JP2016164780A - メモリシステム、および情報処理システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】メモリシステムは、メモリ、ECC回路、およびプロセッサを有する。プロセッサは、メモリシステム全体の動作を制御する。メモリは、ユーザデータ領域および管理領域を有する。管理領域には、管理テーブルとして、ユーザデータ領域のブロック別にアクセス情報が格納されている。アクセス情報の値は、アクセス回数が0であることを表す第1の値か、アクセス回数が1以上であることを表す第2の値かのいずれかである。ブロックのアクセス情報が第1の値である場合、該当するブロックに対してエラー訂正が行われ、第2の値である場合、該当するブロックのエラー検出および訂正が行われない。
【選択図】図1
Description
本実施の形態では、OSトランジスタが適用されたメモリシステム、およびその動作方法等について説明する。
図1は、メモリシステムの構成例を示すブロック図である。メモリシステム100は、ホスト装置110のアクセス要求に応じて、データの書き込み、データの読み出しを行う機能を有する。メモリシステム100は、インターフェース(I/F)101、プロセッサ102、ワークメモリ103、メモリ104、およびECC回路105を有する。
図2はメモリ104の構成例を示すブロック図である。メモリ104は、メモリセルアレイ120、行ドライバ121、および列ドライバ122を有する。メモリセルアレイ120は、メモリセル125、配線WL、および配線BLを有する。複数のメモリセル125は、行列状に配置されている。同じ行のメモリセル125は、当該行の配線WLと電気的に接続され、同じ列のメモリセル125は、当該列の配線BLと電気的に接続されている。
図3に、メモリセルの回路構成例を示す。図3に示すメモリセル151−155は、メモリセル125に適用することができ、書き込みトランジスタがOSトランジスタである。OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、図3に示すメモリセルは、不揮発性のメモリデバイスとして機能する。
図3Aのメモリセル151は1T1C型のメモリセルであり、ノードSN1、トランジスタTW1、容量素子CS1を有する。ノードSN1は保持ノードである。容量素子CS1は、ノードSN1の電荷を保持するための保持容量である。トランジスタTW1は書き込みトランジスタであり、OSトランジスタである。トランジスタTW1は配線BLとノードSN1との間の導通状態を制御する機能を有する。トランジスタTW1のゲートは配線WLと電気的に接続されている。
図3Dのメモリセル154は2T型のメモリセルであり、配線WWL、RWL、BL、SLと電気的に接続されている。配線WWLは書き込みワード線であり、配線RWLは読み出しワード線であり、それぞれ行ドライバ121から信号が入力される。配線SLには、列ドライバ122から信号が入力される。
図3Fのメモリセル155は3T型のメモリセルであり、配線WWL、RWL、BL、SL、CNLと電気的に接続されている。メモリセル155は、ノードSN1、容量素子CS1、トランジスタTW1、TR2、TR3を有する。容量素子CS1は、ノードSN1と配線CNLとの間を容量結合している。配線CNLには固定電位を入力してもよいし、メモリセル155の選択状態、および非選択状態に合わせて、配線CNLの電位を制御してもよい。配線BLと配線SLとの間に、トランジスタTR2とトランジスタTR3は直列に電気的に接続されている。トランジスタTR2のゲートはノードSN1と電気的に接続され、トランジスタTR3のゲートは配線RWLと電気的に接続されている。
ここでは、代表的に、メモリセル155の駆動方法の一例を説明する。図4はメモリセル155の動作例を示すタイミングチャートである。図4において、配線WWL、RWL、WBL、RBL、SL、CNLの低(L)レベルの電位は、VSSMとしている。VSSMは接地電位(GND)や、0Vとすればよい。配線WWLの高(H)レベルの電位はVDDHであり、配線RWL、WBL、RBL、SL、CNLの高(H)レベルの電位はVDDMである。ここでは、トランジスタTW1のしきい値電圧がトランジスタTR2、TR3よりも高いこととし、そのため、VDDHはVDDMよりも高い。
期間P2は書き込み期間である。選択行の配線WWLをHレベルにして、トランジスタTW1をオンにする。メモリセル155に“1”を書き込む場合は、配線WBLをHレベルにし、“0”を書き込む場合は、配線WBLをLレベルにする。選択されたメモリセル155において、ノードSN1の電位は、配線WBLの電位に応じて、VDDMまたはVSSMとなる。
期間P4は読み出し期間である。まず、配線RBLをプリチャージして、Hレベルにする。次に、非選択行の配線RWLはLレベルのままとし、選択行の配線RWLをHレベルにする。選択されたメモリセル155のトランジスタTR3はオンとなる。ノードSN1が“0”を保持している場合は、トランジスタTR2がオフであるので、配線RBLはHレベルのままである。ノードSN1が“1”を保持している場合は、トランジスタTR2がオンとなるので、配線RBLの電位は低下する。配線RWLをLレベルにして、トランジスタTR3をオフにすることで、読み出し動作が終了する。列ドライバ122は、期間P4の配線RBLの電位に基づいて、メモリセル155から読み出したデータが“0”か“1”を決定する。
図5を参照して、メモリ104の記憶領域の構成を説明する。図5Aに、メモリ104の記憶領域の構成例を示す。メモリ104は、ユーザデータ領域130、ファームウエア領域131、ECC管理領域132を有する。
図6−図10Bを参照して、メモリシステム100の動作例について説明する。各フローチャートに示される動作は、ファームウエア領域131に記憶されているファームウエアによって定義されている。プロセッサ102がファームウエアを実行することで、定義されている処理が実行されるように、メモリシステム100の各回路が動作する。
図6は、電源をオンにした際のメモリシステム100の動作例を示すフローチャートである。電源がオンになると、プロセッサ102は、メモリ104にアクセスして、ECC管理テーブル135の全てのビットを“0”に初期化する(ステップS11)。
図7は、ホスト装置110の書き込みアクセスに対するメモリシステム100の動作例を示すフローチャートである。ここでは、ホスト装置110から送信された書き込みデータをデータWDAと呼ぶことする。書き込み要求があると、プロセッサ102は、ECC回路105において、データWDAの冗長ビットを計算させる(ステップS21)。次に、プロセッサ102は、メモリ104を制御して、ユーザデータ領域130およびECC管理テーブル135を更新する。ユーザデータ領域130に、データWDAおよびステップS21で得られた冗長ビットを書き込む(ステップS22)。ステップS22でデータを書きこんだブロックUBに対応するECC管理テーブル135のビットを“1”にする(ステップS23)。最後に、プロセッサ102は、I/F101を介して書き込み完了信号をホスト装置110に送信する(ステップS24)。
図8は、ホスト装置110の読み出しアクセスに対するメモリシステム100の動作例を示すフローチャートである。ホスト装置110は、読み出し要求信号、アドレスをI/F101に送信する。読み出し要求信号を受信すると、プロセッサ102は、メモリ104を制御し、ホスト装置110から送信されたアドレスが指定するブロックUB[r]からデータを読み出し(ステップS31)、ECC管理テーブル135から、ブロックUB[r]に対応するビットを読み出す(ステップS32)。なお、rは1以上K以下の整数である。
図9は、メモリシステム100の電源をオフにする際のプロセッサ102の動作例を示すフローチャートである。メモリシステム100では、電源をオフする前に、ECC管理テーブル135を利用して、1回もアクセスされなかったユーザデータ領域130のブロックUBを見つけ、見つけたブロックUBに対して、ECC回路105でエラー検出訂正が行われる。これにより、メモリシステム100のデータ保持の信頼性が強化される。
本実施の形態では、メモリシステム100の応用例について説明する。メモリシステム100は、例えば、各種電子機器(例えば、情報端末、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ(ビデオカメラも含む)、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど)のストレージ装置に適用できる。または、メモリシステム100は、メモリカード(例えば、SDカード)、USBメモリ、SSD(ソリッド・ステート・ドライブ)等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図11に、リムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。
本実施の形態では、ホスト装置110とメモリシステム100とを組み合わせた情報処理システムについて説明する。
本実施の形態では、OSトランジスタ、およびOSトランジスタを有する半導体装置について説明する。
図15にOSトランジスタの構成の一例を示す。図15AはOSトランジスタの構成の一例を示す上面図である。図15Bは、y1−y2線断面図であり、図15Cはx1−x2線断面図であり、図15Dはx3−x4線断面図である。ここでは、y1−y2線の方向をチャネル長方向と呼び、x1−x2線方向をチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。なお、デバイス構造を明確にするため、図15Aでは、一部の構成要素が省略されている。
導電層850−853は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
金属酸化物層842は、例えば、インジウム(In)を含む酸化物半導体である。金属酸化物層842は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、金属酸化物層842は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)またはスズ(Sn)などとする。その他の元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素B、シリコン(Si)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)などがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、金属酸化物層842は、亜鉛(Zn)を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
図16を参照して、金属酸化物層841、金属酸化物層842、および金属酸化物層843の積層により構成される半導体領域840の機能およびその効果について、説明する。図16Aは、図15Bの部分拡大図であり、OSトランジスタ800の活性層(チャネル部分)を拡大した図である。図16BはOSトランジスタ800のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造であり、図16Aの点線z1−z2で示す部位のエネルギーバンド構造を示している。
絶縁層821−825は、単層構造または積層構造の絶縁膜で形成される。絶縁膜を構成する材料には、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどがある。
Siトランジスタでは、チャネルドーピングによってしきい値電圧を容易に制御することができる。これに対して、OSトランジスタは、チャネルドーピングでは、しきい値電圧を効果的に変化させることが困難である。OSトランジスタでは、電荷捕獲層に電子を注入することで、しきい値電圧を変動させることが可能である。例えば、電荷捕獲層への電子の注入はトンネル効果を利用すればよい。導電層853に正の電圧を印加することによって、トンネル電子を電荷捕獲層に注入する。
基板820としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板は、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などである。また、半導体基板は、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などである。半導体基板は、バルク型でよいし、半導体基板に絶縁領域を介して半導体層が設けられているSOI(Silicon On Insulator)型でもよい。導電体基板は、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などである。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などである。または、上掲された基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子は、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などである。
導電層850をマスクにして、金属酸化物層843及び絶縁層824をエッチングしてもよい。そのような工程を経たOSトランジスタの構成例を図17Aに示す。図17AのOSトランジスタ801では、金属酸化物層843および絶縁層824の端部は導電層850の端部とほぼ一致することになる。導電層850の下部のみに金属酸化物層843および絶縁層824が存在する。
図17Bに示すOSトランジスタ802は、OSトランジスタ801に導電層855、導電層856を追加したデバイス構造を有する。ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の電極は、導電層855と導電層851との積層、および導電層856と導電層852との積層で構成される。
図15に示すOSトランジスタ800は、導電層851及び導電層852が、金属酸化物層841、842の側面と接していてもよい。そのような構成例を図17Cに示す。図17Cに示すOSトランジスタ803は、導電層851及び導電層852が金属酸化物層841の側面及び金属酸化物層842の側面と接している。
図18に、OSトランジスタの構成例を示す。図18Aは、OSトランジスタ804の上面図であり、図18Bはy5−y6線断面図であり、図18Cはx5−x6線断面図である。なお、図18Aでは、図の明瞭化のために一部の要素が省略されている。
OSトランジスタは、Siトランジスタ等が作製された素子層に積層することが可能である。実施の形態1のメモリ104を、SiトランジスタとOSトランジスタとが積層されたデバイス構造とすることができる。ここでは、図19−図22を用いて、OSトランジスタを用いたメモリのデバイス構造を説明する。
本実施の形態では、酸化物半導体について説明する。ここで説明される酸化物半導体は金属酸化物であり、実施の形態4のOSトランジスタの金属酸化物層841−843適用することが可能である。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous like Oxide Semiconductor)、非晶質酸化物半導体などがある。
CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一つである。
nc−OSは、高分解能TEM像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a−like OSは、高分解能TEM像において鬆が観察される場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。
101 I/F
102 プロセッサ
103 メモリシステム
103 ワークメモリ
104 メモリ
105 ECC回路
110 ホスト装置
120 メモリセルアレイ
121 行ドライバ
122 列ドライバ
125 メモリセル
130 ユーザデータ領域
131 ファームウエア領域
132 ECC管理領域
135 ECC管理テーブル
151 メモリセル
152 メモリセル
153 メモリセル
154 メモリセル
155 メモリセル
156 メモリセル
157 メモリセル
700 単結晶シリコンウエハ
701 素子層
702 素子層
703 素子層
710 p型ウエル
711 p型不純物領域
712 p型不純物領域
713 導電体
721 導電体
722 導電体
723 導電体
731 導電体
732 導電体
741 導電体
751 導電体
752 導電体
753 導電体
754 導電体
755 導電体
756 導電体
757 導電体
770 素子分離層
771 ウエル
772 活性層
773 低濃度不純物領域
774 高濃度不純物領域
775 導電性領域
776 ゲート絶縁層
777 ゲート電極
778 側壁絶縁層
779 側壁絶縁層
800 OSトランジスタ
801 OSトランジスタ
802 OSトランジスタ
803 OSトランジスタ
804 OSトランジスタ
820 基板
821 絶縁層
822 絶縁層
823 絶縁層
824 絶縁層
825 絶縁層
840 半導体領域
841 金属酸化物層
842 金属酸化物層
843 金属酸化物層
850 導電層
851 導電層
852 導電層
853 導電層
855 導電層
856 導電層
1100 USBメモリ
1101 筐体
1102 キャップ
1103 USBコネクタ
1104 基板
1105 メモリチップ
1106 コントローラチップ
1110 SDカード
1111 筐体
1112 コネクタ
1113 基板
1114 メモリチップ
1115 コントローラチップ
1150 SSD
1151 筐体
1152 コネクタ
1153 基板
1154 メモリチップ
1155 メモリチップ
1156 コントローラチップ
1500 情報処理システム
1501 メモリシステム
1502 ホスト装置
1510 ロジック部
1511 プロセッサ
1512 メモリ部
1513 I/F
1514 バス
1521 表示装置
1522 入力装置
1700 携帯型ゲーム機
1701 筐体
1702 筐体
1703 表示部
1704 表示部
1705 マイクロフォン
1706 スピーカ
1710 ビデオカメラ
1711 筐体
1712 筐体
1713 表示部
1714 操作ボタン
1715 レンズ
1716 接続部
1720 タブレット型情報端末
1721 筐体
1722 表示部
1723 操作ボタン
1724 スピーカ
1730 情報端末
1731 筐体
1732 筐体
1733 表示部
1734 表示部
1735 接続部
1736 操作ボタン
1740 スマートフォン
1741 筐体
1742 操作ボタン
1743 マイクロフォン
1744 表示部
1745 スピーカ
1746 カメラ用レンズ
1750 ノート型PC
1751 筐体
1752 表示部
1753 キーボード
1754 ポインティングデバイス
1800 情報端末
1801 表示部
1802 筐体
1810 情報端末
1811 表示部
1812 表示部
1813 筐体
1820 情報端末
1821 表示部
1822 筐体
1823 筐体
CS1 容量素子
SN1 ノード
T70 トランジスタ
TR1 トランジスタ
TR2 トランジスタ
TR3 トランジスタ
TW1 トランジスタ
TW2 トランジスタ
TW3 トランジスタ
Claims (7)
- メモリ、回路、およびプロセッサを有するメモリシステムであって、
前記メモリは、ユーザデータ領域と、管理領域とを有し、
前記ユーザデータ領域は、複数のブロックに分割され、
前記回路は、前記複数のブロックの内のブロックから読み出されたデータのエラー検出および訂正をする機能を有し、
前記管理領域には、管理テーブルとして、前記複数のブロック別にアクセス情報が格納され、
前記アクセス情報の値は、アクセス回数が0であることを表す第1の値か、前記アクセス回数が1以上であることを表す第2の値かのいずれかをとり、
前記プロセッサは、
前記アクセス情報の値を決定する機能と、
前記管理領域に対する書き込み、および読み出しを制御する機能と、
前記ユーザデータ領域に対する書き込み、および読み出しを制御する機能と、
前記回路を制御する機能と、
を有し、
前記プロセッサは、前記ブロックの前記アクセス情報が前記第2の値である場合、前記ブロックから読み出したデータのエラー検出および訂正を前記回路に実行させない制御をするメモリシステム。 - 請求項1において、
前記プロセッサは、前記回路でエラー検出および訂正が実行されると、該当するブロックの前記アクセス情報を前記第2の値にするための制御をするメモリシステム。 - 請求項1又は2において、
前記プロセッサは、前記ユーザデータ領域に書き込みアクセスがあると、該当するブロックの前記アクセス情報を前記第2の値にするための制御をするメモリシステム。 - 請求項1乃至3の何れか一項において、
電源がオンになると、前記プロセッサは、前記管理テーブルを前記第1の値で初期化するための制御をするメモリシステム。 - 請求項1乃至4の何れか一項において、
電源をオフにするときに、前記アクセス情報が前記第1の値である前記ブロックがある場合、前記プロセッサは、前記回路において当該ブロックのデータのエラー検出および訂正がされるための制御をするメモリシステム。 - 請求項1乃至5の何れか一項において、
前記メモリは、複数のメモリセルを有し、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、保持ノードと、前記保持ノードの充放電を制御できるトランジスタとを有し、
前記トランジスタのチャネル形成領域は酸化物半導体を有するメモリシステム。 - 請求項1乃至6の何れか一項に記載のメモリシステムと、
ホスト装置と、
を有し、
前記ホスト装置が前記ユーザデータ領域にアクセス可能なように、前記ホスト装置と前記メモリシステムとが接続されている情報処理システム。
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