JP2017224377A - メモリ装置、およびそれを有する半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、OSメモリを備える半導体装置について説明する。
図1にマイクロコントローラユニット(MCU)の構成例を示す。図1に示すMCU100は、バス110、プロセッサコア111(以下、「コア111」と呼ぶ。)、クロック生成回路112、周辺回路113、メモリ部115を有する。メモリ部115は、DOSRAM120、およびメモリ装置121を有する。MCU100は1チップ化された半導体装置である。
図2AはDOSRAM120の構成例を示すブロック図である。DOSRAM120は、コントローラ200、行回路210、列回路220、メモリセルおよびセンスアンプアレイ230(以下、「MC−SAアレイ230」と呼ぶ。)を有する。行回路210はデコーダ211、ワード線ドライバ212、列セレクタ213、センスアンプドライバ214を有する。列回路220はグローバルセンスアンプ(GSA)アレイ221、入出力(I/O)回路222を有する。MC−SAアレイ230は複数のローカルアレイ235、複数のグローバルビット線を有する。ローカルアレイ235は、複数のメモリセル40、複数のセンスアンプ45、複数のビット線、および複数のワード線を有する。
図2Bにメモリセル40の回路構成例を示す。メモリセル40はトランジスタMW1、容量素子CS1、端子P1、P2を有する。トランジスタMW1は容量素子CS1の充放電を制御する機能をもつ。トランジスタMW1のゲートはワード線に電気的に接続され、第1端子はビット線に電気的に接続され、第2端子は容量素子CS1の第1端子に電気的に接続されている。容量素子CS1の第2端子は端子P1に電気的に接続されている。端子P1には、定電位(例えば、低電源電位)が入力される。
コントローラ200は、DOSRAM120の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ200は、信号CE、GW、BW[3:0]を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路210、列回路220の制御信号を生成する機能、信号ADDRから内部アドレス信号を生成する機能を有する。
行回路210は、MC−SAアレイ230を駆動する機能を有する。例えば、行回路210は、アクセス対象のメモリセル40を選択する機能、センスアンプアレイ233を駆動する機能、メモリセルアレイ232とセンスアンプアレイ233間でのデータ信号の入力および出力を制御する機能、センスアンプアレイ233とグローバルセンスアンプアレイ221間でのデータ信号の入力および出力を制御する機能を有する。
列回路220は、データ信号WDAの入力を制御する機能、データ信号RDAの出力を制御する機能を有する。
ローカルメモリセルアレイ240<j>は、ワード線WL<0>−WL<3>、ビット線BLL<0>−BLL<31>、BLR<0>−BLR<31>、256のメモリセル40を有する。メモリセル40の端子P1には、接地電位(以下「電位GND)を供給する配線が電気的に接続され、端子P2には、電位Vbgを供給する配線が電気的に接続されている。ワード線ドライバ212が生成する選択信号は、バッファ70A−70Dを介してワード線WL<0>−WL<3>に入力される。
ローカルセンスアンプアレイ245<j>は、センスアンプ45<0>−45<31>、スイッチアレイ46<j>を有する。ローカルセンスアンプアレイ245<j>には、バッファ71A−71Dを介して、信号ACT[j]、NLAT[j]、EQ[j]、PRE[j]が入力される。
グローバルセンスアンプアレイ221には、バッファ72Aを介して信号GEQが入力され、OR回路73を介して信号GLATE、GWEが入力される。ここでは、OR回路73の出力信号を信号GLATと呼ぶ。信号GLATは、グローバルセンスアンプアレイ221をアクティブにするための信号である。
入出力回路222はデータ信号WDA[31:0]から32ビットの相補データ信号を生成する機能、32ビット相補データ信号を32組のグローバルビット線対(GBLL,GBLR)に書き込む機能、32組のグローバルビット線対(GBLL,GBLR)から32ビットの相補データ信号を読み出す機能、および読み出した32ビットの相補データ信号からデータ信号RDA[31:0]を生成する機能を有する。ここでは、32組のグローバルビット線対(GBLL,GBLR)に書き込む32ビット相補データ信号をデータ信号DI[31:0]、DIB[31:0]と呼び、32組のグローバルビット線対(GBLL,GBLR)から読み出した32ビット相補データ信号をデータ信号DO[31:0]、DOB[31:0]と呼ぶこととする。
コントローラ200が信号CE、GW、BW[3:0]を論理演算することで、DOSRAM120の動作が決定される。表1に、DOSRAM120の動作を設定する真理値表を示す。DOSRAM120は、スタンバイモード、バースト読み出しモード、3の書き込みモード(バイト書き込み、ハーフワード書き込み、ワード書き込み)、およびリフレッシュモードをサポートする。ここでは、読み出しモードは、バースト読み出しモードのみであり、バースト長は4である。
バースト長を変更できるようにすることが可能である。例えば、バス110はバースト長を指定する信号BLN[1:0]を生成する。信号BLN[1:0]はコントローラ200に入力される。例えば、信号BLN[1:0]が2’b00、2’b01、2’b10であれば、バースト長は1、2、4である。コントローラ200に1’b1の信号CE、1’b0の信号WEが入力され、かつ信号ADDR[5:4]が2’b10、信号BLN[1:0]が2’b01であれば、動作モードは、バースト長2のバースト読み出しモードであるため、データDC2、DD2がDOSRAM120から読み出される。
ローカルメモリセルアレイ240のブロック−A乃至Dのライン幅を1ワードよりも大きくしてもよい。例えば、ローカルメモリセルアレイ240のビット線の数が256であれば、ブロック−A乃至Dのライン幅は4ワードである。この場合、ローカルセンスアンプアレイ245には128のセンスアンプ45が設けられる。スイッチアレイ46には、128のスイッチ回路46aが設けられる。スイッチアレイ46はマルチプレクサとして機能する。具体的には、スイッチアレイ46は、128組のローカルビット線対(BLL,BLR)から32組を選択し、選択したローカルビット線対とグローバルビット線対(GBLL,GBLR)間を導通状態にする機能をもつ。この例では、列セレクタ213は信号CSEL[15:0]を生成する。ローカルセンスアンプアレイ245<j>のスイ ッチアレイ46<j>には、信号CSEL[4j+3:4j]が入力される。
MC−SAアレイ230あたりのローカルアレイ235の数は4に限定されない。また、ローカルアレイ235あたりのブロックの数は4に限定されない。ローカルアレイ235あたりのブロックの数は2x(xは2以上の整数)が好ましい。ローカルアレイ235の数は、ローカルアレイ235あたりのブロック数の整数倍であることが好ましい。あるいは、ローカルアレイ235の数は、最大バースト長の整数倍であることが好ましい。ローカルアレイ235の数、およびローカルアレイ235あたりのブロック数を適切化することで、使用効率が高く、制御性のよいDOSRAM120を得ることができる。
DOSRAMは、OSトランジスタでメモリセルが構成されているため、DRAMのように頻繁にリフレッシュモードにする必要がない。そのため、プロセッサコアがアクセスできる時間をDRAMよりも十分長くすることができる。また、本実施の形態のバースト読み出しを適用することで、レイテンシの少ないDOSRAMを得ることができる。したがって、本実施の形態によって、DOSRAMを低レベルメモリ(例えば、L2、L3)として用いることが可能になる。例えば、複数のDOSRAMによって、メモリ部115を階層化することができる。図8に、メモリ部115の構成例を示す。
本実施の形態では、半導体装置の一例として、ICチップ、電子部品、電子機器等について説明する。
図9Aは、電子部品の作製方法例を示すフローチャートである。電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状に応じて、複数の規格、名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
本実施の形態では、金属酸化物トランジスタについて説明する。
図11Aにトランジスタの構成例を示す。図11Aに示すトランジスタ501は、金属酸化物トランジスタである。図11Aの左側の図は、トランジスタ501のチャネル長方向の断面図であり、右側の図は、トランジスタ501のチャネル幅方向の断面図である。
図11Bにトランジスタの構成例を示す。図11Bに示すトランジスタ502は、トランジスタ501の変形例であり、主に、ゲート電極の構造が異なる。図11Bの左側にはトランジスタ502のチャネル長方向の断面図を、右側にはチャネル幅方向の断面図を示す。
図12を参照して、OSトランジスタとSiトランジスタとで構成されている半導体装置の構成例を説明する。
本実施の形態では、CAC(Cloud‐Aligned composite)−OSについて説明する。
CAC‐OSとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。
CS1:容量素子、
MS1、MW1、MW2、MW3、TN1、TN2、TN3、TN4、TN5、TN6、TN7、TN21、TN22、TN23、TN25、TN26、TP1、TP2、TP20、TP21、TP22:トランジスタ、
P1、P2:端子
40、41、42:メモリセル、 45:センスアンプ、 46:スイッチアレイ、 46a:スイッチ回路、 51:グローバルセンスアンプ、
60:入力バッファ、 60L、60R、61L、61R、70A、70B、70C、70D、71A、71B、71C、71D、71E、71F、71G、71H、72A、72B、72C:バッファ、 61:出力バッファ、 73:OR回路、
100:MCU(マイクロコントローラユニット)、 110:バス、 111:プロセッサコア、 115:メモリ部、 112:クロック生成回路、 113:周辺回路、
120、132、133、134:DOSRAM、 121:メモリ装置、 131:SRAM、
200::コントローラ、
210:行回路、 211:デコーダ、 212:ワード線ドライバ、 213:列セレクタ、 214:センスアンプドライバ、
220:列回路、 221:グローバルセンスアンプ(GSA)アレイ、 222:入出力(I/O)回路、
230:MC−SAアレイ(メモリセルおよびセンスアンプアレイ)、 232:メモリセルアレイ、 233:センスアンプアレイ 235:ローカルアレイ、 240:ローカルメモリセルアレイ、 245:ローカルセンスアンプアレイ、
501、502:トランジスタ、
503、521、522、523、524、525、526、527、528、529、530:絶縁層、
510:酸化物層、 511、512、513:金属酸化物層、
550、551、552、553、553a、553b:導電層、
560:単結晶シリコンウエハ、 L10、L11、L12、L13、L14:層、
2010:情報端末、 2011:筐体、 2012:表示部、 2013:操作ボタン、 2014:外部接続ポート、 2015:スピーカ、 2016:マイクロホン、2050:ノート型PC(パーソナルコンピュータ)、 2051:筐体、 2052:表示部、 2053:キーボード、 2054:ポインティングデバイス、 2070:ビデオカメラ、 2071:筐体、 2072:表示部、 2073:筐体、 2074:操作キー、 2075:レンズ、 2076:接続部、 2110:携帯型遊技機、 2111:筐体、 2112:表示部、 2113:スピーカ、 2114:LEDランプ、 2115:操作キーボタン、 2116:接続端子、 2117:カメラ、 2118:マイクロホン、 2119:記録媒体読込部、 2150:電気冷凍冷蔵庫、 2151:筐体、 2152:冷蔵室用扉、 2153:冷凍室用扉、 2170:自動車、 2171:車体、 2172:車輪、 2173:ダッシュボード、 2174:ライト、
7000:電子部品、 7001:リード、 7002:プリント基板、 7004:実装基板、 7100:半導体ウエハ、 7102:回路領域、 7104:分離領域、 7106:分離線、 7110:チップ
Claims (17)
- バースト長M0(M0は2以上の整数)のバースト読み出しモードを備えるメモリ装置であって、
グローバルセンスアンプアレイ、M0個のローカルメモリセルアレイ<1>乃至<M0>、並びにM0個のローカルセンスアンプアレイ<1>乃至<M0>を有し、
ローカルメモリセルアレイ<J>(Jは1乃至M0の整数)はローカルセンスアンプアレイ<J>に積層され、
前記ローカルメモリセルアレイ<J>は、行ごとに分割されたM0個のブロック<J_1>乃至<J_M0>を有し、
前記ブロック<J_1>乃至<J_M0>は、それぞれ、複数のメモリセルを有し、
前記メモリセルは、容量素子と、前記容量素子の充放電を制御するトランジスタとを有し、
アイドル状態の前記ローカルセンスアンプアレイ<J>は、ブロック<J_J>のデータを保持し、
前記ブロック<J_J>は、前記ローカルメモリセルアレイ<J>が前記バースト読み出しモードの最初のアクセス対象であるときに指定されるブロックであるメモリ装置。 - 請求項1において、
前記バースト読み出しモードでは、前記ローカルメモリセルアレイ<1>乃至<M1>の各1個のブロックがアクセス対象であるメモリ装置。 - 請求項1において、
前記バースト読み出しモードで、外部アドレス信号ADDRによってローカルアレイ<Jx>(Jxは1乃至M0の整数)が指定されるとき、ブロック<1_Jx>乃至<M0_Jx>がアクセス対象であるメモリ装置。 - バースト長M0×M1(M0は2以上の整数、M1は1以上の整数)のバースト読み出しモードを備えるメモリ装置であって、
グローバルセンスアンプアレイ、M0×M1個のローカルメモリセルアレイ<1>乃至<M0M1>、並びにM0×M1個のローカルセンスアンプアレイ<1>乃至<M0M1>を有し、
ローカルメモリセルアレイ<J>(Jは1乃至M0M1の整数)は、ローカルセンスアンプアレイ<J>に積層され、
前記ローカルメモリセルアレイ<J>は、行ごとに分割されたM0個のブロック<J_1>乃至<J_M0>を有し、
前記ブロック<J_1>乃至<J_M0>は、それぞれ、複数のメモリセルを有し、
前記メモリセルは、容量素子と、前記容量素子の充放電を制御するトランジスタとを有し、
アイドル状態の前記ローカルセンスアンプアレイ<J>は、ブロック<J_X1>(X1は1乃至M0の整数)のデータを保持し、
前記ブロック<J_X1>は、前記ローカルメモリセルアレイ<J>が前記バースト読み出しモードの最初のアクセス対象であるときに指定されるブロックであるメモリ装置。 - 請求項4において、
前記バースト読み出しモードでは、ローカルメモリセルアレイ<1>乃至<M0M1>の各1個のブロックがアクセス対象であるメモリ装置。 - 請求項4において、
前記バースト読み出しモードで、外部アドレス信号ADDRによってローカルメモリセルアレイ<Jx>(Jxは1乃至M0の整数)が指定されるとき、ブロック<1_X>乃至<M0M1_X>がアクセス対象であり、
Xは1乃至M0の整数であり、jは0乃至M1−1の整数であり、Jx=jM0+Xであるメモリ装置。 - バースト長M0×M1(M0は2以上の整数、M1は1以上の整数)のバースト読み出しモードを備えるメモリ装置であって、
コントローラ、行回路、グローバルセンスアンプアレイ、およびM0×M1個のローカルアレイ<1>乃至<M0M1>を有し、
J×K番目(Jは1乃至M0の整数、Kは1以上M0以下の整数、)のローカルアレイ<JK>は、ローカルメモリセルアレイ<JK>、およびローカルセンスアンプアレイ<JK>を有し、
前記ローカルメモリセルアレイ<JK>は、前記ローカルセンスアンプアレイ<JK>に積層され、
前記ローカルメモリセルアレイ<JK>は、行ごとに分割されたM0個のブロック<JK_1>乃至<JK_M0>を有し、
前記ブロック<JK_1>乃至<JK_M0>は、それぞれ、複数のメモリセルを有し、
前記メモリセルは、容量素子と、前記容量素子の充放電を制御するトランジスタとを有し、
前記行回路は、前記ローカルアレイ<1>乃至<M0M1>を駆動する機能を有し、
前記コントローラは、前記行回路および前記グローバルセンスアンプアレイを制御する機能を備え、
前記コントローラは、前記バースト読み出しモードにおいて、外部アドレス信号ADDRから、M0M1個のアドレス信号ADDRi_1乃至ADDRi_M0M1を生成する機能を備え、
前記アドレス信号ADDRi_1乃至ADDRi_M0M1は、ローカルアレイアドレスが互いに異なり、かつ行アドレスが同じであり、当該行アドレスは、前記外部アドレス信号ADDRのローカルアレイアドレスに基づいて設定されるメモリ装置。 - 請求項7において、
前記外部アドレス信号ADDRのローカルアレイアドレスが、ローカルアレイ<jM0+X1>(jは0乃至M1−1の整数、X1は1乃至M0の整数)を表すアドレスである場合、前記アドレス信号ADDRi_1は、ブロック<jM0+X1_X1>を指定するアドレス信号であるメモリ装置。 - 請求項7又は8において、
前記コントローラは、前記アドレス信号ADDRi_1が確定すると、前記アドレス信号ADDR_1の指定するローカルアレイ<J1K1>(J1は1乃至M0の整数、K1は1乃至M1整数)において、前記ローカルセンスアンプアレイ<J1K1>と前記グローバルセンスアンプアレイ間を導通状態にし、他の(M0M1−1)個の前記ローカルアレイにおいて、それぞれ、前記ローカルメモリセルアレイのデータを前記ローカルセンスアンプに読み出す制御機能を備えるメモリ装置。 - 請求項7乃至9の何れか1項において、
前記コントローラは、
アドレス信号ADDRi_Y(Yは2乃至M0M1の整数)の指定するローカルアレイ<JY>のローカルセンスアンプアレイ<JY>と前記グローバルセンスアンプアレイ間を導通状態にする制御機能と、
前記ローカルセンスアンプアレイ<JY>と前記グローバルセンスアンプアレイ間を導通状態から非導通状態にするクロックサイクルで、前記ローカルセンスアンプアレイ<JX>にブロック<JY_X1>のデータを読み出す制御機能と、
を備え、
X1は1乃至M0の整数であり、jは0乃至M1−1の整数であり、JY=jM0+X1であるメモリ装置。 - 請求項7乃至10の何れか1項に記載のメモリ装置は、書き込みモードを有し、
前記コントローラは、前記書込みモードにおいて、前記外部アドレス信号ADDRの指定するローカルメモリセルアレイ<JZ>にデータを書き込んだ後、ローカルセンスアンプアレイ<JZ>にブロック<JZ_Z1>のデータを読み出す制御機能を備え、
Z1は1乃至M0の整数であり、jは0乃至M1−1の整数であり、JZ=jM0+Z1であるメモリ装置。 - 請求項7乃至10の何れか1項に記載のメモリ装置は、書き込みモードを有し、
前記コントローラは、前記書き込みモードにおいて、前記外部アドレス信号ADDRの指定するローカルメモリセルアレイ<JZ>にデータを書き込んだ後、当該外部アドレス信号ADDRがブロック<JZ_Z1>を指定するアドレスではないときに、ローカルセンスアンプアレイ<JZ>に前記ブロック<JZ_Z1>のデータを読み出す制御機能を備え、
Z1は1乃至M0の整数であり、jは0乃至M1−1の整数であり、JZ=jM0+Z1であるメモリ装置。 - 請求項1乃至12の何れか1項において、
前記トランジスタのチャネル形成領域は金属酸化物を有するメモリ装置。 - プロセッサコア、メモリ部、およびバスを有する半導体装置であり、
前記メモリ部は請求項1乃至13の何れか1項に記載のメモリ装置を有し、
前記プロセッサコアと前記メモリ部間の信号およびデータの伝送は、前記バス介して行われる半導体装置。 - 請求項14項において、
前記メモリ部は、SRAM、フラッシュメモリ、強誘電体RAM、磁気抵抗RAM、抵抗変化RAM、および相変化RAMの少なくとも1を有する半導体装置。 - チップおよびリードを有し、
前記リードは前記チップに電気的に接続され、
請求項1乃至13に記載のメモリ装置、並びに請求項14及び15に記載の半導体装置のうちの何れか1が前記チップに設けられている電子部品。 - 請求項16に記載の電子部品と、
表示部、タッチセンサ、マイク、スピーカ、操作キー、および筐体のうちの少なくとも1と、を有する電子機器。
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