセル750は、メモリセル700におけるPチャネルMOSトランジスタ710,712に代えて、それぞれPチャネル薄膜トランジスタ(PチャネルTFT(Thin Film Transistor):以下、薄膜トランジスタを「TFT」と称する。)730,732を備える。このPチャネルTFT730,732には、高抵抗が用いられることもある。なお、4トランジスタSRAMの「4トランジスタ」とは、1つのメモリセルがバルクのトランジスタを4個備えているという意味で用いている。また、「バルク」とは、TFTが基板上に形成されるのに対し、シリコン基板中にトランジスタが作りこまれているものという意味で用いている。以下においては、TFTのように基板上に形成される薄膜素子に対し、シリコン基板中に作りこまれるトランジスタを「バルクトランジスタ」と称する。
Referring to FIG. 11, in
メモリセル750の動作原理は、メモリセル700と基本的に同じであるので、説明は繰り返さない。
Since the operation principle of
このPチャネルTFT730,732は、NチャネルMOSトランジスタ702,704の上層に形成されるため、4トランジスタSRAMは、6トランジスタSRAMと比較してセル面積を小さくできるという利点を有する一方、6トランジスタSRAMと比較して低電圧特性に劣るため、近年の半導体記憶装置に要求される低電圧化の傾向に対応できず、現在はあまり使用されていない。
Since the P-
上述したように、現在主流のシングルメモリセルのDRAMは、メモリセルの構造が単純であることから高集積化・大容量化に適しているが、リフレッシュ動作が不可欠である。 As described above, the currently mainstream DRAM of a single memory cell is suitable for high integration and large capacity because the structure of the memory cell is simple, but refresh operation is indispensable.
また、従来のDRAMにおいては、データを読出す際、メモリセルのキャパシタが保持する電荷の状態をビット線に完全に伝えるために、アクセストランジスタを駆動するワード線の電圧を電源電圧からブーストする必要があり、データ読出し後のキャパシタの電位は、ビット線のプリチャージ電圧1/2Vccに近くなる。したがって、データは読出されるとともに破壊され、データを読出した後、データの再書込動作が必要となる。 In the conventional DRAM, when data is read, the voltage of the word line that drives the access transistor needs to be boosted from the power supply voltage in order to completely transmit the state of the charge held by the capacitor of the memory cell to the bit line. Therefore, the potential of the capacitor after data reading is close to the precharge voltage ½ Vcc of the bit line. Therefore, the data is read and destroyed, and after the data is read, a data rewrite operation is required.
一方、SRAMは、リフレッシュ動作が不要であるが、6個または4個のバルクトランジスタを必要とする。また、SRAMは、動作を安定化するため、図10,11においてドライバトランジスタと呼ばれるNチャネルMOSトランジスタ702,704とアクセストランジスタと呼ばれるNチャネルMOSトランジスタ706,708との電流駆動能力比(セルレシオと称される。)を2〜3以上とする必要があり、ドライバトランジスタのゲート幅を大きく設計する必要がある。したがって、SRAMは、メモリセルが大型化し、高集積化・大容量化に対応できない。
On the other hand, the SRAM does not require a refresh operation, but requires six or four bulk transistors. In addition, in order to stabilize the operation of the SRAM, a current drive capability ratio (referred to as a cell ratio) between N-
このように、従来のDRAMおよびSRAMは、ともに、その特性および構造に一長一短がある。 Thus, both conventional DRAM and SRAM have advantages and disadvantages in their characteristics and structure.
しかしながら、今後、IT技術のさらなる発展とあいまって、高性能化(高速化かつ低消費電力化)および高集積化・大容量化をともに満足する半導体記憶装置への期待は大きい。 However, in the future, coupled with further development of IT technology, there is a great expectation for a semiconductor memory device that satisfies both high performance (high speed and low power consumption) and high integration and large capacity.
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、リフレッシュ動作を必要とせず、かつ、高集積化・大容量化を実現するメモリセルを備える半導体記憶装置を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device including a memory cell that does not require a refresh operation and realizes high integration and large capacity. Is to provide.
また、この発明の別の目的は、リフレッシュ動作を必要とせず、さらに、記憶データへのアクセスを高速化し、動作速度の高速化をさらに図ったメモリセルを備える半導体記憶装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device including a memory cell that does not require a refresh operation, and further speeds up access to stored data and further increases the operation speed. .
さらに、この発明の別の目的は、リフレッシュ動作を必要とせず、さらに、記憶データを破壊することなく読出すことができ、動作速度の高速化をさらに図ったメモリセルを備える半導体記憶装置を提供することである。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device including a memory cell that does not require a refresh operation, can read data without destroying stored data, and further increases the operation speed. It is to be.
この発明によれば、半導体記憶装置は、行列状に配列された複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、メモリセルの行および列ごとにそれぞれ配列される複数のワード線および複数のビット線対とを備え、複数のメモリセルの各々は、2進情報で表わされる記憶情報の1ビット分のデータを記憶する第1のメモリセルと、データが反転された反転データを記憶する第2のメモリセルとを含み、第1のメモリセルは、データの論理レベルに応じた電荷を保持する第1の容量素子と、ワード線に印加される電圧によって駆動され、ビット線対の一方のビット線と第1の容量素子との間で電荷のやり取りを行なう第1のアクセストランジスタと、第1の容量素子から漏洩する電荷を補填する第1の電荷補填回路とからなり、第2のメモリセルは、反転データの論理レベルに応じた電荷を保持する第2の容量素子と、ワード線に印加される電圧によって駆動され、ビット線対の他方のビット線と第2の容量素子との間で電荷のやり取りを行なう第2のアクセストランジスタと、第2の容量素子から漏洩する電荷を補填する第2の電荷補填回路とからなる。 According to the present invention, a semiconductor memory device includes a memory cell array including a plurality of memory cells arranged in a matrix, a plurality of word lines and a plurality of bit line pairs arranged for each row and column of the memory cells. Each of the plurality of memory cells includes a first memory cell that stores 1-bit data of storage information represented by binary information, and a second memory cell that stores inverted data obtained by inverting the data And the first memory cell is driven by a voltage applied to the word line and the first capacitor element that holds a charge corresponding to the logic level of data, and the first memory cell A first access transistor that exchanges charges with one capacitive element, and a first charge compensation circuit that compensates for a charge leaked from the first capacitive element. A second capacitor element that holds charges according to the logic level of the inverted data and a voltage applied to the word line, and is charged between the other bit line of the bit line pair and the second capacitor element. It consists of a second access transistor that exchanges and a second charge compensation circuit that compensates for charge leaking from the second capacitor.
この発明による半導体記憶装置においては、複数のメモリセルの各々は、互いに反転したデータを記憶する第1および第2のメモリセルを含み、第1のメモリセルは、第1の容量素子から漏洩する電荷を補填する第1の電荷補填回路を含み、第2のメモリセルは、第2の容量素子から漏洩する電荷を補填する第2の電荷補填回路を含む。 In the semiconductor memory device according to the present invention, each of the plurality of memory cells includes first and second memory cells storing data inverted with respect to each other, and the first memory cell leaks from the first capacitive element. The first memory cell includes a first charge compensation circuit that compensates for charges, and the second memory cell includes a second charge compensation circuit that compensates for charges leaking from the second capacitor element.
したがって、この発明によれば、リフレッシュ動作を行なうことなく、電荷の漏洩による記憶情報の消失を防止することができる。 Therefore, according to the present invention, loss of stored information due to leakage of charges can be prevented without performing a refresh operation.
好ましくは、第1および第2の電荷補填回路は、それぞれ第1および第2のインバータで構成され、第1の電荷補填回路の出力ノードは、第1の容量素子を第1のアクセストランジスタに接続する第1の記憶ノードに接続され、第1の電荷補填回路の入力ノードは、第2の容量素子を第2のアクセストランジスタに接続する第2の記憶ノードに接続され、第2の電荷補填回路の出力ノードは、第2の記憶ノードに接続され、第2の電荷補填回路の入力ノードは、第1の記憶ノードに接続される。 Preferably, the first and second charge compensation circuits are configured by first and second inverters, respectively, and an output node of the first charge compensation circuit connects the first capacitive element to the first access transistor. Connected to the first storage node, and the input node of the first charge compensation circuit is connected to the second storage node connecting the second capacitor element to the second access transistor, and the second charge compensation circuit Are connected to the second storage node, and the input node of the second charge compensation circuit is connected to the first storage node.
第1および第2の電荷補填回路は、それぞれ第1および第2のインバータで構成され、第1および第2のインバータは、交差接続される。 The first and second charge compensation circuits are configured by first and second inverters, respectively, and the first and second inverters are cross-connected.
したがって、この発明によれば、第1および第2のインバータによってラッチ機能が構成され、第1および第2の記憶ノードに記憶情報を安定して保持することができる。 Therefore, according to the present invention, the first and second inverters constitute a latch function, and the storage information can be stably held in the first and second storage nodes.
好ましくは、第1および第2のアクセストランジスタの各々は、第1のNチャネルMOSトランジスタであり、第1および第2のインバータの各々は、一方が電源ノードに接続され、他方が出力ノードに接続される、多結晶ポリシリコンで構成された抵抗素子と、一方が出力ノードに接続され、他方が接地ノードに接続される第2のNチャネルMOSトランジスタとからなる。 Preferably, each of the first and second access transistors is a first N-channel MOS transistor, and one of each of the first and second inverters is connected to the power supply node and the other is connected to the output node. And a second N-channel MOS transistor having one connected to the output node and the other connected to the ground node.
第1および第2のメモリセルに含まれるバルクトランジスタは、すべてNチャネルMOSトランジスタから構成され、さらに、第1および第2のインバータの各々の一部に多結晶ポリシリコンで構成された抵抗素子が用いられる。 Bulk transistors included in the first and second memory cells are all formed of N-channel MOS transistors, and a resistance element formed of polycrystalline polysilicon is provided in each of the first and second inverters. Used.
したがって、この発明によれば、メモリセルを形成する際に2つの導電型のウェル領域を設ける必要がなく、さらに、多結晶ポリシリコンで構成された抵抗素子はバルクトランジスタの上層に形成できるので、メモリセルのサイズをさらに縮小できる。 Therefore, according to the present invention, it is not necessary to provide a well region of two conductivity types when forming a memory cell, and further, a resistance element made of polycrystalline polysilicon can be formed in the upper layer of the bulk transistor. The size of the memory cell can be further reduced.
好ましくは、第2のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力は、第1のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力の1倍以上2倍以下である。 Preferably, the current driving capability of the second N-channel MOS transistor is not less than 1 and not more than twice the current driving capability of the first N-channel MOS transistor.
このメモリセルは容量素子を備えるので、ドライバトランジスタである第2のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力がアクセストランジスタである第1のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力の1倍以上2倍以下であっても、データの読出動作が安定して行われる。 Since this memory cell includes a capacitive element, the current driving capability of the second N-channel MOS transistor that is a driver transistor is not less than 1 and not more than twice that of the first N-channel MOS transistor that is an access transistor. However, the data reading operation is performed stably.
したがって、この発明によれば、第1のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力に対して、第2のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力を通常必要とされる2〜3倍以上とする必要がなく、第2のNチャネルMOSトランジスタを小型化でき、メモリセルのサイズを縮小できる。 Therefore, according to the present invention, the current drive capability of the second N-channel MOS transistor does not need to be 2 to 3 times or more that is normally required with respect to the current drive capability of the first N-channel MOS transistor. The second N-channel MOS transistor can be reduced in size, and the size of the memory cell can be reduced.
好ましくは、複数のメモリセルの各々からデータを読出すとき、複数のメモリセルの各々に対応するワード線は、電源電圧以下の電圧が印加される。 Preferably, when data is read from each of the plurality of memory cells, a voltage equal to or lower than the power supply voltage is applied to the word line corresponding to each of the plurality of memory cells.
このメモリセルは、電荷補填回路を備えるため、アクセストランジスタを駆動するワード線の電圧をブーストすることなく、電源電圧以下の電圧でデータの読出しを行うことができる。 Since this memory cell includes a charge compensation circuit, data can be read at a voltage lower than the power supply voltage without boosting the voltage of the word line that drives the access transistor.
したがって、この発明によれば、データの読出時に記憶ノードの電位変化を小さくすることができ、非破壊読出しが実現される。 Therefore, according to the present invention, the potential change of the storage node can be reduced during data reading, and nondestructive reading is realized.
好ましくは、複数のメモリセルの各々に対応するワード線に印加される電圧は、第1のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力が第2のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力の半分以上になるように設定される。 Preferably, the voltage applied to the word line corresponding to each of the plurality of memory cells is such that the current driving capability of the first N-channel MOS transistor is more than half of the current driving capability of the second N-channel MOS transistor. Set to
メモリセルに記憶されるデータへのアクセス性を劣化させないように、アクセストランジスタの電流駆動能力はある程度確保される必要がある。一方、アクセストランジスタの電流駆動能力がドライバトランジスタである第2のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力の半分以上になるようにワード線に印加される電圧が設定されることによって、ドライバトランジスタとアクセストランジスタとのセルレシオは2以下となるが、このメモリセルは容量素子を備えるので、メモリセルの動作が安定化される。 The current driving capability of the access transistor needs to be secured to some extent so as not to deteriorate the accessibility to data stored in the memory cell. On the other hand, the voltage applied to the word line is set so that the current driving capability of the access transistor is more than half of the current driving capability of the second N-channel MOS transistor which is the driver transistor. However, since this memory cell includes a capacitive element, the operation of the memory cell is stabilized.
したがって、この発明によれば、データへのアクセス性を劣化させないようにアクセストランジスタの電流駆動能力を確保しつつ、セルレシオが2以下となっても、メモリセルの動作は安定する。 Therefore, according to the present invention, the operation of the memory cell is stable even if the cell ratio is 2 or less while securing the current drive capability of the access transistor so as not to deteriorate the accessibility to data.
好ましくは、抵抗素子は、Pチャネル薄膜トランジスタで構成される。
したがって、この発明によれば、Pチャネル薄膜トランジスタをバルクトランジスタの上層に形成できるので、メモリセルのサイズを縮小できる。
Preferably, the resistance element is composed of a P-channel thin film transistor.
Therefore, according to the present invention, since the P-channel thin film transistor can be formed in the upper layer of the bulk transistor, the size of the memory cell can be reduced.
好ましくは、抵抗素子は、第1および第2の記憶ノードから漏洩するリーク電流の10倍以上の電流供給能力を有する。 Preferably, the resistance element has a current supply capability of 10 times or more of a leakage current leaking from the first and second storage nodes.
抵抗素子は、記憶ノードの充電状態が十分に維持されるのに必要な電流を供給可能であり、記憶ノードの状態を安定させる。 The resistance element can supply a current necessary for sufficiently maintaining the charged state of the storage node, and stabilizes the state of the storage node.
したがって、この発明によれば、安定してメモリセルにデータを記憶することができる。 Therefore, according to the present invention, data can be stably stored in the memory cell.
好ましくは、第1および第2の電荷補填回路は、それぞれ第1および第2のPチャネル薄膜トランジスタで構成され、第1のPチャネル薄膜トランジスタは、一方が電源ノードに接続され、第1の容量素子を第1のアクセストランジスタに接続する第1の記憶ノードに他方が接続され、第2の容量素子を第2のアクセストランジスタに接続する第2の記憶ノードにゲートが接続され、第2のPチャネル薄膜トランジスタは、一方が電源ノードに接続され、他方が第2の記憶ノードに接続され、ゲートが第1の記憶ノードに接続される。 Preferably, each of the first and second charge compensation circuits includes first and second P-channel thin film transistors, and one of the first P-channel thin film transistors is connected to a power supply node, and the first capacitive element is The other is connected to the first storage node connected to the first access transistor, the gate is connected to the second storage node connecting the second capacitor element to the second access transistor, and the second P-channel thin film transistor One is connected to the power supply node, the other is connected to the second storage node, and the gate is connected to the first storage node.
第1および第2の電荷補填回路は、それぞれ第1および第2のPチャネル薄膜トランジスタで構成され、第1および第2のPチャネル薄膜トランジスタは、交差接続される。 The first and second charge compensation circuits are configured by first and second P-channel thin film transistors, respectively, and the first and second P-channel thin film transistors are cross-connected.
したがって、この発明によれば、第1および第2のPチャネル薄膜トランジスタによってラッチ機能が構成され、第1および第2の記憶ノードに記憶情報を保持することができる。 Therefore, according to the present invention, the first and second P-channel thin film transistors constitute a latch function, and the storage information can be held in the first and second storage nodes.
好ましくは、第1および第2のメモリセルは、隣接して配置され、一方のビット線および他方のビット線は、並行して配線される。 Preferably, the first and second memory cells are arranged adjacent to each other, and one bit line and the other bit line are wired in parallel.
したがって、この発明によれば、データ読出動作時にビット線対のノイズの低減を図ることができる。 Therefore, according to the present invention, noise of the bit line pair can be reduced during the data read operation.
また、この発明によれば、半導体記憶装置は、行列状に配列された複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、メモリセルの行および列ごとにそれぞれ配列される複数のワード線および複数のビット線と、メモリセルの行ごとに配列される複数の内部信号線とを備え、複数のメモリセルの各々は、2進情報で表わされる記憶情報の1ビット分のデータについて、その論理レベルに応じた電荷を保持する容量素子と、ワード線に印加される電圧によって駆動され、ビット線と容量素子との間で電荷のやり取りを行なう第1のトランジスタと、容量素子から漏洩する電荷をデータの論理レベルに応じて補填する電荷補填回路と、容量素子を第1のトランジスタと接続する記憶ノードと電荷補填回路との間に接続される第2のトランジスタとを含み、第2のトランジスタは、内部信号線に印加される電圧によって駆動され、データの読出時に電荷補填回路を記憶ノードと分離する。 In addition, according to the present invention, a semiconductor memory device includes a memory cell array including a plurality of memory cells arranged in a matrix, and a plurality of word lines and a plurality of bit lines arranged for each row and column of the memory cells. And a plurality of internal signal lines arranged for each row of memory cells, each of the plurality of memory cells depending on the logic level of data for one bit of storage information represented by binary information A capacitive element that holds charge, a first transistor that is driven by a voltage applied to the word line, and exchanges charges between the bit line and the capacitive element, and a charge that leaks from the capacitive element is a data logic level. And a second transistor connected between the storage node connecting the capacitor element to the first transistor and the charge compensation circuit. , The second transistor is driven by a voltage applied to the internal signal line, to isolate the charge compensating circuit in the read data and the storage node.
この発明による半導体記憶装置においては、複数のメモリセルの各々は、記憶情報の論理レベルに対応した電荷を保持する容量素子から漏洩する電荷を補填する電荷補填回路と、容量素子をアクセストランジスタと接続する記憶ノードと電荷補填回路との間に接続され、データの読出時に電荷補填回路を記憶ノードと分離する第2のトランジスタとを含む。 In the semiconductor memory device according to the present invention, each of the plurality of memory cells is connected to a charge compensation circuit that compensates for a charge leaked from a capacitive element that retains a charge corresponding to a logic level of stored information, and the capacitive element is connected to an access transistor. And a second transistor connected between the storage node and the charge compensation circuit and separating the charge compensation circuit from the storage node when reading data.
したがって、この発明によれば、リフレッシュ動作を行なうことなく、電荷の漏洩による記憶情報の消失を防止することができ、さらに、非破壊でデータを読出すことができる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent loss of stored information due to charge leakage without performing a refresh operation, and it is possible to read data nondestructively.
好ましくは、電荷補填回路は、第2のトランジスタに入力ノードが接続される第1のインバータと、第1のインバータの出力ノードに入力ノードが接続され、第1のインバータの入力ノードに出力ノードが接続される第2のインバータとを含み、第1および第2のトランジスタは、それぞれ第1および第2のNチャネルMOSトランジスタであり、第1および第2のインバータの各々は、一方が電源ノードに接続され、他方が出力ノードに接続されるPチャネル薄膜トランジスタと、一方が出力ノードに接続され、他方が接地ノードに接続される第3のNチャネルMOSトランジスタとからなる。 Preferably, the charge compensation circuit includes a first inverter whose input node is connected to the second transistor, an input node connected to the output node of the first inverter, and an output node connected to the input node of the first inverter. The first and second transistors are first and second N-channel MOS transistors, respectively, and one of the first and second inverters is connected to the power supply node. The P channel thin film transistor is connected to the output node and the other is connected to the output node. The third N channel MOS transistor is connected to the output node and the other is connected to the ground node.
メモリセルに含まれるバルクトランジスタは、すべてNチャネルMOSトランジスタから構成され、さらに、第1および第2のインバータの各々の一部にPチャネル薄膜トランジスタが用いられる。 All the bulk transistors included in the memory cell are composed of N-channel MOS transistors, and a P-channel thin film transistor is used as a part of each of the first and second inverters.
したがって、この発明によれば、メモリセルを形成する際に2つの導電型のウェル領域を設ける必要がなく、さらに、Pチャネル薄膜トランジスタはバルクトランジスタの上層に形成できるので、メモリセルのサイズをさらに縮小できる。 Therefore, according to the present invention, it is not necessary to provide a well region of two conductivity types when forming a memory cell. Further, since the P-channel thin film transistor can be formed in the upper layer of the bulk transistor, the size of the memory cell is further reduced. it can.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による半導体記憶装置の全体構成を示す概略ブロック図である。
[Embodiment 1]
1 is a schematic block diagram showing an overall configuration of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
図1を参照して、半導体記憶装置10は、制御信号端子12と、クロック端子14と、アドレス端子16と、データ入出力端子18とを備える。また、半導体記憶装置10は、制御信号バッファ20と、クロックバッファ22と、アドレスバッファ24と、入出力バッファ26とを備える。さらに、半導体記憶装置10は、制御回路28と、行アドレスデコーダ30と、列アドレスデコーダ32と、センスアンプ/入出力制御回路34と、メモリセルアレイ36とを備える。
Referring to FIG. 1, the semiconductor memory device 10 includes a
なお、図1においては、半導体記憶装置10について、データ入出力に関する主要部分のみが代表的に示される。 FIG. 1 representatively shows only the main part related to data input / output of semiconductor memory device 10.
制御信号端子12は、チップセレクト信号/CS、行アドレスストローブ信号/RAS、列アドレスストローブ信号/CASおよびライトイネーブル信号/WEのコマンド制御信号を受ける。クロック端子14は、外部クロックCLKおよびクロックイネーブル信号CKEを受ける。アドレス端子16は、アドレス信号A0〜An(nは自然数)を受ける。
クロックバッファ22は、外部クロックCLKを受けて内部クロックを発生し、制御信号バッファ20、アドレスバッファ24、入出力バッファ26および制御回路28へ出力する。制御信号バッファ20は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、チップセレクト信号/CS、行アドレスストローブ信号/RAS、列アドレスストローブ信号/CASおよびライトイネーブル信号/WEを取込んでラッチし、制御回路28へ出力する。アドレスバッファ24は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、アドレス信号A0〜Anを取込んでラッチし、内部アドレス信号を発生して行アドレスデコーダ30および列アドレスデコーダ32へ出力する。
データ入出力端子18は、半導体記憶装置10において読み書きされるデータを外部とやり取りする端子であって、データ書込時は外部から入力されるデータDQ0〜DQi(iは自然数)を受け、データ読出時はデータDQ0〜DQiを外部へ出力する。
The data input /
入出力バッファ26は、データ書込時は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、データDQ0〜DQiを取込んでラッチし、内部データIDQをセンスアンプ/入出力制御回路34へ出力する。一方、入出力バッファ26は、データ読出時は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、センスアンプ/入出力制御回路34から受ける内部データIDQをデータ入出力端子18へ出力する。
Input /
制御回路28は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、制御信号バッファ20からコマンド制御信号を取込み、取込んだコマンド制御信号に基づいて行アドレスデコーダ30、列アドレスデコーダ32および入出力バッファ26を制御する。これによって、データDQ0〜DQ15のメモリセルアレイ36への読み書きが行なわれる。
The
行アドレスデコーダ30は、制御回路28からの指示に基づいて、アドレス信号A0〜Anに対応するメモリセルアレイ36上のワード線を選択し、図示されないワードドライバによって選択されたワード線を活性化する。また、列アドレスデコーダ32は、制御回路28からの指示に基づいて、アドレス信号A0〜Anに対応するメモリセルアレイ36上のビット線対を選択する。
The
センスアンプ/入出力制御回路34は、データ書込時は、入出力バッファ26から受ける内部データIDQの論理レベルに応じて、列アドレスデコーダ32によって選択されたビット線対を電源電圧Vccまたは接地電圧GNDにプリチャージする。これによって、行アドレスデコーダ30によって活性化されたワード線と、列アドレスデコーダ32によって選択され、センスアンプ/入出力制御回路34によってプリチャージされたビット線対とに接続されるメモリセルアレイ36上のメモリセルに内部データIDQの書込みが行なわれる。
Sense amplifier / input /
一方、センスアンプ/入出力制御回路34は、データ読出時は、データ読出前に列アドレスデコーダ32によって選択されたビット線対を電圧Vcc/2にプリチャージし、選択されたビット線対において読出データに対応して発生する微小電圧変化を検出/増幅して読出データの論理レベルを判定し、入出力バッファ26へ出力する。
On the other hand, at the time of data reading, sense amplifier / input /
メモリセルアレイは36は、後述するメモリセルが行列状に配列された記憶素子群であり、各行に対応するワード線を介して行アドレスデコーダ30と接続され、また、各列に対応するビット線対を介してセンスアンプ/入出力制御回路34と接続される。
The
図2は、半導体記憶装置10におけるメモリセルアレイ36上に行列上に配列されるメモリセルの構成を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of memory cells arranged in a matrix on the
図2を参照して、半導体記憶装置10におけるメモリセルは、1ビットのデータに対して、そのデータと、そのデータを反転したデータとをそれぞれ記憶する2つのメモリセル50A,50Bが割り当てられたツインメモリセルの構成をとる。メモリセル50Aは、NチャネルMOSトランジスタ52Aと、キャパシタ54Aと、電荷補填回路56Aとを備え、メモリセル50Bは、NチャネルMOSトランジスタ52Bと、キャパシタ54Bと、電荷補填回路56Bとを備える。
Referring to FIG. 2, the memory cell in semiconductor memory device 10 is assigned two memory cells 50 </ b> A and 50 </ b> B each storing 1-bit data and data obtained by inverting the data. It takes the structure of a twin memory cell.
NチャネルMOSトランジスタ52Aは、ビット線対68A,68Bの一方のビット線68Aおよびキャパシタ54Aに接続され、ゲートがワード線66に接続される。NチャネルMOSトランジスタ52Aは、データ書込時およびデータ読出時のみ活性化されるワード線66によって駆動され、データ書込時およびデータ読出時のみONし、それ以外のときはOFFする。
N
キャパシタ54Aは、電荷を蓄積しているか否かに応じて、2進情報“1”,“0”を記憶する。キャパシタ54Aは、一端がNチャネルMOSトランジスタ52Aに接続され、もう一端がセルプレート70に接続される。そして、ビット線68AからNチャネルMOSトランジスタ52Aを介して2進情報“1”,“0”に対応した電圧をキャパシタ54Aに印加することによって、キャパシタ54Aの充放電が行なわれ、データの書込みが行なわれる。
The
電荷補填回路56Aは、PチャネルTFT562およびNチャネルMOSトランジスタ564からなるインバータで構成され、このインバータの入力ノードおよび出力ノードは、それぞれノード64,62に接続される。
The
NチャネルMOSトランジスタ52Bは、ビット線対68A,68Bのもう一方のビット線68Bおよびキャパシタ54Bに接続され、ゲートがワード線66に接続される。NチャネルMOSトランジスタ52Bは、NチャネルMOSトランジスタ52Aと共通のワード線66によって駆動され、データ書込時およびデータ読出時のみONし、それ以外のときはOFFする。
N
キャパシタ54Bは、電荷を蓄積しているか否かに応じて、2進情報“1”,“0”を記憶する。キャパシタ54Bは、一端がNチャネルMOSトランジスタ52Bに接続され、もう一端がセルプレート70に接続される。そして、ビット線68BからNチャネルMOSトランジスタ52Bを介して2進情報“1”,“0”に対応した電圧をキャパシタ54Bに印加することによって、キャパシタ54Bの充放電が行なわれ、データの書込みが行なわれる。キャパシタ54Bは、キャパシタ54Aが記憶する記憶データが反転されたデータを記憶する。
The capacitor 54B stores binary information “1” and “0” depending on whether or not charges are accumulated. Capacitor 54B has one end connected to N
電荷補填回路56Bは、PチャネルTFT566およびNチャネルMOSトランジスタ568からなるインバータで構成され、このインバータの入力ノードおよび出力ノードは、それぞれノード62,64に接続される。
The
なお、NチャネルMOSトランジスタ52Aおよびキャパシタ54A並びにNチャネルMOSトランジスタ52Bおよびキャパシタ54Bの構成は、一般的なDRAMの構成と同じである。
The configurations of N
PチャネルTFT562,566は、多結晶ポリシリコンで構成された、スイッチング機能を備える抵抗素子であり、T(テラ、「T」は1012を表わす。)ΩオーダのOFF抵抗とG(ギガ、「G」は109を表わす。)ΩオーダのON抵抗とを有する高抵抗素子である。
The P-
なお、この発明においては、抵抗素子といった場合、スイッチング機能を備えるものと定抵抗のものとの両方を示すものとする。 In the present invention, in the case of a resistance element, both the one having a switching function and the one having a constant resistance are shown.
PチャネルTFT562は、電源ノード72およびノード62に接続され、ゲートがノード64に接続される。また、NチャネルMOSトランジスタ564は、ノード62および接地ノード74に接続され、ゲートがノード64に接続される。
P-
PチャネルTFT566は、電源ノード72およびノード64に接続され、ゲートがノード62に接続される。また、NチャネルMOSトランジスタ568は、ノード64および接地ノード74に接続され、ゲートがノード62に接続される。
P-
半導体記憶装置10におけるメモリセルにおいては、このPチャネルTFT562およびNチャネルMOSトランジスタ564で構成されるインバータと、PチャネルTFT566およびNチャネルMOSトランジスタ568で構成されるインバータとによるラッチ機能によって、互いに反転したデータを保持するキャパシタ54A,54Bのリーク電流が補填され、リフレッシュ動作を行なうことなく記憶データが保持される。
In the memory cell in the semiconductor memory device 10, they are mutually inverted by a latch function of the inverter constituted by the
以下、この半導体記憶装置10におけるメモリセルの動作について説明する。
(1)データの書込み
このメモリセル50A,50Bにおいては、バルクトランジスタのON電流は3×10-5A(アンペア)程度であり、TFTのON電流およびOFF電流は、それぞれ1×10-11Aおよび1×10-13A程度である。また、バルクトランジスタのOFF電流によるノード62,64からのリーク電流は1×10-15A程度である。なお、ここに示した各電流値は、これらの数値に限定されるものではなく、これらの程度の次数であることを示すものである。
Hereinafter, the operation of the memory cell in the semiconductor memory device 10 will be described.
(1) Data writing In these
上述した各電流値であれば、PチャネルTFT562,566のON電流は、それぞれノード62,64からのリーク電流を4桁上回るため、電源ノード72からノード62,64を電源電圧に充電することができる。
If the current values are as described above, the ON currents of the P-
いま、メモリセル50Aにデータ“0”が書込まれると、ノード62の電圧は0Vとなるが、ノード62が0Vとなることのみによっては、ノード64は、通常の書込動作時間であるn(ナノ、「n」は10-9を表わす。)秒オーダで電源ノード72から電源電圧に充電されない。これは、次式において示される。
Now, when data “0” is written in the
電源ノード72の電源電圧を2Vとし、ノード64の容量を数fF(f(フェムト)ファラド、「f」は10-15を表わす。)、たとえば5fFとした場合、ノード64において次式が成り立つ。
When the power supply voltage of the
電荷Q=容量C×電圧V=5f×2=1×10-14
PチャネルTFT582のON電流I=1×10-11アンペア
充電時間t=Q/I=1×10-3秒 …(i)
したがって、ノード62が0Vとなることのみによっては、ノード64が充電されるためには、μ(マイクロ、「μ」は10-6を表わす。)秒からm(ミリ)秒オーダの時間を要するため、ノード62の電圧が0Vになっても直ちにノード64は充電されず、ノード62は、PチャネルTFT562を介して再び充電されてしまう。
Charge Q = capacitance C × voltage V = 5f × 2 = 1 × 10 −14
ON-current I of P-channel TFT 582 I = 1 × 10 −11 amperes Charging time t = Q / I = 1 × 10 −3 seconds (i)
Therefore, in order to charge the
しかしながら、この半導体記憶装置10におけるメモリセルにおいては、メモリセル50Aにデータ“0”が書込まれるのと同時に、メモリセル50Bにデータ“1”が書込まれ、ノード64は、ビット線68BからNチャネルMOSトランジスタ52Bを介してn(ナノ)秒オーダの書込動作時間で電源電圧に直ちに充電される。そうすると、NチャネルMOSトランジスタ564が直ちにONし、これによってノード62は0Vに保持される。また、ノード62が直ちに0Vになり、その状態が維持されることに応じて、NチャネルMOSトランジスタ568はOFFし、かつ、その状態を維持するので、ノード64は電源電圧に保持される。
However, in the memory cell in the semiconductor memory device 10, data “1” is written into the
このようにして、メモリセル50A,50Bにそれぞれ書込まれたデータ“0”,“1”に対応して、ノード62,64はそれぞれ0Vおよび電源電圧となり、これらの電圧状態は、電荷補填回路56A,56Bが連動することによってラッチされ、その後リフレッシュ動作することなく、書込まれたデータの状態が保持される。
In this way,
メモリセル50A,50Bは、その回路構成が同じであるので、メモリセル50Aにデータ“1”が書込まれ、それに対応してメモリセル50Bにデータ“0”が書込まれるときは、上述したメモリセル50A,50Bの動作が互いに入れ替わるだけで、上述した動作と同様の動作が行なわれるので、その説明は繰り返さない。
Since the
(2)データの読出し
半導体記憶装置10におけるメモリセルからのデータの読出しは、メモリセル50A,50Bにおいて、一般的なDRAMと同じ動作で行なわれる。すなわち、予めビット線68A,68Bが電圧Vcc/2にプリチャージされ、データの読出しに際して、ブーストされた電源電圧がワード線66に印加されてワード線66が活性化される。これによって、メモリセル50A,50BにおいてNチャネルMOSトランジスタ52A,52BがそれぞれONし、キャパシタ54A,54Bの蓄電状態に応じてビット線68A,68Bにそれぞれ現われた微小な電圧変化が図示しないセンスアンプによって比較され、プリチャージ電圧1/2Vccからの電圧変化の方向に応じて、ビット線対68A,68Bの電圧が電圧Vccおよび接地電圧GNDのいずれかまで増幅される。このビット線68Aの電圧レベルが記憶データの状態に対応する。
(2) Data Reading Data reading from the memory cells in the semiconductor memory device 10 is performed in the
ここで、ツインメモリセルの構成をとる半導体記憶装置10においては、シングルメモリセルの半導体記憶装置と比較してデータを高速に読出すことができる。これは、以下の理由による。シングルメモリセルの半導体記憶装置においては、ビット線の電圧はプリチャージ電圧1/2Vccと比較される。これに対して、半導体記憶装置10においては、メモリセル50A,50Bはそれぞれ互いに反転されたデータを記憶しているので、データの読出しにおいて、ビット線対68A,68Bの電圧はプリチャージ電圧1/2Vccからそれぞれ反対方向に微小変化し、ビット線対68A,68Bの電位差がセンスアンプによって直接比較される。したがって、半導体記憶装置10においては、シングルメモリセルの半導体記憶装置と比較して、センスアンプによって2倍の振幅でデータが検出されることになり、メモリセルから高速にデータが読出される。
Here, in semiconductor memory device 10 having a twin memory cell configuration, data can be read at a higher speed than a semiconductor memory device having a single memory cell. This is due to the following reason. In a semiconductor memory device having a single memory cell, the voltage of the bit line is compared with a precharge voltage ½ Vcc. On the other hand, in the semiconductor memory device 10, since the
また、データが読出されると、ビット線対68A,68Bの電圧がそれぞれ電圧Vccおよび接地電圧GNDのいずれかに増幅されている状態で、再びワード線66が活性化され、NチャネルMOSトランジスタ52A,52Bを介してキャパシタ54A,54Bがそれぞれ再チャージされる。こうして、上述した(1)と同様の動作で、データの再書込みが行なわれる。
When data is read,
ここで、この半導体記憶装置10においては、データ読出時にワード線66に印加される電圧は、電源電圧をブーストした電圧とすることなく、電源電圧以下の電圧とすることができる。
Here, in the semiconductor memory device 10, the voltage applied to the
ワード線66への印加電圧を電源電圧がブーストされた電圧とすると、データの読出しに際してメモリセル50A,50Bに記憶されていたデータが破壊され、データの再書込みが必要となる。これは、次の理由による。すなわち、データ読出後のノード62の電位は、ビット線68Aの容量とキャパシタ54Aの容量とによって決まり、データ読出後のノード64の電位は、ビット線68Bの容量とキャパシタ54Bの容量とによって決まる。ここで、ビット線対68A,68Bの容量は、キャパシタ54A,54Bの容量の10倍以上はあるため、データ読出後のノード62,64の電位は、データ読出前の電位よりビット線対68A,68Bの電位に近くなるからである。
When the voltage applied to the
しかしながら、この半導体記憶装置10におけるメモリセルは、一般的なDRAMと異なり、電荷補填回路56A,56Bを備え、電荷補填回路56A,56Bは、それぞれノード62と接続されたNチャネルMOSトランジスタ564およびノード64と接続されたNチャネルMOSトランジスタ568を含む。そして、これらのNチャネルMOSトランジスタ564,568の作用によって、ワード線66の電圧をブーストすることなく電源電圧以下にすることができる。以下、その理由について説明する。
However, unlike a general DRAM, the memory cell in semiconductor memory device 10 includes
メモリセル50A,50Bにそれぞれデータ“0”,“1”が記憶されているときは、NチャネルMOSトランジスタ564,568はそれぞれON,OFFしており、NチャネルMOSトランジスタ564は、ノード62から電荷を引き抜き、NチャネルMOSトランジスタ568は、ノード64から電荷を引き抜かない。
When data “0” and “1” are stored in
一方、メモリセル50A,50Bにそれぞれデータ“1”,“0”が記憶されているときは、NチャネルMOSトランジスタ564,568はそれぞれOFF,ONしており、NチャネルMOSトランジスタ564は、ノード62から電荷を引き抜かず、NチャネルMOSトランジスタ568は、ノード64から電荷を引き抜いている。
On the other hand, when data “1” and “0” are stored in
したがって、この電荷補填回路56A,56Bは、データの読出時に、NチャネルMOSトランジスタ564,568によってノード62,64の電荷を引き抜くか否かという機能も有する。そして、この機能によって、キャパシタ54A,54Bの電荷の状態をそれぞれビット線68A,68Bに完全に伝えなくてもデータの読出しが可能となる。
Therefore, the
以下、メモリセル50A,50Bにそれぞれデータ“0”,“1”が記憶されており、データの読出しが行なわれる場合について説明する。なお、メモリセル50A,50Bにそれぞれデータ“1”,“0”が記憶されている場合については、メモリセル50A,50Bの動作が入れ替わるだけであるので、その場合の説明は繰り返さない。
Hereinafter, a case where data “0” and “1” are stored in
データの読出時、メモリセル50Aにおいては、ビット線68AからNチャネルMOSトランジスタ52Aを介して流入する電荷をNチャネルMOSトランジスタ564が引き抜くので、ワード線66の電圧がブーストされていなくても、ビット線68Aの電圧は、データ“0”が検出できる程度にプリチャージ電圧1/2Vccから低下する。一方、ノード62の電圧変化は、NチャネルMOSトランジスタ564がノード62上の電荷を引き抜いているため、0Vから小さい範囲に抑えられる。
At the time of reading data, in
一方、メモリセル50Bにおいては、NチャネルMOSトランジスタ564によるノード62上の電荷の引抜き効果によってノード62の電圧変化が0Vから小さい範囲に抑えられることから、NチャネルMOSトランジスタ568はOFF状態を維持し、NチャネルMOSトランジスタ568はノード64から電荷を引抜かない。そして、ノード64からNチャネルMOSトランジスタ52Bを介してビット線68Bに流出する電荷をPチャネルTFT566が補充するので、ワード線66の電圧がブーストされていなくても、ビット線68Bの電圧は、データ“1”が検出できる程度にプリチャージ電圧1/2Vccから上昇する。
On the other hand, in
なお、PチャネルTFT566のON電流は、NチャネルMOSトランジスタ52BのON電流に比較して小さいので、NチャネルMOSトランジスタ52BがONした直後はノード64の電圧がプリチャージ電圧1/2Vccに近い値に低下するが、電源電圧Vccが2Vであり、電荷補填回路56Aを構成するインバータの論理しきい値電圧(出力電圧が急激に変化するときの入力電圧)が0.3V程度に設計されるので、メモリセル50AにおけるNチャネルMOSトランジスタ564がOFFすることはない。また、データ読出動作が終了し、NチャネルMOSトランジスタ52BがOFFした後は、PチャネルTFT566がノード64上に電荷を補充するので、ノード64は電源電圧Vccに復帰する。
Since the ON current of the P-
このように、ワード線66の電圧がブーストされていなくても、メモリセル50A,50Bからのデータの読出しが可能であり、メモリセル50A,50Bに記憶されているデータの状態を破壊することなく、ビット線68A,68Bへデータを読出すことができる。
Thus, even if the voltage of the
以上のようにして、半導体記憶装置10におけるメモリセルに対するデータの読み書きが行なわれ、また、ワード線66の電圧をブーストせずにデータの非破壊読出しを行なうこともできる。
As described above, data is read from and written to the memory cells in the semiconductor memory device 10, and data can be read nondestructively without boosting the voltage of the
なお、ワード線66への印加電圧の下限については、後述するセルレシオの関係から、アクセストランジスタであるNチャネルMOSトランジスタ52A,52Bの電流駆動能力がドライバトランジスタであるNチャネルMOSトランジスタ564,568の電流駆動能力の半分以上(セルレシオが2以下)になるように決定すればよい。
Regarding the lower limit of the voltage applied to
このメモリセル50A,50Bにおいて、PチャネルTFT562,566を用いたのは、PチャネルTFT562,566はNチャネルMOSトランジスタ564,568の上層に形成することができ、ツインメモリセル化によるセル面積の増大を抑えるためである。これによって、1ビット当りのバルクトランジスタ数は4個となり、6個のバルクトランジスタから構成される標準のSRAMに比べてセル面積が縮小される。
In the
さらに、このメモリセル50A,50Bにおける特徴の1つとして、セルレシオを1に近い値(レシオレス)とすることができる。
Furthermore, as one of the features of the
セルレシオとは、メモリセルにおけるドライバトランジスタ(図10,11に示したSRAMのメモリセル700,750におけるNチャネルMOSトランジスタ702,704、および図2に示したメモリセル50A,50BにおけるNチャネルMOSトランジスタ564,568)と、アクセストランジスタ(図10,11に示したSRAMのメモリセル700,750におけるNチャネルMOSトランジスタ706,708、および図2に示したメモリセル50A,50BにおけるNチャネルMOSトランジスタ52A,52B)との電流駆動能力比であり、一般に、SRAMにおいては、メモリセルの動作を安定させるために、セルレシオは2〜3以上にすることとされている。このことは、SRAMにおいては、一定のセルレシオを確保するために、ドライバトランジスタのゲート幅をアクセストランジスタのゲート幅より大きくする必要があることを意味する。
The cell ratio refers to driver transistors in memory cells (N-
一方、このメモリセル50A,50Bにおいては、ノード62,64にそれぞれ接続されるキャパシタ54A,54Bが設けられる。このため、アクセストランジスタ52A,52Bがそれぞれノード62,64を駆動する能力は、キャパシタ54A,54Bによって抑えられる。すなわち、ドライバトランジスタ564,568およびアクセストランジスタ52A,52B自体をレシオレスとしても、キャパシタ54A,54Bによって、セルレシオを設けたのと同等の効果が得られる。したがって、従来のSRAMのように、セルレシオを確保するためドライバトランジスタのゲート幅をアクセストランジスタのゲート幅より大きくする必要がなく、セル面積の縮小を図ることができる。
On the other hand,
なお、メモリセルの動作の安定性を考慮すると、メモリセル50A,50Bにおいても、SRAMと同等のセルレシオを有する必要はないが、多少のセルレシオを設けることは、動作の安定化をさらに高めるためには望ましい。
In consideration of the stability of the operation of the memory cell, the
これまでは、電荷補填回路56A,56BにおいてTFTを用いる構成について説明したが、TFTに代えて高抵抗を用いても同様の効果を有するメモリセルを実現することができる。
So far, the configuration using the TFTs in the
図3は、図2のメモリセル50A,50BにおけるPチャネルTFT562,566に代えて、それぞれ高抵抗3562,3566を含む電荷補填回路56C,56Dをそれぞれ備えたメモリセル50C,50Dの回路構成を示した回路図である。高抵抗3582,3602以外のメモリセル50C,50Dの回路構成は、それぞれメモリセル50A,50Bの回路構成と同じであるので、それらの説明は繰り返さない。
FIG. 3 shows a circuit configuration of
なお、以下の説明では、メモリセル50C,50Dにそれぞれデータ“0”,“1”が書込まれている状態について説明する。メモリセル50C,50Dにそれぞれデータ“1”,“0”が書込まれている状態についても、同様に考えることができるので、その場合の説明は繰り返さない。
In the following description, a state where data “0” and “1” are written in the
図3を参照して、メモリセル50C,50Dにそれぞれデータ“0”,“1”が書込まれている状態では、ノード62の電圧は0Vであり、ノード64の電圧は電源電圧Vccである。ここで、メモリセル50Cにおいて、電源ノード72から高抵抗3562およびNチャネルMOSトランジスタ564を介して常時電流が流れることになるので、高抵抗3562として抵抗値の高い抵抗を用いなければ、データの読み書きを行なっていないスタンバイ期間中の電流(以下、スタンバイ電流と称する。)が増加することとなる。
Referring to FIG. 3, in a state where data “0” and “1” are written in
一方、高抵抗3566の抵抗値が高すぎると、ノード64においてNチャネルMOSトランジスタ568からリークするリーク電流が無視できなくなり、ノード64の電位が低下する。
On the other hand, if the resistance value of
したがって、少なくとも、リーク電流の10倍程度の電流を高抵抗3566から供給することが、ノード64の状態を安定させるために必要となる。電源電圧を2Vとし、リーク電流を1×10-15Aとすると、高抵抗3566にリーク電流の10倍の電流1×10-14Aを流すためには、高抵抗3566の抵抗値は2×1014Ω(オーム)以下であればよいことになる。
Therefore, it is necessary to supply at least about 10 times the leakage current from the
以上の説明は、メモリセル50C,50Dにそれぞれデータ“1”,“0”が書込まれている状態について考えれば、高抵抗3562についてもあてはまる。
The above description also applies to the
一方、高抵抗3562,3566の抵抗値の下限は、このメモリセル50C,50Dが搭載される半導体記憶装置10のメモリ容量とスタンバイ電流の仕様によって定められる。たとえば、メモリ容量が4M(メガ、「M」は106を表わす。)ビットである場合に、スタンバイ電流を10μAに抑えるためには、1メモリセル当りの高抵抗を流れる電流Iは、I=(10×10-6A)/(4×106ビット)=2.5×10-12Aとなる。したがって、電源電圧が2Vであるので、高抵抗3562,3566の抵抗値は、R=2V/(2.5×10-12A)=8×1011Ωとなる。以上より、上記条件においては、高抵抗3562,3566の抵抗値は、8×1011Ω〜2×1014Ωであればよい。
On the other hand, the lower limit of the resistance value of
以上のように、実施の形態1による半導体記憶装置10によれば、電荷補填回路56A,56Bをそれぞれ含むメモリセル50A,50Bによるツインメモリセルを備えるので、従来のDRAMと比較してリフレッシュ動作が不要であり、また、高速にデータの読出しが可能であり、さらに、データの非破壊読出しが可能なメモリセルが実現できる。
As described above, according to the semiconductor memory device 10 according to the first embodiment, the twin memory cells including the
また、実施の形態1による半導体記憶装置10によれば、電荷補填回路56A,56Bの一部にTFTもしくは高抵抗を用い、さらに、ドライバトランジスタおよびアクセストランジスタのセルレシオをレシオレスとしたので、従来のSRAMと比較してセル面積が縮小されたメモリセルが実現できる。
Also, according to the semiconductor memory device 10 according to the first embodiment, TFTs or high resistances are used for a part of the
[実施の形態2]
実施の形態2による半導体記憶装置110は、実施の形態1による半導体記憶装置10のメモリセル50A,50Bにおいて、電荷補填回路56A,56BにおけるNチャネルMOSトランジスタ564,568を含まないメモリセルを備える。
[Embodiment 2]
Semiconductor memory device 110 according to the second embodiment includes memory cells that do not include N
実施の形態2による半導体記憶装置110の全体構成は、図1に示された実施の形態1による半導体記憶装置10の全体構成と同じであるので、その説明は繰り返さない。 Since the entire configuration of semiconductor memory device 110 according to the second embodiment is the same as the entire configuration of semiconductor memory device 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1, description thereof will not be repeated.
図4は、半導体記憶装置110におけるメモリセルアレイ36上に行列上に配列されるメモリセルの構成を示す回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of memory cells arranged in a matrix on the
図4を参照して、半導体記憶装置110におけるメモリセルは、メモリセル150A,150Bのツインメモリセルで構成される。メモリセル150A,150Bの回路構成は、実施の形態1で説明したメモリセル50A,50Bの電荷補填回路56A,56Bにおいて、それぞれNチャネルMOSトランジスタ564,568を備えない構成となっている。メモリセル150A,150Bにおけるその他の回路構成は、実施の形態1で説明したメモリセル50A,50Bの回路構成とそれぞれ同じであるので、その説明は繰り返さない。
Referring to FIG. 4, the memory cell in semiconductor memory device 110 is formed of twin memory cells of
また、メモリセル150A,150BにおけるPチャネルTFT562,566以外の部分であるNチャネルMOSトランジスタ52A,52Bおよびキャパシタ54A,54Bの構成および機能並びにノード62,64の接続構成についても、実施の形態1と同じであるので、それらの説明は繰り返さない。
The configuration and function of N
メモリセル150A,150Bにおいては、このPチャネルTFT562,566によって、ノード62,64からのリーク電流が補填され、リフレッシュ動作を行なうことなく記憶データが保持される。
In
以下、このメモリセル150A,150Bの動作について説明する。
(1)データの書込み
以下の説明では、メモリセル150A,150Bにそれぞれデータ“0”,“1”が書込まれる場合について説明するが、メモリセル150A,150Bにそれぞれデータ“1”,“0”が書込まれる場合についても、同様に考えることができるので、その場合の説明は省略する。
Hereinafter, the operation of the
(1) Data Write In the following description, the case where data “0” and “1” are written in the
データ書込時のビット線68A,68B、ワード線66、NチャネルMOSトランジスタ52A,52Bおよびキャパシタ54A,54Bの動作もしくは状態については、実施の形態1と同じである。
The operations or states of
データの書込みに際してワード線66が活性化されると、メモリセル150AにおいてNチャネルMOSトランジスタ52Aが駆動され、ビット線68AからNチャネルMOSトランジスタ52Aを介してノード62に0Vの電圧が印加されることによって、メモリセル150BのPチャネルTFT566がONする。
When
一方、メモリセル150AにおいてNチャネルMOSトランジスタ52Aが駆動されるのと同時に、メモリセル150BにおいてもNチャネルMOSトランジスタ52Bが駆動され、ビット線68BからNチャネルMOSトランジスタ52Bを介してノード64に電源電圧Vccが印加されることによって、メモリセル150AのPチャネルTFT562がOFFする。
On the other hand, N-
したがって、その後、データの書込は終了したものとしてワード線66が非活性化され、NチャネルMOSトランジスタ52A,52BがOFFしても、ノード62はLレベルに維持され、ノード64はHレベルに維持される。
Therefore, after that, writing of data is completed, and
ここで、メモリセル150Aにおいては、ノード62をLレベルに強力にプルダウンするNチャネルMOSトランジスタが備えられていないため、PチャネルTFT562のOFF電流によるキャパシタ54への電流リークが考えられるが、PチャネルTFT562のOFF電流をキャパシタ54の蓄電状態に影響を与えるリーク電流と比較して十分小さくすることで、具体的には、PチャネルTFT562のOFF電流をノード62からのリーク電流の1/10より小さくなるように設定することで、ノード62をLレベルに強力にプルダウンするNチャネルMOSトランジスタを備えなくてもノード62はLレベルに維持される。
Here, since the
(2)データの読出し
データの読出動作については、基本的な動作に関しては実施の形態1と同じであるので、その説明は省略するが、実施の形態2においては、実施の形態1におけるメモリセル50A,50Bにそれぞれ含まれるNチャネルMOSトランジスタ564,568を備えていないため、実施の形態2におけるメモリセル150A,150Bは、実施の形態1で説明したようなNチャネルMOSトランジスタ564,568によるノード62,64の電荷の引抜き機能を有さず、実施の形態2では、実施の形態1のようにワード線66の電圧を下げることはできない。したがって、この半導体記憶装置110においては、一般的なDRAMと同様に、ワード線66には電源電圧をブーストした電圧が印加される。
(2) Data Reading Since the data reading operation is the same as that in the first embodiment with respect to the basic operation, the description thereof is omitted, but in the second embodiment, the memory cell in the first embodiment is used. Since N
以上のようにして、メモリセル150A,150Bに対する記憶データの読み書きが行なわれる。
As described above, the storage data is read from and written to the
この実施の形態2による半導体記憶装置110の1ビットあたりのバルクトランジスタ数は2個であり、6個のバルクトランジスタから構成される標準のSRAMに比べて大幅にセル面積を縮小できる。 In the semiconductor memory device 110 according to the second embodiment, the number of bulk transistors per bit is two, and the cell area can be greatly reduced as compared with a standard SRAM composed of six bulk transistors.
以上のように、実施の形態2による半導体記憶装置110によれば、電荷の補填が可能なPチャネルTFT562,566をそれぞれ含むメモリセル150A,150Bによるツインメモリセルを備えるので、従来のDRAMと比較してリフレッシュ動作が不要であり、特に、従来のSRAMと比較してセル面積が大幅に縮小されるメモリセルが実現できる。
As described above, according to the semiconductor memory device 110 according to the second embodiment, the twin memory cells including the
[実施の形態3]
実施の形態1,2による半導体記憶装置10,110のメモリセルがツインメモリセルで構成されるのに対し、実施の形態3による半導体記憶装置210のメモリセルはシングルメモリセルで構成され、データ読出時に電荷補填回路がキャパシタから分離されることによって、データの非破壊読出しが実現される。
[Embodiment 3]
While the memory cells of semiconductor memory devices 10 and 110 according to the first and second embodiments are configured by twin memory cells, the memory cell of semiconductor memory device 210 according to the third embodiment is configured by a single memory cell and data read Sometimes the charge compensation circuit is separated from the capacitor, thereby realizing nondestructive reading of data.
図5は、半導体記憶装置210におけるメモリセルアレイ36上に行列上に配列されるメモリセルの構成を示す回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of memory cells arranged in a matrix on the
図5を参照して、メモリセル250は、NチャネルMOSトランジスタ52と、キャパシタ54と、電荷補填回路256と、NチャネルMOSトランジスタ76とを備える。電荷補填回路256は、インバータ58,60と、ノード262,264とを含み、インバータ58は、PチャネルTFT582およびNチャネルMOSトランジスタ584からなり、インバータ60は、PチャネルTFT602およびNチャネルMOSトランジスタ604からなる。
Referring to FIG. 5,
NチャネルMOSトランジスタ52は、ビット線68およびキャパシタ54に接続され、ゲートがワード線66に接続される。NチャネルMOSトランジスタ52は、データ書込時およびデータ読出時に活性化されるデータ線66によって駆動され、データ書込みおよびデータ読出時にメモリセル250をビット線68と電気的に接続するアクセストランジスタであり、その機能および動作は、実施の形態1,2で説明したNチャネルMOSトランジスタ52Aと同じである。
N
キャパシタ54は、一端がNチャネルMOSトランジスタ52に接続され、もう一端がセルプレート70に接続される。キャパシタ54の機能も、実施の形態1,2で説明したキャパシタ54Aと同じである。
NチャネルMOSトランジスタ76は、キャパシタ54をNチャネルMOSトランジスタ52と接続するノード78およびノード262に接続され、ゲートが内部信号線80に接続される。NチャネルMOSトランジスタ76は、図示されない制御回路から内部信号線80に出力された内部信号/Rによって駆動され、内部信号/RがLレベルであるとき、電荷補填回路256をノード78から分離する。
N
図6は、内部信号/Rの状態変化を示すタイミングチャートである。
図6を参照して、内部信号/Rは、チップセレクト信号/CSおよびライトイネーブル信号/WEがいずれもHレベルであるスタンバイ期間中(タイミングT1以前)は、Hレベルとなる。また、内部信号/Rは、チップセレクト信号/CSおよびライトイネーブル信号/WEがそれぞれLレベル,Hレベルであるデータ読出動作中(タイミングT1〜T2)は、Lレベルとなる。さらに、内部信号/Rは、チップセレクト信号/CSおよびライトイネーブル信号/WEがいずれもLレベルであるデータ書込動作中(タイミングT2〜T3)は、Hレベルとなる。
FIG. 6 is a timing chart showing a state change of the internal signal / R.
Referring to FIG. 6, internal signal / R is at H level during a standby period (before timing T1) in which both chip select signal / CS and write enable signal / WE are at H level. Internal signal / R is at L level during a data read operation (timing T1 to T2) in which chip select signal / CS and write enable signal / WE are at L level and H level, respectively. Further, internal signal / R is at H level during a data write operation (timing T2 to T3) in which both chip select signal / CS and write enable signal / WE are at L level.
したがって、再び図5を参照して、NチャネルMOSトランジスタ76は、データ読出動作時のみ非活性化され、データ読出動作中は、電荷補填回路256をノード78と分離する。
Therefore, referring again to FIG. 5, N
PチャネルTFT582は、電源ノード72およびノード264に接続され、ゲートがノード262に接続される。また、NチャネルMOSトランジスタ584は、ノード264および接地ノード74に接続され、ゲートがノード262に接続される。
P-
PチャネルTFT602は、電源ノード72およびノード262に接続され、ゲートがノード264に接続される。また、NチャネルMOSトランジスタ604は、ノード262および接地ノード74に接続され、ゲートがノード264に接続される。
P-
メモリセル250においては、このインバータ58とインバータ60とによって構成されるラッチ機能によって、キャパシタ54のリーク電流が補填され、リフレッシュ動作を行なうことなく記憶データが保持される。
In
以下、このメモリセル250の動作について説明する。
(1)データ“0”の書込み
データ書込時は、内部信号/Rに応じてNチャネルMOSトランジスタ76がONしており、電荷補填回路256は、ノード78と電気的に接続されている。
Hereinafter, the operation of the
(1) Writing of Data “0” At the time of data writing, N
このメモリセル250においては、バルクトランジスタのON電流は3×10-5A(アンペア)程度であり、TFTのON電流およびOFF電流は、それぞれ1×10-11Aおよび1×10-13A程度である。また、キャパシタ54およびバルクトランジスタのOFF電流によるノード262,264からのリーク電流は1×10-15A程度である。なお、ここに示した各電流値は、これらの数値に限定されるものではなく、これらの程度の次数であることを示すものである。
In this
上述した各電流値であれば、TFTのON電流は、ノード262,264からのリーク電流を4桁上回るため、電源ノード72からノード262,264を電源電圧に充電することができる。
With each current value described above, the ON current of the TFT exceeds the leakage current from the
ノード262の容量は、キャパシタ54の容量、トランジスタのゲート容量、活性領域の接合容量などによるものであるが、記憶データが安定的に読出されるために、ノード262の容量は、少なくとも5fF(5f(フェムト)ファラド、「f」は10-15を表わす。)以上になるように設計される。一方、ノード264の容量は、トランジスタのゲート容量、活性領域の接合容量などによるものであるが、ノード264の容量は、一般的なSRAMと同様に、1fF程度である。ノード262の容量が上述した最小値の5fFであり、ノード264の容量が1fFであれば、ノード262,264の容量比は5となる。
The capacitance of the
この容量比をどの程度にするのが好ましいかは、このメモリセル250にデータ“0”を書込むことができる条件によって決まる。以下、この条件について説明する。
The degree to which the capacity ratio is preferably determined depends on the condition that data “0” can be written in the
メモリセル250にデータ“0”が書込まれると、ノード262の電圧は0Vとなるが、通常の書込動作時間であるn(ナノ、「n」は10-9を表わす。)秒オーダでは、ノード264は、電源ノード72から電源電圧に充電されない。これは、次式において示される。
When data “0” is written in the
いま、電源ノード72の電源電圧を2Vとした場合、ノード264において次式が成り立つ。
Now, when the power supply voltage of the
電荷Q=容量C×電圧V=1f×2=2×10-15
PチャネルTFT582のON電流I=1×10-11アンペア
充電時間t=Q/I=2×10-4秒 …(ii)
したがって、ノード264が充電されるためには、μ(マイクロ、「μ」は10-6を表わす。)秒オーダの時間を要する。そうすると、ノード262の電圧が0Vになっても、直ちにノード264は電源電圧に充電されないので、ノード262は、電源ノード72からPチャネルTFT602を介して充電され始める。そして、ノード264に比べてノード262の充電速度が速いと、ノード264が充電されてPチャネルTFT602がOFFする前にノード262が再充電されてしまうことになり、一旦ノード262に書込まれたデータ“0”は、最終的にデータ“1”となって、書込エラーが発生する。
Charge Q = capacitance C × voltage V = 1f × 2 = 2 × 10 −15
P-
Therefore, in order for
しかしながら、上述したノード262,264の容量比が大きければ、ノード264の充電速度がノード262の充電速度を上回り、ノード262が再充電される前にPチャネルTFT602がOFFし、また、NチャネルMOSトランジスタ604がONするので、ノード262はNチャネルMOSトランジスタ604によって0Vにプルダウンされ、書込エラーは発生しない。
However, if the capacity ratio of the
このノード62,64の容量比は、NチャネルMOSトランジスタ584とNチャネルMOSトランジスタ604とのしきい値電圧のばらつきを考慮すると、最低限5程度あればよいと考えられる。そして、データの書込みをさらに安定的に実現するために、ノード262と接続されるキャパシタ54が設けられ、キャパシタ54の容量を一般的なDRAMと同等の20fF程度にすれば、ノード262,264の容量比は20程度となり、データの書込みはさらに安定化される。なお、PチャネルTFT582とPチャネルTFT602とのON電流の比が10倍程度ばらつくこと、およびNチャネルMOSトランジスタ584とNチャネルMOSトランジスタ604とのしきい値電圧がばらつくことを考慮すると、ノード62,64の容量比は20以上であることが望ましい。
It is considered that the capacity ratio of the
以上のように、ノード262,264に容量比を設けることによって、ノード264が電源電圧に充電される前にワード線66を非活性化しても、データ“0”の書込みにおける書込エラーは発生しない。そして、ノード264の電圧が所定の電圧を超えるとNチャネルMOSトランジスタ604がONし、これによってノード262は0Vに保持され、その後リフレッシュ動作することなく、書込まれたデータ“0”の状態が保持される。
As described above, by providing the capacitance ratios at the
なお、この実施の形態3では、データの書込みを安定的に実現するためにキャパシタ54を設けているが、キャパシタ54を設けることなくトランジスタのゲート容量などでノード262,264の容量比が十分に確保できれば、キャパシタ54を不要とすることもできる。
In the third embodiment, the
(2)データ“1”の書込み
メモリセル250にデータ“1”が書込まれるときは、ノード262は、ビット線68からNチャネルMOSトランジスタ52を介して直ちに充電され、これに応じてNチャネルMOSトランジスタ584が直ちにONし、ノード264は直ちに0Vとなる。したがって、ノード262,264の電圧は早期に安定し、データ“1”の書込みの際にTFTの性能による影響を受けることはない。
(2) Writing of data “1” When data “1” is written to the
そして、上述したように、PチャネルTFT602のON電流は、ノード262からのリーク電流を4桁上回るため、ノード262はPチャネルTFT602によって電源電圧に保持され、その後リフレッシュ動作することなく、書込まれたデータ“1”の状態が保持される。
As described above, since the ON current of the P-
図7,8は、上述した書込動作におけるノード62,64の電位変化を示す図である。図7は、メモリセル250にデータ“0”が書込まれるときのノード262,264の電位変化を示す図であり、図8は、メモリセル250にデータ“1”が書込まれるときのノード262,264の電位変化を示す図である。
7 and 8 are diagrams showing potential changes of the
まず、メモリセル250にデータ“0”が書込まれるときのノード262,264の電位変化について説明する。
First, a change in potential of
図7を参照して、破線はノード262の電位変化を示し、実線はノード264の電位変化を示す。また、電源電圧は2Vとし、インバータ60の論理しきい値電圧(出力電圧が急激に変化するときの入力電圧)は0.3Vとする。そして、時刻T1でワード線66が活性化されるとする。
Referring to FIG. 7, a broken line indicates a potential change at
時刻T1においてワード線66が活性化されると、ノード262の電荷は、NチャネルMOSトランジスタ52を介してビット線68へ引き抜かれ、ノード262の電位は直ちに0Vとなる。これに応じて、ノード264は、電源ノード72からPチャネルTFT582を介して充電され始めるが、TFTのON電流はバルクトランジスタのON電流よりも小さく、ノード264は直ちに充電されないため、ノード262も、電源ノード72からPチャネルTFT602を介して充電され始める。ただし、ノード262,264の容量比の関係上、ノード262の充電速度は、ノード264の充電速度に比べて遅い。そして、ワード線66は、時刻T1の数10μ秒後に非活性化される。
When
ノード264の電位が時刻T1から約30μ秒の時刻T2においてインバータ60の論理しきい値電圧0.3Vを超えると、NチャネルMOSトランジスタ604がONし、これに応じてノード262は0Vとなり、書込まれたデータ“0”の状態が安定する。なお、ノード264の電位がインバータ60の論理しきい値電圧0.3Vを超えるまでにかかる時間約30μ秒は、次式に基づいて確認される。
When the potential of
ノード264の電荷Q=容量C×電圧V=1f×0.3=3×10-16
PチャネルTFT582のON電流I=1×10-11A
論理しきい値電圧0.3Vに達するまで時間t=Q/I=3×10-5秒 …(iii)
一方、ノード264は、PチャネルTFT582によって充電され続け、上述した式(ii)で示されたように、ノード264の充電が開始される時刻から約200μ秒後の時刻T3で電源電圧の2Vに充電される。
Charge Q of
Time to reach the logical threshold voltage 0.3V t = Q / I = 3 × 10 −5 seconds (iii)
On the other hand, the
次に、メモリセル250にデータ“1”が書込まれる際のノード262,264の電位変化について説明する。
Next, a change in potential of
図8を参照して、破線および実線は、それぞれノード262,264の電位変化を示し、時刻T1でワード線66が活性化されるとする。時刻T1においてワード線66が活性化されると、ノード262は、ビット線68からNチャネルMOSトランジスタ52を介して電源電圧の2Vに直ちに充電される。これによって、NチャネルMOSトランジスタ584が直ちにONし、ノード264は直ちに0Vとなる。したがって、データ“1”の書込時は、TFTの特性の影響を受けない。
Referring to FIG. 8, broken lines and solid lines indicate potential changes at
(3)データの読出し
上述したように、データ読出時は、内部信号/RがLレベルとなるので、NチャネルMOSトランジスタ76はOFFし、電荷補填回路256は、ノード78から分離される。そして、電荷補填回路256は、分離されたときの内部状態を維持する。
(3) Data Reading As described above, since internal signal / R is at L level during data reading, N
電荷補填回路256がノード78から分離されたときのNチャネルMOSトランジスタ52およびキャパシタ54は、従来のDRAMと同じ構成であり、データの読出動作も従来のDRAMと同じように行なうことができる。すなわち、予めビット線68が電圧Vcc/2にプリチャージされ、データの読出しに際して、ブーストされた電源電圧がワード線66に印加されてワード線66が活性化される。これによってNチャネルMOSトランジスタ52がONし、キャパシタ54の蓄電状態に応じたビット線68の微小電圧変化が図示しないセンスアンプによって検出され、ビット線68の電圧が電源電圧Vccまたは接地電圧GNDまで増幅される。このビット線68の電圧レベルが記憶データの状態に対応する。
N
ここで、データ読出後、ノード78の電圧はプリチャージ電圧Vcc/2に近くなり、データ読出前のノード78の電圧状態は維持されていない。従来のDRAMにおいては、このような状態は記憶データの破壊を意味し、データ読出後にビット線68の電圧が電圧Vccまたは接地電圧GNDに増幅されている状態で、再びワード線66を活性化してキャパシタ54を再チャージし、上述した(1)または(2)と同様の動作でデータの再書込みが行なわれる。
Here, after data reading, the voltage at
一方、このメモリセル250においては、データの読出しが完了した後、内部信号/RがHレベルになり、電荷補填回路256がノード78に再び接続される。そうすると、電荷補填回路256はデータ読出し前の状態を維持しているので、記憶されていたデータが“1”であったときは、電源ノード72からPチャネルTFT602を介してノード78が電源電圧に充電される。
In
なお、NチャネルMOSトランジスタ76が接続された直後は、ノード262の電圧は1/2Vcc近くに一旦低下するが、インバータ58の論理しきい値電圧0.3Vより高いので、インバータ58が反転することはなく、電荷補填回路256の内部状態が変わることはない。また、記憶されていたデータが“0”であったときは、ノード78およびキャパシタ54の電荷がNチャネルMOSトランジスタ604によって直ちに引抜かれ、インバータ58が反転することなく、ノード78は0Vになる。
Immediately after the N-
このように、メモリセル250においては、データ読出時、電荷補填回路256がデータ読出前の状態を保持しつつノード78から分離され、データの読出動作におけるNチャネルMOSトランジスタ52の動作およびキャパシタ54の状態は従来のDRAMと全く同じでありながら、データ読出動作終了後は、電荷補填回路256がノード78に再び接続され、キャパシタ54およびノード78の状態は、電荷補填回路256によって電荷が充電または放電されてデータ読出前の状態に復帰するので、従来のDRAMのように再書込動作によって記憶データをメモリセルの外部から再度書込む必要がなく、データの非破壊読出しが実現される。
Thus, in
このメモリセル250において、PチャネルTFT582,602を用いたのは、実施の形態1と同様に、PチャネルTFT582,602はNチャネルMOSトランジスタ584,604の上層に形成することができ、従来のDRAMに比べて、バルクトランジスタであるNチャネルMOSトランジスタ584,604,76によるセル面積の増加があるものの、メモリセルにおけるバルクトランジスタ数は4個であり、6個のバルクトランジスタから構成される標準のSRAMに比べてセル面積を縮小できるからである。
In this
さらに、このメモリセル250における特徴の1つとして、セルレシオを1に近い値(レシオレス)とすることができる。
Further, as one of the features of the
上述したように、このメモリセル250においては、キャパシタ54が設けられることによってメモリセルの動作が安定化されることから、SRAMのようにセルレシオを2〜3以上とする必要がなく、基本的にはレシオレスにすることができる。そして、セルレシオを小さくできるということは、ドライバトランジスタのゲート幅を従来のSRAMと比較して小さくできるということであり、この点からもさらなるセル面積の縮小が実現される。
As described above, in the
なお、メモリセルの動作の安定性を考慮すると、メモリセル250においても、SRAMと同等のセルレシオを有する必要はないが、多少のセルレシオを設けることは、動作の安定化をさらに高めるためには望ましい。
In consideration of the stability of the operation of the memory cell, the
以上のように、実施の形態3による半導体記憶装置210によれば、メモリセル250は、データ読出時にデータ読出前の状態を保持しつつキャパシタ54から分離され、かつ、データ読出終了後に再びキャパシタ54に接続されてキャパシタ54の電荷状態をデータ読出前の状態に復帰させる電荷補填回路256を備えるので、データの非破壊読出しが可能となり、また、リフレッシュ動作も不要となる。
As described above, according to semiconductor memory device 210 in accordance with the third embodiment,
なお、実施の形態1では、メモリセル50A,50Bは、隣接して配置されるが、ビット線に接続されるセンスアンプの配置などにより、メモリセル50A,50Bは、隣接することなく配置されるようにしてもよい。
In the first embodiment, the
この場合、ノード62,64は、配線長が長くなることによって配線容量が大きくなるため、ノード62,64の容量が配線容量によって5fF程度以上得られれば、キャパシタ54A,54Bを特別に設けなくてもよい。これによって、メモリセルの構造が簡素化される。
In this case, since the wiring capacity of the
一方、メモリセル50A,50Bを隣接して配置する場合は、ビット線68A,68Bを近接して並行に配線することができ、一方のビット線に外部ノイズがのってもビット線68A,68Bにおいて同相のノイズとなるため、差動式のセンスアンプにおいてノイズは相殺され、ノイズに対する耐性が向上する。
On the other hand, when the
また、データ読出時のビット線のプリチャージ電圧は、1/2Vccとしたが、プリチャージ電圧は、電源電圧Vccであってもよい。この場合、記憶データが“1”であって、記憶ノードの電圧が電源電圧Vccであるときは、データ読出動作によって記憶ノードの電位が下がらないため、より安定した非破壊読出しが実現できる。 Further, although the precharge voltage of the bit line at the time of data reading is ½ Vcc, the precharge voltage may be the power supply voltage Vcc. In this case, when the stored data is “1” and the voltage of the storage node is the power supply voltage Vcc, the potential of the storage node is not lowered by the data reading operation, so that more stable nondestructive reading can be realized.
なお、上述したメモリセルの配置およびプリチャージ電圧に関する記述は、実施の形態2についても同様である。 The description regarding the arrangement of the memory cells and the precharge voltage is the same as in the second embodiment.
さらに、実施の形態1〜3では、バルクトランジスタは、全てNチャネルMOSトランジスタで構成されるが、全てPチャネルMOSトランジスタで構成されるようにしてもよい。この場合、実施の形態1,2においてはPチャネルTFT562,566に代えてNチャネルTFTが用いられ、実施の形態3においてはPチャネルTFT582,602に代えてNチャネルTFTが用いられる。なお、実施の形態2では、PチャネルTFT562,566に代えて用いられるNチャネルTFTは、電源ノード72に接続されず、接地ノード74に接続される。
Furthermore, in the first to third embodiments, the bulk transistors are all formed of N-channel MOS transistors, but may be formed of all P-channel MOS transistors. In this case, N-channel TFTs are used instead of P-
また、さらに、図1に示した半導体記憶装置10は、行アドレスストローブ信号/RASおよび列アドレスストローブ信号/CASの各信号に対応する端子を制御端子12に含むが、これらの信号の各々に対応する端子を備えず、行および列アドレスが同時に入力されるものであってもよい。
Further, semiconductor memory device 10 shown in FIG. 1 includes a terminal corresponding to each of row address strobe signal / RAS and column address strobe signal / CAS in
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
10,110,210 半導体記憶装置、12 制御信号端子、14 クロック端子、16 アドレス端子、18 データ入出力端子、20 制御信号バッファ、22 クロックバッファ、24 アドレスバッファ、26 入出力バッファ、28 制御回路、30 行アドレスデコーダ、32 列アドレスデコーダ、34 センスアンプ/入出力制御回路、36 メモリセルアレイ、50A〜50D,150A,150B,250,500,700,750 メモリセル、52,52A,52B,76,502,564,568,702〜708 NチャネルMOSトランジスタ、54,54A,54B,504 キャパシタ、56A〜56D,256 電荷補填回路、58,60 インバータ、62,64,78,262,264,714,716 ノード、66,506,722 ワード線、68,68A,68B,508,718,720 ビット線、70,510 セルプレート、72 電源ノード、74 接地ノード、80 内部信号線、562,566,730,732 PチャネルTFT、710,712 PチャネルMOSトランジスタ、3562,3566 高抵抗。 10, 110, 210 Semiconductor memory device, 12 control signal terminal, 14 clock terminal, 16 address terminal, 18 data input / output terminal, 20 control signal buffer, 22 clock buffer, 24 address buffer, 26 input / output buffer, 28 control circuit, 30 row address decoder, 32 column address decoder, 34 sense amplifier / input / output control circuit, 36 memory cell array, 50A-50D, 150A, 150B, 250, 500, 700, 750 memory cell, 52, 52A, 52B, 76, 502 , 564, 568, 702 to 708 N channel MOS transistor, 54, 54A, 54B, 504 capacitor, 56A to 56D, 256 charge compensation circuit, 58, 60 inverter, 62, 64, 78, 262, 264, 714, 716 66, 506, 722 Word line, 68, 68A, 68B, 508, 718, 720 Bit line, 70, 510 Cell plate, 72 Power node, 74 Ground node, 80 Internal signal line, 562, 566, 730, 732 P-channel TFT, 710, 712 P-channel MOS transistor, 3562, 3566 High resistance.
Claims (3)
前記メモリセルの行および列ごとにそれぞれ配列される複数のワード線および複数の第1および第2のビット線とを備え、
前記複数のメモリセルの各々は、
第1の電源ノードと前記第1の電源ノードよりも電位の低い第2の電源ノードとの間に接続される第1のPチャネル薄膜トランジスタおよび第1のNチャネルMOSトランジスタからなる第1のインバータと、
前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードとの間に接続される第2のPチャネル薄膜トランジスタおよび第2のNチャネルMOSトランジスタからなる第2のインバータとを含み、
前記第1のインバータの出力ノードおよび前記第2のインバータの入力ノードは、第1の記憶ノードに接続され、
前記第1のインバータの入力ノードおよび前記第2のインバータの出力ノードは、第2の記憶ノードに接続され、さらに
制御電極に前記ワード線が接続され、前記第1のビット線と前記第1の記憶ノードとの間に接続される第3のNチャネルMOSトランジスタと、
セルプレートと前記第1の記憶ノードとの間に接続され、前記第1の記憶ノードの論理レベルに応じた電荷を保持する第1の容量素子と、
制御電極に前記ワード線が接続され、前記第2のビット線と前記第2の記憶ノードとの間に接続される第4のNチャネルMOSトランジスタと、
前記セルプレートと前記第2の記憶ノードとの間に接続され、前記第2の記憶ノードの論理レベルに応じた電荷を保持する第2の容量素子とを含み、
前記第1のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力は、前記第3のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力の1倍以上2倍以下であり、
前記第2のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力は、前記第4のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力の1倍以上2倍以下である、半導体記憶装置。 A memory cell array including a plurality of memory cells arranged in a matrix;
A plurality of word lines and a plurality of first and second bit lines respectively arranged for each row and column of the memory cells;
Each of the plurality of memory cells includes
A first inverter comprising a first P-channel thin film transistor and a first N-channel MOS transistor connected between a first power supply node and a second power supply node having a lower potential than the first power supply node; ,
A second inverter comprising a second P-channel thin film transistor and a second N-channel MOS transistor connected between the first power supply node and the second power supply node;
An output node of the first inverter and an input node of the second inverter are connected to a first storage node;
An input node of the first inverter and an output node of the second inverter are connected to a second storage node, the word line is connected to a control electrode, the first bit line and the first node A third N-channel MOS transistor connected between the storage nodes;
A first capacitive element connected between a cell plate and the first storage node and holding a charge according to a logic level of the first storage node;
A fourth N-channel MOS transistor connected to the control electrode and connected between the second bit line and the second storage node;
A second capacitive element connected between the cell plate and the second storage node and holding a charge corresponding to a logic level of the second storage node;
The current drive capability of the first N-channel MOS transistor is 1 to 2 times the current drive capability of the third N-channel MOS transistor,
The semiconductor memory device, wherein the current drive capability of the second N-channel MOS transistor is 1 to 2 times the current drive capability of the fourth N-channel MOS transistor.
前記メモリセルの行および列ごとにそれぞれ配列される複数のワード線および複数の第1および第2のビット線とを備え、
前記複数のメモリセルの各々は、
第1の電源ノードと前記第1の電源ノードよりも電位の低い第2の電源ノードとの間に接続される第1のPチャネル薄膜トランジスタおよび第1のNチャネルMOSトランジスタからなる第1のインバータと、
前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードとの間に接続される第2のPチャネル薄膜トランジスタおよび第2のNチャネルMOSトランジスタからなる第2のインバータとを含み、
前記第1のインバータの出力ノードおよび前記第2のインバータの入力ノードは、第1の記憶ノードに接続され、
前記第1のインバータの入力ノードおよび前記第2のインバータの出力ノードは、第2の記憶ノードに接続され、さらに
制御電極に前記ワード線が接続され、前記第1のビット線と前記第1の記憶ノードとの間に接続される第3のNチャネルMOSトランジスタと、
セルプレートと前記第1の記憶ノードとの間に接続される第1の容量素子と、
制御電極に前記ワード線が接続され、前記第2のビット線と前記第2の記憶ノードとの間に接続される第4のNチャネルMOSトランジスタと、
前記セルプレートと前記第2の記憶ノードとの間に接続される第2の容量素子とを含み、
前記第1のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力は、前記第3のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力の1倍であり、
前記第2のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力は、前記第4のNチャネルMOSトランジスタの電流駆動能力の1倍である、半導体記憶装置。 A memory cell array including a plurality of memory cells arranged in a matrix;
A plurality of word lines and a plurality of first and second bit lines respectively arranged for each row and column of the memory cells;
Each of the plurality of memory cells includes
A first inverter comprising a first P-channel thin film transistor and a first N-channel MOS transistor connected between a first power supply node and a second power supply node having a lower potential than the first power supply node; ,
A second inverter comprising a second P-channel thin film transistor and a second N-channel MOS transistor connected between the first power supply node and the second power supply node;
An output node of the first inverter and an input node of the second inverter are connected to a first storage node;
An input node of the first inverter and an output node of the second inverter are connected to a second storage node, the word line is connected to a control electrode, the first bit line and the first node A third N-channel MOS transistor connected between the storage nodes;
A first capacitive element connected between a cell plate and the first storage node;
A fourth N-channel MOS transistor connected to the control electrode and connected between the second bit line and the second storage node;
A second capacitive element connected between the cell plate and the second storage node;
The current driving capability of the first N-channel MOS transistor is one times the current driving capability of the third N-channel MOS transistor,
The semiconductor memory device, wherein the current driving capability of the second N-channel MOS transistor is one times the current driving capability of the fourth N-channel MOS transistor.
前記メモリセルの行および列ごとにそれぞれ配列される複数のワード線および複数の第1および第2のビット線とを備え、
前記複数のメモリセルの各々は、
第1の電源ノードと前記第1の電源ノードよりも電位の低い第2の電源ノードとの間に接続される第1のPチャネル薄膜トランジスタおよび第1のNチャネルMOSトランジスタからなる第1のインバータと、
前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードとの間に接続される第2のPチャネル薄膜トランジスタおよび第2のNチャネルMOSトランジスタからなる第2のインバータとを含み、
前記第1のインバータの出力ノードおよび前記第2のインバータの入力ノードは、第1の記憶ノードに接続され、
前記第1のインバータの入力ノードおよび前記第2のインバータの出力ノードは、第2の記憶ノードに接続され、さらに
制御電極に前記ワード線が接続され、前記第1のビット線と前記第1の記憶ノードとの間に接続される第3のNチャネルMOSトランジスタと、
セルプレートと前記第1の記憶ノードとの間に接続される第1の容量素子と、
制御電極に前記ワード線が接続され、前記第2のビット線と前記第2の記憶ノードとの間に接続される第4のNチャネルMOSトランジスタと、
前記セルプレートと前記第2の記憶ノードとの間に接続される第2の容量素子とを含み、
前記第1のNチャネルMOSトランジスタのゲート幅は、前記第3のNチャネルMOSトランジスタのゲート幅と同一であり、
前記第2のNチャネルMOSトランジスタのゲート幅は、前記第4のNチャネルMOSトランジスタのゲート幅と同一である、半導体記憶装置。 A memory cell array including a plurality of memory cells arranged in a matrix;
A plurality of word lines and a plurality of first and second bit lines respectively arranged for each row and column of the memory cells;
Each of the plurality of memory cells includes
A first inverter comprising a first P-channel thin film transistor and a first N-channel MOS transistor connected between a first power supply node and a second power supply node having a lower potential than the first power supply node; ,
A second inverter comprising a second P-channel thin film transistor and a second N-channel MOS transistor connected between the first power supply node and the second power supply node;
An output node of the first inverter and an input node of the second inverter are connected to a first storage node;
An input node of the first inverter and an output node of the second inverter are connected to a second storage node, the word line is connected to a control electrode, the first bit line and the first node A third N-channel MOS transistor connected between the storage nodes;
A first capacitive element connected between a cell plate and the first storage node;
A fourth N-channel MOS transistor connected to the control electrode and connected between the second bit line and the second storage node;
A second capacitive element connected between the cell plate and the second storage node;
The gate width of the first N-channel MOS transistor is the same as the gate width of the third N-channel MOS transistor,
The semiconductor memory device, wherein a gate width of the second N-channel MOS transistor is the same as a gate width of the fourth N-channel MOS transistor.
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