JP2009193616A - Semiconductor memory device - Google Patents

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Takashi Osawa
澤 隆 大
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory device having a small refresh busy rate or low current consumption during holding of data, and advantageous in miniaturization. <P>SOLUTION: The semiconductor memory device includes a memory cell including a source layer, a drain layer, an electrically floating body area which is provided between the source layer and the drain layer and accumulates charges so as to store logical data or discharges charges, and a gate electrode provided on the body area with a gate insulating film being interposed therebetween, a bit line connected to the drain layer of the memory cell, a word line which is connected to a gate electrode of the memory cell or function as a gate electrode, and a word line driver connected to the word line. The word line driver writes first logical data to the memory cell via the gate insulating film by electron valence band tunneling. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体記憶装置に係わり、例えば、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)のフローティングボディに多数キャリアを蓄積することによって情報を記憶するFBC(Floating Body Cell)メモリに関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device, for example, an FBC (Floating Body Cell) memory that stores information by accumulating majority carriers in a floating body of a field effect transistor.

近年、1T(Transistor)−1C(Capacitor)型のDRAMに代わるメモリと期待されている半導体記憶装置として、FBCメモリ装置がある。FBCメモリ装置は、SOI(Silicon On Insulator)基板上にフローティングボディ(以下、ボディともいう)を備えたFET(Field Effect Transistor)を形成し、このボディに蓄積されている多数キャリアの数の多少によってデータ“1”またはデータ“0”を記憶する。例えば、N型FETからなるFBCにおいて、ボディに蓄積されているホール数が多い状態をデータ“1”とし、それが少ない状態をデータ“0”とする。データ“0”を格納するメモリセルを“0”セルと呼び、データ“1”を格納するメモリセルを“1”セルと呼ぶ。   2. Description of the Related Art In recent years, there is an FBC memory device as a semiconductor memory device that is expected to replace a 1T (Transistor) -1C (Capacitor) type DRAM. In the FBC memory device, an FET (Field Effect Transistor) having a floating body (hereinafter also referred to as a body) is formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate, and depending on the number of majority carriers accumulated in the body. Data “1” or data “0” is stored. For example, in an FBC composed of an N-type FET, a state where the number of holes accumulated in the body is large is data “1”, and a state where the number is small is data “0”. A memory cell storing data “0” is called a “0” cell, and a memory cell storing data “1” is called a “1” cell.

FBCは、従来型のDRAMよりも小型化に優れている。しかし、電荷を蓄えるボディの静電容量は、従来型のDRAMのキャパシタの静電容量よりも小さい。このため、FBCのボディからのリーク電流は、DRAMのキャパシタからのリーク電流よりも小さいにもかかわらず、データ保持時間に関してFBCはDRAMのそれよりも短い。従って、FBCメモリでは、リフレッシュ動作を頻繁に実行しなければならない。その結果、FBCメモリでは、通常の読出し/書込みが禁止される時間の割合(リフレッシュビジーレイト)が大きくなり、さらに、データを保持するために必要な電流が従来型のDRAMに比べて大きくなるという問題が生じる。特に、携帯機器では、データ保持時の消費電流が大きいことは重大な問題となる。   The FBC is superior to the conventional DRAM in size reduction. However, the capacitance of the body that stores the charge is smaller than the capacitance of the conventional DRAM capacitor. For this reason, although the leakage current from the body of the FBC is smaller than the leakage current from the capacitor of the DRAM, the FBC is shorter than that of the DRAM with respect to the data retention time. Therefore, the refresh operation must be frequently executed in the FBC memory. As a result, in the FBC memory, the ratio of time during which normal reading / writing is prohibited (refresh busy rate) increases, and further, the current required to hold data increases compared to the conventional DRAM. Problems arise. In particular, in a portable device, a large current consumption during data retention is a serious problem.

また、従来のFBCメモリにおいては、ビット線の振幅ΔVBLは、“1”書込み時のビット線電位VBLHと“0”書込み時のビット線電位VBLLとの差によって決定される。即ち、ΔVBL=VBLH−VBLLである。したがって、“1”セルと“0”セルとの信号差を充分な大きさにするためには、ビット線振幅ΔVBLを大きくしなければならない。FBCメモリでは、書込み時においてビット線に電流を流す必要がある。このため、ビット線振幅が大きいと、例えば、多数のメモリセルにデータを同時に書き込む場合に、ビット線に流す電流が多大となり、消費電力が増大するという問題があった。
W.C.Lee and C. Hu, “Modeling CMOS tunneling currents through ultrathin gate oxide due to conduction and valence-band electron tunneling”, IEEE Trans. Electron Device, vol. 48, pp.1366-1373, July 2001.
In the conventional FBC memory, the amplitude ΔVBL of the bit line is determined by the difference between the bit line potential VBLH at the time of writing “1” and the bit line potential VBLL at the time of writing “0”. That is, ΔVBL = VBLH−VBLL. Therefore, in order to make the signal difference between the “1” cell and the “0” cell sufficiently large, the bit line amplitude ΔVBL must be increased. In the FBC memory, it is necessary to pass a current through the bit line during writing. For this reason, when the bit line amplitude is large, for example, when data is simultaneously written in a large number of memory cells, there is a problem that a large amount of current flows through the bit line and power consumption increases.
WCLee and C. Hu, “Modeling CMOS tunneling currents through ultrathin gate oxide due to conduction and valence-band electron tunneling”, IEEE Trans. Electron Device, vol. 48, pp.1366-1373, July 2001.

データ保持時の消費電流が低く、小型化に優れた半導体記憶装置を提供する。   Provided is a semiconductor memory device that has low current consumption when data is held and is excellent in miniaturization.

本発明に係る実施形態に従った半導体記憶装置は、ソース層と、ドレイン層と、該ソース層と該ドレイン層との間に設けられ論理データを記憶するために電荷を蓄積し、あるいは、電荷を放出する電気的に浮遊状態のボディ領域と、ゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域上に設けられたゲート電極とを含むメモリセル、
前記メモリセルのドレイン層に接続されたビット線、
前記メモリセルのゲート電極に接続され、あるいは、ゲート電極として機能するワード線および、
前記ワード線に接続されたワード線ドライバを備え、
前記ワード線ドライバは、前記ゲート絶縁膜を介して電子価電子帯トンネリングによって第1の論理データを前記メモリセルへ書き込むことを特徴とする。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is provided between a source layer, a drain layer, and between the source layer and the drain layer, and accumulates charges to store logic data, or charges A memory cell including an electrically floating body region that emits a gate electrode and a gate electrode provided on the body region via a gate insulating film,
A bit line connected to a drain layer of the memory cell;
A word line connected to or functioning as a gate electrode of the memory cell; and
A word line driver connected to the word line;
The word line driver writes first logic data into the memory cell by electron valence band tunneling through the gate insulating film.

本発明に係る実施形態に従った半導体記憶装置は、ソース層と、ドレイン層と、該ソース層と該ドレイン層との間に設けられ論理データを記憶するために電荷を蓄積し、あるいは、電荷を放出する電気的に浮遊状態のボディ領域と、ゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域上に設けられたゲート電極とを含むメモリセル、
前記メモリセルのドレイン層に接続されたビット線、
前記メモリセルのゲート電極に接続され、あるいは、ゲート電極として機能するワード線および、
前記ワード線に接続されたワード線ドライバを備え、
第1の論理データを前記メモリセルに書き込む際に、前記ビット線の電位が前記ソース層の電位とほぼ等しい状態のもとで、前記ワード線ドライバは、前記メモリセルの閾値電圧よりも高く、かつ、データ読出し時における前記ワード線の電位よりも高い第1の電位を前記ワード線に印加することを特徴とする。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is provided between a source layer, a drain layer, and between the source layer and the drain layer, and accumulates charges to store logic data, or charges A memory cell including an electrically floating body region that emits a gate electrode and a gate electrode provided on the body region via a gate insulating film,
A bit line connected to a drain layer of the memory cell;
A word line connected to or functioning as a gate electrode of the memory cell; and
A word line driver connected to the word line;
When writing the first logic data to the memory cell, the word line driver is higher than the threshold voltage of the memory cell under a state where the potential of the bit line is substantially equal to the potential of the source layer, In addition, a first potential higher than the potential of the word line at the time of data reading is applied to the word line.

本発明による半導体記憶装置は、データ保持時の消費電流が低く、小型化に優れる。   The semiconductor memory device according to the present invention has low current consumption during data retention and is excellent in miniaturization.

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.

(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る第1の実施形態に従ったFBCメモリの構成を示す図である。FBCメモリは、メモリセルMCと、ダミーセルDC0、DC1と、ワード線WLLi、WLRi(iは整数)(以下、WLともいう)と、ダミーワード線DWLL,DWLR(以下、DWLともいう)と、ビット線BLLi、BLRi(以下、BLともいう)と、センスアンプS/Aと、イコライジング線EQLL,EQLR(以下、EQLともいう)と、イコライジングトランジスタTEQL、TEQR(以下、TEQともいう)と、ロウデコーダRDと、WLドライバWLDと、カラムデコーダCDと、CSLドライバCSLDとを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an FBC memory according to the first embodiment of the present invention. The FBC memory includes a memory cell MC, dummy cells DC0 and DC1, word lines WLLi and WLRi (i is an integer) (hereinafter also referred to as WL), dummy word lines DWLL and DWLR (hereinafter also referred to as DWL), bit Lines BLLi and BLRi (hereinafter also referred to as BL), a sense amplifier S / A, equalizing lines EQLL and EQLR (hereinafter also referred to as EQL), equalizing transistors TEQL and TEQR (hereinafter also referred to as TEQ), and a row decoder RD, WL driver WLD, column decoder CD, and CSL driver CSLD are provided.

メモリセルMCは、マトリクス状に二次元的に配列され、メモリセルアレイMCAL、MCAR(以下、MCAともいう)を構成している。ワード線WLは、ロウ(row)方向に延伸し、メモリセルMCのゲートに接続されている。あるいは、ワード線WLは、メモリセルMCのゲート電極と一体であり、ゲート電極としての機能も兼ね備える。ワード線WLは、センスアンプS/Aの左右に256本ずつ設けられており、図1では、WLL0〜WLL255およびWLR0〜WLR255で示されている。ビット線BLは、カラム方向に延伸し、メモリセルMCのドレインに接続されている。ビット線BLは、センスアンプS/Aの左右に1024本ずつ設けられており、図1では、BLL0〜BLL1023およびBLR0〜BLR1023で示されている。ワード線WLとビット線BLとは、互いに直交しており、その各交点にメモリセルMCが設けられている。これは、クロスポイント型セルと呼ばれている。尚、ロウ方向およびカラム方向は便宜的に呼称するものであり、ロウ方向およびカラム方向との呼称は入れ替えても差し支えない。   The memory cells MC are two-dimensionally arranged in a matrix and constitute memory cell arrays MCAL and MCAR (hereinafter also referred to as MCA). The word line WL extends in the row direction and is connected to the gate of the memory cell MC. Alternatively, the word line WL is integrated with the gate electrode of the memory cell MC and also has a function as a gate electrode. 256 word lines WL are provided on the left and right sides of the sense amplifier S / A, respectively, and are indicated by WLL0 to WLL255 and WLR0 to WLR255 in FIG. The bit line BL extends in the column direction and is connected to the drain of the memory cell MC. 1024 bit lines BL are provided on the left and right of the sense amplifier S / A, respectively, and are indicated by BLL0 to BLL1023 and BLR0 to BLR1023 in FIG. The word line WL and the bit line BL are orthogonal to each other, and a memory cell MC is provided at each intersection. This is called a cross-point type cell. Note that the row direction and the column direction are referred to for convenience, and the names of the row direction and the column direction may be interchanged.

データの読出し/書込み動作に先立って、ダミーセルDC0およびDC1は互いに逆極性のデータ“0”およびデータ“1”をそれぞれ記憶する。ダミーセルDC0およびDC1へのデータ書込みは、通常、電源投入直後あるいはメモリセルアレイに書込み動作が実行された直後に行われる。極性とは、データの論理値“0”または“1”を示す。ダミーセルDC0およびDC1は、メモリセルMCのデータを検出するときに、図1には示されていない平均化回路によって基準電流Irefを生成するために用いられる。基準電流Irefは、 “0”セルに流れる電流と“1”セルに流れる電流とのほぼ中間の電流である。センスアンプS/A内の電流負荷回路がビット線BLを介して電流をメモリセルMCへ流す。これにより、メモリセルMCのデータに応じた電流がセンスアンプS/A内のセンスノードを流れる。センスノードを流れる電流が基準電流Irefよりも高いか、低いかに基づいて、センスアンプS/Aはデータの論理値“1”または“0”を識別する。   Prior to the data read / write operation, dummy cells DC0 and DC1 store data "0" and data "1" having opposite polarities, respectively. Data writing to the dummy cells DC0 and DC1 is usually performed immediately after the power is turned on or immediately after the write operation is performed on the memory cell array. The polarity indicates a logical value “0” or “1” of data. The dummy cells DC0 and DC1 are used to generate the reference current Iref by an averaging circuit not shown in FIG. 1 when detecting data of the memory cell MC. The reference current Iref is a current approximately halfway between the current flowing through the “0” cell and the current flowing through the “1” cell. A current load circuit in the sense amplifier S / A causes a current to flow to the memory cell MC via the bit line BL. As a result, a current corresponding to the data in the memory cell MC flows through the sense node in the sense amplifier S / A. Based on whether the current flowing through the sense node is higher or lower than the reference current Iref, the sense amplifier S / A identifies the logical value “1” or “0” of the data.

尚、ダミーセルDC0およびダミーセルDC1は、ワード線WLの延伸する方向(ロウ方向)に向かって交互に配列されている。基準電流Irefを生成するために、ダミーセルDC0およびダミーセルDC1は同数ずつ設けられている。   Note that the dummy cells DC0 and DC1 are alternately arranged in the extending direction (row direction) of the word lines WL. In order to generate the reference current Iref, the same number of dummy cells DC0 and dummy cells DC1 are provided.

ダミーワード線DWLは、ロウ方向に延伸し、ダミーセルDC0、DC1のゲートに接続されている。ダミーワード線DWLは、センスアンプS/Aの左右に1本ずつ設けられている。   The dummy word line DWL extends in the row direction and is connected to the gates of the dummy cells DC0 and DC1. One dummy word line DWL is provided on each side of the sense amplifier S / A.

イコライジング線EQLは、イコライジングトランジスタTEQのゲートに接続されている。イコライジングトランジスタTEQは、ビット線BLとグランド(VSL)との間に接続されている。イコライジングでは、ビット線BLをグランドに接続することによって各ビット線BLの電位を接地電位に等しくする。   The equalizing line EQL is connected to the gate of the equalizing transistor TEQ. The equalizing transistor TEQ is connected between the bit line BL and the ground (VSL). In equalizing, the potential of each bit line BL is made equal to the ground potential by connecting the bit line BL to the ground.

ロウデコーダRDは、複数のワード線WLのうち特定のワード線を選択するためにロウアドレスをデコードする。WLドライバWLDは、選択ワード線に電圧を印加することによって、この選択ワード線を活性化させる。カラムデコーダCDは、複数のカラムのうち特定のカラムを選択するためにカラムアドレスをデコードする。CSLドライバCSLDは、選択されたカラムのカラム選択線CSLに電位を印加する。これにより、データは、DQバッファを介してセンスアンプS/Aからデータをメモリ装置外部へ読み出し、あるいは、メモリ装置外部からのデータを、DQバッファを介してセンスアンプS/Aへ書き込む。   The row decoder RD decodes a row address in order to select a specific word line among the plurality of word lines WL. The WL driver WLD activates the selected word line by applying a voltage to the selected word line. The column decoder CD decodes a column address in order to select a specific column among a plurality of columns. The CSL driver CSLD applies a potential to the column selection line CSL of the selected column. As a result, data is read from the sense amplifier S / A to the outside of the memory device via the DQ buffer, or data from the outside of the memory device is written to the sense amplifier S / A via the DQ buffer.

センスアンプS/Aは、左右に設けられた1本ずつのビット線BLLおよびBLRの対に接続されている。各センスアンプS/Aは、各ビット線対BLLおよびBLRに対応して設けられている。このように本実施形態では、オープンビット線構成を採用している。データ読出し時には、ビット線BLLおよびビット線BLRのうち一方がデータを伝達し、他方が基準データを伝達する。センスアンプS/Aは、読出したデータと基準データとを比較することによって、メモリセルMCに記憶された論理データを読み出し、あるいは、論理データをメモリセルMCへ書き込むように構成されている。尚、メモリ構成は、オープンビット線構成に限定されず、その他の構成(例えば、フォールデッドビット線構成等)であってもよい。また、センスアンプS/Aの回路構成も特に限定しない。   The sense amplifier S / A is connected to a pair of bit lines BLL and BLR provided one by one on the left and right. Each sense amplifier S / A is provided corresponding to each bit line pair BLL and BLR. Thus, in this embodiment, an open bit line configuration is adopted. At the time of data reading, one of the bit line BLL and the bit line BLR transmits data, and the other transmits reference data. The sense amplifier S / A is configured to read the logical data stored in the memory cell MC or write the logical data to the memory cell MC by comparing the read data with the reference data. The memory configuration is not limited to the open bit line configuration, but may be other configurations (for example, a folded bit line configuration). Further, the circuit configuration of the sense amplifier S / A is not particularly limited.

活性化とは素子または回路をオンまたは駆動させることを意味し、不活性化とは素子または回路をオフまたは停止させることを意味する。従って、HIGH(高電位レベル)の信号が活性化信号である場合もあり、LOW(低電位レベル)の信号が活性化信号である場合もあることに注意されたい。例えば、NMOSトランジスタは、ゲートをHIGHにすることによって活性化する。一方、PMOSトランジスタは、ゲートをLOWにすることによって活性化する。   Activation means turning on or driving the element or circuit, and deactivation means turning off or stopping the element or circuit. Therefore, it should be noted that a HIGH (high potential level) signal may be an activation signal, and a LOW (low potential level) signal may be an activation signal. For example, the NMOS transistor is activated by setting the gate to HIGH. On the other hand, the PMOS transistor is activated by setting the gate to LOW.

図2は、メモリセルMCの構造を示す断面図である。尚、ダミーセルDCは、メモリセルMCと同様の構成を有する。メモリセルMCは、支持基板10、BOX層20およびSOI層30を含むSOI基板上に設けられている。SOI層30内に、ソース60およびドレイン40が設けられている。フローティングボディ(以下、ボディ)50は、ソース60とドレイン40との間のSOI層30に形成される。ボディ50は、ソース60およびドレイン40とは逆導電型の半導体である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the memory cell MC. The dummy cell DC has a configuration similar to that of the memory cell MC. Memory cell MC is provided on an SOI substrate including support substrate 10, BOX layer 20, and SOI layer 30. A source 60 and a drain 40 are provided in the SOI layer 30. A floating body (hereinafter referred to as body) 50 is formed in the SOI layer 30 between the source 60 and the drain 40. The body 50 is a semiconductor having a conductivity type opposite to that of the source 60 and the drain 40.

本実施形態では、メモリセルMCはN型FETである。ゲート絶縁膜70がボディ50上に設けられている、ゲート電極80は、ゲート絶縁膜70を介してボディ50上に設けられている。ゲート電極80は、ワード線WLに接続され、あるいは、ワード線WLとして機能する。   In the present embodiment, the memory cell MC is an N-type FET. The gate electrode 80 is provided on the body 50, and the gate electrode 80 is provided on the body 50 via the gate insulating film 70. The gate electrode 80 is connected to the word line WL or functions as the word line WL.

ゲート絶縁膜70の膜厚は、電子がトンネリングできる程度に薄く、例えば、数nmである。ボディ50は、ソース60、ドレイン40、BOX層20、ゲート絶縁膜70およびSTI(Shallow Trench Isolation)(図示せず)によって、その一部または全部が囲まれる。これにより、ボディ50は電気的に浮遊状態である。ボディ50は、論理データを記憶するために多数キャリアを蓄積し、あるいは、多数キャリアを放出することができる。FBCメモリは、ボディ50内の多数キャリアの数によって論理データ(バイナリデータ)を記憶することができる。メモリセルMCがN型FETである場合、多数キャリアはホールである。   The thickness of the gate insulating film 70 is thin enough to allow electrons to tunnel, for example, several nm. The body 50 is partially or entirely surrounded by the source 60, the drain 40, the BOX layer 20, the gate insulating film 70, and STI (Shallow Trench Isolation) (not shown). Thereby, the body 50 is in an electrically floating state. The body 50 can accumulate majority carriers or release majority carriers to store logical data. The FBC memory can store logical data (binary data) according to the number of majority carriers in the body 50. When the memory cell MC is an N-type FET, the majority carrier is a hole.

メモリセルMCからデータを読み出す方法の一例を以下に説明する。データの読出し動作では、メモリセルMCを線形領域で動作させる。例えば、ワード線WLを1.5Vとし、ビット線BLに電流を流す。データ“0”を記憶するメモリセルMCとデータ“1”を記憶するメモリセルMCとは、ボディ50に蓄積されたホール数の違いにより、メモリセルMCの閾値電圧において相違する。センスアンプS/Aは、ビット線BLを介して閾値電圧の差を検知することによって、データ“1”とデータ“0”とを識別する。   An example of a method for reading data from the memory cell MC will be described below. In the data read operation, the memory cell MC is operated in a linear region. For example, the word line WL is set to 1.5 V, and a current is passed through the bit line BL. The memory cell MC that stores data “0” and the memory cell MC that stores data “1” differ in the threshold voltage of the memory cell MC due to the difference in the number of holes accumulated in the body 50. The sense amplifier S / A discriminates between data “1” and data “0” by detecting a difference in threshold voltage via the bit line BL.

図3〜図5は、電子価電子帯トンネリング(Electron valence band tunneling)(以下、EVBトンネリングともいう)を利用して、メモリセルMCにデータ“1”を書き込む方法を示すバンドダイアグラムである。ここで、メモリセルMCのゲート電極80は、不純物濃度が充分に高いn型シリコンからなり、ほとんど空乏化しないものとする。Evは価電子帯のエネルギーレベルを示し、Ecは伝導帯のエネルギーレベルを示す。Efはフェルミレベルを示し、Eiは真性フェルミレベルを示す。   3 to 5 are band diagrams showing a method of writing data “1” to the memory cell MC using electron valence band tunneling (hereinafter also referred to as EVB tunneling). Here, the gate electrode 80 of the memory cell MC is made of n-type silicon having a sufficiently high impurity concentration, and is hardly depleted. Ev indicates the energy level of the valence band, and Ec indicates the energy level of the conduction band. Ef indicates the Fermi level, and Ei indicates the intrinsic Fermi level.

図3は、データ保持状態におけるメモリセルMCのバンドダイアグラムを示す。データ保持状態では、“1”セルのボディ50内のホールを保持するために、ゲート電位Vgsは、ソース電位VSLを基準として深い負電位VWLLに設定される。データ保持状態では、P型シリコンからなるボディ50の表面は蓄積状態である。よって、ボディ50内の正孔がボディ50表面とゲート絶縁膜70との界面に蓄積している。   FIG. 3 shows a band diagram of the memory cell MC in the data holding state. In the data holding state, the gate potential Vgs is set to a deep negative potential VWLL with reference to the source potential VSL in order to hold a hole in the body 50 of the “1” cell. In the data holding state, the surface of the body 50 made of P-type silicon is in an accumulation state. Therefore, holes in the body 50 are accumulated at the interface between the body 50 surface and the gate insulating film 70.

図4は、ゲート電位Vgsがメモリセル(“1”セルまたは“0”セルのいずれでもよい)の閾値電圧Vthにほぼ等しい状態における、メモリセルMCのバンドダイアグラムを示す。このとき、ボディ50の表面に反転層(チャネル)が形成される。ボディ50側のエネルギーバンドは、2φB(2φ=2(Ef−Ei))だけ曲がった状態である。この状態において、反転層の電子がゲート絶縁膜70を介してリークしている。このリーク電流は、電子伝導帯トンネリング(Electron Conduction Band Tunneling(以下、ECBトンネリングともいう))電流であり、ボディ50側においてホールを生じさせない。   FIG. 4 shows a band diagram of the memory cell MC in a state where the gate potential Vgs is substantially equal to the threshold voltage Vth of the memory cell (which may be either “1” cell or “0” cell). At this time, an inversion layer (channel) is formed on the surface of the body 50. The energy band on the body 50 side is bent by 2φB (2φ = 2 (Ef−Ei)). In this state, electrons in the inversion layer leak through the gate insulating film 70. This leakage current is an electron conduction band tunneling (hereinafter also referred to as ECB tunneling) current, and does not cause holes on the body 50 side.

図5は、ゲート電位Vgsがメモリセルの閾値電圧Vthよりも高い状態におけるメモリセルMCのバンドダイアグラムを示す。このとき、ボディ50側の価電子帯のエネルギーバンドEvのエッジがゲート電極80側の伝導帯のエネルギーバンドEcと同一レベル以上になる。この場合、ECBトンネリングによるゲートリーク電流に加え、ボディ50の価電子帯に存在している電子がゲート絶縁膜70を介してトンネリングする。この価電子帯に存在している電子によるトンネリング現象がEVBトンネリングである。EVBトンネリングによる電子が発生すると、それと対を成すホールがボディ50内に残留する。このホールは、ボディ50に蓄積される。このように、ワード線ドライバWLDは、ゲート電圧80の電位をVthより大きくすることによって、第1の論理データとしてのデータ“1”をメモリセルMCへ書き込むことができる。   FIG. 5 shows a band diagram of the memory cell MC in a state where the gate potential Vgs is higher than the threshold voltage Vth of the memory cell. At this time, the edge of the energy band Ev of the valence band on the body 50 side becomes equal to or higher than the energy band Ec of the conduction band on the gate electrode 80 side. In this case, in addition to the gate leakage current due to ECB tunneling, electrons existing in the valence band of the body 50 are tunneled through the gate insulating film 70. This tunneling phenomenon due to electrons existing in the valence band is EVB tunneling. When electrons are generated by EVB tunneling, holes that form a pair remain in the body 50. This hole is accumulated in the body 50. As described above, the word line driver WLD can write the data “1” as the first logic data to the memory cell MC by setting the potential of the gate voltage 80 higher than Vth.

図6(A)および図6(B)は、EVBトンネリングを利用した書込み動作を示すタイミング図である。図6(A)は、ワード線電位、ビット線電位およびソース線電位を示す。図6(B)は、センスアンプS/A内のセンスノードSNLおよびSNRの電位を示す。   FIGS. 6A and 6B are timing diagrams showing a write operation using EVB tunneling. FIG. 6A shows a word line potential, a bit line potential, and a source line potential. FIG. 6B shows the potentials of the sense nodes SNL and SNR in the sense amplifier S / A.

“書込み動作”は、センスアンプS/AがメモリセルMCへ書き込む動作である。“書込み動作”は、メモリ装置外部から受け取ったデータをメモリセルMCへ書き込む動作、メモリセルMCのデータをメモリ装置外部へ読み出す際にセンスアンプS/Aに読み出されたデータをメモリセルMCへリストアする動作、並びに、リフレッシュ動作においてセンスアンプS/AがデータをメモリセルMCへリストアする動作を含む。   “Write operation” is an operation in which the sense amplifier S / A writes to the memory cell MC. The “write operation” is an operation of writing data received from the outside of the memory device to the memory cell MC. When reading data of the memory cell MC to the outside of the memory device, data read by the sense amplifier S / A is written to the memory cell MC. The restore operation and the operation in which the sense amplifier S / A restores data to the memory cell MC in the refresh operation are included.

ここで、リフレッシュ動作とは、メモリセルMCの論理データの劣化を回復させる動作である。リフレッシュ動作としては、メモリセルMCからデータを一旦読出し、このデータをセンスアンプS/Aにラッチし、このデータと同一論理データを同じメモリセルへ書き戻すノーマルリフレッシュ動作、および、“0”セルおよび“1”セルに対して等しい電圧を印加しつつ、“0”セルおよび“1”セルのボディ電位差を利用して自律的にメモリセルをリフレッシュする自律リフレッシュ動作がある。本発明は、後述のように、ノーマルリフレッシュ動作および自律リフレッシュ動作の両方に適用することができる。   Here, the refresh operation is an operation for recovering the deterioration of the logical data of the memory cell MC. As the refresh operation, data is temporarily read from the memory cell MC, this data is latched in the sense amplifier S / A, and the same logical data as this data is written back to the same memory cell. There is an autonomous refresh operation in which the memory cell is autonomously refreshed using the body potential difference between the “0” cell and the “1” cell while applying the same voltage to the “1” cell. As will be described later, the present invention can be applied to both a normal refresh operation and an autonomous refresh operation.

図6(A)および図6(B)では、ビット線BLLjを介してメモリセルMCからセンスアンプS/Aに読み出されたデータと同一論理のデータが該メモリセルMCに書き込まれている(リストアされている)。データ保持状態において(〜t1)、ソース電位およびビット線電位は、共に接地電位(0V)に設定されている。全ワード線の電位は、深い負電位VWLLに設定されている。   6A and 6B, data having the same logic as the data read from the memory cell MC to the sense amplifier S / A via the bit line BLLj is written in the memory cell MC ( Has been restored). In the data holding state (˜t1), the source potential and the bit line potential are both set to the ground potential (0 V). The potentials of all the word lines are set to a deep negative potential VWLL.

[メモリセルからセンスアンプへの読出し動作]
メモリセルMCからセンスアンプS/Aへの読出し動作は、選択ワード線に接続された全カラムのメモリセルMCに対して実行される。例えば、t2〜t3において、ワード線ドライバWLDは、或る選択ワード線WLLiの電位を電位VWLHRに立ち上げる。電位VWLHRは、“0”セルおよび“1”セルの閾値電圧よりも高い電圧である。このとき、全カラムのビット線BLLおよびBLRは、対応するセンスノードSNLおよびSNRにそれぞれ接続されている。従って、センスアンプS/Aの電流負荷回路(図示せず)は、ビット線BLLjおよびBLRjを介してそれぞれメモリセルMCおよびダミーセルDCに電流を流すことができる。
[Read operation from memory cell to sense amplifier]
The read operation from the memory cell MC to the sense amplifier S / A is executed for the memory cells MC in all columns connected to the selected word line. For example, from t2 to t3, the word line driver WLD raises the potential of a certain selected word line WLLi to the potential VWLHR. The potential VWLHR is higher than the threshold voltage of the “0” cell and “1” cell. At this time, the bit lines BLL and BLR of all the columns are connected to the corresponding sense nodes SNL and SNR, respectively. Therefore, the current load circuit (not shown) of the sense amplifier S / A can flow current to the memory cell MC and the dummy cell DC via the bit lines BLLj and BLRj, respectively.

図6(A)および図6(B)では、センスアンプS/Aは、ビット線BLLjに接続された“1”セルを検出している。では、センスアンプS/Aは、ビット線BLLjに接続された“1”セルを検出している。“1”セルは、“0”セルよりも閾値電圧が低いので、“1”セルに接続されたビット線BLLjおよびセンスノードSNLjの電位は、基準電流Irefを流すビット線BLRjおよびセンスノードSNRjの電位よりも高くなる(絶対値としては小さくなる)。センスノードSNLjとSNRjとの間の電位差が充分に発展した時点(t3)において、ビット線とセンスノードとの間のトランスファゲートを閉じ、さらに、センスアンプS/A内のラッチ回路(図示せず)を動作させる。これにより、図6(B)に示すように、センスノードSNLjとSNRjとの間の電位差が増幅される。センスアンプS/Aはこの増幅された電位差をセンスノードSNLjとSNRjとの間にラッチする。同様に、全カラムのセンスアンプS/Aが選択ワード線WLLiに接続された全メモリセルMCのデータを読み出す。   In FIG. 6A and FIG. 6B, the sense amplifier S / A detects the “1” cell connected to the bit line BLLj. Then, the sense amplifier S / A detects the “1” cell connected to the bit line BLLj. Since the threshold voltage of the “1” cell is lower than that of the “0” cell, the potentials of the bit line BLLj and the sense node SNLj connected to the “1” cell are the potentials of the bit line BLRj and the sense node SNRj through which the reference current Iref flows. It becomes higher than the potential (smaller as an absolute value). When the potential difference between the sense nodes SNLj and SNRj sufficiently develops (t3), the transfer gate between the bit line and the sense node is closed, and further, a latch circuit (not shown) in the sense amplifier S / A. ). Thereby, as shown in FIG. 6B, the potential difference between the sense nodes SNLj and SNRj is amplified. The sense amplifier S / A latches this amplified potential difference between the sense nodes SNLj and SNRj. Similarly, the sense amplifiers S / A of all the columns read the data of all the memory cells MC connected to the selected word line WLLi.

もし、ビット線BLLjに接続されたメモリセルが“0”セルである場合、図6(A)および図6(B)の括弧で示すように、選択ビット線BLLjの電位は、基準電流Irefを流すビット線BLRjの電位よりも低くなる。同様に、この場合、センスノードSNLiの電位は、基準電流Irefを流すセンスノードSNRjの電位よりも低くなる。   If the memory cell connected to the bit line BLLj is a “0” cell, the potential of the selected bit line BLLj is the reference current Iref as shown in parentheses in FIGS. It becomes lower than the potential of the bit line BLRj to flow. Similarly, in this case, the potential of the sense node SNLi is lower than the potential of the sense node SNRj through which the reference current Iref flows.

尚、本実施形態では、電流負荷回路は、n型FETで構成されており、ソース電位VSLより低い低電位源に接続されている。この場合、電流は、メモリセルMCから電流負荷回路へ向かって流れる。よって、ビット線およびセンスノードの電位は、ソース電位VSLよりも低い負電位側へ低下している。勿論、電流負荷回路は、p型FETで構成され、ソース電位VSLより高い高電位源に接続されていてもよい。この場合、電流は、電流負荷回路からメモリセルMCへ向かって流れ、ビット線およびセンスノードの電位は、ソース電位VSLよりも高い正電位側へ上昇する。“1”セルに接続されたセンスノードの電位は、基準電流Irefを流すセンスノードの電位よりも低くなる(絶対値としては小さくなる)。   In the present embodiment, the current load circuit is composed of an n-type FET and is connected to a low potential source lower than the source potential VSL. In this case, current flows from the memory cell MC toward the current load circuit. Therefore, the potentials of the bit line and the sense node are lowered to the negative potential side lower than the source potential VSL. Of course, the current load circuit may be composed of a p-type FET and connected to a high potential source higher than the source potential VSL. In this case, the current flows from the current load circuit toward the memory cell MC, and the potentials of the bit line and the sense node rise to the positive potential side higher than the source potential VSL. The potential of the sense node connected to the “1” cell is lower (smaller as an absolute value) than the potential of the sense node through which the reference current Iref flows.

[センスアンプからメモリセルへの“1”書込み動作]
センスアンプS/AからメモリセルMCへの“1”書込み動作では、ワード線ドライバWLDは、選択ワード線WLLiに接続された全カラムのメモリセルMCにデータ“1”を書き込む。例えば、t4において、選択ワード線WLLiの電位を、データ“1”の書込み電位VWLHW(第1の電位)へ上昇させる。第1の電位VWLHWは、“1”セルの閾値電圧、“0”セルの閾値電圧およびデータ読出し時のワード線電位VWLHRのいずれよりも高い。これにより、選択ワード線WLLiに接続された全メモリセルMCが図5に示した状態となる。その結果、EVBトンネリングによって、選択ワード線WLLiに接続された全メモリセルMCにデータ“1”が書き込まれる。EVBトンネリングは、ボディ−ゲート間の電位差によって生じるため、ビット線電位は、ソース電位と等しくてよい。
["1" write operation from sense amplifier to memory cell]
In the “1” write operation from the sense amplifier S / A to the memory cell MC, the word line driver WLD writes data “1” to the memory cells MC of all the columns connected to the selected word line WLLi. For example, at t4, the potential of the selected word line WLLi is raised to the write potential VWLHW (first potential) of the data “1”. The first potential VWLHW is higher than any of the threshold voltage of the “1” cell, the threshold voltage of the “0” cell, and the word line potential VWLHR at the time of data reading. As a result, all the memory cells MC connected to the selected word line WLLi are in the state shown in FIG. As a result, data “1” is written to all the memory cells MC connected to the selected word line WLLi by EVB tunneling. Since EVB tunneling occurs due to a potential difference between the body and the gate, the bit line potential may be equal to the source potential.

[センスアンプからメモリセルへの“0”書込み動作]
選択ビット線BLLjから読出したデータが“1”である場合、t4〜t5において選択ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCにデータ“1”がすでにリストアされている。よって、t5〜t6の実線で示すように、選択ビット線BLLjおよびBLRjはともにVSLに維持される。このとき、選択ビット線BLLjはセンスノードSNLiに接続され、ビット線BLRjはプリチャージ状態となればよい。
["0" write operation from sense amplifier to memory cell]
When the data read from the selected bit line BLLj is “1”, the data “1” has already been restored to the memory cell MC connected to the selected bit line BLLj from t4 to t5. Therefore, as indicated by the solid lines from t5 to t6, both the selected bit lines BLLj and BLRj are maintained at VSL. At this time, the selected bit line BLLj may be connected to the sense node SNLi and the bit line BLRj may be in a precharge state.

選択ビット線BLLjから読出したデータが“0”である場合、選択ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCに対して“0”書込み動作が実行される。   When the data read from the selected bit line BLLj is “0”, a “0” write operation is performed on the memory cells MC connected to the selected bit line BLLj.

即ち、ワード線ドライバWLDおよびセンスアンプS/Aは、選択ワード線WLLiに接続されたメモリセルMCのうちデータ“0”を書き込むべきメモリセルMCのみに選択的にデータ“0”を書き込む。例えば、t5において、ワード線ドライバWLDは、選択ワード線WLLiの電位を電位VWLHRへ戻す。これにより、メモリセルMCは、図5に示す状態から図4に示す状態に戻り、EVBトンネリングによる電流が流れなくなる。   That is, the word line driver WLD and the sense amplifier S / A selectively write the data “0” only to the memory cell MC to which the data “0” is to be written among the memory cells MC connected to the selected word line WLLi. For example, at t5, the word line driver WLD returns the potential of the selected word line WLLi to the potential VWLHR. As a result, the memory cell MC returns from the state shown in FIG. 5 to the state shown in FIG. 4, and current due to EVB tunneling does not flow.

図6の破線および括弧で示すように、選択ビット線BLLjがデータ“0”を書き込むべきメモリセルMCに接続されている場合、センスアンプS/Aは、ソース電位VSLよりも低い負電位VBLLを印加する。負電位VBLLは、データ“0”を書き込むための電位である。図6(A)および図6(B)の具体例では、センスアンプS/Aは、選択ビット線BLLiをセンスノードSNLjに接続すればよい。これによって、ビット線BLLjの電位は、負電位VBLLへ低下する。尚、ビット線BLRjは、プリチャージ状態にすればよく、VSLに維持される。   As indicated by broken lines and parentheses in FIG. 6, when the selected bit line BLLj is connected to the memory cell MC to which data “0” is to be written, the sense amplifier S / A has a negative potential VBLL lower than the source potential VSL. Apply. The negative potential VBLL is a potential for writing data “0”. In the specific examples of FIGS. 6A and 6B, the sense amplifier S / A may connect the selected bit line BLLi to the sense node SNLj. As a result, the potential of the bit line BLLj drops to the negative potential VBLL. Note that the bit line BLRj may be in a precharge state and is maintained at VSL.

選択ビット線BLLjに負電位VBLLを印加することによって、選択ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCのボディ−ドレイン間に順方向バイアスが印加される。選択ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCのボディ50内のホールがボディ−ドレイン間のフォワード電流によって排出される。これにより、選択ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCにデータ“0”が書き込まれる。   By applying a negative potential VBLL to the selected bit line BLLj, a forward bias is applied between the body and the drain of the memory cell MC connected to the selected bit line BLLj. Holes in the body 50 of the memory cell MC connected to the selected bit line BLLj are discharged by the forward current between the body and the drain. As a result, data “0” is written to the memory cell MC connected to the selected bit line BLLj.

その後、t6において、メモリ装置はデータ保持状態へ戻る。   Thereafter, at t6, the memory device returns to the data holding state.

図7(A)および図7(B)は、EVBトンネリングを利用した書込み動作を示すタイミング図である。図7(A)および図7(B)では、t4aにおいて、読み出したデータとは逆論理のデータがメモリ装置の外部からセンスアンプS/Aへ書き込まれている。よって、t4aにおいて、センスノードSNLjおよびSNRjの論理が反転している。図7(A)および図7(B)のその他の動作は、図6(A)および図6(B)に示す動作と基本的に同様である。   FIG. 7A and FIG. 7B are timing diagrams showing a write operation using EVB tunneling. In FIGS. 7A and 7B, at t4a, data having a logic opposite to the read data is written from the outside of the memory device to the sense amplifier S / A. Therefore, at t4a, the logic of the sense nodes SNLj and SNRj is inverted. The other operations in FIGS. 7A and 7B are basically the same as the operations shown in FIGS. 6A and 6B.

“1”セルにデータ“0”を書き込む動作では、センスノードSNLjおよびSNRjの論理が読出しデータに対して反転し、選択ビット線BLLjに低電位VBLLが印加されている。このとき、選択ビット線BLLjはセンスノードSNLjに接続され、ビット線BLRjはプリチャージ状態となればよい。   In the operation of writing data “0” in the “1” cell, the logic of the sense nodes SNLj and SNRj is inverted with respect to the read data, and the low potential VBLL is applied to the selected bit line BLLj. At this time, the selected bit line BLLj is connected to the sense node SNLj, and the bit line BLRj only needs to be in a precharged state.

“0”セルにデータ“1”を書き込む動作では、図7(A)および図7(B)の破線および括弧で示すように、センスノードSNLjおよびSNRjの論理が読出しデータに対して反転し、選択ビット線BLLjに電位VSLが印加される。もともと“0”セルであったメモリセルMCにデータ“1”が書き込まれるからである。このとき、選択ビット線BLLjはセンスノードSNLjに接続され、ビット線BLRjはプリチャージ状態となればよい。   In the operation of writing data “1” to the “0” cell, as indicated by broken lines and parentheses in FIGS. 7A and 7B, the logic of the sense nodes SNLj and SNRj is inverted with respect to the read data, The potential VSL is applied to the selected bit line BLLj. This is because the data “1” is written into the memory cell MC that was originally “0” cell. At this time, the selected bit line BLLj is connected to the sense node SNLj, and the bit line BLRj only needs to be in a precharged state.

データをメモリ装置外部へ読み出す場合、図6(A)および図6(B)に示す動作を実行し、かつ、センスアンプS/Aにラッチされたデータは、DQバッファ(図示せず)を介して外部へ出力する。   When data is read out of the memory device, the operation shown in FIGS. 6A and 6B is executed, and the data latched by the sense amplifier S / A is passed through a DQ buffer (not shown). Output to the outside.

ノーマルリフレッシュ動作の場合、図6(A)および図6(B)に示す動作を実行する。このときセンスアンプS/Aにラッチされたデータは外部へ出力されない。   In the case of the normal refresh operation, the operations shown in FIGS. 6A and 6B are executed. At this time, the data latched by the sense amplifier S / A is not output to the outside.

データをメモリ装置外部から書き込む場合、図6(A)および図6(B)に示す動作または図7(A)および図7(B)に示す動作が実行される。外部からのデータがメモリセルMCに記憶されているデータと同じである場合、図6(A)および図6(B)に示す動作が実行される。外部からのデータがメモリセルMCに記憶されているデータと異なる場合、図7(A)および図7(B)に示す動作が実行される。   When data is written from outside the memory device, the operations shown in FIGS. 6A and 6B or the operations shown in FIGS. 7A and 7B are executed. When the external data is the same as the data stored in memory cell MC, the operations shown in FIGS. 6A and 6B are performed. When the external data is different from the data stored in memory cell MC, the operations shown in FIGS. 7A and 7B are performed.

以上のように、本実施形態では、一旦、ワード線ドライバWLDが選択ワード線に接続された全カラムのメモリセルMCにデータ“1”を書き込んだ後、ワード線ドライバWLDおよびセンスアンプS/Aが選択ワード線に接続されたメモリセルMCのうち選択されたカラムのメモリセルMCのみにデータ“0”を書き込む。データ“1”の書込みでは、EVBトンネリングを利用しており、データ“0”の書込みでは、ボディ−ドレイン間の順方向バイアスを利用している。   As described above, in this embodiment, after the word line driver WLD once writes the data “1” to the memory cells MC of all the columns connected to the selected word line, the word line driver WLD and the sense amplifier S / A The data “0” is written only to the memory cell MC of the selected column among the memory cells MC connected to the selected word line. EVB tunneling is used for writing data “1”, and forward bias between the body and the drain is used for writing data “0”.

図8は、データ“1”の書込み時におけるフォワード電流とEVBトンネリングによる電流との関係を示すグラフである。縦軸が電流を示す。横軸がボディ電位Vbを示す。IEVBTは、EVBトンネリングによってゲート電極80からボディ50へ流れる電流を示す。IPNFWDは、ボディ50からソース60またはドレイン40へ流れる電流を示す。本実施形態では、データ“1”の書込みは、ソース電位およびビット線電位が等しい状態のもとで実行されている。従って、データ“1”の書込み時のフォワード電流は、ソース60またはドレイン40のいずれにも流れ得る。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between the forward current and the current due to EVB tunneling when data “1” is written. The vertical axis represents current. The horizontal axis represents the body potential Vb. IEVBT indicates a current flowing from the gate electrode 80 to the body 50 by EVB tunneling. IPNFWD indicates a current flowing from the body 50 to the source 60 or the drain 40. In the present embodiment, the writing of data “1” is executed under the condition that the source potential and the bit line potential are equal. Therefore, the forward current when data “1” is written can flow to either the source 60 or the drain 40.

ボディ電位Vbが低い場合には、ボディ−ゲート間の電位差が大きくなるので、EVBトンネリング電流は比較的大きい。従って、ホールがメモリセルMCのボディ50に蓄積される。一方、ボディ電位Vbが低い場合、ボディ−ソース間のpn接合およびボディ−ドレイン間のpn接合には、逆方向バイアスが印加される。このため、フォワード電流は逆方向バイアスによる負のリーク電流のみである。   When the body potential Vb is low, the potential difference between the body and the gate becomes large, so that the EVB tunneling current is relatively large. Accordingly, holes are accumulated in the body 50 of the memory cell MC. On the other hand, when the body potential Vb is low, a reverse bias is applied to the pn junction between the body and the source and the pn junction between the body and the drain. For this reason, the forward current is only a negative leakage current due to the reverse bias.

ボディ電位Vbが大きくなると、ボディ−ゲート間の電位差が小さくなるので、EVBトンネリング電流は減少する。一方、ボディ電位Vbがソース電位VSLを超えると、フォワード電流が正方向に流れ始める。ボディ電位VbがVb1wに等しいときに、EVBトンネリング電流とフォワード電流とはほぼ等しく、I1wにおいて釣り合っている。このとき、EVBトンネリング電流によってボディ50に蓄積されるホール数とフォワード電流によってボディ50から流出するホール数とがほぼ等しい。このように、EVBトンネリング電流とフォワード電流とが平衡状態になったことは、データ“1”の書込みが完了したことを意味する。   When the body potential Vb increases, the potential difference between the body and the gate decreases, so that the EVB tunneling current decreases. On the other hand, when the body potential Vb exceeds the source potential VSL, the forward current starts to flow in the positive direction. When the body potential Vb is equal to Vb1w, the EVB tunneling current and the forward current are substantially equal and are balanced at I1w. At this time, the number of holes accumulated in the body 50 by the EVB tunneling current is substantially equal to the number of holes flowing out of the body 50 by the forward current. Thus, the fact that the EVB tunneling current and the forward current are in an equilibrium state means that the writing of the data “1” is completed.

データ“1”の書込み時におけるEVBトンネリング電流およびフォワード電流は、インパクトイオン化電流に比べると非常に小さい。よって、本実施形態によるデータ“1”の書込み動作は、従来よりも低消費電力である。   The EVB tunneling current and forward current at the time of writing data “1” are very small compared to the impact ionization current. Therefore, the data “1” write operation according to the present embodiment consumes less power than the conventional one.

従来のインパクトイオン化を利用した“1”書込み動作では、ビット線電位を高レベル電位VBLHに設定する必要があった。選択ビット線に接続された非選択メモリセルのゲート電圧Vgは、データを保持するために深い負電位VWLLに設定されている。このため、選択ビット線の電位を高レベル電位にした場合、その選択ビット線に接続された非選択メモリセルのゲート−ドレイン間の電圧差Vgd(Vg(ゲート電圧)−Vd(ドレイン電圧))が非常に大きくなる。電圧差Vgdが大きくなることにより、選択ビット線に接続された非選択の“0”セルにGIDLが生じる。これにより、“0”セルのボディ50にホールが蓄積され、データ“0”が劣化する。この現象は、データ“1”の書込み動作時にデータを劣化させるので、ビット線“1”ディスターブと呼ばれている。ビット線“1”ディスターブは、GIDLによって生じると考えられる。GIDLとは、ゲート−ドレイン間の電圧差Vgdを大きな負電位にすることによって、ドレイン60とゲート80とのオーバーラップ領域が深い空乏状態(deep depletion state)となり、バンド間トンネリング(band to band tunneling)によって正孔がボディ50内に流入する現象である。   In the “1” write operation using the conventional impact ionization, it is necessary to set the bit line potential to the high level potential VBLH. The gate voltage Vg of the unselected memory cell connected to the selected bit line is set to a deep negative potential VWLL in order to hold data. Therefore, when the potential of the selected bit line is set to a high level potential, the voltage difference Vgd (Vg (gate voltage) −Vd (drain voltage)) between the gate and the drain of the non-selected memory cell connected to the selected bit line. Becomes very large. As the voltage difference Vgd increases, GIDL occurs in an unselected “0” cell connected to the selected bit line. As a result, holes are accumulated in the body 50 of the “0” cell, and the data “0” deteriorates. This phenomenon is called bit line “1” disturb because it degrades the data during the write operation of data “1”. The bit line “1” disturb is considered to be caused by GIDL. GIDL is a deep depletion state in the overlap region between the drain 60 and the gate 80 when the gate-drain voltage difference Vgd is set to a large negative potential, and band-to-band tunneling (band to band tunneling). ) Is a phenomenon in which holes flow into the body 50.

一方、データ“0”の書込み動作は、通常、ビット線BLを負電圧に低下させる。これにより、ボディ50−ドレイン40間のpn接合が大きく順方向にバイアスされ、ボディ50に蓄積されていたホールがドレイン40へ排出される。これにより、データ“0”がメモリセルMCに記憶される。このとき、選択ビット線に接続された非選択の“1”セルのゲートは負電位VWLLに維持されているが、そのドレイン40は負電位に低下している。よって、この非選択の“1”セルのボディ−ドレイン間のpn接合には、強い順方向バイアスは印加されないものの、弱い順方向バイアスが印加されている可能性がある。この状態が長期間続き、あるいは、この状態が多数回生じた場合、“1”セルのボディ50からホールが次第に放出し、データ“1”が劣化してしまう。この現象は、データ“0”の書込み動作時にデータを劣化させるので、ビット線“0”ディスターブと呼ばれている。   On the other hand, the write operation of data “0” normally reduces the bit line BL to a negative voltage. As a result, the pn junction between the body 50 and the drain 40 is largely biased in the forward direction, and the holes accumulated in the body 50 are discharged to the drain 40. As a result, data “0” is stored in the memory cell MC. At this time, the gate of the non-selected “1” cell connected to the selected bit line is maintained at the negative potential VWLL, but its drain 40 is lowered to the negative potential. Therefore, although a strong forward bias is not applied to the pn junction between the body and drain of this non-selected “1” cell, there is a possibility that a weak forward bias is applied. If this state continues for a long period of time or this state occurs many times, holes are gradually emitted from the body 50 of the “1” cell, and the data “1” is deteriorated. This phenomenon is called bit line “0” disturb because it degrades the data during the write operation of data “0”.

ビット線“1”ディスターブおよびビット線“0”ディスターブは、ワード線WLの保持レベル電位VWLLに関してトレードオフの関係にある。即ち、負電位VWLLの絶対値を小さくすると、上記非選択“0”セルにおけるGIDLが緩和されるので、ビット線“1”ディスターブは抑制される(“0”セルが劣化し難くなる)。しかし、負電位VWLLの絶対値を小さくすると、上記非選択“1”セルのボディ−ドレイン間のフォワードバイアスが大きくなるので、ビット線“0”ディスターブが生じる(“1”セルが劣化しやすくなる)。   The bit line “1” disturb and the bit line “0” disturb are in a trade-off relationship with respect to the holding level potential VWLL of the word line WL. That is, if the absolute value of the negative potential VWLL is reduced, the GIDL in the non-selected “0” cell is relaxed, so that the bit line “1” disturb is suppressed (the “0” cell is unlikely to deteriorate). However, if the absolute value of the negative potential VWLL is decreased, the forward bias between the body and the drain of the non-selected “1” cell is increased, so that the bit line “0” disturb is generated (the “1” cell is easily deteriorated). ).

逆に、負電位VWLLの絶対値を大きくすると、上記非選択“0”セルにおけるGIDLが増大するので、ビット線“1”ディスターブが生じる(“0”セルが劣化しやすくなる)。しかし、負電位VWLLの絶対値を大きくすると、上記非選択“1”セルのボディ−ドレイン間のフォワードバイアスが小さくなるので、ビット線“0”ディスターブは抑制される(“1”セルが劣化し難くなる)。   On the contrary, when the absolute value of the negative potential VWLL is increased, the GIDL in the non-selected “0” cell increases, so that the bit line “1” disturb is generated (the “0” cell is easily deteriorated). However, when the absolute value of the negative potential VWLL is increased, the forward bias between the body and the drain of the non-selected “1” cell is reduced, so that the bit line “0” disturb is suppressed (the “1” cell is deteriorated). It becomes difficult.)

これに対し、本実施形態では、データ“1”を書き込むときに、ビット線電位はソース電位と等しくてよい。このため、ビット線“1”ディスターブは生じない。よって、データ保持状態におけるワード線電位VWLLに関するトレードオフの問題は解消される。即ち、本実施形態では、ビット線“1”ディスターブを考慮することなく、ビット線“0”ディスターブを抑制するために、ワード線電位VWLLを調節することができる。   On the other hand, in this embodiment, when writing data “1”, the bit line potential may be equal to the source potential. Therefore, the bit line “1” disturb does not occur. Therefore, the trade-off problem regarding the word line potential VWLL in the data holding state is solved. That is, in the present embodiment, the word line potential VWLL can be adjusted in order to suppress the bit line “0” disturbance without considering the bit line “1” disturbance.

また、データ“1”を書き込むときに、ワード線電位はメモリセルMCの閾値電圧よりも高い電位VWLHWであるため、メモリセルMCのソース−ドレイン間にはチャンネルが形成されている。しかし、ソース−ドレイン間の電位差は0Vなので、チャンネル電流は流れない。従って、上述のように、本実施形態のデータ“1”の書込み動作に必要な消費電力は、従来のインパクトイオン化電流を利用した書込み方法による消費電力または周辺回路に必要な消費電力に比べて低い。   Further, when data “1” is written, since the word line potential is a potential VWLHW higher than the threshold voltage of the memory cell MC, a channel is formed between the source and drain of the memory cell MC. However, since the potential difference between the source and the drain is 0 V, no channel current flows. Therefore, as described above, the power consumption required for the data “1” write operation of the present embodiment is lower than the power consumption by the conventional write method using the impact ionization current or the power consumption required for the peripheral circuit. .

(第2の実施形態)
第2の実施形態によるFBCメモリは、データ“1”の書込み動作とデータ“0”の書込み動作とを同一サイクルで実行する。第2の実施形態の構成は、第1の実施形態の構成と同様でよい。
(Second Embodiment)
The FBC memory according to the second embodiment executes the data “1” write operation and the data “0” write operation in the same cycle. The configuration of the second embodiment may be the same as the configuration of the first embodiment.

図9(A)および図9(B)は、第2の実施形態によるEVBトンネリングを利用した書込み動作を示すタイミング図である。図9(A)および図9(B)は、ビット線BLLjを介してメモリセルMCからセンスアンプS/Aに読み出されたデータと同一論理のデータが該メモリセルMCに書き込まれている(リストアされている)。第2の実施形態によるメモリセルMCからセンスアンプS/Aへの読出し動作は、第1の実施形態のそれと同様である。従って、その説明を省略する。   FIG. 9A and FIG. 9B are timing charts showing a write operation using EVB tunneling according to the second embodiment. In FIG. 9A and FIG. 9B, data having the same logic as the data read from the memory cell MC to the sense amplifier S / A via the bit line BLLj is written in the memory cell MC ( Has been restored). The read operation from the memory cell MC to the sense amplifier S / A according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment. Therefore, the description is omitted.

[センスアンプからメモリセルへのデータ書込み動作]
t14において、ワード線ドライバWLDは、選択ワード線WLLiの電位を、データ“1”の書込み電位VWLHW(第1の電位)へ上昇させる。選択ワード線WLLiおよび選択ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCが“1”セルである場合、選択ビット線BLLjには電圧VSLを印加する(図9(A)の実線参照)。選択ワード線WLLiおよび選択ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCが“0”セルである場合、選択ビット線BLLjには低レベル電圧VBLL(第2の電位)を印加する(図9(A)の破線参照)。
[Data write operation from sense amplifier to memory cell]
At t14, the word line driver WLD raises the potential of the selected word line WLLi to the write potential VWLHW (first potential) of the data “1”. When the memory cell MC connected to the selected word line WLLi and the selected bit line BLLj is a “1” cell, the voltage VSL is applied to the selected bit line BLLj (see the solid line in FIG. 9A). When the memory cell MC connected to the selected word line WLLi and the selected bit line BLLj is a “0” cell, a low level voltage VBLL (second potential) is applied to the selected bit line BLLj (FIG. 9A). (See dashed line).

即ち、選択ワード線WLLiに接続されたメモリセルMCのうちデータ“1”を書き込むべきメモリセルMCに接続されたビット線にはVSLを印加し、データ“0”を書き込むべきメモリセルMCに接続されたビット線にはVBLLを印加する。例えば、図9(A)および図9(B)では、ビット線BLLjをセンスノードSNLjに接続し、ビット線BLRjをプリチャージ状態にすればよい。このように、第2の実施形態では、データ“0”を書き込むべきメモリセルMCに接続されたビット線ビット線BLLjには、ソース電位VSLを基準として第1の電位VWLHWとは反対側にある第2の電位VBLLが印加される。   That is, among the memory cells MC connected to the selected word line WLLi, VSL is applied to the bit line connected to the memory cell MC to which data “1” is to be written and connected to the memory cell MC to which data “0” is to be written. VBLL is applied to the bit line. For example, in FIGS. 9A and 9B, the bit line BLLj may be connected to the sense node SNLj and the bit line BLRj may be in a precharge state. Thus, in the second embodiment, the bit line bit line BLLj connected to the memory cell MC to which data “0” is to be written is on the side opposite to the first potential VWLHW with respect to the source potential VSL. A second potential VBLL is applied.

これにより、ビット線BLRjに接続され、データ“1”を書き込むべきメモリセルMCには、図11に示すEVBトンネリング電流IEVBTおよびフォワード電流IPNFWD1が流れる。IPNFWD1は、図8に示すIPNFWDと同じ曲線である。これにより、ビット線BLRjに接続されたメモリセルMCのボディ電位は、EVBトンネリング電流IEVBTとフォワード電流IPNFWD1との平衡点であるVb1wになる。即ち、ビット線BLRjに接続されたメモリセルMCにはデータ“1”が書き込まれる。   As a result, the EVB tunneling current IEVBT and the forward current IPNFWD1 shown in FIG. 11 flow through the memory cell MC that is connected to the bit line BLRj and to which data “1” is to be written. IPNFWD1 is the same curve as IPNFWD shown in FIG. As a result, the body potential of the memory cell MC connected to the bit line BLRj becomes Vb1w, which is an equilibrium point between the EVB tunneling current IEVBT and the forward current IPNFWD1. That is, data “1” is written in the memory cell MC connected to the bit line BLRj.

一方、ビット線BLLjに接続され、データ“0”を書き込むべきメモリセルMCには、図11に示すEVBトンネリング電流IEVBTおよびフォワード電流IPNFWD0が流れる。フォワード電流IPNFWD0がフォワード電流IPNFWD1よりも大きい理由は、ビット線BLLjの電位VBLLがビット線BLRjの電位VSLよりも低いためである。これにより、ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCのボディ電位は、EVBトンネリング電流IEVBTとフォワード電流IPNFWD0との平衡点であるVb0wになる。Vb0wは、Vb1wと比べて低い電位である。ビット線BLLjに接続されたメモリセルMCにはデータ“0”が書き込まれる。   On the other hand, the EVB tunneling current IEVBT and the forward current IPNFWD0 shown in FIG. 11 flow in the memory cell MC connected to the bit line BLLj and to which data “0” is to be written. The reason why forward current IPNFWD0 is larger than forward current IPNFWD1 is because potential VBLL of bit line BLLj is lower than potential VSL of bit line BLRj. As a result, the body potential of the memory cell MC connected to the bit line BLLj becomes Vb0w, which is an equilibrium point between the EVB tunneling current IEVBT and the forward current IPNFWD0. Vb0w is a lower potential than Vb1w. Data “0” is written in the memory cell MC connected to the bit line BLLj.

t15において、メモリ装置はデータ保持状態へ戻る。   At t15, the memory device returns to the data holding state.

図10(A)および図10(B)は、第2の実施形態によるEVBトンネリングを利用した書込み動作を示すタイミング図である。図10(A)および図10(B)では、t14aにおいて、読み出したデータとは逆論理のデータがメモリ装置の外部からセンスアンプS/Aへ書き込まれている。よって、t14aにおいて、センスノードSNLjおよびSNRjの論理が反転している。図10(A)および図10(B)のその他の動作は、図9(A)および図9(B)に示す動作と基本的に同様である。   FIG. 10A and FIG. 10B are timing diagrams showing a write operation using EVB tunneling according to the second embodiment. 10A and 10B, at t14a, data having a logic opposite to that of the read data is written to the sense amplifier S / A from the outside of the memory device. Therefore, at t14a, the logic of the sense nodes SNLj and SNRj is inverted. The other operations in FIGS. 10A and 10B are basically the same as the operations illustrated in FIGS. 9A and 9B.

“1”セルにデータ“0”を書き込む場合、センスノードSNLjおよびSNRjの論理が読出しデータに対して反転し、選択ビット線BLLjに低電位VBLLが印加されている。このとき、選択ビット線BLLjはセンスノードSNLjに接続され、ビット線BLRjはプリチャージ状態となればよい。   When data “0” is written in the “1” cell, the logic of the sense nodes SNLj and SNRj is inverted with respect to the read data, and the low potential VBLL is applied to the selected bit line BLLj. At this time, the selected bit line BLLj is connected to the sense node SNLj, and the bit line BLRj only needs to be in a precharged state.

“0”セルにデータ“1”を書き込む場合、図10(A)および図10(B)の破線および括弧で示すように、センスノードSNLjおよびSNRjの論理が読出しデータに対して反転し、選択ビット線BLLjに電位VSLが印加される。このとき、選択ビット線BLLjはセンスノードSNLjに接続され、ビット線BLRjはプリチャージ状態となればよい。   When data “1” is written to the “0” cell, the logic of the sense nodes SNLj and SNRj is inverted with respect to the read data as shown by the broken lines and parentheses in FIGS. 10A and 10B. A potential VSL is applied to the bit line BLLj. At this time, the selected bit line BLLj is connected to the sense node SNLj, and the bit line BLRj only needs to be in a precharged state.

データをメモリ装置外部へ読み出す場合、図9(A)および図9(B)に示す動作を実行し、かつ、センスアンプS/Aにラッチされたデータは、DQバッファ(図示せず)を介して外部へ出力される。ノーマルリフレッシュ動作の場合、図9(A)および図9(B)に示す動作を実行する。このときセンスアンプS/Aにラッチされたデータは外部へ出力されない。データをメモリ装置外部から書き込む場合、図9(A)および図9(B)に示す動作または図10(A)および図10(B)に示す動作が実行される。外部からのデータがメモリセルMCに記憶されているデータと同じである場合、図9(A)および図9(B)に示す動作が実行される。外部からのデータがメモリセルMCに記憶されているデータと異なる場合、図10(A)および図10(B)に示す動作が実行される。   When data is read out of the memory device, the operations shown in FIGS. 9A and 9B are executed, and the data latched by the sense amplifier S / A is passed through a DQ buffer (not shown). Output to the outside. In the case of the normal refresh operation, the operations shown in FIGS. 9A and 9B are executed. At this time, the data latched by the sense amplifier S / A is not output to the outside. When data is written from outside the memory device, the operations shown in FIGS. 9A and 9B or the operations shown in FIGS. 10A and 10B are executed. When the external data is the same as the data stored in memory cell MC, the operations shown in FIGS. 9A and 9B are performed. When the external data is different from the data stored in the memory cell MC, the operations shown in FIGS. 10A and 10B are performed.

図11は、データの書込み時におけるフォワード電流とEVBトンネリングによる電流との関係を示すグラフである。縦軸が電流を示す。横軸がボディ電位Vbを示す。IEVBTは、EVBトンネリングによってゲート電極80からボディ50へ流れる電流を示す。IPNFWD0は、データ“0”を書き込むメモリセルMCのボディ50からソース60またはドレイン40へ流れる電流を示す。IPNFWD1は、データ“1”を書き込むメモリセルMCのボディ50からソース60またはドレイン40へ流れる電流を示す。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the forward current and the current due to EVB tunneling during data writing. The vertical axis represents current. The horizontal axis represents the body potential Vb. IEVBT indicates a current flowing from the gate electrode 80 to the body 50 by EVB tunneling. IPNFWD0 indicates a current flowing from the body 50 of the memory cell MC to which data “0” is written to the source 60 or the drain 40. IPNFWD1 indicates a current flowing from the body 50 of the memory cell MC to which data “1” is written to the source 60 or the drain 40.

第2の実施形態では、データ“1”の書込みは、ソース電位およびビット線電位が等しい状態のもとで実行されている。従って、データの書込み時のフォワード電流は、ソース60またはドレイン40のいずれにも流れ得る。   In the second embodiment, data “1” is written under the condition that the source potential and the bit line potential are equal. Therefore, the forward current at the time of writing data can flow to either the source 60 or the drain 40.

データ“0”を書き込むべきメモリセルMCのボディ電位の平衡点は、Vb0wである。データ“1”を書き込むべきメモリセルMCのボディ電位の平衡点は、Vb1wである。Vb0w<Vb1wであるので、選択ワード線WLLiに接続されたメモリセルMCにデータ“1”およびデータ“0”を同時に書き込むことができる。   The equilibrium point of the body potential of the memory cell MC to which data “0” is to be written is Vb0w. The equilibrium point of the body potential of the memory cell MC to which data “1” is to be written is Vb1w. Since Vb0w <Vb1w, data “1” and data “0” can be simultaneously written in the memory cells MC connected to the selected word line WLLi.

第2の実施形態では、データ“1”およびデータ“0”を同時に書き込むので、書込みサイクル(t14〜t15)は、第1の実施形態の書込みサイクル(t4〜t6)に比べて短縮される。第2の実施形態は、さらに第1の実施形態の効果を得ることができる。   In the second embodiment, since data “1” and data “0” are written simultaneously, the write cycle (t14 to t15) is shortened compared to the write cycle (t4 to t6) of the first embodiment. The second embodiment can further obtain the effects of the first embodiment.

(第3の実施形態)
第3の実施形態は、EVBトンネリングを利用した自律リフレッシュ動作を示す。自律リフレッシュ動作では、“0”セルおよび“1”セルに等しい電圧を印加しつつ、“0”セルおよび“1”セルのボディ電位差を利用して自律的にメモリセルをリフレッシュする。
(Third embodiment)
The third embodiment shows an autonomous refresh operation using EVB tunneling. In the autonomous refresh operation, the memory cell is refreshed autonomously using the body potential difference between the “0” cell and the “1” cell while applying a voltage equal to the “0” cell and the “1” cell.

図12(A)は、自律リフレッシュ時における“0”セルのバンドダイアグラムである。図12(B)は、自律リフレッシュ時における“1”セルのバンドダイアグラムである。“1”セルに接続されたワード線および“0”セルに接続されたワード線は、ともにVWLHOLDである。VWLHOLD は、“1”セルの閾値電圧Vth1よりも高く、“0”セルの閾値電圧Vth0よりも低い電圧である。これにより、図12(B)に示すように、“1”セルにはEVBトンネリング電流が流れるが、図12(A)に示すように“0”セルにはEVBトンネリング電流が流れない。   FIG. 12A is a band diagram of a “0” cell during autonomous refresh. FIG. 12B is a band diagram of the “1” cell at the time of autonomous refresh. The word line connected to the “1” cell and the word line connected to the “0” cell are both VWLHOLD. VWLHOLD is higher than the threshold voltage Vth1 of the “1” cell and lower than the threshold voltage Vth0 of the “0” cell. As a result, as shown in FIG. 12B, the EVB tunneling current flows through the “1” cell, but as shown in FIG. 12A, the EVB tunneling current does not flow through the “0” cell.

ソース60およびドレイン40の電位は等しくてもよい。しかし、必ずしもソース60およびドレイン40の電位は等しくなくてもよい。   The potentials of the source 60 and the drain 40 may be equal. However, the potentials of the source 60 and the drain 40 are not necessarily equal.

図13は、ソース60およびドレイン40の電位がともにVSDHOLDに等しい場合のEVBトンネリング電流IEVBTおよびフォワード電流IPNBL、IPNSLの関係を示すグラフである。VSDHOLDは、データ保持時におけるソース電位VSLよりも低い負電位である。IPNBLは、ボディ50からドレイン40へ流れ出る電流を示す。IPNBLは、ボディ50からドレイン40への電流方向を正としている。IPNSLは、ボディ50からソース60へ流れ出る電流を示す。IPNSLは、ボディ50からソース60への電流方向を負としている。破線It0は、EVBトンネリング電流IEVBTとフォワード電流IPNSLとの和を示す(It0=IEVBT+IPNSL)。   FIG. 13 is a graph showing the relationship between the EVB tunneling current IEVBT and the forward currents IPNBL and IPNSL when the potentials of the source 60 and the drain 40 are both equal to VSDHOLD. VSDHOLD is a negative potential lower than the source potential VSL at the time of data retention. IPNBL indicates a current flowing from the body 50 to the drain 40. In IPNBL, the current direction from the body 50 to the drain 40 is positive. IPNSL indicates the current that flows from the body 50 to the source 60. In the IPNSL, the current direction from the body 50 to the source 60 is negative. A broken line It0 indicates the sum of the EVB tunneling current IEVBT and the forward current IPNSL (It0 = IEVBT + IPNSL).

“1”セルのボディ電位は、破線It0とフォワード電流IPNBLとの平衡点におけるボディ電位Vb1hにほぼ収束する。なぜならば、ボディ電位Vb1hにおいて、EVBトンネリングによってボディ50へ入る電流IEVBTと、総フォワード電流によって流出する電流(IPNBL+IPNSL)とが等しくなるからである。   The body potential of the “1” cell almost converges to the body potential Vb1h at the equilibrium point between the broken line It0 and the forward current IPNBL. This is because, at the body potential Vb1h, the current IEVBT entering the body 50 by EVB tunneling is equal to the current flowing out by the total forward current (IPNBL + IPNSL).

“0”セルでは、EVBトンネリングが生じないため、フォワード電流IPNBL、IPNSLのみを考慮すればよい。よって、“0”セルのボディ電位は、フォワード電流IPNBLとIPNSLとの平衡点におけるボディ電位Vb0hにほぼ収束する。図13では、Vb0hは、VSDHOLDに等しい。   Since EVB tunneling does not occur in the “0” cell, only the forward currents IPNBL and IPNSL need be considered. Therefore, the body potential of the “0” cell almost converges to the body potential Vb0h at the equilibrium point between the forward currents IPNBL and IPNSL. In FIG. 13, Vb0h is equal to VSDHOLD.

図14は、ソース60の電位がVSL(接地電位)であり、ドレイン40の電位がVSDHOLDである場合のEVBトンネリング電流IEVBTおよびフォワード電流IPNBL、IPNSLの関係を示すグラフである。   FIG. 14 is a graph showing the relationship between the EVB tunneling current IEVBT and the forward currents IPNBL and IPNSL when the potential of the source 60 is VSL (ground potential) and the potential of the drain 40 is VSDHOLD.

“1”セルのボディ電位は、破線It0とフォワード電流IPNBLとの平衡点におけるボディ電位Vb1hにほぼ収束する。“0”セルのボディ電位は、フォワード電流IPNBLとIPNSLとの平衡点におけるボディ電位Vb0hにほぼ収束する。   The body potential of the “1” cell almost converges to the body potential Vb1h at the equilibrium point between the broken line It0 and the forward current IPNBL. The body potential of the “0” cell almost converges to the body potential Vb0h at the equilibrium point between the forward currents IPNBL and IPNSL.

このように第3の実施形態では、“1”セルに対しては、EVBトンネリングによってリフレッシュ動作を行い、それと同時に、“0”セルに対しては、ボディ−ソース間の接合部またはボディ−ドレイン間の接合部にフォワード電流を流すことによってリフレッシュ動作を行う。   Thus, in the third embodiment, the refresh operation is performed by EVB tunneling for the “1” cell, and at the same time, the junction between the body and the source or the body-drain is applied to the “0” cell. A refresh operation is performed by passing a forward current through the junction between the two.

図15は、第3の実施形態において、VWLHOLDを、Vth1およびVth0よりも高い電圧にしたときのメモリセルMCのバンドダイアグラムである。この場合、“1”セルだけでなく、“0”セルにもEVBトンネリング電流IEVBTが流れる。しかし、“1”セルのボディ電位と“0”セルのボディ電位との差によって、“0”セルに流れるEVBトンネリング電流IEVBT0が“1”セルに流れるEVBトンネリング電流IEVBT1よりも充分に小さければ、“1”セルおよび“0”セルに対して自律リフレッシュ動作を行うことは可能である。このように、“1”セルおよび“0”セルに、互いに異なるEVBトンネリング電流を流すことによって、“1”セルおよび“0”セルを自律的にリフレッシュすることもできる。   FIG. 15 is a band diagram of the memory cell MC when VWLHOLD is set to a voltage higher than Vth1 and Vth0 in the third embodiment. In this case, the EVB tunneling current IEVBT flows not only in the “1” cell but also in the “0” cell. However, if the EVB tunneling current IEVBT0 flowing in the “0” cell is sufficiently smaller than the EVB tunneling current IEVBT1 flowing in the “1” cell due to the difference between the body potential of the “1” cell and the “0” cell, It is possible to perform an autonomous refresh operation on the “1” cell and the “0” cell. In this way, the “1” cell and the “0” cell can be autonomously refreshed by supplying different EVB tunneling currents to the “1” cell and the “0” cell.

図16は、VWLHOLDをVth1およびVth0よりも高い電圧にしたときの、EVBトンネリング電流IEVBT0、IEVBT1およびフォワード電流IPNBLを示すグラフである。尚、図16では、EVBトンネリング電流IEVBT0、IEVBT1は、フォワード電流IPNSLを加味したものとして示している。よって、“1”セルのボディ電位は、EVBトンネリング電流IEVBT1とフォワード電流IPNBLとの平衡点におけるボディ電位Vb1hにほぼ収束する。“0”セルのボディ電位は、EVBトンネリング電流IEVBT0とIPNBLとの平衡点におけるボディ電位Vb0hにほぼ収束する。このように、リフレッシュ時のワード線電位VWLHOLDをVth0よりも高くしても、“1”セルおよび“0”セルに対して自律リフレッシュ動作を行うことは可能である。   FIG. 16 is a graph showing EVB tunneling currents IEVBT0 and IEVBT1 and forward current IPNBL when VWLHOLD is set to a voltage higher than Vth1 and Vth0. In FIG. 16, EVB tunneling currents IEVBT0 and IEVBT1 are shown with the forward current IPNSL taken into account. Therefore, the body potential of the “1” cell almost converges to the body potential Vb1h at the equilibrium point between the EVB tunneling current IEVBT1 and the forward current IPNBL. The body potential of the “0” cell almost converges to the body potential Vb0h at the equilibrium point between the EVB tunneling current IEVBT0 and IPNBL. Thus, even if the word line potential VWLHOLD at the time of refreshing is higher than Vth0, it is possible to perform an autonomous refresh operation on the “1” cell and the “0” cell.

以下、自律リフレッシュ動作の効果を説明する。   Hereinafter, the effect of the autonomous refresh operation will be described.

本発明の発明者は、メモリセルMC自体がデータを増幅する機能を有することに着目した。この機能を利用することによって、メモリセルMC自身がデータの増幅および再書込みを行うことができる。この自律リフレッシュの利点は、リフレッシュ時にセンスアンプS/Aがデータを検出する必要がないことである。従って、本実施形態による自律リフレッシュは、同一ビット線BLに接続された複数のメモリセルMCを同時にリフレッシュすることができる。これにより、後述のように、従来のリフレッシュ方式に比べて、消費電力を削減できるとともに、リフレッシュビジー率を低下させることができる。   The inventor of the present invention paid attention to that the memory cell MC itself has a function of amplifying data. By utilizing this function, the memory cell MC itself can amplify and rewrite data. The advantage of this autonomous refresh is that the sense amplifier S / A does not need to detect data during refresh. Therefore, the autonomous refresh according to the present embodiment can simultaneously refresh a plurality of memory cells MC connected to the same bit line BL. Thereby, as will be described later, the power consumption can be reduced and the refresh busy rate can be reduced as compared with the conventional refresh method.

図17は、同時に活性化されるワード線WLの本数とデータ保持モードにおける電流との関係を示すグラフである。横軸が、リフレッシュ時に同時に活性化されるワード線WLの本数を示し、縦軸は、2メガビットのメモリセルアレイMCAを32×16ユニット(2Mb×32×16)備えた1ギガビットのFBCメモリのデータ保持モードにおける電流を示す。データ保持モードにおける電流は、1ギガビットのFBCメモリを自律リフレッシュするために必要とされる電流である。2つの2メガビットのメモリセルアレイが、図1に示すようにセンスアンプS/Aの左右に設けられている。各メモリセルアレイは、例えば、512本のワード線WLおよび4096本のビット線BLを備える。   FIG. 17 is a graph showing the relationship between the number of word lines WL activated simultaneously and the current in the data holding mode. The horizontal axis indicates the number of word lines WL that are simultaneously activated at the time of refresh, and the vertical axis indicates data of a 1 gigabit FBC memory having 32 × 16 units (2 Mb × 32 × 16) of a 2 megabit memory cell array MCA. The current in the holding mode is shown. The current in the data holding mode is a current required for autonomously refreshing the 1 gigabit FBC memory. Two 2-megabit memory cell arrays are provided on the left and right of the sense amplifier S / A as shown in FIG. Each memory cell array includes, for example, 512 word lines WL and 4096 bit lines BL.

一例として、ワード線WLの容量CWLが300fF、ワード線WLの電圧振幅ΔVWLが1V、ビット線BLの容量が100fF、ビット線BLの電圧振幅ΔVBLが3.5V、リフレッシュ動作に関係する周辺回路の充電容量CPERIが200pF、周辺回路の電圧振幅ΔVPERIが1.8Vであると仮定する。ワーストセルのリテンション時間TRETを5msとする。また、リフレッシュのサイクル時間τrefを50nsと仮定する。   As an example, the capacitance CWL of the word line WL is 300 fF, the voltage amplitude ΔVWL of the word line WL is 1 V, the capacitance of the bit line BL is 100 fF, the voltage amplitude ΔVBL of the bit line BL is 3.5 V, and the peripheral circuit related to the refresh operation Assume that the charge capacity CPERI is 200 pF and the voltage amplitude ΔVPERI of the peripheral circuit is 1.8V. The worst cell retention time TRET is set to 5 ms. Also, it is assumed that the refresh cycle time τref is 50 ns.

16個の64MbitのメモリセルMCは、64Mbit単位に、同時並行してリフレッシュされる。64Mbitメモリ内では、ロウデコーダRDを共有する2個の2Mbitのメモリセルアレイ毎にリフレッシュを実行する。リフレッシュ時に“1”セルに流れるDC電流を2μAとし、メモリセルをリフレッシュする時間τ1を3nsと仮定した。このメモリセルに流れるDC電流がデータ保持モードにおける電流に与える影響は、メモリセルのリテンション時間(例えば、5ms)に依存し、同時に活性化するワード線およびビット線の本数には依らない。“1”セルおよび“0”セルが半数ずつ存在するとした場合、データ保持モードにおいて1ギガビットのFBCメモリに流れるDC電流の平均値は、0.644mAとなる。   Sixteen 64-Mbit memory cells MC are refreshed in parallel in units of 64 Mbits. In the 64 Mbit memory, refresh is executed for every two 2 Mbit memory cell arrays sharing the row decoder RD. It was assumed that the DC current flowing through the “1” cell during refresh was 2 μA, and the time τ1 for refreshing the memory cell was 3 ns. The influence of the DC current flowing through the memory cell on the current in the data holding mode depends on the retention time (for example, 5 ms) of the memory cell and does not depend on the number of word lines and bit lines activated simultaneously. If half of the “1” cells and “0” cells exist, the average value of the DC current flowing through the 1 gigabit FBC memory in the data holding mode is 0.644 mA.

図17は、2Mbitメモリセルアレイにおいて同時に活性化されるワード線数に対する1Gbitメモリのデータ保持モードにおける消費電流を示す。同時に活性化されるビット線数が512本、1024本、2048本、4096本のそれぞれの場合について、1Gbitメモリのデータ保持モードにおける消費電流が曲線L1〜L4で示されている。   FIG. 17 shows the current consumption in the data holding mode of the 1 Gbit memory with respect to the number of word lines activated simultaneously in the 2 Mbit memory cell array. For each of 512, 1024, 2048, and 4096 bit lines activated simultaneously, the current consumption in the data holding mode of the 1 Gbit memory is shown by curves L1 to L4.

従来のリフレッシュ動作では、1本のワード線を活性化させるとともに、4096本のビット線に接続されたメモリセルを活性化していた。この場合、データ保持モードにおける電流は、約70mAである。一方、上記実施形態による自律リフレッシュ動作では、512本のワード線を活性化させるとともに、4096本のビット線に接続されたメモリセルを活性化することができる。即ち、自律リフレッシュ動作では、2Mbitメモリセルアレイの全メモリセルを同時にリフレッシュすることができる。この場合、データ保持モードにおける電流は、約0.84mAとなる。つまり、自律リフレッシュ動作によるデータ保持モード時の消費電流は、従来のリフレッシュのそれに比べて約1/100になる。   In the conventional refresh operation, one word line is activated and memory cells connected to 4096 bit lines are activated. In this case, the current in the data holding mode is about 70 mA. On the other hand, in the autonomous refresh operation according to the above embodiment, 512 word lines can be activated and memory cells connected to 4096 bit lines can be activated. That is, in the autonomous refresh operation, all the memory cells in the 2Mbit memory cell array can be refreshed simultaneously. In this case, the current in the data holding mode is about 0.84 mA. That is, the current consumption in the data holding mode by the autonomous refresh operation is about 1/100 that of the conventional refresh.

尚、同時に活性化されるワード線数およびビット線数に依存せず、メモリセルの集積度に依存するオフセット電流がある。このオフセット電流は、メモリセルのDC電流によるものである。従って、本実施形態では、1Gbit分のメモリセルのDC電流がオフセット電流となる。従って、データ保持モードにおける消費電流をさらに低下させるためには、オフセット電流を低下させる必要がある。オフセット電流を低下させるためには、DC電流を低下させるか、あるいは、フリフレッシュ期間を長くすればよい。   Note that there is an offset current that does not depend on the number of word lines and bit lines that are simultaneously activated but depends on the degree of integration of the memory cells. This offset current is due to the DC current of the memory cell. Therefore, in this embodiment, the DC current of the memory cell for 1 Gbit becomes the offset current. Therefore, in order to further reduce the current consumption in the data holding mode, it is necessary to reduce the offset current. In order to decrease the offset current, the DC current may be decreased or the refresh period may be lengthened.

データ保持モードにおいて必要な電流のうち、ビット線およびワード線の充電に必要な電流Iret1(AC成分ともいう)を一般化すると次のように表すことができる。N本のワード線とM本のビット線からなるN×Mビットのメモリアレイを考える。全メモリセルのリテンション時間の最小値をTRETとすると、従来のDRAMと同じリフレッシュ動作では、TRET/Nの時間毎にM本のビット線を充放電しなければならない。ワード線の容量および電圧振幅をそれぞれCWLおよびVWL、ビット線の容量および電圧振幅をCBLおよびVBLとすると、メモリセルアレイ全体のデータ保持時に必要な電流のAC成分Iret1は、式1のように表される。
Iret1=(CWL・VWL+M・CBL・VBL)/( TRET/N)= N(CWL・VWL+M・CBL・VBL)/TRET (式1)
Of the currents required in the data holding mode, the current Iret1 (also referred to as AC component) required for charging the bit line and the word line can be generalized as follows. Consider an N × M bit memory array consisting of N word lines and M bit lines. If the minimum value of the retention time of all memory cells is TRET, M bit lines must be charged / discharged every TRET / N in the same refresh operation as that of a conventional DRAM. Assuming that the word line capacitance and voltage amplitude are CWL and VWL, and the bit line capacitance and voltage amplitude are CBL and VBL, respectively, the AC component Iret1 of the current required for data retention of the entire memory cell array is expressed as shown in Equation 1. The
Iret1 = (CWL.VWL + M.CBL.VBL) / (TRET / N) = N (CWL.VWL + M.CBL.VBL) / TRET (Formula 1)

一方、全メモリセルを同時にリフレッシュする場合、TRETの経過ごとに全ワード線WLおよび全ビット線BLを活性化させる。従って、この場合のメモリセルアレイに関するデータ保持時に必要な電流のAC成分Iret2は、式2のように表される。
Iret2=(N・CWL・VWL+M・CBL・VBL)/TRET(式2)
On the other hand, when all memory cells are refreshed simultaneously, all word lines WL and all bit lines BL are activated every time TRET elapses. Therefore, the AC component Iret2 of the current necessary for holding data relating to the memory cell array in this case is expressed as in Expression 2.
Iret2 = (N · CWL · VWL + M · CBL · VBL) / TRET (Formula 2)

データ保持電流のAC成分の差分ΔIret=Iret1−Iret2は、式3のように表される。
ΔIret=(NM−1)・CBL・VBL/TRET≒(N・M)・CBL・VBL/TRET (式3)
これは、従来のリフレッシュ動作におけるビット線の充放電電流とほぼ同じ値である。N・CWL・VWL<<(N・M)M・CBL・VBLであるので、本実施形態による自律リフレッシュにおけるデータ保持電流のAC成分は、従来のリフレッシュにおけるデータ保持電流と比較すると、ほぼ無視できる程に小さい。
The difference ΔIret = Iret1−Iret2 of the AC component of the data holding current is expressed as Equation 3.
ΔIret = (NM−1) · CBL · VBL / TRET≈ (N · M) · CBL · VBL / TRET (Formula 3)
This is almost the same value as the charge / discharge current of the bit line in the conventional refresh operation. Since N · CWL · VWL << (N · M) M · CBL · VBL, the AC component of the data holding current in the autonomous refresh according to the present embodiment is almost negligible when compared with the data holding current in the conventional refresh. Small enough.

さらに、ビット線BLを駆動するために設けられた周辺回路(カラム系周辺回路ともいう)における消費電流についても、従来のリフレッシュではTRETの間に周辺回路をN回充放電する必要があったが、本実施形態による自律リフレッシュではTRETの間に周辺回路を1回充放電すれば足りる。カラム系周辺回路についても、本実施形態による自律リフレッシュにおけるカラム系周辺回路の消費電流は、従来のリフレッシュにおけるカラム系周辺回路の消費電流と比較すると、ほぼ無視できる程に小さい。尚、上記計算においては、リフレッシュ時にメモリセルに流れるDC電流の影響は無視した。   Further, regarding current consumption in a peripheral circuit (also referred to as a column-related peripheral circuit) provided for driving the bit line BL, the conventional refresh requires charging / discharging the peripheral circuit N times during TRET. In the autonomous refresh according to the present embodiment, it is sufficient to charge and discharge the peripheral circuit once during TRET. Also in the column peripheral circuit, the current consumption of the column peripheral circuit in the autonomous refresh according to the present embodiment is small enough to be ignored as compared with the current consumption of the column peripheral circuit in the conventional refresh. In the above calculation, the influence of the DC current flowing in the memory cell during refresh is ignored.

図18は、同時に活性化されるワード線WLの本数とリフレッシュのビジー率との関係を示すグラフである。横軸が、リフレッシュ時に同時に活性化されるワード線WLの本数を示し、縦軸は、リフレッシュビジー率を示す。リフレッシュビジー率は、データ保持モードにおいて、1サイクル期間TRETに対する自律リフレッシュ期間が占める時間的な比率を意味する。例えば、リフレッシュビジー率が100%とは、データ保持状態において常時リフレッシュ動作が必要な状態である。従って、データを保持することができる限りにおいて、リフレッシュビジー率は低いほど良いと言える。   FIG. 18 is a graph showing the relationship between the number of simultaneously activated word lines WL and the refresh busy rate. The horizontal axis indicates the number of word lines WL that are simultaneously activated during refresh, and the vertical axis indicates the refresh busy rate. The refresh busy rate means a time ratio of the autonomous refresh period to the one cycle period TRET in the data holding mode. For example, a refresh busy rate of 100% is a state in which a refresh operation is always required in a data holding state. Therefore, the lower the refresh busy rate, the better as long as data can be held.

リフレッシュ動作において同時に活性化されるワード線WLの数が1である場合、全カラムのビット線BL(4096本)を同時に活性化したとしても、リフレッシュビジー率は約8%以上である。従来のリフレッシュ動作では、同時に活性化されるワード線は、1本のみでなければならなかった。この場合、全カラムのビット線BL(4096本)を同時に活性化したとしても、リフレッシュビジー率は約8%よりも低くすることができない。   When the number of word lines WL simultaneously activated in the refresh operation is 1, the refresh busy rate is about 8% or more even if the bit lines BL (4096 lines) of all the columns are activated simultaneously. In the conventional refresh operation, only one word line must be activated at the same time. In this case, even if the bit lines BL (4096 lines) of all the columns are activated simultaneously, the refresh busy rate cannot be made lower than about 8%.

本実施形態による自律リフレッシュ動作は、複数のワード線を同時に活性化させることができる。例えば、リフレッシュ動作において同時に活性化されるワード線WLの数が512であり、かつ、リフレッシュ動作において同時に活性化されるビット線BLの数が4096である場合(メモリセルアレイ内の全メモリセルを同時にリフレッシュする場合)、リフレッシュビジー率は約0.016%に低下させることができる。   The autonomous refresh operation according to the present embodiment can simultaneously activate a plurality of word lines. For example, when the number of word lines WL simultaneously activated in the refresh operation is 512 and the number of bit lines BL simultaneously activated in the refresh operation is 4096 (all memory cells in the memory cell array are simultaneously When refreshing), the refresh busy rate can be reduced to about 0.016%.

同時にリフレッシュするメモリセル数が多いと、電流ピークが大きくなり、ノイズなどが問題になる場合がある。このような問題が生じる場合には、メモリセルアレイを或るブロックに分割して、ブロックごとにリフレッシュしてもよい。例えば、64メガビットのメモリセルを128分割して、512Kビットのメモリセルを同時にリフレッシュするように設定してもよい。この場合、電流ピークが小さくなり、リフレッシュビジー率が上昇する。しかし、リフレッシュビジー率は、約2%(0.016%×128)程度であり、依然として、実用的な範囲内である。   If the number of memory cells to be refreshed at the same time is large, the current peak becomes large, and noise may become a problem. When such a problem occurs, the memory cell array may be divided into certain blocks and refreshed for each block. For example, a 64 megabit memory cell may be divided into 128 and 512 Kbit memory cells may be refreshed simultaneously. In this case, the current peak is reduced and the refresh busy rate is increased. However, the refresh busy rate is about 2% (0.016% × 128), and is still within a practical range.

(アクティブモードでの自律リフレッシュ動作)
外部からのデータを書き込み、あるいは、外部へデータを読み出す動作が一定期間以上実行されないデータ保持モード(待機状態)では、メモリセルMCへのアクセスは生じない。一方、アクティブモードでは、外部にデータを読み出し、あるいは、外部からのデータを書き込むために、不定期にメモリセルMCにアクセスする必要が生じる。アクティブモードは、外部にデータを読み出し、あるいは、外部からのデータを書き込むアクセスから次のアクセスまでの期間が一定期間未満の状態である。データ読出し/書込み動作では、センスアンプS/Aは、メモリセルMCのデータを一旦読み出して、このデータをメモリセルMCに書き戻すという従来のリフレッシュ動作を実行する。従って、メモリセルMCにアクセスが頻繁に入る状態であっても、自律リフレッシュは、データ保持モードにおけるサイクルと同じ周期で実行すればよい。
(Autonomous refresh operation in active mode)
In the data holding mode (standby state) in which the operation of writing data from the outside or reading the data to the outside is not executed for a certain period or longer, access to the memory cell MC does not occur. On the other hand, in the active mode, it is necessary to access the memory cells MC irregularly in order to read data to the outside or write data from the outside. The active mode is a state in which a period from an access for reading data to the outside or writing data from the outside to the next access is less than a certain period. In the data read / write operation, the sense amplifier S / A executes a conventional refresh operation in which data in the memory cell MC is once read and this data is written back to the memory cell MC. Therefore, even when access to the memory cell MC frequently enters, the autonomous refresh may be executed in the same cycle as the cycle in the data holding mode.

本来、データ読出し/書込みのためのアクセスが所定期間以上入らない場合に、メモリセルMCのデータ劣化が問題となる。従って、頻繁にアクセスがメモリセルMCに入る状況においては、自律リフレッシュは、データ保持モード時と同じように機能する。   Originally, when the access for reading / writing data does not enter for a predetermined period or more, the data deterioration of the memory cell MC becomes a problem. Therefore, in a situation where access frequently enters the memory cell MC, the autonomous refresh functions in the same manner as in the data holding mode.

しかし、データ読出し/書込みのためのアクセスがかなり頻繁に入る場合、メモリセルMCへのディスターブが懸念される。このような場合には、電流成分の中のディスターブで変動する成分が無視できるように(相対的に小さくなるように)、自律リフレッシュの動作電圧を変えることが有効となる。   However, when access for reading / writing data enters fairly frequently, there is a concern about disturbing the memory cell MC. In such a case, it is effective to change the operation voltage of the autonomous refresh so that the component of the current component that fluctuates due to disturbance can be ignored (so as to be relatively small).

図19は、アクティブモードおよびデータ保持モードにおけるワード線WLの動作を示すタイミング図である。例えば、図19に示すように、アクティブモードにおけるワード線電位VWLおよびビット線電位VBLを、データ保持モードにおけるそれらよりも絶対値として上げる。即ち、アクティブモードにおけるワード線電位VWLおよびビット線電位VBLは、データ保持モードにおけるそれらよりもソース電位VSLから離す。あるいは、アクティブモードにおけるリフレッシュ周期をデータ保持モードにおけるそれよりも短くしてもよい。さらに、アクティブモードにおけるワード線電位VWLおよびビット線電位VBLを、データ保持モードにおけるそれらよりもソース電位VSLから離し、かつ、アクティブモードにおけるリフレッシュ周期をデータ保持モードにおけるそれよりも短くしてもよい。これにより、アクティブモードにおけるEVBトンネリング電流およびフォワード電流をデータ保持モードにおけるそれよりも増大させることができる。   FIG. 19 is a timing chart showing the operation of the word line WL in the active mode and the data holding mode. For example, as shown in FIG. 19, the word line potential VWL and the bit line potential VBL in the active mode are raised as absolute values than those in the data holding mode. That is, the word line potential VWL and the bit line potential VBL in the active mode are separated from the source potential VSL more than those in the data holding mode. Alternatively, the refresh cycle in the active mode may be shorter than that in the data holding mode. Furthermore, the word line potential VWL and the bit line potential VBL in the active mode may be separated from the source potential VSL than those in the data holding mode, and the refresh period in the active mode may be shorter than that in the data holding mode. Thereby, the EVB tunneling current and the forward current in the active mode can be increased more than those in the data holding mode.

アクティブモード時にはデータ保持モードに比べ、ディスターブによる電流成分が増加するので、EVBトンネリング電流およびフォワード電流を増加させることが有効である。このとき、メモリセルMCに流すDC電流も増えるが、アクティブモードでは本来、大きな平均電流が流れている。このため、EVBトンネリング電流およびフォワード電流の増分は無視できる。   Since the current component due to the disturbance increases in the active mode compared to the data holding mode, it is effective to increase the EVB tunneling current and the forward current. At this time, the DC current passed through the memory cell MC also increases, but a large average current flows originally in the active mode. For this reason, the increments of EVB tunneling current and forward current are negligible.

しかし、データ保持モード時では、低いデータ保持電流を実現する必要があるので、EVBトンネリング電流およびフォワード電流の増大は比較的顕著になる。従って、データ保持モードにおけるEVBトンネリング電流およびフォワード電流は、アクティブモードのそれよりも低い方が好ましい。   However, in the data holding mode, since it is necessary to realize a low data holding current, an increase in the EVB tunneling current and the forward current becomes relatively remarkable. Therefore, the EVB tunneling current and the forward current in the data holding mode are preferably lower than that in the active mode.

自律リフレッシュ時に、同時に活性化するワード線WLの数および同時に活性化するビット線BLの数は任意である。例えば、従来のリフレッシュ動作のように1本のワード線WLおよび全ビット線BLを活性化させて、活性化されたワード線WLに接続された全メモリセルMCを同時にリフレッシュしてもよい。この場合、データ保持モードにおける消費電流は、従来と同様である。   At the time of autonomous refresh, the number of word lines WL activated simultaneously and the number of bit lines BL activated simultaneously are arbitrary. For example, one word line WL and all bit lines BL may be activated as in a conventional refresh operation, and all memory cells MC connected to the activated word line WL may be simultaneously refreshed. In this case, the current consumption in the data holding mode is the same as the conventional one.

全ワード線WLおよび1本のビット線BLを活性化させて、活性化されたビット線BLに接続された全メモリセルMCを同時にリフレッシュしてもよい。この場合、データ保持モードにおける消費電流は、ワード線WLの数2n、ワード線WLの容量CWL、ワード線WLの駆動振幅ΔVWL、ビット線の数2m、ビット線の容量CBL、ビット線の駆動振幅ΔVBLに依存する。データ保持モードにおける消費電流は、従来よりも減少する場合もあり、増加する場合もあり得る。   All the word lines WL and one bit line BL may be activated, and all the memory cells MC connected to the activated bit line BL may be refreshed simultaneously. In this case, the current consumption in the data holding mode is as follows: the number 2n of the word lines WL, the capacity CWL of the word lines WL, the drive amplitude ΔVWL of the word lines WL, the number of bit lines 2 m, the capacity CBL of the bit lines, and the drive amplitude of the bit lines Depends on ΔVBL. The current consumption in the data holding mode may be decreased or increased as compared with the conventional case.

全ワード線WLおよび全ビット線BLを活性化させて、メモリセルアレイ内の全メモリセルMCを同時にリフレッシュしてもよい。この場合、データ保持モードにおける消費電流は、従来よりも低下する。また、この場合、周辺回路の動作に必要な電流も小さくすることができる。第3の実施形態は、さらに第1の実施形態の効果を得ることができる。   All the word lines WL and all the bit lines BL may be activated to refresh all the memory cells MC in the memory cell array at the same time. In this case, the current consumption in the data holding mode is lower than in the conventional case. In this case, the current required for the operation of the peripheral circuit can also be reduced. The third embodiment can further obtain the effects of the first embodiment.

第3の実施形態によるFBCメモリ装置は、リフレッシュ不要なSRAM(Static Random Access Memory)として用いることができる。この場合、“1”セルに対しては、EVBトンネリングによってホールをボディ50へ補充する。これと同時に、“0”セルに対しては、ボディ−ソース間の接合部またはボディ−ドレイン間の接合部にフォワード電流を流すことによってホールをボディ50から排除する。これによって、“1”セルのボディ電位をVb1hに維持し、“0”セルのボディ電位をVb0hに維持することができる。“1”セルのボディ電位をVb1hに維持し、“0”セルのボディ電位をVb0hに維持するように、ワード線WLおよびビット線BLに電圧を維持しておくことによって、第3の実施形態によるFBCメモリ装置はSRAMとして機能し得る。   The FBC memory device according to the third embodiment can be used as an SRAM (Static Random Access Memory) that does not require refresh. In this case, for the “1” cell, holes are replenished to the body 50 by EVB tunneling. At the same time, for the “0” cell, holes are excluded from the body 50 by passing a forward current through the junction between the body and the source or the junction between the body and the drain. As a result, the body potential of the “1” cell can be maintained at Vb1h, and the body potential of the “0” cell can be maintained at Vb0h. By maintaining the voltage on the word line WL and the bit line BL so as to maintain the body potential of the “1” cell at Vb1h and the body potential of the “0” cell at Vb0h, the third embodiment The FBC memory device according to can function as SRAM.

FBCメモリをSRAMとして用いる場合、図15(A)および図15(B)に示したように、ワード線の電位は、“0”セルの閾値電圧Vth0よりも高くてもよい。この場合、“1”セルに流れるEVBトンネリング電流と“0”セルに流れるEVBトンネリング電流との相違によって、“1”セルおよび“0”セルは、それぞれデータ“1”およびデータ“0”を安定的に保持することができる。FBCメモリをSRAMとして用いる場合であっても、データ書込み時におけるワード線の電位は、データ保持時におけるワード線の電位と異なっていてもよい。   When the FBC memory is used as the SRAM, as shown in FIGS. 15A and 15B, the potential of the word line may be higher than the threshold voltage Vth0 of the “0” cell. In this case, due to the difference between the EVB tunneling current flowing in the “1” cell and the EVB tunneling current flowing in the “0” cell, the “1” cell and the “0” cell stabilize the data “1” and the data “0”, respectively. Can be retained. Even when the FBC memory is used as an SRAM, the potential of the word line at the time of data writing may be different from the potential of the word line at the time of data holding.

本発明に係る第1の実施形態に従ったFBCメモリの構成を示す図。1 is a diagram showing a configuration of an FBC memory according to a first embodiment of the present invention. メモリセルMCの構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of memory cell MC. EVBトンネリングを利用して、メモリセルMCにデータ“1”を書き込む方法を示すバンドダイアグラム。The band diagram which shows the method of writing data "1" in the memory cell MC using EVB tunneling. EVBトンネリングを利用して、メモリセルMCにデータ“1”を書き込む方法を示すバンドダイアグラム。The band diagram which shows the method of writing data "1" in the memory cell MC using EVB tunneling. EVBトンネリングを利用して、メモリセルMCにデータ“1”を書き込む方法を示すバンドダイアグラム。The band diagram which shows the method of writing data "1" in the memory cell MC using EVB tunneling. EVBトンネリングを利用した書込み動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the write-in operation | movement using EVB tunneling. EVBトンネリングを利用した書込み動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the write-in operation | movement using EVB tunneling. データ“1”の書込み時におけるフォワード電流とEVBトンネリングによる電流との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the forward electric current at the time of writing of data "1", and the electric current by EVB tunneling. 第2の実施形態によるEVBトンネリングを利用した書込み動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the write-in operation | movement using EVB tunneling by 2nd Embodiment. 第2の実施形態によるEVBトンネリングを利用した書込み動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the write-in operation | movement using EVB tunneling by 2nd Embodiment. データの書込み時におけるフォワード電流とEVBトンネリングによる電流との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the forward current at the time of data writing, and the electric current by EVB tunneling. 自律リフレッシュ時における“0”セルのバンドダイアグラム。Band diagram of “0” cell during autonomous refresh. EVBトンネリング電流IEVBTおよびフォワード電流IPNBL、IPNSLの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between EVB tunneling current IEVBT and the forward currents IPNBL and IPNSL. EVBトンネリング電流IEVBTおよびフォワード電流IPNBL、IPNSLの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between EVB tunneling current IEVBT and the forward currents IPNBL and IPNSL. 第3の実施形態において、VWLHOLDを、Vth1およびVth0よりも高い電圧にしたときのメモリセルMCのバンドダイアグラム。9 is a band diagram of a memory cell MC when VWLHOLD is set to a voltage higher than Vth1 and Vth0 in the third embodiment. EVBトンネリング電流IEVBT0、IEVBT1およびフォワード電流IPNBLを示すグラフ。The graph which shows EVB tunneling current IEVBT0, IEVBT1, and forward current IPNBL. 同時に活性化されるワード線WLの本数とデータ保持モードにおける電流との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the number of the word lines WL activated simultaneously, and the electric current in data retention mode. 同時に活性化されるワード線WLの本数とリフレッシュのビジー率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the number of the word lines WL activated simultaneously, and the refresh busy rate. アクティブモードおよびデータ保持モードにおけるワード線WLの動作を示すタイミング図。FIG. 5 is a timing chart showing an operation of a word line WL in an active mode and a data holding mode.

符号の説明Explanation of symbols

WL…ワード線
BL…ビット線
SL…ソース線
MC…メモリセル
S/A…センスアンプ
WLD…ワード線ドライバ
40…ドレイン
50…ボディ
60…ソース
70…ゲート絶縁膜
80…ゲート電極
WL ... word line BL ... bit line SL ... source line MC ... memory cell S / A ... sense amplifier WLD ... word line driver 40 ... drain 50 ... body 60 ... source 70 ... gate insulating film 80 ... gate electrode

Claims (6)

ソース層と、ドレイン層と、該ソース層と該ドレイン層との間に設けられ論理データを記憶するために電荷を蓄積し、あるいは、電荷を放出する電気的に浮遊状態のボディ領域と、ゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域上に設けられたゲート電極とを含むメモリセル、
前記メモリセルのドレイン層に接続されたビット線、
前記メモリセルのゲート電極に接続され、あるいは、ゲート電極として機能するワード線および、
前記ワード線に接続されたワード線ドライバを備え、
前記ワード線ドライバは、前記ゲート絶縁膜を介して電子価電子帯トンネリングによって第1の論理データを前記メモリセルへ書き込むことを特徴とする半導体記憶装置。
A source layer, a drain layer, an electrically floating body region that is provided between the source layer and the drain layer to store or release charges to store logic data; and a gate A memory cell including a gate electrode provided on the body region via an insulating film;
A bit line connected to a drain layer of the memory cell;
A word line connected to or functioning as a gate electrode of the memory cell; and
A word line driver connected to the word line;
The semiconductor memory device, wherein the word line driver writes first logical data to the memory cell by electron valence band tunneling through the gate insulating film.
ソース層と、ドレイン層と、該ソース層と該ドレイン層との間に設けられ論理データを記憶するために電荷を蓄積し、あるいは、電荷を放出する電気的に浮遊状態のボディ領域と、ゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域上に設けられたゲート電極とを含むメモリセル、
前記メモリセルのドレイン層に接続されたビット線、
前記メモリセルのゲート電極に接続され、あるいは、ゲート電極として機能するワード線および、
前記ワード線に接続されたワード線ドライバを備え、
第1の論理データを前記メモリセルに書き込む際に、前記ビット線の電位が前記ソース層の電位とほぼ等しい状態のもとで、前記ワード線ドライバは、前記メモリセルの閾値電圧よりも高く、かつ、データ読出し時における前記ワード線の電位よりも高い第1の電位を前記ワード線に印加することを特徴とする半導体記憶装置。
A source layer, a drain layer, an electrically floating body region that is provided between the source layer and the drain layer to store or release charges to store logic data; and a gate A memory cell including a gate electrode provided on the body region via an insulating film;
A bit line connected to a drain layer of the memory cell;
A word line connected to or functioning as a gate electrode of the memory cell; and
A word line driver connected to the word line;
When writing the first logic data to the memory cell, the word line driver is higher than the threshold voltage of the memory cell under a state where the potential of the bit line is substantially equal to the potential of the source layer, And a first potential higher than the potential of the word line at the time of data reading is applied to the word line.
前記ビット線に接続され、データ読出し時に前記メモリセルに記憶された論理データを読み出し、あるいは、データ書込み時に前記第1の論理データに対して逆論理の第2の論理データを前記メモリセルへ書き込むセンスアンプをさらに備え、
前記ワード線ドライバは、該ワード線ドライバに対応する前記ワード線に接続された総ての前記メモリセルへ前記第1の論理データを書き込み、
前記センスアンプは、前記第1の論理データが書き込まれた前記メモリセルのうち選択されたメモリセルにのみ前記第2の論理データを書き込むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置。
Connected to the bit line, reads logical data stored in the memory cell at the time of data reading, or writes second logical data having a reverse logic to the first logical data to the memory cell at the time of data writing. A sense amplifier,
The word line driver writes the first logic data to all the memory cells connected to the word line corresponding to the word line driver;
3. The sense amplifier according to claim 1, wherein the sense amplifier writes the second logic data only to a selected memory cell among the memory cells in which the first logic data is written. Semiconductor memory device.
前記ビット線に接続され、データ読出し時に前記メモリセルに記憶された論理データを読み出し、あるいは、データ書込み時に前記第1の論理データに対して逆論理の第2の論理データを前記メモリセルへ書き込むセンスアンプをさらに備え、
前記ワード線ドライバが前記ワード線に前記第1の電位を印加しつつ、前記センスアンプは、前記第1の論理データを書き込むべき前記メモリセルに接続された前記ビット線には前記ソース層の電位とほぼ等しい電位を印加し、かつ、前記第2の論理データを書き込むべき前記メモリセルに接続された前記ビット線には前記ソース層の電位を基準として前記第1の電位とは反対側にある第2の電位を印加することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置。
Connected to the bit line, reads logical data stored in the memory cell at the time of data reading, or writes second logical data having a reverse logic to the first logical data to the memory cell at the time of data writing. A sense amplifier,
While the word line driver applies the first potential to the word line, the sense amplifier has a potential of the source layer on the bit line connected to the memory cell to which the first logic data is to be written. And the bit line connected to the memory cell to which the second logic data is to be written is on the opposite side to the first potential with respect to the potential of the source layer. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a second potential is applied.
前記メモリセルの論理データの劣化を回復させるリフレッシュ動作を実行する際に、前記第1の論理データを記憶する前記メモリセルに対しては、前記ゲート絶縁膜を介した電子価電子帯トンネリングによってリフレッシュ動作を行い、それと同時に、前記第1の論理データに対して逆論理の第2の論理データを記憶する前記メモリセルに対しては、前記ボディ領域と前記ソース層との間の接合部または前記ボディ領域と前記ドレイン層との間の接合部に電流を流すことによって前記リフレッシュ動作を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置。   When performing a refresh operation for recovering the deterioration of the logical data of the memory cell, the memory cell storing the first logical data is refreshed by valence band tunneling through the gate insulating film. At the same time, for the memory cell storing the second logic data having the opposite logic to the first logic data, the junction between the body region and the source layer or the 3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the refresh operation is performed by passing a current through a junction between the body region and the drain layer. 当該半導体記憶装置はスタティック型半導体記憶装置であって、
前記第1の論理データを記憶する前記メモリセルに対しては、前記ゲート絶縁膜を介した電子価電子帯トンネリングによって電荷を前記ボディ領域へ補充し、それと同時に、前記第1の論理データに対して逆論理の第2の論理データを記憶する前記メモリセルに対しては、前記ボディ領域と前記ソース層との間の接合部または前記ボディ領域と前記ドレイン層との間の接合部に電流を流すことによって前記電荷を前記ボディ領域から排除することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device is a static semiconductor memory device,
For the memory cell storing the first logical data, charge is replenished to the body region by valence band tunneling through the gate insulating film, and at the same time, the first logical data is supplied to the memory cell. For the memory cell storing the second logic data of reverse logic, a current is applied to the junction between the body region and the source layer or the junction between the body region and the drain layer. 3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charge is excluded from the body region by flowing the semiconductor memory device. 4.
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