JP3402641B2 - ダイナミック型半導体記憶装置 - Google Patents

ダイナミック型半導体記憶装置

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JP3402641B2
JP3402641B2 JP00824593A JP824593A JP3402641B2 JP 3402641 B2 JP3402641 B2 JP 3402641B2 JP 00824593 A JP00824593 A JP 00824593A JP 824593 A JP824593 A JP 824593A JP 3402641 B2 JP3402641 B2 JP 3402641B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高集積化されたダイナ
ミック型半導体記憶装置(DRAM)に関する。
【0002】
【従来の技術】LSIメモリの中のRAMの一種である
DRAMの集積化には目覚ましい進歩がある。DRAM
の単位メモリセルは、例えば、直列接続された1個のn
チャネルのMOSトランジスタと1個のキャパシタとで
構成され、スケーリング則によるこれら素子の微細化に
よってDRAMの高集積化が実現されている。
【0003】高集積化に伴う問題としてMOSトランジ
スタのゲート酸化膜に起因する信頼性の低下が挙げられ
ている。すなわち、ゲート酸化膜の薄膜化により、ゲー
ト酸化膜にかかる電界が大きくなり、経時破壊(TDD
B:Time Dependent Dioxiside Breakdown)の問題が顕
在化してきた。
【0004】そこで、TDDBが問題とならない程度に
ゲート酸化膜にかかる最大電界を小さくしなければなら
ない。このためには、ワード線の選択電位(メモリセル
のMOSトランジスタをオン動作させるときの電位)を
ゲート酸化膜の薄膜化の程度に合わせて低くする必要が
ある。図15には、従来のDRAMにおけるビット線お
よびワード線に与えられる電位のレベル関係が示されて
いる。
【0005】ビット線の“0”書き込み電位(メモリセ
ルのキャパシタに“0”データを書き込むときの電位)
bLおよびワード線の非選択電位(メモリセルのMOS
トランジスタをオフ動作させるときの電位)VwLは伴に
接地源電位Vssに等しく、選択電位VwHの上限は、キャ
パシタに“0”データを書き込むときに、メモリセルの
MOSトランジスタのソースとゲートとの間に印加され
る電圧の上限(許容最大電圧VGSmax )に等しい。
【0006】従来方式では、ゲート酸化膜の膜厚をTox
とし、フラットバンド電圧をVFBとすると、選択電位の
上限VwHmax とゲート酸化膜にかけられる最大の電界
(許容最大電界) Emax との間には、 VwHmax =VGSmax = Emax ・Tox+VFB …(1) の関係がある。
【0007】ところで、MOSトランジスタのしきい値
電圧は、非選択時にデータが失われないように十分な電
流遮断特性が得られる程度に大きくする必要がある。つ
まり、MOSトランジスタのしきい値電圧には下限があ
る。この下限は非選択時の許容リーク電流とサブスレッ
ショルドスイング(Sファクタ)とによって決まる。
【0008】ここで、MOSトランジスタのしきい値電
圧をドレイン電流=10-6Aとなるときのゲート電位と
ソース電位との電位差と定義し、許容リーク電流=10
-15A、Sファクタ=80m/decade(室温300K)という典型値
を用いると、しきい値電圧の下限VTHmin は次のように
なる。 VTHmin =−(log1010-15 −log1010-6)・
80〜720mV となる。
【0009】また、メモリセル(キャパシタ)に保持で
きる信号電位VSIG convは、バックバイアス効果による
しきい値電圧の変化をΔVTHconvとすると、上記V
wHmax ,VTHmin を用いて次のように表すことができ
る。 VSIGconv =VwHmax −(VTHmin +ΔVTHconv) …(2)
【0010】信号電位VSIGconv を大きくするにはSフ
ァクタを小することが望ましいが、微細化が進むと、S
ファクタが小さいMOSトランジスタを得るために、複
雑な構造のMOSトランジスタを形成しなければなら
ず、この結果、工程数が増加し製造コストが上昇すると
いう問題が生じる。
【0011】また、式(2)から信号電位VSIGconv
大きくするにはVwHmax を大きくすれば良いことが分か
るが、VwHmax は上述したように式(1)で定まる大き
さ以上にすることができない。式(1)中のToxは一般
に微細化が進むと小さくなるため、VwHmax も微細化に
伴って小さくなる。したがって、高集積化が進むと信号
電位VSIGconv が小さくなり、センスアンプの安定した
動作を確保するのが困難になる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のD
RAMにあっては、選択電位の上限およびしきい値電圧
の下限は、それぞれTDDBの防止および良好な電流遮
断特性の確保の点から制限されていた。このため、素子
の微細化(高集積化)に伴って信号電位が減少し、セン
スアンプの安定した動作を確保するのが困難であるとい
う問題があった。
【0013】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、集積化が進んでも十分
な信号電位を確保できるダイナミック型半導体記憶装置
を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のダイナミック型半導体記憶装置は、キャ
パシタと、このキャパシタとビット線との間に接続さ
れ、且つゲートがワード線に接続されたMOSトランジ
スタとからなるダイナミック型メモリセルとを具備して
なるダイナミック型半導体記憶装置において、前記ワー
ド線の非選択電位が第一の外部電源電位に設定され、且
つ前記ビット線の“0”書き込み電位が前記第一の外部
電源電位と、該第一の電源電位と異なる第二の外部電源
電位との間に設定され、且つ前記ワード線の選択電位
が、前記第一の外部電源電位に前記MOSトランジスタ
のソースとゲートの間に印加できる電圧の上限値を足し
た値よりも高く設定されていることを特徴とする。
【0015】前記MOSトランジスタのゲートオーバー
ラップ部のドレイン領域の不純物濃度が所定値以下であ
ることが好ましい。ここで、所定値とは、前記MOSト
ランジスタがオフ状態時のゲート絶縁膜に印加される最
大電界がオン状態時のそれを越えないようにすることが
できる不純物濃度である。
【0016】また、前記キャパシタに“0”データを書
き込むときに、前記MOSトランジスタのソースとゲー
トとの間に印加させる電圧の上限とは、例えば、前記M
OSトランジスタのゲート絶縁膜の破壊が起こらない最
大電圧である。
【0017】
【作用】本発明のダイナミック型半導体記憶装置では、
ワード線の非選択電位がビット線の“0”書き込み電位
より低く設定されている。このため、しきい値電圧の下
限値を非選択電位と“0”書き込み電位との電位差分だ
け従来より低くできる。しきい値電圧の下限が低くなれ
ば、その分だけ信号電位が大きくなる。
【0018】したがって、しきい値電圧として、しきい
値電圧の下限値を選べば、信号電位を大きくできる。し
かも、選択電位と“0”書き込み電位との電位差が前記
MOSトランジスタのソースとゲートとの間に印加でき
る電圧の上限に設定されているため、上記信号電位はM
OSトランジスタの信頼性の低下を招かない最大レベル
のものとなる。
【0019】また、上記のようにしきい値電圧を下げず
に、しきい値電圧を従来のそれと同じにすれば、“0”
書き込み電位が従来より高い分だけ、電流遮断特性が改
善されるため、Sファクタを大きくできる。Sファクタ
が大きくなれば、その分、MOSトランジスタの作成が
容易になる。
【0020】したがって、しきい値電圧として、従来の
DRAMのそれと同じにすれば、Sファクタを大きくで
き、このため、集積度が進んでも、これに対応して微細
なMOSトランジスタを容易に形成できるので、製造コ
ストの増加を防止できる。しかも、選択電位と“0”書
き込み電位との電位差を上記上限に選んであるので、信
号電位が低下するという問題は生じない。
【0021】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図1は、本発明の一実施例に係るDRAMの要部構
成を示す図である。
【0022】複数のビット線BLk ,/BLk (k=
0,1,…)と複数のワード線WLj(j=0,1,
…)が互いに交差して配列され、それらの交差部にnチ
ャネルのMOSトランジスタとキャパシタからなるメモ
リセルMCが配設されて、メモリセルアレイが構成され
ている。上記MOSトランジスタのゲート,ドレイン,
ソースはそれぞれワード線WLj ,ビット線ビット線B
Lk ,キャパシタに接続されている。
【0023】各ワード線WLj の端部には、ワード線を
選択するデコーダ3およびこのデコーダ3で選択された
ワード線を駆動するワード線駆動回路2が設けられ、一
方、各ビット線BLk ,/BLk の端部には、それぞれ
メモリセルMCからビット線に読み出された信号電位を
増幅するビット線センスアンプ1が設けられている。
“0”書き込み電位発生回路4は、ビット線センスアン
プ1を介して“0”書き込み電位をビット線に与える。
図2は、本実施例に係るDRAMのワード線の電位(非
選択電位VwL,選択電位VwH)とビット線の電位
(“0”書き込み電位VbL)との関係を示す図である。
【0024】本実施例のワード線の電位およびビット線
の電位が、図16の従来のそれと異なる点は、非選択電
位VwLが“0”書き込み電位VbLより低くなっている共
に、選択電位VwHが従来のそれより高くなっていること
にある。このため、従来のものにはない上記“0”書き
込み電位発生回路4が設けられている。以下、この電位
関係について説明する。
【0025】選択時にnチャネルのMOSトランジスタ
のゲート酸化膜にかかる電界が最大となるのは、ワード
線の電位がVwHでビット線の電位がVbLのとき、つま
り、メモリセルに“0”データを書き込むときである。
TDDB等によるゲート酸化膜の信頼性の低下を防止す
るために、選択電位VwHと“0”書き込み電位VbLとの
電位差には上限がある。この上限はゲート酸化膜の膜厚
と許容最大電界(通常、4〜5MV/cm)とで決ま
る。
【0026】非選択電位VwLと“0”書き込み電位VbL
とが伴に接地電位Vssに等しい従来のDRAMでは、
“0”書き込み電位VbLと“1”書き込み電位VbHとの
電位差(信号電位)をできるだけ大きくするために、図
16に示したように、選択電位VwHと“0”書き込み電
位VbLとの電位差は許容範囲で最大なもの(VGSmax
となっている。
【0027】ワード線の電位振幅(選択電位VwHと非選
択電位VwLとの電位差)およびしきい値電位VwHを変え
ないで、“0”書き込み電位VbLを接地電位Vssより高
くすると、換言すれば、“0”書き込み電位VbLを非選
択電位VwLより高くすると、“0”書き込み電位VbL
昇圧分だけ、選択電位VwHと“0”書き込み電位VbL
の電位差が小さくなるため、信号電位が減少するという
不都合が生じる。
【0028】そこで、図2に示したように、選択電位V
wHと“0”書き込み電位VbLとの電位差が許容最大電圧
GSmax と等しくなるように、選択電位VwHを高くする
ことにより、従来と同じ信号電位とゲート酸化膜の信頼
性を確保できる。
【0029】すなわち、本実施例では、“0”書き込み
電位VbLが従来よりΔVbLだけ高くなったことに対応
し、選択電位の上限VwHmax がΔVbLだけ従来より高く
なっている。このため、しきい値電圧の下限をVTH−Δ
bLまで小さくできる。
【0030】したがって、しきい値電圧をVTH−ΔVbL
に設定すれば、ゲート酸化膜の信頼性の低下を招くこと
無く、信号電位を最大限に大きくでき、このため、集積
度が進んでも、信号電位の減少を抑制できるようにな
り、センスアンプの安定した動作を確保できる。
【0031】また、しきい値電圧を下げずに、しきい値
電圧を従来のそれと同じ(VTH)にすれば、従来に比べ
て、ソース電位VS がΔVbLだけ高くなっている分だ
け、電流遮断特性が改善されるため、Sファクタを大き
くできる。Sファクタが大きくなれば、その分、MOS
トランジスタの作成が容易になる。
【0032】したがって、ゲート酸化膜の信頼性の低下
を招くこと無く、Sファクタを大きくでき、このため、
集積度が進んでも、これに対応して微細なMOSトラン
ジスタを容易に形成できるので、製造コストの増加を防
止できる。
【0033】以上述べたように、本実施例によれば、ゲ
ート酸化膜の信頼性の低下を招かずに、MOSトランジ
スタのしきい値電圧やSファクタの選択範囲を広くでき
るため、高集積度のDRAMの実現が容易になる。な
お、しきい値電圧の設定は、上記レベルに限定されるも
のではなく、VwH−ΔVbL以上の範囲であれば良い。
【0034】図3には、本実施例の場合の周辺回路のM
OSトランジスタの電位振幅の取り方の例が示されてい
る。これはメモリセルのMOSトランジスタの信頼性と
周辺回路のMOSトランジスタの信頼性とが等しくなる
取り方の例である。すなわち、周辺回路のMOSトラン
ジスタの電位振幅Vperi1 〜Vperi4 はいずれも許容最
大電圧VGSmax と等しくなっている。
【0035】電位振幅Vperi3 ,Vperi4 のように、周
辺回路のMOSトランジスタの電位振幅の“H”レベル
電位が、メモリセルのMOSトランジスタの選択電位V
wHより低い場合には、周辺回路のMOSトランジスタの
電位振幅の“H”レベル電位を、選択電位VwHよりメモ
リセルのMOSトランジスタのしきい値電圧分低い
“1”書き込み電位VbHと等しく統一したり、ビット線
プリチャージ電位と等しく統一すると、DRAMの内部
電位発生回路の構成を簡略化できる。
【0036】同様に、電位振幅Vperi2 のように、周辺
回路のMOSトランジスタの電位振幅を選択電位VwH
“0”書き込み電位VbLとの間に取ることにより、内部
電位発生回路の構成を簡略化できる。
【0037】また、電位振幅Vperi4 のように、周辺回
路のMOSトランジスタの電位振幅の“L”レベル電位
が接地電位Vssに等しい場合は、外部電源電位である接
地電位VssがDRAM内部で発生されるどの内部電位よ
り安定してることを考慮すると、最も安定した周辺回路
動作が得られることになる。
【0038】図4には、本実施例の場合の周辺回路のM
OSトランジスタの電位振幅の他の取り方の例が示され
ている。これは周辺回路のMOSトランジスタの信頼性
がメモリセルのMOSトランジスタの信頼性より高くな
る取り方の例である。
【0039】すなわち、周辺回路のMOSトランジスタ
の電位振幅Vperi5 〜Vperi9 はいずれも許容最大電圧
GSmax より小さくなっている。これら電位振幅V
peri5 〜Vperi9 は、電位振幅Vperi1 〜Vperi4 と同
様な利点がある。
【0040】メモリセルのMOSトランジスタに最大電
界がかかるのはアクティブ時で、しかも、メモリセルに
“0”データを書き込むときである。一方、周辺回路の
MOSトランジスタに最大電界がかかるのはスタンバイ
期間中またはアクティブ期間中であり、メモリセルのM
OSトランジスタに比べてはるかに最大電界がかかる期
間が長い。
【0041】したがって、図4に示したように、周辺回
路のMOSトランジスタの電位振幅を許容最大電圧V
GSmax より小さくすることは、DRAM全体のMOSト
ランジスタの信頼性を向上する点で有利である。
【0042】図5には、本実施例の場合の周辺回路のM
OSトランジスタの電位振幅の更に別の取り方の例が示
されている。これは電位振幅Vperi10の“H”レベル電
位を“0”書き込み電位VbLと等しく統一した例であ
る。この方式でも先の実施例と同様にDRAMの内部電
位発生回路の構成を簡略化することができる。図6は、
本発明の他の実施例に係るDRAMのビット線の電位
(“0”書き込み電位VbL)とワード線の電位(選択電
位VwH)との関係を示す図である。
【0043】本実施例が先の実施例のそれと異なる点
は、非選択電位VwLが接地電位Vssより低いマイナスの
電位になっており、そして、この接地電位Vssが“0”
書き込み電位VbLと等しくなっていることにある。
【0044】このような電位関係でも、非選択電位VwL
が接地電位Vssより低くなった分だけ、非選択電位VwL
が“0”書き込み電位VbLより低くなり、先の実施例と
同様な効果が得られる。
【0045】図7には、本実施例の場合の周辺回路のM
OSトランジスタの電位振幅の取り方の例が示されてい
る。これは図3と同様にメモリセルのMOSトランジス
タの信頼性と周辺回路のMOSトランジスタの信頼性と
が等しくなる取り方の例である。
【0046】すなわち、周辺回路のMOSトランジスタ
の電位振幅Vperi11,Vperi12 はいずれも許容最大電
圧VGSmax と等しくなっている。電位振幅Vperi12のよ
うに周辺回路のMOSトランジスタの電位振幅を選択電
位VwHと“0”書き込み電位VbLとの間に取るほうが、
電位振幅Vperi11の場合に比べて、DRAMの内部電位
発生回路の構成をより簡略化できる。
【0047】図8には、本実施例の場合の周辺回路のM
OSトランジスタの電位振幅の他の取り方の例が示され
ている。これは周辺回路のMOSトランジスタの信頼性
がメモリセルのMOSトランジスタの信頼性より高くな
る取り方の例である。
【0048】すなわち、図4と同様に、許容最大電圧V
GSmax より、周辺回路のMOSトランジスタの電位振幅
peri13〜Vperi17が小さくなっており、図4で述べた
のと同様な利点がある。次にメモリセルのMOSトラン
ジスタのしきい値電圧についてより詳しく説明する。
【0049】本発明は、上述したように非選択電位VwL
を“0”書き込み電位VbLよりも低くすると共に、ゲー
ト酸化膜の信頼性の低下を招かないように選択電位V
wHnewを下式(3)のように選んでいる。 VwHnew =VGSmax +VbL …(3)
【0050】そして、従来方式(VbL=VwL)と同じS
ファクタの場合には、本発明のMOSトランジスタのし
きい値電圧の下限VTHnew は、従来方式のしきい値電圧
の下限をVTHconvとすると、 VTHnew =VTHconv−VbL …(4) と表され、従来よりしきい値電圧の下限が低くなり、信
号電位をより大きくできる。
【0051】ここで、VTHnew はソース電位をVbLとし
て、10-6Aのドレイン電流が得られるときのゲート・
ソース間の電位差として定義されている。しきい値電圧
を小さくするには、チャネル領域の不純物濃度を低くす
れば良い。また、本発明の場合の信号電位(VbH
bL)は、バックバイアス効果によるしきい値電圧の変
化をΔVTHnew とすると、 VSIGnew=(VwHnew −ΔVTHnew −VTHnew )−VbL …(5) と表される。(1)〜(4)式を使うと(5)式は次の
ように書き直せる。 VSIGnew=ΔVSIGconv +VbL+(ΔVTHconv−ΔVTHnew ) …(6)
【0052】本発明の場合、バックバイアス電圧に対応
するVbHは増加するが、ΔVTHの値自身はチャネル領域
の不純物濃度の減少によりむしろ小さくなる。(6)式
から、信号電位VSIGnewはしきい値電圧の減少(VbL
とバックバイアス効果の低減のとの和の分だけ増加する
ことが分かる。このため、本発明によれば、今後さらに
メモリセルのMOSトランジスタの微細化が進んでも、
安定したセンスアンプ動作を保証することができる
【0053】図8は、“0”書き込み電位VbLと選択電
位VwHと“1”書き込み電位VbHとの関係を示す図で、
“0”書き込み電位VbLを接地電位Vssよりも高くして
いったときに、選択電位VwH,“1”書き込み電位VbH
がどのように変化するかを示している。
【0054】これはメモリセルのMOSトランジスタの
ゲート酸化膜の膜厚TOXが7nmの256DRAMにつ
いて計算したもので、上記MOSトランジスタはpウェ
ルに形成されたnチャネルタイプのもので、上記pウェ
ルの電位は接地電位Vssに固定され、ゲート電極材料を
+ ポリシリコン、上記ゲート酸化膜にかかる最大電界
を4MV/cm、そして、Sファクタを80mV/deca
deと仮定している。
【0055】図9から“0”書き込み電位VbLを大きく
していくと、上述したように、“0”書き込み電位VbL
と“1”書き込み電位VbHとの電位差である信号電位V
SIGが増大していくことが分かる
【0056】256DRAMでは、外部電源電位VCC
3.3Vとなると考えられ、この場合、“0”書き込み
電位VbLを0.55V以下に設定すると、選択電位VwH
は外部電源電位VCCを越えることがないので、従来必要
であったワード線昇圧回路が不要となる。また、“0”
書き込み電位VbLが0Vの従来方式の場合と比較して、
信号電位VSIG を50%以上増加させることができる。
【0057】“0”書き込み電位VbLを0.55Vに設
定すると、外部電源電位VCCをそのまま選択電位VwH
することができるので、ワード線用の特別な昇圧回路や
降圧回路が不要になる。このため、DRAMの内部回路
構成がより簡略化し、チップサイズを小型化が図れる。
【0058】“0”書き込み電位VbLが0.7V以上に
なると信号電位VSIG が減少するのは、“1”書き込み
電位VbHを外部電源電位VCCと等しくせざるを得ないか
らである。この原因は、ビット線の電位を“1”書き込
み電位VbHにリストアする際に、“1”書き込み電位
(発生)回路に大電流が瞬間的に流れるので、“1”書
き込み電位VbHを外部電源電位VCCより高くする設定す
る(チャージポンプ回路を使って“1”書き込み電位V
bHを発生する)ことが困難になるからである。
【0059】これらのことを考慮すると、“0”書き込
み電位VbLを0.7以上に設定し、“1”書き込み電位
bHを外部電源電位VCCに設定することは、“1”書き
込み電位VbHの安定性および“1”書き込み電位VbH
発生するための特別な高性能の降圧回路が不要となる点
で有利である。
【0060】従来方式の場合、周辺回路の電位振幅の
“H”レベル(内部電源電圧)が“1”書き込み電位V
bHと等しい場合が多いが、例えば、各電位が図9のよう
に振る舞う場合には、周辺回路を接地電位VSS〜2.5
Vの範囲の電圧で動作させることにより、周辺回路の電
位振幅の“H”レベルと“1”書き込み電位VbHとを電
気的に分離することができる。このため、内部電源電圧
の変動を抑制でき、周辺回路の動作を安定化することが
できる。
【0061】図10は、電位関係が図9の場合の“0”
書き込み電位VbLとメモリセルのしきい値電圧の下限
(以下、単にしきい値電圧ともいう)VTHmin との関係
を示す図である。ここでのしきい値電圧VTHmin は、ソ
ースの電位が接地電位VSSの通常のしきい値電圧に換算
されている。
【0062】“0”書き込み電位VbLを0.65V以上
にすると、しきい値電圧VTHmin は負になる。ところ
で、周辺回路のMOSトランジスタのオフ時のリーク電
流は、10-10 A程度以下にする必要があるが、そのた
めにはSファクタが80mV/decadeのときに、しきい
値電圧VTHmin が0.32V以上となる必要がある。図
10から“0”書き込み電位VbLが0.3V以下の場合
には、メモリセルのMOSトランジスタのしきい値電圧
THmin が0.32V以上になっていることが分かる。
したがって、“0”書き込み電位VbLを例えば0.3V
に設定すれば、メモリセルのMOSトランジスタと周辺
回路のMOSトランジスタとで同一のMOSトランジス
タを用いることができる。図11は、図9と同様な図
で、ゲート酸化膜の膜厚TOXが5nmの1GDRAMに
ついてのものである。
【0063】この場合、“0”書き込み電位VbLを0.
8V以上にすると、“1”書き込み電位VbHを選択電位
wH以上にすることができ、いわゆる、“1”書き込み
電位のしきい値落ちという不都合を防止できる。
【0064】ここで、外部電源電位VCCが3.3Vなら
ば、“0”書き込み電位VbLを1V程度まで上げ、
“1”書き込み電位VbHを3.3Vにすれば、“1”書
き込み電位VbHを発生するための回路を省略でき、ま
た、選択電位VwHおよび“1”書き込み電位VbHを伴に
3Vにすれば、“1”書き込み電位の書き込みマージン
を高くすることもできる。これは実際には3.3Vを書
き込むことができるからである。さらに、“0”書き込
み電位VbLを0.8Vにして選択電位VwHおよび“1”
書き込み電位VbHを統一すれば、内部電位発生回路を簡
略化することができる。
【0065】なお、図11,図9は、ゲート酸化膜の膜
厚がそれぞれ5nm,7nmの場合についてのものであ
るが、ゲート酸化膜の膜厚を5nmと7nmとの間に設
定すれば、選択電位VwHおよび“1”書き込み電位VbH
の両方を外部電源電位VCCと等しくすることもできる。
この場合、DRAMの内部回路の構成を格段に簡略する
ことができ、チップサイズをより小さくすることでき
る。
【0066】また、外部電源電位VCCが2.5Vなら
ば、“0”書き込み電位VbLを例えば0.55Vに設定
すれば、選択電位VwHとして外部電源電位VCCを使用す
ることができ、そして、信号電位を従来方式のそれより
も70%以上も大きくすることができる。
【0067】なお、この場合には、選択電位VwH
“1”書き込み電位VbHとの電位差が従来よりも格段に
小さくなるので、ビット線の“H”レベル側のリストア
レベルを外部電源電位VCCまで引き上げることが考えら
れる。リストアレベルを引き上げても、メモリセルに書
き込むことができる電位は、“1”書き込み電位VbH
変わらず、しかも、ビット線の充放電による消費電力は
かえって増加する。しかし、内部回路を簡略化でき、ま
た、書き込みの際にビット線の電位は完全に外部電源電
位VCCまで上がる必要は全くなく、要は“1”書き込み
電位VbHまで上がれば良いのだから、リストアに要する
時間をかなり短くすることができる。次にメモリセルの
MOSトランジスタのSファクタについてより詳しく説
明する。
【0068】上述したように、非選択電位VwLを“0”
書き込み電位VbLよりも低くすることは、MOSトラン
ジスタのカットオフ特性を向上する効果があるわけだか
ら、Sファクタのより大きなMOSトランジスタでも
“0”書き込み電位VbLを上げていくことで十分なカッ
トオフ特性が得られる。
【0069】今後、微細化が進むと良好なSファクタを
有するMOSトランジスタを設計することがますます困
難になり、MOSトランジスタの構造はますます複雑に
なっていく。このため、Sファクタの大きなMOSトラ
ンジスタをメモリセルに使用できることは、製造工程の
簡素化やコストの削減につながる。
【0070】図12は、“0”書き込み電位VbLとしき
い値電圧VTHmin との関係が、Sファクタおよび信号電
位VSIG のパラメータの変化によってどのように変わる
かを示す図である。
【0071】これはメモリセルのMOSトランジスタの
ゲート酸化膜の膜厚TOXが7nmの256DRAMにつ
いて計算したもので、上記ゲート酸化膜にかかる最大電
界を4MV/cmと仮定してある。
【0072】図中、実線はパラメータがSファクタの場
合のしきい値電圧VTHmin の変化を示しており、また、
一点鎖線はパラメータが信号電位VSIG の場合のしきい
値電圧VTHmin の変化を示している。なお、Sファクタ
には物理的に下限があり、例えば、室温(300K)に
おいては59mM/decadeである。
【0073】“0”書き込み電位VbLを接地電位VSS
り高くしていくと、“1”書き込み電位VbHがいったん
外部電源電位VCC(3.3V)に達すると、信号電位V
SIGはSファクタによらず“0”書き込み電位VbLの値
によって決まる。すなわち、 VSIG =VCC−VbL という関係が成り立っている。図中の鎖線はこのように
状況が変わる境界を表している。従来方式の場合、メモ
リセルのMOSトランジスタは、図12の縦軸上のしき
い値電圧VTHmin およびSファクタで設計しなければな
らなかった。
【0074】一方、本発明の場合、S=59mV/deca
deの実線より上の領域の任意の点でメモリセルのMOS
トランジスタを設計できるので、設計の自由度が飛躍的
に拡大する。
【0075】以上の説明では“0”書き込み電位VbL
接地電位VSSよりも高くする方式を中心に説明したが、
図6のように非選択電位VwLを接地電位VSSよりも低く
する方式でも同様な効果が得られる。
【0076】ところで、本発明のように、非選択電位V
wLを“0”書き込み電位VbLよりも低くする方式では、
非選択電位VwLと“0”書き込み電位VbLとの電位差が
大きくなるにつれて次のようなことが考えれる。なお、
ここでは、選択電位VwHと“0”書き込み電位VbLとの
電位差をゲート・ソース間の許容最大電圧(以下、ゲー
ト・ソース間最大電圧ともいう)VGSmax に保持したま
ま、“0”書き込み電位VbLを接地電位VSSより次第に
高くしていく場合について考える。
【0077】非選択時にメモリセルのMOSトランジス
タのゲート酸化膜にかかる電界が最大となるのは、メモ
リセルに繋がったビット線が“1”書き込み電位VbH
リストアされる場合またはメモリセルに“1”書き込み
電位VbHが書き込まれている場合のゲート領域とドレイ
ン領域とのオーバーラップ部分である。
【0078】図13(a)に示すように、従来方式で
は、選択時のゲート・ソース間最大電圧VGSmax は、M
OSトランジスタのしきい値電圧だけ非選択時のゲート
・ドレイン間の最大電圧(以下、ゲート・ドレイン間最
大電圧ともいう)VGDmax より高いので、非選択時の最
大電界Emax (off)が、選択時の最大電界Emax (on)
を越えることはない。
【0079】一方、本発明の場合、図13(b)に示す
ように、“0”書き込み電位VbLを接地電位VSSより高
くしていくと、ゲート・ソース間最大電圧VGSmax は一
定なのにゲート・ドレイン間最大電圧VGDmax は大きく
なっていく。このため、非選択時の最大電界Emax (of
f)が、選択時の最大電界Emax (on) を越える可能性が
あり、最大電界Emax (off)とゲート・ドレイン間最大
電圧VGDmax との間には次式の関係がある。 VGDmax +VFB=Emax (off)・TOX+φs …(8) ここで、φs はドレイン領域の表面ポテンシャルを示
し、次式のように近似される。 φs =εs ・(εox・Emax (off)/εs 2 /(2q・Nd ) …(9) ここで、Nd はゲート電極下(ゲート領域)のドレイン
領域の不純物濃度を示している。(9)式を(8)式に
代入すると、 VGDmax +VFB=Emax (off)・TOX
【0080】 +εs ・(εox・Emax (off)/εs 2 /(2q・Nd ) …(10) となる。
【0081】(10)式から不純物濃度Nd を小さくする
と最大電界Emax (off)を小さくできることが分かる。
したがって、ゲート・ドレイン間最大電圧VGDmax がゲ
ート・ソース間最大電圧VGSmax よりも大きい場合で
も、不純物濃度Nd を制御することにより、最大電界E
max (off)が最大電界Emax (on) を越えないようにす
ることができる。
【0082】図14は、メモリセルのMOSトランジス
タのゲート酸化膜の膜厚TOXが7nmの256DRAM
において、最大電界Emax (off)が最大電界Emax (o
n) (=4MV/cm)を越えないようにするための不
純物濃度の上限Ndmaxと“0”書き込み電位VbLとの関
係を示す図である。これに基づいてゲートオーバーラッ
プ部分のドレイン領域の不純物濃度を所定値以下に設定
することにより、非選択時の最大電界Emax (off)が選
択時の最大電界Emax (on) を越すのを防止でき、従来
方式のものに比べて確実に信頼性の高いDRAMが得ら
れる。
【0083】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、nチャネル
のMOSトランジスタの場合について説明したが、本発
明はpチャネルのMOSトランジスタにも適用できる。
【0084】また、ビット線のプリチャージ電位や、セ
ルキャパシタに繋がるプレート電極の電位は、任意のレ
ベルに取ることができるが、これら電位は双方とも
“0”書き込み電位VbLと“1”書き込み電位VbHとの
間の中間電位に取ることが、消費電流の低減や信頼性の
向上の点で好ましい。さらに、ダミーセルのプリチャー
ジ電位も任意のレベルに取ることができるが、同様な理
由で上記中間電位に取ることが好ましい。その他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施でき
る。
【0085】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ゲ
ート絶縁膜の信頼性の低下を招かずに、MOSトランジ
スタのしきい値電圧やSファクタの選択範囲を広くでき
るため、高集積度のDRAMの実現が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るDRAMの要部構成を
示す図。
【図2】本発明の一実施例に係るDRAMのワード線お
よびビット線に与えられる電位のレベル関係を示す図。
本発明の効果を説明するための図。
【図3】図1の電位関係の場合の周辺回路のMOSトラ
ンジスタの電位振幅の取り方を示す図。
【図4】図1の電位関係の場合の周辺回路のMOSトラ
ンジスタの他の電位振幅の取り方を示す図。
【図5】図1の電位関係の場合の周辺回路のMOSトラ
ンジスタのさらに別の電位振幅の取り方を示す図。
【図6】本発明の他の実施例に係るDRAMのワード線
およびビット線に与えられる電位のレベル関係を示す
図。
【図7】図6の電位関係の場合の周辺回路のMOSトラ
ンジスタの電位振幅の取り方を示す図。
【図8】図6の電位関係の場合の周辺回路のMOSトラ
ンジスタの他の電位振幅の取り方を示す図。
【図9】“0”書き込み電位と選択電位と“1”書き込
み電位との関係を示す図。
【図10】“0”書き込み電位とメモリセルのしきい値
電圧の下限との関係を示す図。
【図11】“0”書き込み電位と選択電位と“1”書き
込み電位との関係を示す図。
【図12】“0”書き込み電位としきい値電圧との関係
が、Sファクタおよび信号電位の変化によってどのよう
に変わるかを示す図。
【図13】本発明のDRAMの電位関係を従来のそれと
比較して示す図。
【図14】不純物濃度の上限と“0”書き込み電位との
関係を示す図。
【図15】従来のDRAMにおけるビット線およびワー
ド線に与えられる電位のレベル関係を示す図。
【符号の説明】
1…ビット線センスアンプ 2…ワード線駆動回路 3…デコーダ 4…“0”書き込み電位発生回路 MC…メモリセル VwL…非選択電位 VwH…選択電位 VbL…“0”書き込み電位 VbH…“1”書き込み電位 VG …ゲート電位 VS …ソース電位 VTH,VTH´…しきい値電圧 Vss…接地電位 VSIG …信号電位 VGSmax …ゲート・ソース間の許容最大電圧 VGDmax …ゲート・ドレイン間の許容最大電圧 ΔVGS…ゲート・ドレイン間の変動電位 Vperi1 〜Vperi17…周辺回路の電位振幅
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 重佳 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 昭64−76588(JP,A) 特開 昭60−52997(JP,A) 特開 平4−38786(JP,A) 特開 昭60−191499(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G11C 11/34

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】キャパシタと、このキャパシタとビット線
    との間に接続され、且つゲートがワード線に接続された
    MOSトランジスタとからなるダイナミック型メモリセ
    ルとを具備してなるダイナミック型半導体記憶装置にお
    いて、 前記ワード線の非選択電位が第一の外部電源電位に設定
    され、 且つ前記ビット線の“0”書き込み電位が前記第一の外
    部電源電位と、前記ワード線の選択電位との間に設定さ
    れ、 且つ前記ビット線の“0”書き込み電位と前記ワード線
    の選択電位との電位差が前記MOSトランジスタのソー
    スとゲートの間に印加できる電圧の上限値に設定されて
    いることを特徴とするダイナミック型半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】前記MOSトランジスタのソースとゲート
    の間に印加できる電圧の上限値以下の電位差間で周辺回
    路を動作させることを特徴とする請求項1に記載のダイ
    ナミック型半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】前記MOSトランジスタのソースとゲート
    の間に印加できる電圧の上限値以下の電位差を有し、且
    つ基準電位が異なる複数の電位差間で周辺回路を動作さ
    せることを特徴とする請求項に記載のダイナミック型
    半導体記憶装置。
  4. 【請求項4】キャパシタと、このキャパシタとビット線
    との間に接続され、且つゲートがワード線に接続された
    MOSトランジスタとからなるダイナミック型メモリセ
    ルとを具備してなるダイナミック型半導体記憶装置であ
    って前記ビット線の“0”書き込み電位が前記ワード線の非
    選択電位と前記ワード線の選択電位の間に設定され、
    つ前記ワード線の選択電位と前記ビット線の“0”書き
    込み電位との電位差よりも前記ワード線の非選択電位と
    前記ビット線の“1”書き込み電位との電位差のほうが
    大きく設定されたダイナミック型半導体記憶装置におい
    て、前記MOSトランジスタのドレイン領域の不純物濃
    度が、前記MOSトランジスタがオフ状態時にゲート絶
    縁膜にかかる最大電界が、オン状態に前記ゲート絶縁
    膜にかかる最大電界を越えない濃度以下であることを特
    徴とするダイナミック型半導体記憶装置。
  5. 【請求項5】前記ワード線の選択電位と前記ビット線の
    “0”書き込み電位との電位差よりも前記ワード線の非
    選択電位と前記ビット線の“1”書き込み電位との電位
    の方が大きく設定され、前記MOSトランジスタのド
    レイン領域の不純物濃度が、前記MOSトランジスタが
    オフ状態時にゲート絶縁膜にかかる最大電界が、オン状
    に前記ゲート絶縁膜にかかる最大電界を越えない濃
    度以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項
    のいずれか1項に記載のダイナミック型半導体記憶装
    置。
  6. 【請求項6】前記ワード線の非選択電位と前記ビット線
    の“0”書き込み電位との電位差が0.7V以下である
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1
    項に記載のダイナミック型半導体記憶装置。
  7. 【請求項7】前記ワード線の非選択電位と前記ビット線
    の“0”書き込み電位の電位差が0.55V以下である
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1
    項に記載のダイナミック型半導体記憶装置。
  8. 【請求項8】周辺回路の電位振幅の“H”レベルと前記
    ビット線の“1”書き込み電位とが電気的に分離されて
    いることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれ
    か1項に記載のダイナミック型半導体記憶装置。
  9. 【請求項9】周辺回路の電位振幅の“H”レベルと前記
    ビット線の“1”書き込み電位とが等しく設定されてい
    ることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか
    1項に記載のダイナミック型半導体記憶装置。
  10. 【請求項10】周辺回路の電位振幅の“H”レベルと前
    記ビット線のプリチャージ電位とが等しく設定されてい
    ることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか
    1項に記載のダイナミック型半導体記憶装置。
  11. 【請求項11】前記ビット線の“1”書き込み電位と
    記第一の電源電位と異なる第二の外部電源電位とが等し
    く設定されていることを特徴とする請求項1ないし請求
    10のいずれか1項に記載のダイナミック型半導体記
    憶装置。
  12. 【請求項12】前記ワード線の選択電位を前記第一の外
    部電源電位と前記第一の電源電位と異なる第二の外部電
    源電位との間に設定することを特徴とする請求項1ない
    し請求項10のいずれか1項に記載のダイナミック型半
    導体記憶装置。
  13. 【請求項13】前記ワード線の選択電位と前記第一の電
    源電位と異なる第二の外部電源電位とが等しく設定され
    ていることを特徴とする請求項1ないし請求項11のい
    ずれか1項に記載のダイナミック型半導体記憶装置。
  14. 【請求項14】前記ワード線の選択電位と前記ビット線
    の“1”書き込み電位とが等しく設定されていることを
    特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1項に
    記載のダイナミック型半導体記憶装置。
  15. 【請求項15】前記ビット線の“H”レベル側のリスト
    アレベルが前記ビット線の“1”書き込み電位より高電
    位であることを特徴とする請求項1ないし請求項14
    いずれか1項に記載のダイナミック型半導体記憶装置。
  16. 【請求項16】前記MOSトランジスタの閾値と周辺回
    路のトランジスタの閾値が同一であることを特徴とする
    請求項1ないし請求項15のいずれか1項に記載のダイ
    ナミック型半導体記憶装置。
  17. 【請求項17】ダミーセルをさらに備え、このダミーセ
    ルのプリチャージ電位、前記ビット線のプリチャージ電
    位および前記キャパシタに繋がるプレート電極の電位の
    少なくとも一つは、前記ビット線の“0”書き込み電位
    と前記ビット線の“1”書き込み電位との間の中間電位
    に設定されていることを特徴とする請求項1ないし請求
    16のいずれか1項に記載のダイナミック型半導体記
    憶装置。
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