JP4716736B2 - Memory cell using gated diode and method of use thereof, semiconductor structure - Google Patents

Memory cell using gated diode and method of use thereof, semiconductor structure Download PDF

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Description

本発明は、半導体構造に関し、より詳細には、半導体メモリに関する。   The present invention relates to semiconductor structures, and more particularly to semiconductor memories.

過去数10年の間、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)は、より高密度により低速度になり続け、スタテック・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)はより高速度により低密度になり続けている。この2つのメモリの種類は、密度および速度に関するそれ自体の技術開発曲線に沿って、別々に開発されてきた。最近、DRAMおよびSRAMの埋込みメモリが現れ始めた。埋込みメモリは、プロセッサと同じ「チップ」上にあるメモリである。現在、DRAMおよびSRAMの各々は、また、その特有のスケーリングの道に沿ってそれ自体の技術的な問題、すなわち、待機状態および活動状態の大きな漏れ電流(サブスレッショルドとトンネルの両方)、閾値電圧変動および不整合による問題に直面している。埋込みメモリによって、速度、面積、電力、保持時間、ソフト・エラー率および、閾値電圧および漏れ電流のような技術パラメータの間のより適切な最適化と調整に適した新しいメモリ・セルの可能性および需要が開かれる。チップの埋込みメモリは、一般に、チップおよび用途の要求に基づいて、特定のプロセッサまたは用途特定集積回路(ASIC)に配置される。   During the past decades, dynamic random access memory (DRAM) has continued to become slower due to higher density, and static random access memory (SRAM) has continued to become lower density due to higher speed. Yes. The two memory types have been developed separately along their own technology development curves for density and speed. Recently, embedded memories in DRAM and SRAM have begun to appear. Embedded memory is memory that is on the same “chip” as the processor. Currently, each DRAM and SRAM also has its own technical issues along its unique scaling path: standby and active large leakage currents (both sub-threshold and tunnel), threshold voltage Facing problems due to fluctuations and inconsistencies. With embedded memory, new memory cell possibilities suitable for better optimization and adjustment between speed, area, power, hold time, soft error rate and technical parameters such as threshold voltage and leakage current Demand is opened. The embedded memory of the chip is typically located in a specific processor or application specific integrated circuit (ASIC) based on the chip and application requirements.

特に、DRAMがより小さくかつ実質的により速く作られるならば、DRAMは、埋込みメモリおよびそのセルに好都合であり、電圧が減少し続けるとき、より小さな電圧に適している。
米国特許出願番号第10/751,713号
In particular, if the DRAM is smaller and made substantially faster, the DRAM is advantageous for embedded memory and its cells and is suitable for smaller voltages as the voltage continues to decrease.
U.S. Patent Application No. 10 / 751,713

したがって、改良されたメモリ・セルおよびこのセルを使用するメモリを実現する必要がある。   Accordingly, there is a need to provide an improved memory cell and memory that uses this cell.

本発明の例示の態様は、改良されたメモリ・セル、メモリ・アレイ、およびこれらを使用する方法を提供する。   Exemplary aspects of the present invention provide improved memory cells, memory arrays, and methods of using them.

本発明の例示の態様では、メモリ・セルが開示される。本メモリ・セルは、本メモリ・セルに選択的にアクセスするための第1の制御線、少なくとも1つの第2の制御線および少なくとも1つのビットラインに結合されるように構成されている。本メモリ・セルは、制御端子ならびに第1および第2の端子を有する書込みスイッチ備え、この書込みスイッチの第1の端子は前記の少なくとも1つのビットラインに結合され、書込みスイッチの制御端子は第1の制御線に結合されている。本メモリ・セルは、また、第1および第2の入力端子を有する2端子半導体デバイスを有し、この2端子半導体デバイスの第1の入力端子は書込みスイッチの第2の端子に結合され、そして2端子半導体デバイスの第2の入力端子は前記の少なくとも1つの第2の制御線に結合されている。2端子半導体デバイスは、メモリ・セルにおいて電荷蓄積デバイスとして使用される。2端子半導体デバイスは、第2の入力端子に対する第1の入力端子の電圧が閾値電圧を超えるときのキャパシタンスが前記閾値電圧を超えないときのキャパシタンスよりも大きくなるように構成されている2端子半導体デバイスとを有するように構成されている。   In an exemplary aspect of the invention, a memory cell is disclosed. The memory cell is configured to be coupled to a first control line, at least one second control line, and at least one bit line for selectively accessing the memory cell. The memory cell includes a write switch having a control terminal and first and second terminals, the first terminal of the write switch being coupled to the at least one bit line, the control terminal of the write switch being a first terminal. Is connected to the control line. The memory cell also has a two-terminal semiconductor device having first and second input terminals, the first input terminal of the two-terminal semiconductor device being coupled to the second terminal of the write switch; and A second input terminal of the two-terminal semiconductor device is coupled to the at least one second control line. Two-terminal semiconductor devices are used as charge storage devices in memory cells. The two-terminal semiconductor device is configured so that the capacitance when the voltage of the first input terminal with respect to the second input terminal exceeds the threshold voltage is larger than the capacitance when the voltage does not exceed the threshold voltage. And a device.

本メモリ・セルは、その上、制御端子ならびに第1および第2の端子を有する読出し選択スイッチを備え、この読出し選択スイッチの制御端子は、前記の少なくとも1つの第2の制御線に結合され、読出し選択スイッチの第1の端子は、前記の少なくとも1つのビットラインに結合されている。本メモリ・セルは、また、制御端子ならびに第1および第2の端子を有する読出しスイッチを有し、この読出しスイッチの制御端子は、2端子半導体デバイスの第1の入力端子と書込みスイッチの第2の端子とに結合され、読出しスイッチの第1の端子は、読出し選択ゲートの第2の端子に結合され、そして、読出しスイッチの第2の端子は接地に結合されている。   The memory cell further comprises a read selection switch having a control terminal and first and second terminals, the control terminal of the read selection switch being coupled to the at least one second control line, A first terminal of the read select switch is coupled to the at least one bit line. The memory cell also has a read switch having a control terminal and first and second terminals, the control terminal of the read switch being the first input terminal of the two-terminal semiconductor device and the second of the write switch. The first terminal of the read switch is coupled to the second terminal of the read select gate, and the second terminal of the read switch is coupled to ground.

2端子半導体デバイスは、ゲート制御ダイオードであってもよい。このゲート制御ダイオードは、ソースおよびゲートで構成された半導体デバイスであり、ゲート・ソース間電圧(Vgs)が閾値電圧を超えるとき反転層に電荷が蓄積され、そうでなければ実質的に少ない電荷が蓄積されるかまたは全く電荷が蓄積されない。具体的には、ゲート・ソース間電圧(Vgs)が閾値を超えるとき、2端子デバイスはキャパシタンスを有し、ゲート・ソース間電圧(Vgs)が閾値電圧より低いとき、キャパシタンスは実質的により小さいか、または桁のオーダでより小さい。スイッチは、一般に、電界効果トランジスタ(FET)として実現され、ゲート制御ダイオードは、一般に、「部分」FETとして実現され、そして、メモリ・セルのFETはn型またはp型FETであることができる。さらに、2端子半導体デバイスは、n型またはp型半導体デバイスとして実現することができる。   The two terminal semiconductor device may be a gated diode. This gate control diode is a semiconductor device composed of a source and a gate, and when the gate-source voltage (Vgs) exceeds a threshold voltage, charge is accumulated in the inversion layer, otherwise substantially less charge is charged. Either it is accumulated or no charge is accumulated. Specifically, when the gate-source voltage (Vgs) exceeds a threshold, the two-terminal device has a capacitance, and when the gate-source voltage (Vgs) is lower than the threshold voltage, is the capacitance substantially smaller? Or smaller in digit order. The switch is typically implemented as a field effect transistor (FET), the gated diode is typically implemented as a “partial” FET, and the memory cell FETs can be n-type or p-type FETs. Furthermore, the two-terminal semiconductor device can be realized as an n-type or p-type semiconductor device.

本発明の他の例示の態様では、本メモリ・セルを使用するアレイが開示される。そのようなアレイは、1本より多いビットラインおよびいくつかの制御線を有することができる。例えば、単一ポートまたはデュアル・ポートのメモリ・セルを使用することができる。望ましい場合には、もっと多数のポートも使用することができる。制御線は、いくつかの方法で実現することができる。例示として、前記の少なくとも1つの第2の制御線は、読出し選択スイッチと2端子半導体デバイスの第2の端子の両方に結合された単一制御線であってもよい。単一の第2の制御線を有することで、例えば、読出し、書込み、および読出し電圧増大が可能になる(例えば、2端子半導体デバイスの第2の端子の電圧を変えることで、メモリ・セルにより高い電圧がつくられる)。他の例として、第2の制御線は、2端子デバイスの第2の端子に結合された書込み制御線と、読出し選択スイッチの制御端子に結合された読出し選択制御線の2本の制御線に分割することができる。この構成で、読出し、読出し電圧増大、書込み、および書込み電圧増大が可能になる(例えば、増大された電圧がメモリ・セルに蓄えられるようになる)。その上、この構成によって、読出し選択スイッチ(例えば、FETのような)の漏れ電流が最小限になるように、読出し選択スイッチに電圧を加えることができるようになる。   In another exemplary aspect of the invention, an array using the memory cell is disclosed. Such an array can have more than one bit line and several control lines. For example, single port or dual port memory cells can be used. More ports can be used if desired. The control line can be realized in several ways. By way of example, the at least one second control line may be a single control line coupled to both the read selection switch and the second terminal of the two-terminal semiconductor device. Having a single second control line allows, for example, read, write, and read voltage increase (eg, by changing the voltage at the second terminal of a two-terminal semiconductor device by the memory cell) High voltage is created). As another example, the second control line is two control lines: a write control line coupled to the second terminal of the two-terminal device and a read selection control line coupled to the control terminal of the read selection switch. Can be divided. This configuration allows for read, read voltage increase, write, and write voltage increase (eg, increased voltage is stored in the memory cell). In addition, this configuration allows voltage to be applied to the read selection switch so that the leakage current of the read selection switch (eg, FET) is minimized.

本発明の他の例示の態様では、メモリ・セルにアクセスする方法が開示される。2端子半導体デバイスの第2の端子の電圧を変えることで、セルが読み出される。一般に、2端子半導体デバイスの第2の端子の電圧は、小さな電圧(例えば、接地)から大きな電圧(例えば、「VB」)に上げられる。しかし、この変化は、n型デバイスが使用されるかそれともp型デバイスが使用されるかに依存する。セルが高い電圧(例えば、データ1の値)にある場合、2端子半導体デバイスは大きなキャパシタンスを有し、大量の電荷が蓄積され、そして、第1の端子の電圧は、(例えば、データ1が記憶されたセル電圧より上に)おおよそ2端子半導体デバイスの第2の端子の電圧だけ持ち上げられる。セルが低い電圧(例えば、データ0の値)にある場合、2端子半導体デバイスは、小さなキャパシタンスまたは実在しないキャパシタンスを有し、非常に少ない電荷が蓄積されるかまたは全く電荷が蓄積されず、そして、第1の端子の電圧は、(例えば、データ0が記憶されたセル電圧より上に)非常に僅かだけ持ち上げられる。メモリ・セルを読出しながら、2端子ゲート制御デバイスの第2の端子の電圧を変えることは、読出し電圧増大と呼ばれる。   In another exemplary aspect of the invention, a method for accessing a memory cell is disclosed. The cell is read by changing the voltage at the second terminal of the two-terminal semiconductor device. In general, the voltage at the second terminal of a two-terminal semiconductor device is raised from a small voltage (eg, ground) to a large voltage (eg, “VB”). However, this change depends on whether an n-type device or a p-type device is used. If the cell is at a high voltage (eg, a value of data 1), the two-terminal semiconductor device has a large capacitance, a large amount of charge is stored, and the voltage at the first terminal is (eg, data 1 is It is raised by approximately the voltage of the second terminal of the two-terminal semiconductor device (above the stored cell voltage). If the cell is at a low voltage (eg, a value of data 0), the two-terminal semiconductor device has a small capacitance or a non-existing capacitance, accumulates very little or no charge, and The voltage at the first terminal is raised very slightly (eg, above the cell voltage where data 0 is stored). Changing the voltage at the second terminal of the two-terminal gate control device while reading the memory cell is called increasing the read voltage.

値をメモリ・セルに書き込みながら、2端子半導体デバイスの第2の端子の電圧を上げることで、書込み電圧増大を行うこともできる。書込み電圧増大によって、データ1の場合、所定の書込み電圧よりも遥かに大きな電圧が可能になり、したがって、データ1の値がセルに記憶されるとき、より長い記憶時間が得られる。   The write voltage can also be increased by increasing the voltage at the second terminal of the two-terminal semiconductor device while writing the value to the memory cell. The write voltage increase allows for a much larger voltage than the predetermined write voltage for data 1, so that a longer storage time is obtained when the value of data 1 is stored in the cell.

本発明の他の例示の態様では、半導体は半導体メモリ・デバイスを有し、この半導体メモリ・デバイスは、半導体メモリ・デバイスに選択的にアクセスするための第1の制御線、少なくとも1つの第2の制御線および少なくとも1つのビットラインに結合されるように構成されている。半導体メモリ・デバイスは、ゲートとウェルの間に形成された絶縁物、ゲート、およびゲートの側に形成された第1および第2のソース/ドレイン拡散領域を備える書込みトランジスタを備え、書込みトランジスタの第1のソース/ドレイン拡散領域は前記の少なくとも1つのビットラインに結合され、書込みトランジスタのゲートは第1の制御線に結合されている。半導体メモリ・デバイスは、さらに、ゲートとウェルの間に形成された絶縁物、ゲート、および絶縁物の一部に少なくとも接するソース拡散領域を少なくとも備える2端子半導体デバイスを備え、この2端子半導体デバイスのゲートは書込みスイッチの第2のソース/ドレイン拡散領域に結合され、さらに2端子半導体デバイスのソース拡散領域は前記の少なくとも1つの第2の制御線に結合されている。半導体メモリ・デバイスは、また、ゲートとウェルの間に形成された絶縁物、ゲート、およびゲートの側に形成された第1および第2のソース/ドレイン拡散領域を備える読出し選択トランジスタを備え、この読出し選択スイッチのゲートは前記の少なくとも1つの第2の制御線に結合され、読出し選択トランジスタの第1のソース/ドレイン拡散領域は前記の少なくとも1つのビットラインに結合されている。半導体メモリ・デバイスは、さらに、ゲートとウェルの間に形成された絶縁物、ゲート、およびゲートの側に形成された第1および第2のソース/ドレイン拡散領域を備える読出しトランジスタを備え、読出しトランジスタのゲートは、2端子半導体デバイスの第1の端子と書込みトランジスタの第2のソース/ドレイン拡散領域とに結合され、読出しトランジスタの第1のソース/ドレイン拡散領域は読出し選択ゲートの第2のソース/ドレイン拡散領域に結合され、そして、読出しトランジスタの第2のソース/ドレイン拡散領域は接地に結合されている。   In another exemplary aspect of the invention, the semiconductor has a semiconductor memory device, the semiconductor memory device having a first control line for selectively accessing the semiconductor memory device, at least one second. To the control line and at least one bit line. The semiconductor memory device comprises a write transistor comprising an insulator formed between a gate and a well, a gate, and first and second source / drain diffusion regions formed on the side of the gate, and the first of the write transistors. One source / drain diffusion region is coupled to the at least one bit line and the gate of the write transistor is coupled to the first control line. The semiconductor memory device further includes a two-terminal semiconductor device including at least a source diffusion region at least in contact with an insulator formed between the gate and the well, the gate, and a part of the insulator. The gate is coupled to the second source / drain diffusion region of the write switch, and the source diffusion region of the two-terminal semiconductor device is coupled to the at least one second control line. The semiconductor memory device also includes a read select transistor comprising an insulator formed between the gate and the well, the gate, and first and second source / drain diffusion regions formed on the side of the gate, The gate of the read select switch is coupled to the at least one second control line, and the first source / drain diffusion region of the read select transistor is coupled to the at least one bit line. The semiconductor memory device further comprises a read transistor comprising an insulator formed between the gate and the well, the gate, and first and second source / drain diffusion regions formed on the gate side, the read transistor Is coupled to the first terminal of the two-terminal semiconductor device and to the second source / drain diffusion region of the write transistor, and the first source / drain diffusion region of the read transistor is the second source of the read select gate. The second source / drain diffusion region of the read transistor is coupled to ground.

本発明のさらなる特徴および有利点だけでなく、本発明のより完全な理解は、以下の詳細な説明および図面を参照して得られるであろう。   A more complete understanding of the present invention, as well as further features and advantages of the present invention, will be obtained by reference to the following detailed description and drawings.

この開示は、ゲート制御ダイオードに基づいた高速非破壊読出しメモリ・セル、および通常の論理に基づいたバルク・シリコンおよびシリコン・オン・インシュレータ(SOI)で容易に実現することができる関連したアレイおよびシリコン構造を説明する。メモリ・セルの目標性能は、スタテック・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)の速度と同等であるかまたはそれよりも優れてさえいることが可能で、同じ技術世代のSRAMの面積の50%から70%の面積しか占めないことである。メモリ・セル自体が高利得特性であるために、メモリは、従来のダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)およびSRAMで必要とされる電源電圧よりも遥かに小さな非常に低い電源電圧で動作することができる。本明細書で重要な重点は、十分な保持時間および低ソフト・エラーを意図したメモリ・セルおよびアーキテクチャの高速度態様にある。   This disclosure relates to high speed non-destructive read memory cells based on gated diodes, and related arrays and silicon that can be easily implemented with normal logic based bulk silicon and silicon on insulator (SOI) The structure will be described. The target performance of the memory cell can be equal to or even better than the speed of static random access memory (SRAM), from 50% to 70% of the area of the same technology generation SRAM. It occupies only an area of%. Due to the high gain characteristics of the memory cell itself, the memory operates at a very low power supply voltage that is much smaller than that required by conventional dynamic random access memory (DRAM) and SRAM. be able to. An important emphasis here is on the high speed aspects of memory cells and architectures intended for sufficient retention time and low soft error.

参照を容易にするために、以下の開示は、次の項に分ける。すなわち、序文およびゲート制御ダイオード構造、ゲート制御ダイオード回路、3T1Dメモリ・セル、電圧増大および電圧利得、保持時間、漏れおよびキャパシタンス比、書込みゲートの保持時間およびサブスレッショルド漏れ制御、読出し動作および電圧増大の方法、書込み動作および電圧増大の方法、3T1Dメモリ・セル構造、および3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・アレイに分ける。   For ease of reference, the following disclosure is divided into the following sections: Introductory and gated diode structure, gated diode circuit, 3T1D memory cell, voltage increase and voltage gain, retention time, leakage and capacitance ratio, write gate retention time and subthreshold leakage control, read operation and voltage increase Divided into methods, write operations and voltage increase methods, 3T1D memory cell structures, and 3T1D gated diode memory arrays.

序文およびゲート制御ダイオード構造
本明細書で使用されるような「ゲート制御ダイオード」という用語は、一般にソースとゲートで構成された半導体デバイスを意味し、このデバイスでは、ゲート・ソース間電圧(Vgs)が閾値電圧を超えるとき電荷が反転層に蓄積され、そうでなければ実質的に少ない電荷が蓄積されるかまたは全く電荷は蓄積されない。ゲート制御ダイオードは、2端子半導体デバイスの例である。2端子半導体デバイスが、第2の端子に対する第1の端子の電圧が予め決められた電圧よりも大きいときある(一般に大きな)キャパシタンスを有し、第2の端子に対する第1の端子の電圧がその予め決められた電圧よりも小さいときより小さなキャパシタンス(一般に、遥かに小さなキャパシタンス)を有するという特性を有するどんな2端子半導体デバイスでも使用することができる。この予め決められた電圧は、本明細書で閾値電圧と呼ばれ、キャパシタンスの増加は、通常、この閾値電圧より小さな量の電圧上であることを必要とするだけである。したがって、2端子半導体デバイスのキャパシタンスは非直線的である。例えば、n型電界効果トランジスタ(FET)技術を使用してつくられたゲート制御ダイオードでは、閾値電圧を超える高い電圧によって、大量の電荷が反転層に蓄積されるようになり、そして、閾値電圧よりも低い電圧によって、数桁小さな実質的に少量の電荷が蓄積されるようになるかまたは全く電荷は蓄積されなくなる。将来の技術では、以下で説明するように、ゲート制御ダイオードに基づいたメモリ・セルおよび回路を実現するとき、バルク・シリコンおよびシリコン・オン・インシュレータ(SOI)の範囲を越えて、このゲート・ソース間特性を使用することができる。
Introduction and Gated Diode Structure The term “gated diode” as used herein generally refers to a semiconductor device comprised of a source and a gate, where the gate-source voltage (Vgs) When the voltage exceeds the threshold voltage, charge is accumulated in the inversion layer, otherwise substantially less charge is accumulated or no charge is accumulated. A gated diode is an example of a two-terminal semiconductor device. A two-terminal semiconductor device has a capacitance that is (generally large) when the voltage at the first terminal relative to the second terminal is greater than a predetermined voltage, and the voltage at the first terminal relative to the second terminal is Any two-terminal semiconductor device having the property of having a smaller capacitance (generally a much smaller capacitance) when smaller than a predetermined voltage can be used. This predetermined voltage is referred to herein as the threshold voltage, and the increase in capacitance usually only needs to be on a smaller amount of voltage than this threshold voltage. Thus, the capacitance of a two terminal semiconductor device is non-linear. For example, in a gated diode made using n-type field effect transistor (FET) technology, a high voltage above the threshold voltage causes a large amount of charge to accumulate in the inversion layer and A lower voltage will cause a substantially small amount of charge to accumulate several orders of magnitude or no charge at all. In future technologies, as described below, when implementing memory cells and circuits based on gated diodes, this gate source goes beyond bulk silicon and silicon-on-insulator (SOI). Inter-characteristic can be used.

以下の図に示すように、従来の電界効果トランジスタ(FET)の背景では、ゲート制御ダイオードは、(例えば)図2、8、11および13に示すように、3端子FETデバイス(n型かp型かのどちらか)のソースとゲートで形成することができ、ドレインは浮遊になっている(例えば、接続されてないか、存在していない)。この例示の形では、ゲート制御ダイオードは、「部分」FETまたは「半」FETの形で実現される。(例えば)図4、10、12および14に示すように、ときには、そのようなFETのソースおよびドレインが同じ電位で互いに接続されることがあり、並列に接続された2個のゲート制御ダイオードとみなすことができる。この開示では、これらの2つの異なるゲート制御ダイオードは、互換的に使用される。そして、明示的に特定しなければ、ゲート制御ダイオードは、まさに第1の基本形、すなわち半導体デバイスのソースとゲートだけとみなされる。   As shown in the following figure, in the background of a conventional field effect transistor (FET), a gated diode is a three-terminal FET device (n-type or p-type), as shown in (for example) FIGS. The source and gate of either type can be formed, and the drain is floating (eg, not connected or absent). In this exemplary form, the gated diode is implemented in the form of a “partial” FET or “half” FET. As shown in FIGS. 4, 10, 12 and 14 (for example), sometimes the source and drain of such a FET may be connected to each other at the same potential, and two gated diodes connected in parallel and Can be considered. In this disclosure, these two different gated diodes are used interchangeably. And, unless explicitly specified, a gated diode is considered just the first basic form, namely the source and gate of a semiconductor device.

図1は、第1のn型ゲート制御ダイオードに使用される例示の記号を示す。記号190は、図1〜図2に示される第1のn型ゲート制御ダイオードの例示の記号である。図2は、半導体で形成された第1のn型ゲート制御ダイオード100の側面図の例を示す。第1のn型ゲート制御ダイオード100は、ゲート115(例えば、N+ドープされたポリシリコン)とpウェル130の間に形成されたゲート絶縁物120、ソース拡散領域110、2個の浅いトレンチ分離(STI)領域105および125、随意のn分離帯域140、およびp基板135を備える。以下で説明するように、pウェル130のドーパント濃度によって、ゲート制御ダイオード100の閾値電圧が実質的に制御される。   FIG. 1 shows exemplary symbols used for the first n-type gated diode. Symbol 190 is an exemplary symbol for the first n-type gated diode shown in FIGS. FIG. 2 shows an example of a side view of the first n-type gate control diode 100 formed of a semiconductor. The first n-type gated diode 100 includes a gate insulator 120 formed between a gate 115 (eg, N + doped polysilicon) and a p-well 130, a source diffusion region 110, and two shallow trench isolations. (STI) regions 105 and 125, an optional n isolation band 140, and a p-substrate 135. As will be described below, the threshold voltage of the gated diode 100 is substantially controlled by the dopant concentration of the p-well 130.

図3は、第2のn型ゲート制御ダイオードに使用される例示の記号を示す。記号190は、図3〜図4に示される第2のn型ゲート制御ダイオードの例示の記号である。図1と3の両方で、同じ記号190が使用される。図4は、半導体で形成された第2のn型ゲート制御ダイオード100の側面図の例を示す。第2のn型ゲート制御ダイオード200は、ゲート215(例えば、N+ドープされたポリシリコン)とpウェル230の間に形成されたゲート絶縁物220、ソース拡散領域210、2個のSTI領域205および225、随意のn分離帯域240、p基板235、「ドレイン」拡散領域245(例えば、第2のソース/ドレイン拡散領域)、およびソース拡散領域210と「ドレイン」拡散領域245を電気的に結合する相互接続250を備える。以下で説明するように、pウェル230のドーパント濃度によって、ゲート制御ダイオード100の閾値電圧が実質的に制御される。   FIG. 3 shows exemplary symbols used for the second n-type gated diode. Symbol 190 is an exemplary symbol for the second n-type gated diode shown in FIGS. The same symbol 190 is used in both FIGS. FIG. 4 shows an example of a side view of the second n-type gate control diode 100 formed of a semiconductor. The second n-type gated diode 200 includes a gate insulator 220 formed between a gate 215 (eg, N + doped polysilicon) and a p-well 230, a source diffusion region 210, and two STI regions 205. 225, optional n isolation band 240, p substrate 235, "drain" diffusion region 245 (eg, second source / drain diffusion region), and electrically coupling source diffusion region 210 and "drain" diffusion region 245 Interconnect 250 is provided. As described below, the threshold voltage of the gated diode 100 is substantially controlled by the dopant concentration of the p-well 230.

図5および6は、ゲート制御ダイオード100/200で蓄積される電荷がゲート・ソース間電圧(Vgs)でどのように変化するかを示す。ハイ電圧(高い電圧)(例えば、データ1)に対応する電圧がゲート115/215に存在し、かつゲート・ソース間電圧(Vgs)がゲート制御ダイオード100/200の閾値電圧(Vt)よりも高いとき、ゲート115/215に電荷が蓄積される(例えば、ゲート115/215の下に形成される反転層126/226によって)。ロー電圧(低い電圧)(例えば、データ0)に対応する電圧がゲート115/215に存在し、かつゲート・ソース間電圧(Vgs)がゲート制御ダイオード100/200の閾値電圧(Vt)よりも低いとき、電荷はゲート115/215に全く蓄積されないか、またはほとんど蓄積されない(例えば、反転層126/226が存在しないので、ゲート115/225の下に電荷が全く蓄積されないか、またはほとんど蓄積されない)。したがって、ゲート・ソース間電圧(Vgs)に対するゲート制御ダイオードのキャパシタンス特性は、図5に示される。キャパシタンス(例えば、蓄積された電荷を電圧で割ったもので決定されるような)は、Vgsが閾値電圧よりも低いときは無視できるほどあり、Vgsが閾値電圧を超えるときVgsに大して一直線に増加し、Vgsのある特定の値より上で最大値に落ち着く。Vgsが閾値電圧を超えるとき、ある特定の量の電荷がゲート制御ダイオードに蓄積され、ゲート制御ダイオードはコンデンサとして作用する。Vgsが閾値電圧よりも低いとき、ゲート制御ダイオード100/200は無視できるほどのキャパシタンスである。グラフの下の面積が、蓄積された電荷の量である。メモリおよび論理回路に多くの新しくて有用な回路を生じさせるのは、このVgsに対して変化するキャパシタンスである。   FIGS. 5 and 6 show how the charge stored in the gated diode 100/200 varies with the gate-source voltage (Vgs). A voltage corresponding to a high voltage (for example, data 1) exists in the gate 115/215, and the gate-source voltage (Vgs) is higher than the threshold voltage (Vt) of the gate control diode 100/200. At times, charge is stored in the gate 115/215 (eg, by the inversion layer 126/226 formed under the gate 115/215). A voltage corresponding to a low voltage (low voltage) (for example, data 0) exists in the gate 115/215, and the gate-source voltage (Vgs) is lower than the threshold voltage (Vt) of the gate control diode 100/200 Sometimes, no or little charge is accumulated in the gate 115/215 (eg, no or little charge is accumulated under the gate 115/225 because there is no inversion layer 126/226). . Therefore, the capacitance characteristics of the gated diode with respect to the gate-source voltage (Vgs) are shown in FIG. Capacitance (eg, as determined by the accumulated charge divided by the voltage) is negligible when Vgs is below the threshold voltage, and increases linearly with Vgs when Vgs exceeds the threshold voltage. And settles to a maximum value above a certain value of Vgs. When Vgs exceeds the threshold voltage, a certain amount of charge is stored in the gated diode, which acts as a capacitor. When Vgs is below the threshold voltage, the gated diode 100/200 has negligible capacitance. The area under the graph is the amount of accumulated charge. It is this changing capacitance with respect to Vgs that gives rise to many new and useful circuits in memory and logic circuits.

ゲート制御ダイオード100/200の閾値電圧は、ゼロVt、低Vt、標準Vt、および高Vtの比較的広い範囲にわたって、製造時の打ち込み(例えば、pウェル130、230または以下の図に示すウェルに拡散されるドーパント)の量で非常に正確に制御することができる。ドーパント濃度が増加するにつれてVtは高くなり、そして、ゼロVtまたは非常に低いVtのゲート制御ダイオードでは、ドーパント打ち込みがほとんど必要ないかまたは全く必要ないので、本明細書で使用されるメモリ・セルの場合にプロセス変動に対して余り敏感でないより正確な閾値電圧が結果として得られる。   The threshold voltage of the gated diode 100/200 is over a relatively wide range of zero Vt, low Vt, standard Vt, and high Vt during manufacturing implants (eg, p wells 130, 230 or wells shown in the following figures). It can be controlled very precisely by the amount of dopant) diffused. Vt increases as the dopant concentration increases, and zero or very low Vt gated diodes require little or no dopant implantation, so that the memory cell used herein The result is a more accurate threshold voltage that is less sensitive to process variations.

図6は、また、ゲート制御ダイオードのキャパシタンスがゲート制御ダイオードのゲートのサイズでどのように変化するかを示す。Vgsが閾値電圧よりも実質的に高いとき得られるゲート制御ダイオードのキャパシタンスの最大値は、所定のゲート酸化物厚さおよび誘電率で、ゲート制御ダイオードのゲートの面積にほぼ比例する。   FIG. 6 also shows how the capacitance of the gated diode varies with the size of the gate of the gated diode. The maximum value of the gated diode capacitance obtained when Vgs is substantially higher than the threshold voltage is approximately proportional to the gated diode gate area for a given gate oxide thickness and dielectric constant.

ゲート・ソース間電圧(Vgs)が閾値を超えデータ1を表すとき、ゲート制御ダイオードは、反転層に十分な量の電荷を蓄積し、そして、データ0の場合ほとんど電荷を蓄積しないかまたは全く蓄積しないので、ゲート制御ダイオード・メモリ・セル(以下でより詳細に説明する)は、本質的な高利得(例えば、1よりも大きい)特性を有する。さらに、電圧増大技術を使用するとき、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルは、DRAMおよびSRAMで必要とされるビットライン電圧よりもはるかに小さな(例えば、同じ技術で一般に50%)、非常に低いビットライン電圧で書き込むことができる。ゲート制御ダイオード100/200のようなゲート制御ダイオードは、読出しおよび書込み中に、一般にデータ1の値を書き込むか読み出すときだけに記憶セル電圧が増大される記憶セルを形成する。電圧増大は、反対のデータ、すなわちデータ0に対して効果がない。結果として、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルは、電圧利得を実現する。この利得特性は独特のものであり、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルを他のSRAMセル、DRAMセル、および利得セルと差別化する1つの要素である。   When the gate-source voltage (Vgs) exceeds the threshold and represents data 1, the gated diode accumulates a sufficient amount of charge in the inversion layer and accumulates little or no charge for data 0. As such, gated diode memory cells (described in more detail below) have inherently high gain (eg, greater than 1) characteristics. Further, when using voltage augmentation techniques, gated diode memory cells are much smaller than the bit line voltage required for DRAM and SRAM (eg, typically 50% with the same technology) Can be written with line voltage. A gated diode, such as gated diode 100/200, forms a memory cell during reading and writing, generally where the memory cell voltage is increased only when writing or reading the value of data 1. The voltage increase has no effect on the opposite data, ie data 0. As a result, the gated diode memory cell achieves voltage gain. This gain characteristic is unique and is one element that differentiates gated diode memory cells from other SRAM cells, DRAM cells, and gain cells.

本明細書では、データ1に対応する電圧は使用される技術のハイ電圧(高い電圧)であり、データ0に対応する電圧はその技術のロー電圧(低い電圧)であると仮定する。しかし、これはただ仮定に過ぎず、論理レベルは逆にされるかもしれない。   In this specification, it is assumed that the voltage corresponding to data 1 is the high voltage (high voltage) of the technology used and the voltage corresponding to data 0 is the low voltage (low voltage) of the technology. However, this is just an assumption and the logic level may be reversed.

本開示では、明示的に言及しなければ、ゲート制御ダイオードはn型であるとする。p型ゲート制御ダイオードの場合、電圧および動作はn型に対して相補的であり、当業者はそれに対応して容易に設計することができる。   For the purposes of this disclosure, a gated diode is assumed to be n-type unless explicitly stated. In the case of a p-type gated diode, the voltage and operation are complementary to the n-type, and those skilled in the art can easily design it accordingly.

図7は、第1のp型ゲート制御ダイオードに使用される例示の記号を示す。記号490は、図8に示される第1のp型ゲート制御ダイオードの例示の記号である。図7と9の両方で、同じ記号490が使用される。図8は、半導体で形成された第1のp型ゲート制御ダイオード400の側面図の例を示す。第1のp型ゲート制御ダイオード400は、ゲート415(例えば、P+ドープされたポリシリコン)とnウェル430の間に形成されたゲート絶縁物420、ソース拡散領域410、2個のSTI領域405および425、およびp基板435を備える。nウェル430のドーパント濃度によって、ゲート制御ダイオード400の閾値電圧が実質的に制御される。   FIG. 7 shows exemplary symbols used for the first p-type gated diode. Symbol 490 is an exemplary symbol for the first p-type gated diode shown in FIG. The same symbol 490 is used in both FIGS. FIG. 8 shows an example of a side view of the first p-type gate control diode 400 formed of a semiconductor. The first p-type gate control diode 400 includes a gate insulator 420 formed between a gate 415 (eg, P + doped polysilicon) and an n-well 430, a source diffusion region 410, and two STI regions 405. And 425, and a p-substrate 435. The threshold voltage of the gated diode 400 is substantially controlled by the dopant concentration of the n-well 430.

図9は、第2のp型ゲート制御ダイオードに使用される例示の記号を示す。記号490は、図10に示される第2のp型ゲート制御ダイオードの例示の記号である。図10は、半導体で形成された第2のp型ゲート制御ダイオード500の側面図の例を示す。第2のp型ゲート制御ダイオード500は、ゲート515(例えば、P+ドープされたポリシリコン)とnウェル530の間に形成されたゲート絶縁物520、ソース拡散領域510、2個のSTI領域505および525、p基板535、「ドレイン」拡散領域545、およびソース拡散領域510と「ドレイン」拡散領域545を電気的に結合する相互接続550を備える。nウェル530のドーパント濃度によって、ゲート制御ダイオード500の閾値電圧が実質的に制御される。   FIG. 9 shows exemplary symbols used for the second p-type gated diode. Symbol 490 is an exemplary symbol for the second p-type gated diode shown in FIG. FIG. 10 shows an example of a side view of the second p-type gate control diode 500 formed of a semiconductor. The second p-type gated diode 500 includes a gate insulator 520 formed between a gate 515 (eg, P + doped polysilicon) and an n-well 530, a source diffusion region 510, and two STI regions 505. And 525, a p-substrate 535, a “drain” diffusion region 545, and an interconnect 550 that electrically couples the source diffusion region 510 and the “drain” diffusion region 545. The threshold voltage of the gated diode 500 is substantially controlled by the dopant concentration of the n-well 530.

図11は、SOIで形成された第1のn型ゲート制御ダイオード600の側面図の例を示す。第1のn型ゲート制御ダイオード600は、ゲート615(例えば、N+ドープされたポリシリコン)とpウェル630の間に形成されたゲート絶縁物620、ソース拡散領域610、2個のSTI領域605および625、および絶縁物635を備える。pウェル630は、ウェル境界636の上に形成される。pウェル630のドーパント濃度によって、ゲート制御ダイオード600の閾値電圧が実質的に制御される。   FIG. 11 shows an example of a side view of a first n-type gated diode 600 formed of SOI. The first n-type gated diode 600 includes a gate insulator 620, a source diffusion region 610, and two STI regions 605 formed between a gate 615 (eg, N + doped polysilicon) and a p-well 630. And 625, and an insulator 635. A p-well 630 is formed on the well boundary 636. The threshold voltage of the gated diode 600 is substantially controlled by the dopant concentration in the p-well 630.

図12は、SOIで形成された第2のn型ゲート制御ダイオード700の側面図の例を示す。第2のn型ゲート制御ダイオード700は、ゲート715(例えば、N+ドープされたポリシリコン)とpウェル730の間に形成されたゲート絶縁物720、ソース拡散領域710、2個のSTI領域705および725、絶縁物735、「ドレイン」拡散領域745、およびソース拡散領域710と「ドレイン」拡散領域745を電気的に結合する相互接続750を備える。pウェル730はウェル境界736の上に形成される。pウェル730のドーパント濃度によって、ゲート制御ダイオード700の閾値電圧が実質的に制御される。   FIG. 12 shows an example of a side view of a second n-type gated diode 700 formed of SOI. The second n-type gated diode 700 includes a gate insulator 720 formed between a gate 715 (eg, N + doped polysilicon) and a p-well 730, a source diffusion region 710, and two STI regions 705. And 725, an insulator 735, a “drain” diffusion region 745, and an interconnect 750 that electrically couples the source diffusion region 710 and the “drain” diffusion region 745. A p-well 730 is formed on the well boundary 736. The threshold voltage of the gated diode 700 is substantially controlled by the dopant concentration in the p-well 730.

図13は、SOIで形成された第1のp型ゲート制御ダイオード800の側面図の例を示す。第1のp型ゲート制御ダイオード800は、ゲート815(例えば、P+ドープされたポリシリコン)とnウェル830の間に形成されたゲート絶縁物820、ソース拡散領域810、2個のSTI領域805および825、および絶縁物835を備える。nウェル830は、ウェル境界836の上に形成される。nウェル830のドーパント濃度によって、ゲート制御ダイオード800の閾値電圧が実質的に制御される。   FIG. 13 shows an example of a side view of a first p-type gate control diode 800 formed of SOI. The first p-type gated diode 800 includes a gate insulator 820 formed between a gate 815 (eg, P + doped polysilicon) and an n-well 830, a source diffusion region 810, and two STI regions 805. And 825, and an insulator 835. An n-well 830 is formed on the well boundary 836. The threshold voltage of the gated diode 800 is substantially controlled by the dopant concentration in the n-well 830.

図14は、SOIで形成された第2のp型ゲート制御ダイオード900の側面図の例を示す。第2のp型ゲート制御ダイオード900は、ゲート915(例えば、P+ドープされたポリシリコン)とnウェル930の間に形成されたゲート絶縁物920、ソース拡散領域910、2個のSTI領域905および925、絶縁物935、「ドレイン」拡散領域945、およびソース拡散領域910と「ドレイン」拡散領域945を電気的に結合する相互接続950を備える。nウェル930は、ウェル境界936の上に形成される。nウェル930のドーパント濃度によって、ゲート制御ダイオード900の閾値電圧が実質的に制御される。   FIG. 14 shows an example of a side view of a second p-type gate control diode 900 formed of SOI. The second p-type gated diode 900 includes a gate insulator 920 formed between a gate 915 (eg, P + doped polysilicon) and an n-well 930, a source diffusion region 910, and two STI regions 905. And 925, an insulator 935, a “drain” diffusion region 945, and an interconnect 950 that electrically couples the source diffusion region 910 and the “drain” diffusion region 945. N-well 930 is formed on well boundary 936. The threshold voltage of the gated diode 900 is substantially controlled by the dopant concentration of the n-well 930.

ゲート制御ダイオード回路
本開示は、ゲート制御ダイオードを使用するメモリ・セルを説明する。メモリ・セルにおけるゲート制御ダイオードの動作を理解するために、この項で、ゲート制御ダイオード回路を示し、また解析する。
Gated diode circuit This disclosure describes a memory cell that uses a gated diode. In order to understand the operation of the gated diode in the memory cell, this section shows and analyzes the gated diode circuit.

ゲート制御ダイオードを使用するメモリ・セルは、ゲート・チャネルの反転層(例えば、反転層126/226)に蓄積された電荷を利用する信号増幅を有する。上述のように、ハイ電圧(例えば、データ1)に対応する小電圧信号がゲート制御ダイオードのゲートに存在し、かつゲートの電圧がゲート制御ダイオードの閾値電圧よりも高いとき、電荷がゲートに蓄積される(例えば、ゲートの下の反転層を介して)。ロー電圧(例えば、データ0)に対応する信号がゲートに存在し、かつその電圧がゲート制御ダイオードの閾値電圧よりも低いとき、電荷はゲートにほとんど蓄積されないか、または全く蓄積されない。   Memory cells that use gated diodes have signal amplification that utilizes the charge stored in the gate channel inversion layer (eg, inversion layer 126/226). As described above, when a small voltage signal corresponding to a high voltage (eg, data 1) is present at the gate of the gated diode and the gate voltage is higher than the threshold voltage of the gated diode, charge accumulates at the gate. (Eg, via an inversion layer under the gate). When a signal corresponding to a low voltage (eg, data 0) is present at the gate and that voltage is below the threshold voltage of the gated diode, little or no charge is accumulated at the gate.

しばらく図16に注意を向けると、ゲート制御ダイオード回路1100が示される。ゲート制御ダイオード回路1100は、信号線1110に結合され、さらにゲート制御ダイオード1130を有し、このゲート制御ダイオード1130のゲート入力(したがって、ゲート)が信号線1110に結合され、かつそれのソース入力(したがって、ソース拡散領域)が制御線1120に結合されている。信号線1110はキャパシタンスCLを有し、このキャパシタンスCLは、信号線1110からの集中キャパシタンス、ゲートの結合キャパシタンス、および信号線への接続回路(キャパシタンスが存在すれば)の全キャパシタンスである。容量性負荷(CL)は、ゲート制御ダイオード回路1110の一部であると考えられない。図16に示すように、信号線1110は、ゲート制御ダイオード1130のゲートに接続される。ゲート制御ダイオード1130のソースは制御線1120に接続され、この制御線は、通常、n型ゲート制御ダイオードの場合には接地(GND)であり、またはp型ゲート制御ダイオードの場合には電源電圧(VDD)である。   Turning briefly to FIG. 16, a gated diode circuit 1100 is shown. The gated diode circuit 1100 is coupled to the signal line 1110 and further includes a gated diode 1130, the gate input (and hence the gate) of the gated diode 1130 is coupled to the signal line 1110 and its source input ( Thus, the source diffusion region) is coupled to the control line 1120. Signal line 1110 has a capacitance CL, which is the lumped capacitance from signal line 1110, the coupling capacitance of the gate, and the total capacitance of the connection circuit to the signal line (if capacitance exists). The capacitive load (CL) is not considered to be part of the gated diode circuit 1110. As shown in FIG. 16, the signal line 1110 is connected to the gate of the gate control diode 1130. The source of the gated diode 1130 is connected to the control line 1120, which is typically ground (GND) in the case of an n-type gated diode, or the supply voltage (in the case of a p-type gated diode). VDD).

ゲート制御ダイオードによる信号増幅中に、制御線の電圧(Vs)は一般に増大される。制御線電圧にしたがって、ゲート制御ダイオードのソース電圧(例えば、ソース拡散領域)もまた増大されて、一般に電源電圧(VDD)の50パーセントから100パーセントの範囲のある特定の大きさ(VBで示す)だけ、n型の場合にはより高くなり、p型の場合にはより低くなる。   During signal amplification by the gated diode, the control line voltage (Vs) is generally increased. In accordance with the control line voltage, the source voltage (eg, source diffusion region) of the gated diode is also increased to a certain magnitude (denoted VB), generally ranging from 50 percent to 100 percent of the power supply voltage (VDD). However, it is higher for n-type and lower for p-type.

ここで図15に注意を向けると、コンデンサが増幅器1110で電荷蓄積デバイスとして使用されるときの増幅器の利得のグラフを示す。言い換えると、図16のゲート制御ダイオード1130が、従来のコンデンサすなわち直線コンデンサ(すなわち、キャパシタンスが電圧に対して一定のままであるコンデンサ)で置き換えられている。第1のグラフVsは、制御線1120の電圧がどのように変化するかを示す。第2のグラフは、点1101がどのように変化するかを示す。図15で理解されるように、ゲート制御ダイオード1130の代わりにコンデンサが使用されるとき、回路1100の利得は約1である。信号線1110がハイ電圧を有する場合、出力は、VBにハイ電圧(データ1)を加えたものである。信号線1110がロー電圧を有する場合、出力は、VBにロー電圧(データ0)を加えたものである。差dVinは、データ1の電圧とデータ0の電圧の間に存在する差全部である。したがって、dVoutをdVin(データ1電圧からデータ0電圧を引いたもの)で割ったものである利得は、約1である。すなわち、1の利得は、電圧利得がないことを意味する。   Attention is now directed to FIG. 15, which shows a graph of amplifier gain when a capacitor is used as a charge storage device in amplifier 1110. In other words, the gated diode 1130 of FIG. 16 has been replaced with a conventional or linear capacitor (ie, a capacitor whose capacitance remains constant with voltage). The first graph Vs shows how the voltage on the control line 1120 changes. The second graph shows how point 1101 changes. As can be seen in FIG. 15, when a capacitor is used instead of the gated diode 1130, the gain of the circuit 1100 is about one. When the signal line 1110 has a high voltage, the output is VB plus a high voltage (data 1). When the signal line 1110 has a low voltage, the output is VB plus a low voltage (data 0). The difference dVin is all the differences existing between the data 1 voltage and the data 0 voltage. Therefore, the gain obtained by dividing dVout by dVin (data 1 voltage minus data 0 voltage) is about 1. That is, a gain of 1 means no voltage gain.

再び図16を参照して、信号増幅中に、ゲート制御電圧は、全キャパシタンスCLに依存してソース電圧増大からある量を引いたものに近い量だけ、n型の場合には引き上げられ、p型の場合には引き下げられる。ここで、この全キャパシタンスCLは、近くのデバイスに結合するゲートの全漂遊キャパシタンス、線のキャパシタンス、および接続回路(何か存在すれば)の全キャパシタンスの和である。結果として得られる増大電圧出力(例えば、信号線1110の出力)の実際の大きさは、計算することができる。   Referring again to FIG. 16, during signal amplification, the gate control voltage is raised in the n-type case by an amount close to the source voltage increase minus a certain amount depending on the total capacitance CL, and p In the case of a mold, it is pulled down. Here, this total capacitance CL is the sum of the total stray capacitance of the gate coupled to the nearby device, the capacitance of the line, and the total capacitance of the connection circuit (if any). The actual magnitude of the resulting increased voltage output (eg, the output of signal line 1110) can be calculated.

ゲートの信号がデータ0である場合、ゲート(例えば、位置1101)に蓄積された電荷は全く無いかほとんど無いかであり、かつゲート制御ダイオード1130のゲートはオフ(ゲート・ソース間電圧(Vgs)が閾値電圧より低い)であるので、データ0を検出するとき、ゲート制御ダイオードのゲートの電圧増加はほとんど無く、出力電圧VLは0のままであるか、または実質的に小さな電圧である。これを図17に示す。図17で、ゲート制御ダイオード1130は、参照1150で示す非常に小さなキャパシタンスを有する。たとえVsが上昇しても、信号線1110の結果として得られる出力電圧は低い。言い換えると、制御線1120とゲート(例えば、点1101)の間の電圧転送は小さい。   If the gate signal is data 0, then there is no or little charge stored in the gate (eg, position 1101), and the gate of the gate control diode 1130 is off (gate-source voltage (Vgs)). Therefore, when detecting data 0, there is little increase in the gate voltage of the gated diode, and the output voltage VL remains at 0 or is substantially smaller. This is shown in FIG. In FIG. 17, the gated diode 1130 has a very small capacitance, indicated by reference 1150. Even if Vs rises, the resulting output voltage of signal line 1110 is low. In other words, the voltage transfer between the control line 1120 and the gate (eg, point 1101) is small.

他方で、ゲートの信号(n型の場合はGNDから測定された電圧、またはp型の場合はVDDから測定された電圧)がデータ1で、ゲート制御ダイオードの閾値電圧より高い場合、ゲート制御ダイオードはオンであり、初期に実質的な量の電荷がゲート制御ダイオードの反転層に蓄積される。Vsが上昇するとき、ゲート制御ダイオード1130はバイアスが小さくなるか、またはオフになる。そのうえ、漂遊キャパシタンス、線キャパシタンス、およびインバータまたはバッファまたはスイッチのゲートのような近くのデバイスのキャパシタンスを含んだゲートに接続された全キャパシタンス(CL)に、反転層の電荷は転送される。また、ソースおよびゲートはコンデンサとして働くことができる。全キャパシタンス(CL)が、ゲート制御ダイオード(図18に示す)のオン・キャパシタンス(Cg_gd(オン))に比べてある特定の範囲内にあるとき、ゲート制御ダイオード1130のゲートに大きな電圧増加が生じる。したがって、図18に示すように、VLがVtよりも大きいとき参照1160で示すように、ゲート制御ダイオードは大きなコンデンサとみなすことができる。言い換えると、制御線1120とゲート(例えば、点1101)の間の電圧転送は大きい。   On the other hand, if the gate signal (voltage measured from GND for n-type or voltage measured from VDD for p-type) is data 1 and is higher than the threshold voltage of the gated diode, the gated diode Is on and initially a substantial amount of charge is stored in the inversion layer of the gated diode. When Vs rises, the gated diode 1130 becomes less biased or turns off. In addition, the charge of the inversion layer is transferred to the total capacitance (CL) connected to the gate, including stray capacitance, line capacitance, and capacitance of nearby devices such as inverter or buffer or switch gates. Also, the source and gate can act as a capacitor. When the total capacitance (CL) is within a certain range compared to the on-capacitance (Cg_gd (on)) of the gated diode (shown in FIG. 18), a large voltage increase occurs at the gate of the gated diode 1130. . Thus, as shown in FIG. 18, when VL is greater than Vt, the gated diode can be regarded as a large capacitor, as indicated by reference 1160. In other words, the voltage transfer between the control line 1120 and the gate (eg, point 1101) is large.

これによって、データ1の信号とデータ0の信号の間で、一般にVDDの50から150パーセントの大きな電圧差が、ゲート制御ダイオードのゲートに生じる。これを図19に示す。ここで、dVoutは大きな値である。信号振幅と増大電圧(VB)、すなわち負荷キャパシタンス(CL)とゲート制御ダイオード・オン・キャパシタンスの比に依存して、実現される利得は変化し、所定のゲート制御ダイオードの負荷(CL)の全範囲にわたって、この利得を計算し特徴づけることができる。一般に、ゲート制御ダイオード増幅器1100は、信号増幅中に2〜10の電圧利得を実現する。ゲート制御ダイオード1130の出力は、それ自体、完全CMOSの電圧振幅であり、一般的な小さなインバータ・バッファまたはラッチをドライブすることができる。   This creates a large voltage difference between the data 1 signal and the data 0 signal, typically 50 to 150 percent of VDD, at the gate of the gated diode. This is shown in FIG. Here, dVout is a large value. Depending on the signal amplitude and the increased voltage (VB), ie the ratio of the load capacitance (CL) and the gated diode on capacitance, the gain realized will vary and the total load (CL) of a given gated diode will be This gain can be calculated and characterized over a range. In general, the gated diode amplifier 1100 achieves a voltage gain of 2-10 during signal amplification. The output of the gated diode 1130 is itself a full CMOS voltage swing and can drive a typical small inverter buffer or latch.

次の解析は、図16に示すようなゲート制御ダイオード増幅器の一般的な値を示す。Cg_gd(オン)およびCg_gd(オフ)は、それぞれ、ゲート制御ダイオードがオンおよびオフであるときのゲート制御ダイオードのゲート・キャパシタンスであるとする。そして、
Rc=Cg_gd(オン)/CL、および
rc=Cg_gd(オフ)/CL、とする。
The following analysis shows typical values for a gated diode amplifier as shown in FIG. Let Cg_gd (on) and Cg_gd (off) be the gate capacitance of the gated diode when the gated diode is on and off, respectively. And
Rc = Cg_gd (on) / CL, and
rc = Cg_gd (off) / CL.

一般的な動作では、負荷キャパシタンス(CL)の値は、ゲート制御ダイオードのオン・キャパシタンス(Cg_gd(オン))よりも小さいか、または同じ程度の大きさであるが、CLは、ゲート制御ダイオードのオフ・キャパシタンス(Cg_gd(オフ))よりも遥かに大きい。すなわち、
Cg_gd(オン)>CL>>Cg_gd(オフ)。
In general operation, the value of the load capacitance (CL) is less than or as large as the on-capacitance of the gated diode (Cg_gd (on)), but CL is the same as that of the gated diode. It is much larger than the off capacitance (Cg_gd (off)). That is,
Cg_gd (on)> CL >> Cg_gd (off).

例えば、
Cg_gd(オフ):CL:Cg_gd(オン)=1:10:20、および
Rc=2、rc=0.1。
For example,
Cg_gd (off): CL: Cg_gd (on) = 1: 10: 20, and
Rc = 2, rc = 0.1.

最初に、閾値電圧より高い論理1の信号を考えよう。この場合、ゲート制御ダイオードがオンである。   First consider a logic one signal that is higher than the threshold voltage. In this case, the gated diode is on.

VL_ハイは論理1の電圧であるとし、VL_ローは論理0の電圧で、n型ゲート制御ダイオードの場合は一般に0(または、接地)であるとする。   Assume that VL_high is a logic 1 voltage, VL_low is a logic 0 voltage, and is generally 0 (or ground) for an n-type gated diode.

制御線のVsが大きさVBの電圧だけ増大するとき、ゲートの出力電圧は次のようになる。
Vout(1)=VL_ハイ+VB Rc/(1+Rc)
VL_ハイ+VB、 ここで、Rc>>1
Vout(0)=VL_ロー+VB rc/(1+rc)
VL_ロー、 ここで、rc<<1。
When the control line Vs increases by a voltage of magnitude VB, the output voltage of the gate is:
Vout (1) = VL_High + VB Rc / (1 + Rc)
~ VL_HIGH + VB, where Rc >> 1
Vout (0) = VL_Low + VB rc / (1 + rc)
~ VL_low, where rc << 1.

dVinは、Vsが増大する前の0と1の間のゲート電圧の差とし、dVoutは、Vsが増大した後の0と1の間のゲート電圧の差とする。出力差dVoutは次のようになる。
dVout=VL_ハイ+VB Rc/(1+Rc)-(VB rc/(1+rc)+VL_ロー)。
dVin is the gate voltage difference between 0 and 1 before Vs increases, and dVout is the gate voltage difference between 0 and 1 after Vs increases. The output difference dVout is as follows.
dVout = VL_high + VB Rc / (1 + Rc)-(VB rc / (1 + rc) + VL_low).

入力差dVinは次のようになる。
dVin=VL_ハイ-VL_ロー。
The input difference dVin is as follows.
dVin = VL_High-VL_Low.

VL_ロー=0の場合、利得は次のようになる。
利得=dVout/dVin1+(VB/VL_ハイ)Rc/(1+Rc)>1。
When VL_low = 0, the gain is:
Gain = dVout / dVin ~ 1+ (VB / VL_ high) Rc / (1 + Rc) > 1.

次の例を考えよう。
例1.この場合、VB=0.8V、VL_ハイ=0.2V、VL_ロー=0。
そのとき、
ゲート制御ダイオードを使用すると、 利得=5、そして
直線コンデンサを使用すると、 利得=1。
他の例を考えよう。
例2.この場合、VB=0.8V、VL_ハイ=0.1V、VL_ロー=0。
そのとき、
ゲート制御ダイオードを使用すると、 利得=9、そして、
直線コンデンサを使用すると、 利得=1。
Consider the following example:
Example 1. In this case, VB = 0.8V, VL_high = 0.2V, and VL_low = 0.
then,
Using a gated diode, gain = 5, and using a linear capacitor, gain = 1.
Consider another example.
Example 2. In this case, VB = 0.8V, VL_high = 0.1V, and VL_low = 0.
then,
Using a gated diode, gain = 9, and
When using a linear capacitor, gain = 1.

Rcが小さい場合(<1)には、ゲート制御ダイオード信号増幅の利得は次式で与えられることを示すことができる。
利得=1+Rc-(Vt_gd/VL_ハイ) Rc1+Rc、
ここで、Vt_gdはゲート制御ダイオードの閾値電圧である。
When Rc is small (<1), it can be shown that the gain of gated diode signal amplification is given by:
Gain = 1 + Rc- (Vt_gd / VL_High) Rc ~ 1 + Rc,
Here, Vt_gd is a threshold voltage of the gated diode.

図20は、図21および22で使用する例示のゲート制御ダイオード・メモリ・セルおよびその電圧を示す。図20で、Vg_fは、ゲート制御ダイオードのゲートの最終電圧である。留意すべきことであるが、Vg_iは、ゲート制御ダイオードのゲートの初期電圧である。   FIG. 20 shows an exemplary gated diode memory cell and its voltage for use in FIGS. In FIG. 20, Vg_f is the final voltage of the gate of the gated diode. It should be noted that Vg_i is the initial voltage of the gate of the gated diode.

図21は、図20のゲート制御ダイオード・メモリ・セルの完全電荷転送領域および限定電荷転送領域を示す表である。完全電荷転送は、ゲート制御ダイオードがそれの全ての電荷または全てに非常に近い電荷を負荷CLに与えることを意味する。限定電荷転送は、ゲート制御ダイオードがそれの電荷の一部だけを負荷CLに与えることを意味する。図22は、異なる負荷比Rcの下でのゲート制御ダイオードの電圧利得を示す。ここで、先に定義したように、Rc=Cg_gd(オン)/CLである。   FIG. 21 is a table showing the complete charge transfer region and limited charge transfer region of the gated diode memory cell of FIG. Full charge transfer means that the gated diode provides all or all of its charge to the load CL. Limited charge transfer means that the gated diode provides only a portion of its charge to the load CL. FIG. 22 shows the voltage gain of the gated diode under different load ratios Rc. Here, as defined above, Rc = Cg_gd (on) / CL.

信号線が、ゲート制御ダイオードのオン・キャパシタンスよりも大きな大容量負荷(CL)を有するとき、基本的なゲート制御ダイオード増幅器の利得は落ち始め、最終的には利得は1になる(すなわち、利得はなくなる)。さらに、大容量負荷は増幅器の速度を遅くする。   When the signal line has a large capacitive load (CL) greater than the on-capacitance of the gated diode, the gain of the basic gated diode amplifier begins to drop and eventually the gain becomes unity (ie gain) Is gone). In addition, large capacitive loads slow down the amplifier.

例えば、次の表は、ゲート制御ダイオードのオン・キャパシタンス(Cg_gd(オン))と負荷キャパシタンス(CL)の比が異なったときの利得を示す。次のように仮定する。
VB=0.8 V、
VL_ハイ=0.2 V、
VL_ロー=0、および
rc=0.1。
For example, the following table shows the gain for different ratios of gated diode on-capacitance (Cg_gd (on)) to load capacitance (CL). Assume the following.
VB = 0.8 V,
VL_ high = 0.2 V,
VL_low = 0, and
rc = 0.1.

そして、表は次のようである。   And the table is as follows.

Figure 0004716736
ここで、Rc=Cg_gd(オン)/CL、dVout=VL_ハイ+VBRc/(1+Rc)、dVin=VL_ハイ、および利得=dVout/dVin。
Figure 0004716736
Here, Rc = Cg_gd (ON) / CL, dVout = VL_high + VBRc / (1 + Rc), dVin = VL_high, and gain = dVout / dVin.

図16のゲート制御ダイオード回路についてのさらなる詳細は、本出願と同じ日に出願されたルーク(Luk)その他の「ゲート制御ダイオードを使用する増幅器(AMPLIFIFIERS USING GATED DIODE)」という名称の米国特許出願番号第XX/XXX,XXX号に見出すことができる。このようにして、この出願の開示は参照して組み込む。   Further details on the gated diode circuit of FIG. 16 can be found in U.S. Patent Application No. Luk et al. Entitled “AMPLIFIFIERS USING GATED DIODE” filed on the same day as this application. It can be found in No. XX / XXX, XXX. As such, the disclosure of this application is incorporated by reference.

3T1Dメモリ・セル
3トランジスタ(T)・1ダイオード(D)・ゲート制御ダイオード・メモリ・セル(3T1D)は、1個のゲート制御ダイオードと3個のFETで構成される。1つのFETはデータ値をメモリ・セルに書き込むために使用され、そしてその他のFETは書込みゲートおよび読出しゲートとして作用し、その各々は、2ポート動作を行うように書込みビットラインまたは読出しビットラインに接続している。2本のビットラインは、読出しと書込みに共用される単一ビットラインに組み合わせることができる。ゲート制御ダイオード・メモリ・セルおよびシリコン構造は、バルク・シリコン、SOI、およびデュアル・ゲート・フィンFETにおいて低ビットライン電圧(例えば、0.3〜1.0V)で動作する将来世代のシリコン技術に応用することができる。
3T1D Memory Cell Three transistors (T), one diode (D), gated diode memory cell (3T1D) are composed of one gated diode and three FETs. One FET is used to write the data value to the memory cell, and the other FET acts as a write gate and a read gate, each of which is on the write bit line or read bit line to perform 2-port operation. Connected. The two bit lines can be combined into a single bit line that is shared for reading and writing. Gated diode memory cells and silicon structures will become a future generation silicon technology that operates at low bitline voltages (eg, 0.3-1.0V) in bulk silicon, SOI, and dual gate finFETs Can be applied.

図23は、3T1Dメモリ・セル1300を示し、この場合デュアル・ポート・メモリ・セルである。3T1Dメモリ・セル1300は、ゲート制御ダイオード(gd)1330および3個のFET、すなわち、書込みゲート(wg)FET1325、読出しゲート(rg)FET1345、および読出し選択(rs)FET1340を備える。3T1Dメモリ・セル1300は、書込みビットライン(BLw)1305、読出しビットライン(BLr)1310、読出しワードライン(WLr)1335、および書込みワードライン1320に結合され、読出しビットライン1310はキャパシタンスCbl1315を有する。この例では、ゲート制御ダイオード1330のゲートは記憶ノードであり、データ1に対応するハイ電圧が加えられた後で電荷が反転層に蓄積される。例示では、データ0が加えられた場合、電荷は蓄積されない。ゲート制御ダイオード1330のソースは、書込みまたは読出し動作中に、電圧増大のために読出しワードライン(WLr)1335に接続する。セル電圧を増幅する読出しおよび書込み動作におけるゲート制御ダイオードの電圧増大の方法についての詳細は、以下で詳しく説明する。電圧増大は、3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300の信号増大および動作のために重要である。留意すべきことであるが、FET1325、1340および1345はスイッチとして動作する。書込みFET(wg)1325に関して、ゲートは書込みワードライン(WLw)1320に接続し、ドレインはビットライン(BLw)1305に接続し、そして、ソースはゲート制御ダイオード1330のゲートに接続している。書込みワードライン(WLw)1320がハイであるとき、セルが選択され、記憶ノード(例えば、ゲート制御ダイオード1330のゲート)はビットライン電圧を書き込まれる。読出しゲートFET(rg)1345に関して、ゲートは、記憶されたデータ0またはデータ1を読み出すために、記憶ノードに接続する。読出し選択FET(rs)1340は、読出し動作中に読出しワードライン(WLrs)1350によって使用可能にされ、記憶ノードの電圧(例えば、Vcell)を検出するために、読出しゲート(rg)1345のドレインを読出しビットライン(BLr)1310に接続する。   FIG. 23 shows a 3T1D memory cell 1300, which in this case is a dual port memory cell. The 3T1D memory cell 1300 includes a gated diode (gd) 1330 and three FETs: a write gate (wg) FET 1325, a read gate (rg) FET 1345, and a read select (rs) FET 1340. The 3T1D memory cell 1300 is coupled to a write bit line (BLw) 1305, a read bit line (BLr) 1310, a read word line (WLr) 1335, and a write word line 1320, the read bit line 1310 having a capacitance Cbl 1315. In this example, the gate of the gate control diode 1330 is a storage node, and charges are accumulated in the inversion layer after a high voltage corresponding to data 1 is applied. Illustratively, if data 0 is added, no charge is accumulated. The source of gated diode 1330 connects to read word line (WLr) 1335 for voltage increase during a write or read operation. Details of the method of increasing the voltage of the gated diode in read and write operations that amplify the cell voltage are described in detail below. The voltage increase is important for signal increase and operation of the 3T1D gated diode memory cell 1300. It should be noted that FETs 1325, 1340 and 1345 operate as switches. For write FET (wg) 1325, the gate is connected to write word line (WLw) 1320, the drain is connected to bit line (BLw) 1305, and the source is connected to the gate of gate control diode 1330. When the write word line (WLw) 1320 is high, the cell is selected and the storage node (eg, the gate of the gated diode 1330) is written with the bit line voltage. For the read gate FET (rg) 1345, the gate connects to the storage node to read stored data 0 or data 1. A read select FET (rs) 1340 is enabled by a read word line (WLrs) 1350 during a read operation, and the drain of the read gate (rg) 1345 is used to detect the storage node voltage (eg, Vcell). The read bit line (BLr) 1310 is connected.

いくつかの状況では、WLr1335とWLrs1350の両方は同じ制御信号であることがある。後で詳細に説明する読出し電圧増大動作モードで、ゲート制御ダイオードのソース電圧の上昇を使用して、読出し選択FET1340を使用可能にすることができる。しかし、一般に、サブスレッショルド漏れ電流を減少するために、選択されない読出し選択FET1340のゲートに負電圧を加えてもよい。これには、WLrs1350がWLr1335と異なっていることが必要かもしれない。配線の方向はビットライン方向のように制限されないので、WLw1320、WLrs1350およびWLr1335のような1つより多いワードラインを設けることは実行可能である。また、別個のワードラインを使用することで、負荷を分散して重い負荷を減らすことができる。   In some situations, both WLr 1335 and WLrs 1350 may be the same control signal. The read select FET 1340 can be enabled using an increase in the source voltage of the gated diode in a read voltage increase mode of operation that will be described in detail later. However, in general, a negative voltage may be applied to the gate of the unselected read select FET 1340 to reduce subthreshold leakage current. This may require WLrs 1350 to be different from WLr 1335. Since the wiring direction is not limited as in the bit line direction, it is feasible to provide more than one word line, such as WLw 1320, WLrs 1350 and WLr 1335. Also, by using separate word lines, the load can be distributed and heavy loads can be reduced.

図23で、3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300は、読出し用と書込み用の2つのポートを有する。読出しワードライン(WLr)1335は、ゲート制御ダイオード1330のソースに接続する。もう1つのワードライン(WLrs)1350は読出し選択FET(rs)1340のゲートに接続して、読出し動作および読出し中の記憶セルの電圧増大を可能にする。記憶セル電圧は、蓄えられた電圧よりも遥かに高く増大させることができる。   In FIG. 23, a 3T1D gated diode memory cell 1300 has two ports for reading and writing. Read word line (WLr) 1335 is connected to the source of gated diode 1330. Another word line (WLrs) 1350 is connected to the gate of the read select FET (rs) 1340 to allow read operation and voltage increase of the storage cell during read. The storage cell voltage can be increased much higher than the stored voltage.

図23で、WLrは追加の書込みワードライン(WLw2)であってもよく(すなわち、WLrをWLw2と名付け、WLw2はWLrs1350に接続されない)、このWLw2はゲート制御ダイオード1330のソースに接続される。この配列は書込み電圧増大動作を支持し、この動作では、書込み動作中に、書込みワードライン(WLw2)を使用して、記憶ノードの電圧がビットラインのハイ電圧(VBLH)よりも遥かに大きく増大される。ビットライン・ハイ電圧(VBLH)は、データ1をメモリ・セルに書き込むための電圧に対応する。その上、この構成(以下で、図34に関連してより詳細に説明する)では、WLrs1350は、一般に、読出し選択FET1340に対する別個の制御線として実現される。   In FIG. 23, WLr may be an additional write word line (WLw2) (ie, WLr is named WLw2, WLw2 is not connected to WLrs 1350), which is connected to the source of gated diode 1330. This arrangement supports a write voltage increase operation, which uses the write word line (WLw2) during the write operation to increase the storage node voltage much greater than the bit line high voltage (VBLH). Is done. The bit line high voltage (VBLH) corresponds to the voltage for writing data 1 to the memory cell. Moreover, in this configuration (described in more detail below with respect to FIG. 34), WLrs 1350 is generally implemented as a separate control line for read select FET 1340.

図24は、単一ポートを有する3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セル1400を示し、読出しビットラインと書込みビットラインは単一ビットライン1410によって共有されている。   FIG. 24 shows a 3T1D gated diode memory cell 1400 with a single port, where the read and write bitlines are shared by a single bitline 1410.

3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300のメモリ・セル、ワードラインおよびビットラインの例示の電圧を、1つの例示の製造技術の場合につて、図25に示す。ビットライン電圧は、その技術の電源電圧(VDD)よりも小さいが、読出しおよび書込み動作の電圧増大方法によって可能になるゲート制御ダイオード・メモリ・セルの固有利得によって、メモリ・セルは、読出しおよび書込み動作中にビットライン電圧よりも高い信号電圧で動作し、より優れた信号対雑音マージンを実現する。一般的なビットライン電圧は、電源電圧(VDD)の50%であり、従来のDRAMおよびSRAMに比べて、実質的な活動状態の電力節約をもたらす。   Exemplary voltages for the memory cells, wordlines and bitlines of the 3T1D gated diode memory cell 1300 are shown in FIG. 25 for one exemplary manufacturing technique. Although the bit line voltage is less than the technology's power supply voltage (VDD), the inherent gain of the gated diode memory cell enabled by the voltage increase method of read and write operations allows the memory cell to read and write It operates with a signal voltage higher than the bit line voltage during operation, and achieves a better signal-to-noise margin. A typical bit line voltage is 50% of the power supply voltage (VDD), resulting in substantial active power savings compared to conventional DRAM and SRAM.

電圧増大および電圧利得
次に、ビットラインから書込みゲート(wg)1325を介して、ゲート制御ダイオード1330に小さな電圧で書き込むことができ、そのとき、この小さな電圧は、ゲート制御ダイオードのソースの電圧を上げることで(電圧「増大」とよばれる)、一般に2〜3倍に増幅される。信号増幅は、次のように、書込み動作中または読出し動作中のどちらでも行うことができる。
・書込み電圧増大:元のデータ1の電圧が書込みサイクル中に電圧増大で増幅される場合、読出しゲート(rg)1345によるその後の読出しのために、ゲート制御ダイオード1330のゲートのより高い増大された電圧が、書込み動作後にゲート制御ダイオード1330に蓄えられる。より高い増幅されたゲート電圧は、読出し動作中に、読出しゲート1345のより大きな信号マージンおよびより大きなゲート・オーバドライブをもたらす。データ0の場合、信号増幅または電圧増大はほとんど無く、ゲート電圧はほとんどゼロのままである。
・読出し電圧増大:書込み動作中に元のデータ1のより低い電圧がゲート制御ダイオード1330に蓄えられた場合、その低い電圧は読出し動作中により高く電圧増大される。これによって、結果として、元のデータ1の信号の信号増幅および電圧利得が生じ、したがって、読出し動作中に、読出しゲート1345のより大きな信号マージンおよびより大きなゲート・オーバドライブが起こる。データ0の場合、電圧増大による信号増幅はほとんどなく、ゲート電圧はほとんどゼロのままである。
Voltage Increase and Voltage Gain Next, the gated diode 1330 can be written with a small voltage from the bit line through the write gate (wg) 1325, where the small voltage is the voltage at the source of the gated diode. By raising (called voltage “increase”), it is generally amplified 2 to 3 times. Signal amplification can be performed during either a write operation or a read operation as follows.
Write voltage increase: If the original data 1 voltage was amplified with a voltage increase during the write cycle, the gate of the gated diode 1330 was increased higher for subsequent reading by the read gate (rg) 1345. A voltage is stored in the gated diode 1330 after the write operation. The higher amplified gate voltage results in a larger signal margin and larger gate overdrive of the read gate 1345 during the read operation. For data 0, there is little signal amplification or voltage increase and the gate voltage remains almost zero.
Read voltage increase: If a lower voltage of the original data 1 is stored in the gated diode 1330 during the write operation, the lower voltage is increased higher during the read operation. This results in signal amplification and voltage gain of the original data 1 signal, and thus a larger signal margin and larger gate overdrive of the read gate 1345 during the read operation. In the case of data 0, there is almost no signal amplification due to voltage increase, and the gate voltage remains almost zero.

書込みか読出しかどちらかによるゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300の電圧の増大によって、メモリ・セル1300の信号対雑音マージン、および読出しゲート1345の閾値より低いか高いデータ0とデータ1の分離マージンが非常に大きくなる。このことは将来世代の技術にとって特に重要である。というのは、小信号が使用される場合、閾値電圧変動および不整合によってマージンが非常に小さくなるからである。より高い外部信号電圧を加えることができるが(例えば、ビットライン電圧を介して)、このためには、より大きな活動状態電力が必要になる。3T1Dメモリ・セル1300は、より優れた信号対雑音マージンを得るように高いセル信号電圧をつくるために、高いビットライン電圧を必要としない。代わりに、このより高い信号電圧は、書込み動作か読出し動作かのどちらかで、ゲート制御ダイオードの電圧増大によってつくられる。   The increase in the voltage of the gated diode memory cell 1300 due to either writing or reading causes the signal to noise margin of the memory cell 1300 and the separation margin of data 0 and data 1 below or above the threshold of the read gate 1345. Become very large. This is particularly important for future generations of technology. This is because when small signals are used, the margin is very small due to threshold voltage variations and mismatches. Although higher external signal voltages can be applied (eg, via the bit line voltage), this requires more active power. The 3T1D memory cell 1300 does not require a high bit line voltage to create a high cell signal voltage to obtain a better signal to noise margin. Instead, this higher signal voltage is created by the voltage increase of the gated diode, either in a write operation or a read operation.

ゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300において、
Cg_gd(オン)およびCg_gd(オフ)は、それぞれ、ゲート制御ダイオードがオンおよびオフであるときのゲート制御ダイオードのゲート・キャパシタンスであるとし、
CLは、ゲート制御ダイオード(gd)のゲートに接続された全負荷キャパシタンスであるとする。ここで、CLは、一般に、読出しゲート(rg)1345のゲート・キャパシタンス、および近くにある物に対するゲート制御ダイオード1330のゲートの漂遊キャパシタンスである。
そのとき、
Rc=Cg_gd(オン)/CL、
rc=Cg_gd(オフ)/CL。
In the gated diode memory cell 1300:
Let Cg_gd (on) and Cg_gd (off) be the gate capacitance of the gated diode when the gated diode is on and off, respectively,
Let CL be the total load capacitance connected to the gate of the gated diode (gd). Where CL is generally the gate capacitance of the read gate (rg) 1345 and the stray capacitance of the gate of the gated diode 1330 relative to nearby objects.
then,
Rc = Cg_gd (on) / CL,
rc = Cg_gd (off) / CL.

一般的な状況では、負荷キャパシタンス(CL)は、ゲート制御ダイオードのオン・キャパシタンス(Cg_gd(オン))よりも小さい。しかし、CLは、ゲート制御ダイオードのオフ・キャパシタンス(Cg_gd(オフ))よりも遥かに大きい。
Cg_gd(オン)>CL>>Cg_gd(オフ)。
In a typical situation, the load capacitance (CL) is less than the on-capacitance (Cg_gd (on)) of the gated diode. However, CL is much larger than the off capacitance of the gated diode (Cg_gd (off)).
Cg_gd (on)> CL >> Cg_gd (off).

例えば、
Cg_gd(オフ):CL:Cg_gd(オン)=1:10:20、すなわち、
Rc=2、 rc=0.1。
For example,
Cg_gd (off): CL: Cg_gd (on) = 1: 10: 20,
Rc = 2, rc = 0.1.

Cg_gd(オン)>CLとし、
Vt_gd=0とし、
Vt_rd=0.2Vとし、
Vcell_i=0.4V(初期セル電圧)とし、
VB=0.8V(増大電圧の大きさ、Vs=0〜>0.8V)とすると、ゲート制御ダイオードに蓄積される電荷は、次式で与えられる。
Q_蓄積=(Vcell_i-Vt_gd) Cg_gd。
Cg_gd (on)> CL,
Vt_gd = 0,
Vt_rd = 0.2V
Vcell_i = 0.4V (initial cell voltage)
If VB = 0.8 V (the magnitude of the increase voltage, Vs = 0 to> 0.8 V), the charge accumulated in the gate control diode is given by the following equation.
Q_accumulation = (Vcell_i-Vt_gd) Cg_gd.

ゲート制御ダイオードのソースの電圧が引き上げられるとき、いくらかの電荷がゲート制御ダイオードの反転層から負荷CLに転送される。最終ゲート電圧Vcell_fは、
Vcell_f>VB+Vt_gdであり、
CLをVB+Vt_gdに充電する電荷は、次式で与えられる。
Q_転送1=(VB+Vt_gd-Vt_rg) CL。
When the voltage at the source of the gated diode is raised, some charge is transferred from the inversion layer of the gated diode to the load CL. The final gate voltage Vcell_f is
Vcell_f> VB + Vt_gd,
The charge for charging CL to VB + Vt_gd is given by the following equation.
Q_Transfer 1 = (VB + Vt_gd-Vt_rg) CL.

Cg_gd+CLの両方をVB+Vt_gdより高く充電する電荷は次式で与えられる。
Q_転送2=Q_蓄積-Q_転送1
=(Vcell_i-Vt_gd)Cg_gd-(VB+Vt_gd-Vt_rg) CL、
=Vcell_i Cg_gd-VB CL+Vt_rg CL-Vt_gd(Cg_gd+CL)、
del_V1=VB+Vt_gd-Vt_rg、
del_V2=Q_転送2/(Cg_gd+CL)、
=[(Vcell_i-Vt_gd)Cg_gd-(VB+Vt_gd-Vt_rg) CL]/(Cg_gd+CL)、
=Vcell_i Rc/(1+Rc)-VB/(1+Rc)+Vt_rg/(1+Rc)-Vt_gd、
Vcell_f=Vt_rg+del_V1+del_V2、
Vcell_f=(VB+Vcell_i)Rc/(1+Rc)+Vt_rg/(1+Rc)、 (2)
(Vcell_i>Vt_gd、Rc>1、大きなRc)の場合、
利得=Vcell_f/Vcell_i(1+VB/Vcell_i)Rc/(1+Rc)。 (3)
The charge to charge both Cg_gd + CL higher than VB + Vt_gd is given by:
Q_Transfer 2 = Q_Store-Q_Transfer 1
= (Vcell_i-Vt_gd) Cg_gd- (VB + Vt_gd-Vt_rg) CL,
= Vcell_i Cg_gd-VB CL + Vt_rg CL-Vt_gd (Cg_gd + CL),
del_V1 = VB + Vt_gd-Vt_rg,
del_V2 = Q_Transfer 2 / (Cg_gd + CL),
= [(Vcell_i-Vt_gd) Cg_gd- (VB + Vt_gd-Vt_rg) CL] / (Cg_gd + CL),
= Vcell_i Rc / (1 + Rc) -VB / (1 + Rc) + Vt_rg / (1 + Rc) -Vt_gd,
Vcell_f = Vt_rg + del_V1 + del_V2,
Vcell_f = (VB + Vcell_i) Rc / (1 + Rc) + Vt_rg / (1 + Rc), (2)
(Vcell_i> Vt_gd, Rc> 1, large Rc)
Gain = Vcell_f / Vcell_i to (1 + VB / Vcell_i) Rc / (1 + Rc). (3)

小さなRc<1の場合、
利得=1+Rc
であることを示すことができる。
For small Rc <1,
Gain = 1 + Rc
It can be shown that.

一般的な値を入れると、
Vcell_i=0.4V(ビットライン電圧VBLH)、
VB=1V(VDD)、
Vt_gd=0、
Vt_rg=0.2V(読出しゲートのVt)、
Rc=10。
Vcell_f=(1+0.4)(10)/(1+10)+0.2/(1+10)=1.29V
利得=1.29/0.4=3.23。
If you put a general value,
Vcell_i = 0.4V (bit line voltage VBLH),
VB = 1V (VDD),
Vt_gd = 0,
Vt_rg = 0.2V (Vt of readout gate),
Rc = 10.
Vcell_f = (1 + 0.4) (10) / (1 + 10) + 0.2 / (1 + 10) = 1.29V
Gain = 1.29 / 0.4 = 3.23.

次の表は、Rc、Vs、およびVg_iの関数として利得を示す。   The following table shows the gain as a function of Rc, Vs, and Vg_i.

Figure 0004716736
Figure 0004716736

代表的な値を入れると、
Vcell_i=0.4(ビットライン電圧VBLH)、
VB=0.8V(VDD)、
Vt_gd=0、
Vt_rg=0.2V(RVt、読出しゲート)、
Rc=10、
Vcell_f=(0.8+0.4)(10)/(1+10)+0.2/(1+10)=1.11V
利得=1.11/0.4=2.78。
If you put a representative value,
Vcell_i = 0.4 (bit line voltage VBLH),
VB = 0.8V (VDD),
Vt_gd = 0,
Vt_rg = 0.2V (RVt, readout gate),
Rc = 10,
Vcell_f = (0.8 + 0.4) (10) / (1 + 10) + 0.2 / (1 + 10) = 1.11V
Gain = 1.11 / 0.4 = 2.78.

これを、Rc、Vs、およびVg_iの関数として次の利得表に示す。   This is shown in the following gain table as a function of Rc, Vs, and Vg_i.

Figure 0004716736
Figure 0004716736

ソース電圧が増大されたとき、ゲート制御ダイオード1330は何らかの電荷を記憶セルから近くの回路(この場合は、読出しゲート1345)に部分的に転送して、容量性セルを使用する従来のDRAMセルおよび利得セルに比べて非常に大きな信号を実現する。電圧利得は常に1よりも大きく、一般に2から10の間の利得を実際に実現することができる。確かに、3T1Dメモリ・セル1300は、ビットラインからの初期蓄積電圧の数倍の電圧利得を実現するが、従来のDRAMセルおよび利得セルの場合には電圧利得はない。利得セルでは、電圧利得は1であるが、DRAMでは、電荷共有のために、セルの電荷および電圧が失われ、読出し動作が必要になった後で回復される。本発明では、セル電圧のこの利得は、書込み動作中または読出し動作中のどちらでも利用することができる。従来のゲート・セルにおけるただ単一の利得(読出しゲートによる)に比べて、記憶セル(電圧利得)と検出読出しゲート(電流利得)の両方で「二重利得」が達成される。   When the source voltage is increased, the gated diode 1330 partially transfers some charge from the storage cell to a nearby circuit (in this case, the read gate 1345), and a conventional DRAM cell using a capacitive cell and A very large signal is realized compared to the gain cell. The voltage gain is always greater than 1, and generally a gain between 2 and 10 can actually be realized. Indeed, the 3T1D memory cell 1300 achieves a voltage gain that is several times the initial stored voltage from the bit line, but there is no voltage gain in the case of conventional DRAM cells and gain cells. In gain cells, the voltage gain is unity, but in DRAM, cell charge and voltage are lost due to charge sharing and recovered after a read operation is required. In the present invention, this gain of cell voltage can be utilized either during a write operation or a read operation. “Dual gain” is achieved in both the storage cell (voltage gain) and the sensing read gate (current gain) compared to just a single gain in the conventional gate cell (due to the read gate).

保持時間、漏れおよびキャパシタンス比
ゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300の保持時間を改善するために、2つの主要な漏れ電流に対処しなければならない。すなわち、
・ゲート制御ダイオード1330のゲートに接続する書込みゲート1320のソースを流れるサブスレッショルド電圧電流、および
・ゲート制御ダイオード1330のゲートでのトンネルによる漏れ電流、である。
Retention Time, Leakage and Capacitance Ratio In order to improve the retention time of the gated diode memory cell 1300, two major leakage currents must be addressed. That is,
A subthreshold voltage current flowing through the source of the write gate 1320 connected to the gate of the gated diode 1330, and a leakage current due to tunneling at the gate of the gated diode 1330.

サブスレッショルド電流は、書込みワードライン(WLw)1320に負電圧を加えることで最小になるので、選択されないセルの書込みゲート全ては、負ゲート電圧、したがって負のゲート・ソース間電圧(Vgs)を有する。また、FET1325の閾値電圧を高くすることでも、閾値電圧の1デケード当たり約100mVで、サブスレッショルド漏れが減少する。   Since the subthreshold current is minimized by applying a negative voltage to the write word line (WLw) 1320, all the write gates of the unselected cells have a negative gate voltage and thus a negative gate-source voltage (Vgs). . Further, increasing the threshold voltage of the FET 1325 also reduces subthreshold leakage at about 100 mV per decade of threshold voltage.

ゲート絶縁物厚さの増加と共に高いKのゲート誘電体を使用することで、ゲートを流れるトンネル電流は減らすことができる。25オングストロームの一般的なゲート酸化物厚さは、ゲート・トンネル電流を制限するのに十分であるかもしれない。例として、90ナノメートル(nm)技術以上では、トンネル電流を低く保つために十分な酸化物厚さを維持しながら、ゲート制御ダイオード1330の十分なオン・キャパシタンスを実現するためには、高いKのゲート誘電体が必要であるかもしれない。   By using a high K gate dielectric with increasing gate insulator thickness, tunneling current through the gate can be reduced. A typical gate oxide thickness of 25 Angstroms may be sufficient to limit the gate tunnel current. As an example, above 90 nanometer (nm) technology, a high K is required to achieve sufficient on-capacitance of gated diode 1330 while maintaining sufficient oxide thickness to keep tunnel current low. Gate dielectric may be required.

現在技術に関係しかつ将来技術のスケリーングを考慮すると、ゲート制御ダイオード1330および読出しゲート1340の全キャパシタンスは、一般に、おおよそ1から2フェムトファラッド(fF)である。将来世代の技術では特徴サイズはより小さくなるが、ゲート酸化物厚さはより薄くスケーリングされるので、最終結果として、ゲート・キャパシタンスは依然としてほぼ一定である。ゲート酸化物厚さをスケーリングと共に比例するように減らすことが最早できなくなるある点まで、高いKの誘電体がキャパシタンス値をほぼ同じに保つための選択肢である。そのように、ゲート制御ダイオード1330のキャパシタンスの設計値は、ある期間にわたってほぼ一定であると考えられる。ゲート制御ダイオード1330と読出しゲート1345のキャパシタンスの比が前に示した式(1)、(2)、(3)および(4)で与えられると認められる限り、はるかに小さなキャパシタンス値も使用できる。指摘すべきことであるが、ゲート制御ダイオード・キャパシタンスのより高い値は、漏れおよびソフト・エラーのために、セル電圧を安定化するのに有利であるが、キャパシタンスの値が大きいほど、より大きなセル面積が必要になる。それで、2fFから8fFが、ゲート制御ダイオードおよび読出しゲートの全キャパシタンスの良い範囲である。   Considering current technology and considering future technology scaling, the total capacitance of the gated diode 1330 and the read gate 1340 is typically approximately 1 to 2 femtofarads (fF). In future generations, the feature size will be smaller, but the gate oxide thickness will be scaled thinner, so the net result is that the gate capacitance is still approximately constant. Up to a point where the gate oxide thickness can no longer be reduced proportionally with scaling, a high K dielectric is an option to keep the capacitance values approximately the same. As such, the design value of the capacitance of the gated diode 1330 is considered to be substantially constant over a period of time. Much smaller capacitance values can be used as long as it is recognized that the ratio of the capacitance of gated diode 1330 and read gate 1345 is given by equations (1), (2), (3) and (4) shown above. It should be pointed out that higher values of the gated diode capacitance are advantageous for stabilizing the cell voltage due to leakage and soft errors, but the larger the capacitance value, the larger Cell area is required. So 2fF to 8fF is a good range for the total capacitance of the gated diode and read gate.

セル電圧安定のためにより大きな全キャパシタンスを使用して保持を改善しかつソフト・えらーを減らすことが望ましい場合には、より小さなキャパシタンス比Rcを使用する方がよい。ここで、Rc=Cg_gd/CLである。というのは、ゲート制御ダイオード・オン・キャパシタンスが大きければ大きいほど、ゲート制御ダイオードは、ドライブするための大きなワードライン(WLr)・ドライバを必要とするからである。そのような場合、より小さなキャパシタンス比を使用することで、大きな全キャパシタンスとワードラインをドライブすることの容易さの間の釣り合いがよくなる。一般に、ゲート制御ダイオードのオン・キャパシタンスは4pFより小さくなければならない。データ0の書込みおよび読出しの場合、ゲート制御ダイオード1330は電荷を蓄積しないので、ゲート制御ダイオード1330のソースおよびゲートに供給する必要のある活動状態電流はない。このことは、活動状態電力を節約しかつビットラインおよびワードラインの電圧変動を最小限にするための、ゲート制御ダイオード1330の重要な有利点である。というのは、平均で、データの読出しおよび書込みの50パーセントは0であるから。   If it is desirable to use a larger total capacitance for cell voltage stabilization to improve retention and reduce soft error, it is better to use a smaller capacitance ratio Rc. Here, Rc = Cg_gd / CL. This is because the greater the gated diode on capacitance, the more the gated diode requires a larger wordline (WLr) driver to drive. In such cases, using a smaller capacitance ratio provides a good balance between the large total capacitance and the ease of driving the word line. In general, the on-capacitance of the gated diode should be less than 4 pF. For writing and reading data 0, gated diode 1330 does not accumulate charge, so there is no active current that needs to be supplied to the source and gate of gated diode 1330. This is an important advantage of the gated diode 1330 to save active power and minimize bit line and word line voltage fluctuations. Because, on average, 50 percent of data reads and writes are zero.

保持時間および書込みゲートのサブスレッショルド漏れ制御
ゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300の保持時間は、ゲート制御ダイオード1330のゲートからシリコン本体への、およびゲート・トンネルによるドレインへの全漏れ電流と、書込みゲート1325のソースからドレインおよびドレインから本体を介したサブスレッショルド漏れ電流とによって決定される。セルがデータ1のハイ電圧を蓄えているとき全漏れ電流(I_漏れ)によって電圧が放電されるという点から、セルの保持時間(T_保持)は、ある量の電荷を失う時間で決定される。保持時間が、ハイ電圧のある量V_低下を失うこと、例えば蓄えられた電圧の10パーセントを失うこととして定義される場合、
T_保持=V_低下Cg_gd(オン)/I_漏れ、となる。
Retention Time and Write Gate Subthreshold Leakage Control The retention time of the gated diode memory cell 1300 depends on the total leakage current from the gate of the gated diode 1330 to the silicon body and to the drain through the gate tunnel and the write gate. 1325 source to drain and drain to subthreshold leakage current through the body. The cell hold time (T_hold) is determined by the time it loses a certain amount of charge, since the voltage is discharged by the total leakage current (I_leakage) when the cell is storing a high voltage of data 1. . If the holding time is defined as losing some amount of high voltage V_ drop, eg losing 10 percent of the stored voltage,
T_hold = V_decrease Cg_gd (on) / I_leakage.

一般的に、T_保持が10μs(マイクロ秒)に設定された場合、
V_低下=0.1 V、Cg_gd(オン)=2 fF、および
I_漏れ<V_低下 Cg_gd(オン)/T_保持
=0.1 (2e-15)/10e-6=2e-11=20 pA。
In general, if T_hold is set to 10 μs (microseconds),
V_decrease = 0.1 V, Cg_gd (on) = 2 fF, and
I_leakage <V_decrease Cg_gd (on) / T_hold
= 0.1 (2e-15) / 10e-6 = 2e-11 = 20 pA.

現状のシリコン技術に関係して、そのような小さな漏れ電流を実現するために、書込みゲートの閾値電圧は、標準閾値電圧デバイスよりもおおよそ3〜4デケード大きい必要がある。このことは、ほぼ100mV/デケードの閾値電圧傾斜である場合、ほぼ−0.4Vから−0.3Vの負電圧を選択されないメモリ・セルの書込みゲートのゲートに加えることと同等である。さらに、この漏れ電流要求条件よりもゲート・トンネル電流を小さくするするために、ゲート酸化物厚さは25Åより厚くなければならない。   In order to achieve such a small leakage current in relation to current silicon technology, the threshold voltage of the write gate needs to be approximately 3-4 decades larger than the standard threshold voltage device. This is equivalent to applying a negative voltage of approximately -0.4 V to -0.3 V to the gate of the write gate of the unselected memory cell for a threshold voltage ramp of approximately 100 mV / decade. Furthermore, the gate oxide thickness must be greater than 25 mm in order to reduce the gate tunnel current below this leakage current requirement.

読出しおよび電圧増大の方法
データ1に対応する電圧がゲート制御ダイオード1330のゲートに存在し、かつこの電圧がゲート制御ダイオード1330の閾値電圧よりも高いとき、ゲート・チャネルの反転層に電荷が蓄積される。データ0に対応する電圧がゲートに存在し、かつ電圧がゲート制御ダイオード1330の閾値電圧よりも低いとき、電荷はゲートに全く蓄積されないか、またはほとんど蓄積されない。ゲート・ソース間電圧(Vgs)に対するゲート制御ダイオードのキャパシタンス特性を、図5および6に示す。上で説明したように、Vgsが閾値電圧より低いときキャパシタンスは無視できるほどであり、Vgsが閾値電圧を超えるとき、キャパシタンスはVgsとともに一直線に増加し、特定の値のVgsより上で最大値に落ち着く。Vgsが閾値電圧を超えるとき、ある特定の量の電荷がゲート制御ダイオードに蓄積され、ゲート制御ダイオードはコンデンサとして作用する。Vgsが閾値電圧より低いとき、ゲート制御ダイオード1330は無視できるほどのキャパシタンスである。
Method of reading and voltage increase When a voltage corresponding to data 1 is present at the gate of gated diode 1330 and this voltage is higher than the threshold voltage of gated diode 1330, charge is accumulated in the inversion layer of the gate channel. The When a voltage corresponding to data 0 is present at the gate and the voltage is lower than the threshold voltage of the gated diode 1330, no or little charge is accumulated at the gate. The capacitance characteristics of the gated diode with respect to the gate-source voltage (Vgs) are shown in FIGS. As explained above, the capacitance is negligible when Vgs is below the threshold voltage, and when Vgs exceeds the threshold voltage, the capacitance increases linearly with Vgs and reaches a maximum value above a certain value of Vgs. Calm down. When Vgs exceeds the threshold voltage, a certain amount of charge is stored in the gated diode, which acts as a capacitor. When Vgs is below the threshold voltage, the gated diode 1330 has negligible capacitance.

再び図16、17および18を参照して、読出し動作の場合、読出しワードライン(WLr)1335の電圧は、大きさVBだけ上昇する。データ0に対応する電圧がゲート制御ダイオード1330のゲートに加えられたとき、電圧が閾値電圧より低いので、ゲート制御ダイオードに蓄積される電荷はゼロまたは無視できるほどであり、ゲート制御ダイオード1330の両端間のキャパシタンスは、ゲートとソースの間の周辺および重なりのキャパシタンス(Cg_gd(オフ))である。このキャパシタンスは、ゲートのオン・キャパシタンス(Cg_gd(オン))および周囲漂遊キャパシタンス(C_漂遊)に比べて非常に小さい。WLrが上昇するとき、Cg_gd(オフ)は非常に小さくかつ結合効果が非常に小さいので、ゲート制御ダイオードのゲートの電圧増加は非常に僅かに過ぎない。データ0の結合効果は、ゲート制御ダイオード・キャパシタンス(例えば、ほとんどゼロ)と負荷キャパシタンス(CL)によって形成された電圧分割器から生じ、キャパシタンスCLの方が大きく、例えば、10:1である。キャパシタンスCLは、ゲート制御ダイオード1330のゲートの漂遊キャパシタンスと、接続する線およびデバイスのキャパシタンス、この場合は読出しゲート1345のゲート・キャパシタンスとで構成される。それで、データ0を読み出すゲートの電圧増加は非常に小さく、VB/10の程度である。データ1がメモリ・セル1300に記憶されたとき、相当な量の電荷(Q_蓄積)がゲート制御ダイオード1330に蓄積され、ゲート制御ダイオードの両端間のキャパシタンス(Cg_gd(オン))は大きい。WLr1335の電圧が上昇するとき、この電圧はゲート制御ダイオードのソース電圧と同じ電圧であるが、ゲートの電圧(Vg_gd)は、次式のように増大される。
Vcell_f=VB cc+Vcell_i,cc=Cg_gd/(Cg_gd+CL)、
ここで、ccは、ゲート制御ダイオード・キャパシタンスと接続ノードのキャパシタンスによってゲート制御ダイオード1330のゲートに対して形成された電圧分割器の結合係数であり、Vcell_iはゲート制御ダイオードのゲートの初期セル電圧(Vcell)であり、さらにVcell_fは、WLr1335の電圧が上昇した(「電圧増大」と呼ばれる)後のセル電圧である。
Referring again to FIGS. 16, 17 and 18, in the case of a read operation, the voltage on read word line (WLr) 1335 increases by a magnitude VB. When a voltage corresponding to data 0 is applied to the gate of the gated diode 1330, the voltage is lower than the threshold voltage, so that the charge stored in the gated diode is zero or negligible, The capacitance between is the peripheral and overlap capacitance (Cg_gd (off)) between the gate and source. This capacitance is very small compared to the gate on capacitance (Cg_gd (on)) and the ambient stray capacitance (C_stray). As WLr rises, Cg_gd (off) is very small and the coupling effect is very small, so the voltage increase at the gate of the gated diode is very slight. The data 0 coupling effect results from the voltage divider formed by the gated diode capacitance (eg, almost zero) and the load capacitance (CL), with the capacitance CL being greater, eg, 10: 1. Capacitance CL is comprised of the stray capacitance of the gate of gated diode 1330 and the capacitance of the connected lines and devices, in this case the gate capacitance of read gate 1345. Therefore, the voltage increase of the gate for reading data 0 is very small, about VB / 10. When data 1 is stored in the memory cell 1300, a significant amount of charge (Q_accumulation) is accumulated in the gated diode 1330 and the capacitance across the gated diode (Cg_gd (on)) is large. When the voltage of WLr 1335 rises, this voltage is the same voltage as the source voltage of the gated diode, but the gate voltage (Vg_gd) is increased as:
Vcell_f = VB cc + Vcell_i, cc = Cg_gd / (Cg_gd + CL),
Where cc is the coupling coefficient of the voltage divider formed with respect to the gate of the gated diode 1330 by the gated diode capacitance and the connection node capacitance, and Vcell_i is the initial cell voltage of the gate of the gated diode ( Vcell), and Vcell_f is a cell voltage after the voltage of WLr 1335 increases (referred to as “voltage increase”).

例えば、
Cg_gd(オフ):CL:Cg_gd(オン)=1:10:100
VB=0.8V、VBLH=0.4V、
次の表は、データ0およびデータ1を読み出す場合のゲート制御ダイオードの電圧利得を示し、ここで、利得=(1.13−0.08)/(0.4−0)=2.63である。
For example,
Cg_gd (off): CL: Cg_gd (on) = 1: 10: 100
VB = 0.8V, VBLH = 0.4V,
The following table shows the voltage gain of the gated diode when reading data 0 and data 1, where gain = (1.13-0.08) / (0.4-0) = 2.63. is there.

Figure 0004716736
Figure 0004716736

これによって、データ0の読出しとデータ1の読出しの間に大きな電圧差が生じることになる。実際、上の例では、メモリ・セル1300で約2.6の電圧利得が生じる。ゲート制御ダイオードをコンデンサに取り替えると、0の読出し電圧および1の読出し電圧はそれぞれ0.8Vおよび1.2Vであり、電圧利得はない(すなわち、利得=1)。   This causes a large voltage difference between reading data 0 and reading data 1. In fact, in the above example, a memory cell 1300 produces a voltage gain of about 2.6. When the gated diode is replaced with a capacitor, the read voltage of 0 and the read voltage of 1 are 0.8V and 1.2V, respectively, and there is no voltage gain (ie, gain = 1).

図26は、3T1Dメモリ・セル1300およびセンス増幅器ユニット1710を備えるメモリ部分1700を示す。センス増幅器ユニット1710は、読出し動作中に読出しビットライン(Blr)1310の信号を検出し、かつ増幅し、そして大域ビットライン1711に出力する。書込み動作中に、センス増幅器ユニットは、大域ビットライン1711の信号を、後でゲート制御ダイオード記憶セル1330に書き込むために、書込みビットライン(Blw)1305に送る。図27は、メモリ部分1700を使用するいくつかの例示の波形を示す。これらの図は、以下の説明で使用する。   FIG. 26 shows a memory portion 1700 comprising a 3T1D memory cell 1300 and a sense amplifier unit 1710. The sense amplifier unit 1710 detects and amplifies the signal on the read bit line (Blr) 1310 during a read operation and outputs it to the global bit line 1711. During the write operation, the sense amplifier unit sends the signal on the global bit line 1711 to the write bit line (Blw) 1305 for later writing to the gated diode storage cell 1330. FIG. 27 shows some example waveforms using the memory portion 1700. These figures are used in the following description.

図27は、読出し動作中にセル電圧を増幅する電圧増大と共に、3T1Dメモリ・セル1300の読出し動作を有する方法を示す。図26は、n型ゲート制御ダイオード1330を有するメモリ・セル1300を示す。読出しビットライン(BLr)1310および書込みビットライン(BLw)1305を有する2ポート構成を示すが、図27に示す方法は、単一ポートまたは2より多いポートを有するメモリ・セル1300にも適用できる。メモリ・セル1300に接続された1つの書込みワードライン(WLw)1320および1つの読出しワードライン(WLr)1335がある。メモリ・セル1300は3T1Dメモリ・セルであり、この3T1Dメモリ・セルは、先に詳細に説明したように、ゲート制御ダイオード(gd)1330、読出しゲート(rg)1345、書込みゲート(wg)1325、および読出し選択FET(rs)1340を備える。ビットラインは、入力/出力用のセンス増幅器1710に接続され、このセンス増幅器は一般にメモリ・セルの外にある。読出しワードライン1310および書込みワードライン1305は、一般にメモリ・セルの外にあるワードライン・ドライバ(図示しない)によってドライブされる。   FIG. 27 illustrates a method having a read operation of a 3T1D memory cell 1300 with a voltage increase that amplifies the cell voltage during the read operation. FIG. 26 shows a memory cell 1300 having an n-type gated diode 1330. Although a two-port configuration having a read bit line (BLr) 1310 and a write bit line (BLw) 1305 is shown, the method shown in FIG. 27 is also applicable to a memory cell 1300 having a single port or more than two ports. There is one write word line (WLw) 1320 and one read word line (WLr) 1335 connected to the memory cell 1300. Memory cell 1300 is a 3T1D memory cell, which includes a gated diode (gd) 1330, a read gate (rg) 1345, a write gate (wg) 1325, as described in detail above. And a read selection FET (rs) 1340. The bit line is connected to an input / output sense amplifier 1710, which is generally outside the memory cell. Read wordline 1310 and write wordline 1305 are typically driven by a wordline driver (not shown) that is external to the memory cell.

書込みワードライン(WLw)1320の電圧は、書込み用のセル1330を活動化する制御信号である。ワードライン1320の電圧は、一般に、0ボルト(V)(例えば、GND)と電源電圧(例えば、VDD)の間であり、または、好ましくは、選択されないそのセルのサブスレッショルド漏れ電流を減少させるために、0ボルトの代わりに負電圧が使用される。WLw1320がハイであるとき、これに接続するセル1330が書込みのために活動化される。読出しワードライン(WLr)1335の電圧は、読出し動作のためにゲート制御ダイオード(gd)1330のソースに接続される制御信号である。読出しワードラインWLr1335は、前に詳細に説明したようにゲート制御ダイオード1330の電圧を増大するために使用される。読出しワードラインの電圧は、一般に、0ボルトと電圧増大の大きさのVBの間である。WLr1335のロー電圧は、セルに書き込まれる信号を高めるように僅かに負で、ゲート制御ダイオードの閾値電圧を偏らせることもできる。書込みビットライン(BLw)1305の電圧は、セルに書き込むデータ0(一般に、0Vまたは接地のようなロー電圧)またはデータ1(一般に、VBLHのようなハイ電圧)を伝える信号線である。読出しビットライン(BLr)1310の電圧は、セルの記憶データの読出しで生成された信号を伝える信号線である。読出しビットライン1310は、一般に、ビットライン・ハイ電圧(VBLH)に予め充電され、そして信号検出および出力用のセンス増幅器に接続される。   The voltage on the write word line (WLw) 1320 is a control signal that activates the write cell 1330. The voltage on the word line 1320 is generally between 0 volts (V) (eg, GND) and the power supply voltage (eg, VDD), or preferably to reduce the subthreshold leakage current of the unselected cell. In addition, a negative voltage is used instead of 0 volts. When WLw 1320 is high, the cell 1330 connected to it is activated for writing. The voltage of the read word line (WLr) 1335 is a control signal connected to the source of the gated diode (gd) 1330 for the read operation. Read word line WLr 1335 is used to increase the voltage of gated diode 1330 as described in detail above. The voltage on the read word line is typically between 0 volts and VB, the magnitude of the voltage increase. The low voltage of WLr1335 is slightly negative to increase the signal written to the cell, and can bias the threshold voltage of the gated diode. The voltage of the write bit line (BLw) 1305 is a signal line for transmitting data 0 (generally a low voltage such as 0 V or ground) or data 1 (generally a high voltage such as VBLH) to be written into the cell. The voltage of the read bit line (BLr) 1310 is a signal line for transmitting a signal generated by reading data stored in the cell. Read bitline 1310 is typically precharged to a bitline high voltage (VBLH) and is connected to a sense amplifier for signal detection and output.

WLr1335を使用して、読出し選択FET(rs)1340のゲートを制御して、読出し中にFET1340をビットライン1310に対して使用可能にすることができる。また、読出し選択FET(rs)1340のゲートを制御するために、ゲート制御ダイオード1330のソースを制御するWLrを使用しないで、別の随意の制御線(WLrs)1350を追加することが望ましい。WLr1350がハイであるとき、メモリ・セル1300は、読出し用のビットラインに結合される。このことはWLr1335が行うことである。WLrs1350は、行が選択されないときのFET1340のゲートに加えるための負のロー電圧を有し、このことによって、アレイが活動状態であるとき活動状態のサブスレッショルド漏れ電流が減少するが、その特定の行は選択されない。   WLr 1335 can be used to control the gate of the read select FET (rs) 1340 to enable the FET 1340 for the bit line 1310 during read. It is also desirable to add another optional control line (WLrs) 1350 without using WLr to control the source of the gated diode 1330 to control the gate of the read select FET (rs) 1340. When WLr 1350 is high, memory cell 1300 is coupled to a read bit line. This is what WLr 1335 does. WLrs 1350 has a negative low voltage to apply to the gate of FET 1340 when no row is selected, which reduces the active subthreshold leakage current when the array is active, No row is selected.

図27のこれらの例示の方法および動作は、n型ゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300を含み、読出しビットラインはハイ(VBLH)に予め充電される。この方法は、p型ゲート制御ダイオードにそれ相応に当てはまり、読出しビットラインはロー(GND)に予め充電され、相補的なやり方で動作する。p型動作の詳細は、当業者が決定することができる。   These exemplary methods and operations of FIG. 27 include an n-type gated diode memory cell 1300 and the read bit line is precharged high (VBLH). This method applies correspondingly to p-type gated diodes and the read bit line is precharged low (GND) and operates in a complementary manner. Details of p-type operation can be determined by one skilled in the art.

読出し電圧増大の方法は、3T1Dメモリ・セル1300を動作させるように図27で説明する。図27の右側部分に、動作を説明するように示された時間にわたった6つの電圧がある。第1のグラフは、書込みワードライン(WLr)1320の電圧である。第2のグラフは、読出しワードライン(WLr1335またはWLrs1350)の電圧である。第3のグラフは、記憶セル(Vcell)の電圧である。第4のグラフは、書込みビットライン(BLw)1305の電圧である。第5のグラフは、読出しビットライン(BLr)1310の電圧である。第6のグラフは、センス増幅器出力1711の電圧である。データ0とデータ1の両方を示し、データ0またはデータ1の書込みおよび読出しを図示する。   The method of increasing the read voltage is illustrated in FIG. 27 to operate the 3T1D memory cell 1300. In the right part of FIG. 27, there are six voltages over the time shown to explain the operation. The first graph is the voltage on the write word line (WLr) 1320. The second graph is the voltage on the read word line (WLr1335 or WLrs1350). The third graph is the voltage of the memory cell (Vcell). The fourth graph is the voltage of the write bit line (BLw) 1305. The fifth graph is the voltage of the read bit line (BLr) 1310. The sixth graph is the voltage at the sense amplifier output 1711. Both data 0 and data 1 are shown and the writing and reading of data 0 or data 1 is illustrated.

第1に、(電圧増大されない)「書込み」動作を示す。書込みワードラインは、ハイに活動化され、書込みビットラインのデータ(データ1かデータ0かのどちらか)が、書込みゲートを介してゲート制御ダイオード1330に書き込まれる。選択されないセルでは、サブスレッショルド漏れ電流を減少させるために、ゲートは他のWLw1320で負電圧に接続される。   First, it shows a “write” operation (not increased in voltage). The write word line is activated high and the write bit line data (either data 1 or data 0) is written to the gated diode 1330 via the write gate. In the unselected cell, the gate is connected to a negative voltage at the other WLw 1320 to reduce the subthreshold leakage current.

読出しワードラインWLr1335では、書込み動作中に、選択肢として、小さな負電圧を読出しワードラインに加えることができる。この小さな負電圧は、そのソースが読出しワードライン1335に接続されているゲート制御ダイオードの閾値電圧を下げる効果を有し、セルに書き込まれる信号すなわち電荷を増大する。   For read word line WLr 1335, a small negative voltage can be applied to the read word line as an option during a write operation. This small negative voltage has the effect of lowering the threshold voltage of the gated diode whose source is connected to the read word line 1335 and increases the signal or charge written to the cell.

第2に、「読出し」動作を示す。ゲート制御ダイオード1330のソースに接続された読出しワードライン(WLr)1335が活動化される。先に詳細に説明したように、電圧はVBだけより高く引き上げられて、ゲート制御ダイオード1330にかかる電圧を増大する。セル1300がデータ0を記憶している場合、ゲート制御ダイオード1330のゲートのセル電圧はGNDである。ゲート制御ダイオード1330にはほとんど電荷が無いので、セル電圧は依然としてGNDのままである。GNDにあるセル電圧は、読出しゲート(rg)1345のゲートに現れる。セル電圧は読出しゲート1345の閾値電圧より低いので、その結果、読出しゲートは依然としてオフのままであり、読出しゲート1345を流れる電流は無視できるほどである。ビットライン電圧は依然として変わらないで、予め充電された電圧(VBLH)のハイのままである。セルがデータ1を記憶している場合、電圧増大が利用される前にセル電圧はVBLHである。電圧増大が利用された後で、ゲート制御ダイオード1330のゲートの電圧は「sVB」だけ上昇する。ここで、sは、ゲート制御ダイオードの動作において先に説明したような結合係数である。大きさ(VBLH+sVB)のこの1信号読出しで、大きな電圧利得が実現され、読出しゲート(rg)1345は強くオンになる。そして、FET(rs)1340がオンであるので、ビットライン1310を放電する十分に大きな電流が発生する。ビットライン1310の電圧は接地(GND)の方に向って動き、その時定数は、ビットライン1310のRCおよび読出しゲート電流によって決定される。データ0を読み出す場合、読出しゲートはオフのままであり、ビットラインはハイのままである。データ0(例えば、ビットライン電圧がハイのままである)かデータ1(例えば、ビットライン電圧がローになる)のどちらかに対応するビットライン信号がビットライン1310に生じた後で、センス増幅器が活動化され、対応する信号を大域ビットライン1711に出力する。シングル・エンデッド・ゲート制御ダイオード・センス増幅器のようなシングル・エンデッド・センス増幅器を使用することができる。   Second, a “read” operation is shown. The read word line (WLr) 1335 connected to the source of the gated diode 1330 is activated. As explained in detail above, the voltage is pulled higher by VB to increase the voltage across the gated diode 1330. When cell 1300 stores data 0, the cell voltage at the gate of gated diode 1330 is GND. Since the gate control diode 1330 has almost no charge, the cell voltage remains at GND. The cell voltage at GND appears at the gate of read gate (rg) 1345. Since the cell voltage is lower than the threshold voltage of the read gate 1345, as a result, the read gate is still off and the current through the read gate 1345 is negligible. The bit line voltage remains unchanged and remains the precharged voltage (VBLH) high. If the cell is storing data 1, the cell voltage is VBLH before the voltage increase is utilized. After the voltage increase is utilized, the gate voltage of gated diode 1330 increases by “sVB”. Here, s is a coupling coefficient as described above in the operation of the gated diode. With this one-signal readout of magnitude (VBLH + sVB), a large voltage gain is realized and the readout gate (rg) 1345 is strongly turned on. Since the FET (rs) 1340 is on, a sufficiently large current for discharging the bit line 1310 is generated. The voltage on the bit line 1310 moves towards ground (GND) and its time constant is determined by the RC of the bit line 1310 and the read gate current. When reading data 0, the read gate remains off and the bit line remains high. After a bit line signal corresponding to either data 0 (eg, the bit line voltage remains high) or data 1 (eg, the bit line voltage goes low) is generated on the bit line 1310, the sense amplifier Is activated and outputs a corresponding signal on the global bit line 1711. A single-ended sense amplifier such as a single-ended gated diode sense amplifier can be used.

書込み動作および電圧増大の方法
図28は、書込み動作中にセル電圧を増幅する電圧増大と共に、3T1Dメモリ・セル1300の方法および書込み動作を示す。図26は、n型ゲート制御ダイオード1330を有するメモリ・セルを示す。メモリ・セルの信号および制御についての詳細は、先に説明した。
Write Operation and Voltage Increase Method FIG. 28 illustrates a 3T1D memory cell 1300 method and write operation with voltage increase that amplifies the cell voltage during the write operation. FIG. 26 shows a memory cell having an n-type gated diode 1330. Details of memory cell signals and control have been described above.

書込みワードライン(WLw)1320の電圧は、書込み用のセルを活動化する制御信号である。その電圧は、0ボルト(GND)と電源電圧(VDD)の間であるか、または好ましくは、選択されないそのセル1300のサブスレッショルド漏れ電流を減少させるために、0ボルトの代わりに負電圧が使用される。WLw1320がハイであるとき、これに接続するセル1300が書込みのために活動化される。書込みビットライン(BLw)1305の電圧は、セルに書き込むデータ0またはデータ1を伝える信号線である。読出しビットライン(BLr)1310の電圧は、セルの記憶データの読出しで生成された信号を伝える信号線である。読出しビットライン(BLr)1310は、ビットライン・ハイ電圧(VBLH)に予め充電され、そして信号検出および出力用のセンス増幅器に接続される。WLr1335を使用して、読出し選択FET(rs)1340のゲートを制御して、読出し中にFET1340をビットライン1310に結合することができる。上で説明したように、また、読出し選択FET(rs)1340のゲートを制御するために、ゲート制御ダイオード1330のソースを制御するWLr1335を使用しないで、別の随意の制御線(WLrs)1350を追加することが望ましい。WLrs1350がハイであるとき、メモリ・セル1300は、WLr1335が行うように、読出し用のビットライン1310に結合される。WLr1350は、行が選択されないときFET1340のゲートに一般に加えられる負のロー電圧を有する。というのは、これによって、アレイが活動状態であるとき活動状態のサブスレッショルド漏れ電流が減少するからである。しかし、その特定の行は選択されない。   The voltage of the write word line (WLw) 1320 is a control signal that activates the write cell. The voltage is between 0 volts (GND) and the power supply voltage (VDD) or preferably a negative voltage is used instead of 0 volts to reduce the subthreshold leakage current of the unselected cell 1300. Is done. When WLw 1320 is high, the cell 1300 connected to it is activated for writing. The voltage of the write bit line (BLw) 1305 is a signal line for transmitting data 0 or data 1 to be written to the cell. The voltage of the read bit line (BLr) 1310 is a signal line for transmitting a signal generated by reading data stored in the cell. The read bit line (BLr) 1310 is precharged to the bit line high voltage (VBLH) and is connected to a sense amplifier for signal detection and output. WLr 1335 can be used to control the gate of read select FET (rs) 1340 to couple FET 1340 to bit line 1310 during read. As described above, another optional control line (WLrs) 1350 is also used to control the gate of the read select FET (rs) 1340 without using WLr 1335 which controls the source of the gated diode 1330. It is desirable to add. When WLrs 1350 is high, the memory cell 1300 is coupled to the read bit line 1310 as WLr 1335 does. WLr 1350 has a negative low voltage that is typically applied to the gate of FET 1340 when no row is selected. This is because active subthreshold leakage current is reduced when the array is active. However, that particular row is not selected.

電圧増大を有する書込み動作の方法(図28)では、読出し動作(図27)と比べて、制御信号の使用が僅かに違っている。WLrを使用する代わりに、第2の追加の書込みワードライン(WLw2)が、ゲート・ダイオードのソースをドライブするように接続される(例えば、WLw2はWLr1335と同じ線であるがWLw2はWLrとは違ったやり方で使用される)。この書込みワードラインWLw2は、ゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300に蓄えられた電圧を増大し増幅するために使用され、その結果、遥かにより大きな信号がセルに記憶されるようになる。蓄えられる電圧がより大きいことで電圧安定性が向上して、より長いデータ保持特性、および放射によるソフト・エラーに対する耐性が得られるようになる。   In the method of the write operation having the voltage increase (FIG. 28), the use of the control signal is slightly different from the read operation (FIG. 27). Instead of using WLr, a second additional write word line (WLw2) is connected to drive the source of the gate diode (eg, WLw2 is the same line as WLr1335, but WLw2 is WLr) Used in a different way). This write word line WLw2 is used to increase and amplify the voltage stored in the gated diode memory cell 1300 so that a much larger signal is stored in the cell. A larger stored voltage improves voltage stability and provides longer data retention characteristics and resistance to soft errors due to radiation.

図28のこの例示の方法および動作は、n型ゲート制御ダイオード・メモリ・セルを含み、読出しビットライン1310はハイ(VBLH)に予め充電される。この方法は、p型ゲート制御ダイオードにそれ相応に当てはまり、読出しビットラインはロー(GND)に予め充電されて、相補的なやり方で動作する。そして、そのような動作は、当然、当業者が決定することができる。   This exemplary method and operation of FIG. 28 includes an n-type gated diode memory cell and the read bit line 1310 is precharged high (VBLH). This method applies correspondingly to p-type gated diodes and the read bit line is precharged low (GND) and operates in a complementary manner. Such an operation can naturally be determined by those skilled in the art.

3T1Dメモリ・セル1300を動作させる書込み電圧増大方法は説明した。書込み動作中に、書込みワードラインWLw21335は、サイクルの初めに大きさVBだけ下がる。書込みビットライン(WLw)1320のデータ0または1に対応する電圧が、ゲート制御ダイオード1330のゲートに書き込まれる。セルに書き込まれた電圧は、データ0の0ボルトか、データ1のVBLHかのどちらかである。そのとき、書込みワードラインWLw2は大きさVBだけより高く上昇し、それで、書込みワードラインWLw2の電圧は書込み前のサイクルに戻る。WLw2のこの上昇の結果として、ゲート制御ダイオード1330のゲートのセルに蓄えられた電圧は、大きさ「sVB」だけより大きく増大される。セルの最終電圧はおおよそ(VBLH+sVB)である。書込みゲートのソース電圧と同じであるゲート制御ダイオードのゲート電圧が上昇するとき、書込みゲート1320は自動的に切断される。というのは、ソース電圧が、ゲート電圧に閾値電圧を加えたものより高いからである。書込みゲートがオフなので、そのような電圧上昇で、ビットライン1305に活動状態電流または外乱は生じない。データが0の場合、ゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300にはほとんど電荷が無く、セルの電圧はGNDにとどまっており、書込みゲート1320はオンのままになっている。また、書込みゲートを流れる活動状態電流の流れも無く、低電力動作にとって有利である。   A method for increasing the write voltage for operating the 3T1D memory cell 1300 has been described. During a write operation, the write word line WLw21335 drops by a magnitude VB at the beginning of the cycle. A voltage corresponding to data 0 or 1 of the write bit line (WLw) 1320 is written to the gate of the gate control diode 1330. The voltage written to the cell is either 0 volts for data 0 or VBLH for data 1. At that time, the write word line WLw2 rises higher than the magnitude VB, so that the voltage of the write word line WLw2 returns to the cycle before writing. As a result of this increase in WLw2, the voltage stored in the cell at the gate of the gated diode 1330 is increased by a magnitude “sVB” more than. The final voltage of the cell is approximately (VBLH + sVB). When the gate voltage of the gated diode rises, which is the same as the source voltage of the write gate, the write gate 1320 is automatically disconnected. This is because the source voltage is higher than the gate voltage plus the threshold voltage. Since the write gate is off, such a voltage rise will not cause an active current or disturbance in the bit line 1305. If the data is 0, the gated diode memory cell 1300 has little charge, the cell voltage remains at GND, and the write gate 1320 remains on. There is also no active current flow through the write gate, which is advantageous for low power operation.

書込み動作後、ゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300に蓄えられた電圧は、サイクルの初めにセルに書き込まれた元の電圧(VBLH)よりも遥かに大きい。電圧利得のメカニズムおよび利得の大きさは先に詳細に説明した。ビットライン活動状態電流および電力が、ビットラインにより高い電圧を加えることによるものに比べて、およびそのような電圧がメモリ・セル1300に書き込むように使用されるときに比べてはるかに小さい(一般に、約50%)ことが、書込み動作中のこの電圧増大の有利点である。この方法およびセル構造を使用して書込み動作中に電圧利得が実現され、このことが、他のDRAMセル、SRAMセルおよび利得セルとこのメモリ・セル1300およびその使用方法を識別している。セルに書き込まれる電圧がビットライン電圧(VBLH)よりも高く、一般に約2倍以上であることで、セル電圧安定性、データ保持、および放射によるソフト・エラーに対する耐性が高められる。   After the write operation, the voltage stored in the gated diode memory cell 1300 is much greater than the original voltage (VBLH) written to the cell at the beginning of the cycle. The voltage gain mechanism and gain magnitude have been described in detail above. The bit line active current and power are much smaller than that by applying a higher voltage to the bit line and when such a voltage is used to write to the memory cell 1300 (in general, (About 50%) is the advantage of this voltage increase during the write operation. Using this method and cell structure, voltage gain is achieved during a write operation, which distinguishes the other DRAM cells, SRAM cells and gain cells from this memory cell 1300 and how it is used. The voltage written to the cell is higher than the bit line voltage (VBLH) and is generally about twice or more, thereby enhancing cell voltage stability, data retention, and resistance to soft errors due to radiation.

読出し動作中に、読出しワードラインWLr1340が活動化されたとき、データ1の大きな電圧によって、読出しゲート1345が強くオンする。読出し選択FET(rs)1340がオンするとき、ビットライン1310を放電するように十分に大きな電流が発生する。ビットライン電圧は接地(GND)の方に向かって動き、その時定数は、ビットライン1310のRCおよび読出しゲート電流によって決定される。データ0の読出しでは、読出しゲートはオフのままであり、ビットラインはハイにとどまっている。データ0(例えば、ビットライン電圧がハイのままである)か、データ1(例えば、ビットライン電圧がローに移る)かのどちらかに対応するビットライン信号がビットライン1310に発生した後で、センス増幅器は活動化され、対応する信号を大域ビットライン1711に出力する。   During the read operation, when the read word line WLr 1340 is activated, the read gate 1345 is strongly turned on by the large voltage of the data 1. When the read select FET (rs) 1340 is turned on, a sufficiently large current is generated to discharge the bit line 1310. The bit line voltage moves towards ground (GND) and its time constant is determined by the RC of the bit line 1310 and the read gate current. In reading data 0, the read gate remains off and the bit line remains high. After a bit line signal corresponding to either data 0 (eg, bit line voltage remains high) or data 1 (eg, bit line voltage goes low) is generated on bit line 1310, The sense amplifier is activated and outputs a corresponding signal on the global bit line 1711.

3T1Dメモリ・セル構造
1.ゲート制御ダイオードの平板状実現
本開示で先に詳細に説明したように、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルは、ゲートとソースだけに接続のある状態で、FETの「半分」の最も簡単な形で実現することができる。平板状ゲート制御ダイオードの場合、データ1がセルに書き込まれたとき、データ1の信号をセルにハイとして得るためには、非常に小さなVtまたはゼロVtのデバイスが有利である(Vt_gd〜0)。低レベルのドーパントのn型FETまたは空乏化されたn型FETの実現を、ゲート制御ダイオードとして選ぶことができる。図29は、n型ゲート制御ダイオードを使用してバルク・シリコンで実現された例示の3T1Dメモリ・セル1900の断面を示す。
3T1D memory cell structure Gated diode planarization As explained in detail earlier in this disclosure, a gated diode memory cell is the simplest form of a FET "half" with only the gate and source connected. Can be realized. For a planar gated diode, a very small Vt or zero Vt device is advantageous (Vt_gd˜0) to get the data 1 signal high to the cell when data 1 is written to the cell. . Realization of low level dopant n-type FETs or depleted n-type FETs can be chosen as gated diodes. FIG. 29 shows a cross section of an exemplary 3T1D memory cell 1900 implemented in bulk silicon using an n-type gated diode.

3T1Dメモリ・セル1900は、1つまたは複数のビットライン1905、接地1910、2個の接地金属コンタクト1911および1912を備え、大域接地線が2セルごとから16セルごとにビットラインと平行して走っており(図では、接地線はビットラインの後ろにある)、さらに、読出しビットライン(BLr)1915とこれの金属コンタクト1916および1917、書込みワードライン(WLw)1920とこれの金属コンタクト1921、書込みビットライン(BLw)1925とこれの金属コンタクト1926および1927、ドレイン拡散領域1975、ゲート1978、ゲート絶縁物1983、ソース拡散領域1970、MCBar金属コンタクト1991、浅いトレンチ分離(STI)領域1965、ポリシリコン・ゲート1994、金属コンタクト1933および1940を有する読出しワードライン(WLr)1945、STI領域1950および1953、pウェル1992、随意のn分離帯域1955、p基板1960、および絶縁層1930を備える。ゲート制御ダイオード1904は、ゲート1904およびゲート絶縁物1990およびソース(図示しない)で形成される。ゲート制御ダイオード1904のソースは、金属コンタクト1933を介してWLr1945に結合されている。部分1992は、ゲート絶縁物1990とゲート絶縁物1993を分離する。一般に、部分1992は、ゲート1994からのポリシリコンで埋められるかもしれない。   The 3T1D memory cell 1900 includes one or more bit lines 1905, ground 1910, two ground metal contacts 1911 and 1912, and a global ground line runs parallel to the bit line every 2 to 16 cells. (In the figure, the ground line is behind the bit line), read bit line (BLr) 1915 and its metal contacts 1916 and 1917, write word line (WLw) 1920 and its metal contact 1921, write Bit line (BLw) 1925 and its metal contacts 1926 and 1927, drain diffusion region 1975, gate 1978, gate insulator 1983, source diffusion region 1970, MCBar metal contact 1991, shallow trench isolation (STI) region 1965, polysilicon Down gate 1994, and a read word line (WLr) 1945, STI regions 1950 and 1953, p-well 1992, optional n separation zone 1955, p substrate 1960 and insulating layer 1930, which has metal contacts 1933 and 1940. The gated diode 1904 is formed of a gate 1904, a gate insulator 1990, and a source (not shown). The source of gated diode 1904 is coupled to WLr 1945 through metal contact 1933. Portion 1992 separates gate insulator 1990 and gate insulator 1993. In general, portion 1992 may be filled with polysilicon from gate 1994.

書込みFET1901は、ゲート1978、ゲート絶縁物1983、およびソース/ドレイン拡散領域1970、1975で形成され、金属コンタクト1921を介してWLw線1920に接続されている。読出し選択FET1902は、ゲート1994の前に形成され、一方で、読出しFET1903はゲート1994の後ろに形成されている。読出し選択FET1902のソース(図示しない)は、読出しFET1903(ゲート1994の後ろに示す)のドレイン(図示しない)に接続されている。読出し選択FET1902のドレイン(図示しない)は、ゲート1904の前にあり、読出し選択FET1902のFETチャネル(図示しない)はページに向かって入っている。読出しFET1903のソース(図示しない)は、金属コンタクト1912を介してGND線1910(ゲート1994の後ろ)に接続されている。読出しFET1903のゲート(図示しない)はゲート1994の後ろにあり、そのFETチャネル(図示しない)はページに向かって入っている。MCBar1991は、ソース拡散領域1970を読出しFET1903のゲートに接続する。ゲート1983、ゲート1994、および読出しFET1903および読出し選択FETのゲート(図示しない)は、一般に、高濃度にドープされた(例えば、N+)ポリシリコンで作られている。この例では、書込み線WLr1933および制御線WLrs1940は組み合わされている。   The write FET 1901 is formed by a gate 1978, a gate insulator 1983, and source / drain diffusion regions 1970 and 1975, and is connected to the WLw line 1920 via a metal contact 1921. The read select FET 1902 is formed before the gate 1994, while the read FET 1903 is formed behind the gate 1994. The source (not shown) of the read selection FET 1902 is connected to the drain (not shown) of the read FET 1903 (shown after the gate 1994). The drain (not shown) of the read select FET 1902 is in front of the gate 1904, and the FET channel (not shown) of the read select FET 1902 enters toward the page. The source (not shown) of the read FET 1903 is connected to the GND line 1910 (behind the gate 1994) through a metal contact 1912. The gate (not shown) of the read FET 1903 is behind the gate 1994, and its FET channel (not shown) enters toward the page. MCBar 1991 connects the source diffusion region 1970 to the gate of the read FET 1903. Gate 1983, gate 1994, and gates of read FET 1903 and read select FET (not shown) are generally made of heavily doped (eg, N +) polysilicon. In this example, the write line WLr 1933 and the control line WLrs 1940 are combined.

図29に示すように、ソース拡散領域1975は、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルの書込みゲートの一部として形成され、2個のゲート制御ダイオード・メモリ・セルの書込みゲートの間で共有されるかもしれない(例えば、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルの一方の書込みゲートは、ゲート1978、ゲート絶縁物1983、ソース拡散領域1975、その他で形成され、別のゲート制御ダイオード・メモリ・セルの他方の書込みゲートは、ゲート2521、ゲート絶縁物2583、ソース拡散領域1975、書込みワードライン2520、金属コンタクト2527、およびドレイン拡散領域2570で形成される)。この構造によって、互いに隣り合って実現された2個の隣接したゲート制御ダイオード・メモリ・セルは、同じビットライン(BLw)に結合されることもあるソース拡散領域1975を共有することができるようになり、さらにシリコン面積が減少される。   As shown in FIG. 29, a source diffusion region 1975 is formed as part of the gated diode memory cell write gate and may be shared between the write gates of the two gated diode memory cells. (Eg, one write gate of a gated diode memory cell is formed by gate 1978, gate insulator 1983, source diffusion region 1975, etc., and the other write gate of another gated diode memory cell is The gate is formed by gate 2521, gate insulator 2583, source diffusion region 1975, write word line 2520, metal contact 2527, and drain diffusion region 2570). This structure allows two adjacent gated diode memory cells implemented next to each other to share a source diffusion region 1975 that may be coupled to the same bit line (BLw). Further, the silicon area is reduced.

図30は、n型ゲート制御ダイオードを使用してSOIで実現された例示の3T1Dメモリ・セルの断面を示す。3T1Dメモリ・セル2000は、上で図30に示した構造を備えるが、絶縁物2060の上に形成されている。   FIG. 30 shows a cross section of an exemplary 3T1D memory cell implemented in SOI using an n-type gated diode. The 3T1D memory cell 2000 comprises the structure shown above in FIG. 30, but is formed on an insulator 2060.

2.ゲート制御ダイオードのトレンチ実現
図31は、上で図29に示した構造で構成された例示の3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セル2100を示す。さらに、ゲート制御ダイオード・メモリ・セル2100は、浅いトレンチの形で実現されたゲート制御ダイオード1904を有し、そのゲートは、薄い酸化物2190で囲繞されシリコン1950でその下を隔てられた円柱状ポリシリコン・トレンチ2110で形成されている。理解すべきことであるが、ポリシリコン・トレンチは任意の断面形状を有すことができ、例示の円柱状実現に限定されない。ポリシリコン・トレンチの隣のシリコン表面の領域は、ゲート制御ダイオードのソース拡散を形成するようにより高濃度にドープされており、ポリシリコン・トレンチがゲートである。この実現は、ゲート制御ダイオードのための表面領域が比較的小さく、かつ比較的大きなキャパシタンス(Cg_gd)を生成して、データ保持および、ソフト・エラー率(SER)に対する保護の改善のために、深いところに限定された電荷転送領域で動作することができる(Rc>10〜100)という有利点を有する。このためには、プレーナ技術に加えて技術開発が必要であり、さらに標準プレーナ・シリコン技術において埋込みメモリ用の追加の処理ステップが必要である。
2. Gated Diode Trench Realization FIG. 31 illustrates an exemplary 3T1D gated diode memory cell 2100 configured with the structure shown above in FIG. In addition, the gated diode memory cell 2100 has a gated diode 1904 implemented in the form of a shallow trench, the gate of which is a cylindrical shape surrounded by a thin oxide 2190 and separated by silicon 1950. A polysilicon trench 2110 is formed. It should be understood that the polysilicon trench can have any cross-sectional shape and is not limited to the illustrated cylindrical realization. The region on the silicon surface next to the polysilicon trench is more heavily doped to form the source diffusion of the gated diode, with the polysilicon trench being the gate. This implementation creates a relatively small surface area for the gated diode and produces a relatively large capacitance (Cg_gd), deep for data retention and improved protection against soft error rate (SER). However, it has the advantage that it can operate in a limited charge transfer region (Rc> 10-100). This requires technological development in addition to planar technology, and additional processing steps for embedded memory in standard planar silicon technology.

図32は、図31で使用されたトレンチ・ゲート制御ダイオード構造の側面断面を示す。他のゲートは、薄い酸化物2290で囲繞されシリコン1950でその下を隔てられた円柱状ポリシリコン・トレンチ2210で形成されている。ソース拡散領域2220は、ゲート制御ダイオードの一部として形成され、2個のゲート制御ダイオードで共有されている(1つは、ゲート1994、ゲート絶縁物2190および1990、ポリシリコン・トレンチ2110、およびソース拡散領域2220で形成され、他方は、ゲート2294、ゲート絶縁物2290および2291、ポリシリコン・トレンチ2210、およびソース拡散2220で形成されている)。STI領域2230および2240は、ゲート制御ダイオードを半導体上の他のデバイスから分離している。この例では、「ゲート」は、キャップ部分1994およびトレンチ部分2110を含む。図32の構造によって、同じワードライン(WLr)に結合されることもあるソース拡散領域を共有して、互いに隣接し合って実現された2個の隣接したゲート制御ダイオードが可能になり、さらにシリコン面積が減少される。   FIG. 32 shows a side cross-section of the trench gated diode structure used in FIG. The other gate is formed by a cylindrical polysilicon trench 2210 surrounded by a thin oxide 2290 and separated by silicon 1950. Source diffusion region 2220 is formed as part of the gated diode and is shared by the two gated diodes (one is gate 1994, gate insulator 2190 and 1990, polysilicon trench 2110, and source Formed by diffusion region 2220, the other being formed by gate 2294, gate insulators 2290 and 2291, polysilicon trench 2210, and source diffusion 2220). STI regions 2230 and 2240 isolate the gated diode from other devices on the semiconductor. In this example, the “gate” includes a cap portion 1994 and a trench portion 2110. The structure of FIG. 32 allows two adjacent gated diodes implemented adjacent to each other, sharing a source diffusion region that may be coupled to the same word line (WLr), and silicon The area is reduced.

図29〜32において、ビットラインおよびGND線は、一般的な技術の第2の金属(M2)と平行に走っている。ワードラインは、一般的な技術の第1の金属(M1)のビットラインに対して直交して走っている。1つのビットラインが読出しと書込みの両方に使用される単一ポート・メモリ・セルか、またはデュアル・ポート・メモリ・セルかどちらでも、図示の構造で実現することができる。図示の金属線M1とM2および金属コンタクトは、例示の配列であり、さらに、図示の3個のトランジスタとゲート制御ダイオードの下層シリコン構造は、プレーナ・バルクおよびSOIシリコン技術、トレンチ・シリコン技術の3T1Dメモリ・セルの基本的な動作原理を説明するための配列であり、p型デバイスまたは配列の同等構造のような3T1Dの他の構造を、当業者は考え出すことができる。   29-32, the bit line and the GND line run parallel to the second metal (M2) of the common technology. The word line runs orthogonal to the bit line of the first metal (M1) of common technology. Either a single port memory cell where a single bit line is used for both reading and writing, or a dual port memory cell can be implemented with the structure shown. The metal lines M1 and M2 and metal contacts shown are exemplary arrangements, and the underlying silicon structures of the three transistors and gated diodes shown are planar bulk and SOI silicon technology, 3T1D of trench silicon technology. Those skilled in the art can conceive other structures of 3T1D, such as a p-type device or an equivalent structure of an array, to explain the basic operating principle of a memory cell.

3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・アレイ
図33は、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルを2次元アレイに配置して形成された複数のゲート制御ダイオード・メモリ・セル2310−11から2310−NMを示し、書込みワードライン(ドライバ2320−1Aから2320−NAに結合される)および読出しワードライン(ドライバ2320−1Bから2320−NBに結合される)は、1つの方向例えば水平方向に平行して走り、そして、書込みビットライン2330−1から2330−M、読出しビットライン2340−1から2340−M、および接地(GND)線2350−1から2350−M/2は、直交して例えば垂直方向に走っている。ビットラインとワードラインの交点が、メモリ・セルの位置、すなわちデータ記憶のビットを定める。その上、書込みビットライン・ドライバ2350−1から2350−Mおよび読出しビットライン・センス増幅器2360−1および2360−Mが使用される。留意すべきことであるが、読出しビットライン2340は一般に読出し動作時に事前充電されるので、図の「BLPC」は、ビットライン事前充電を意味し、「SA」は、読出し動作時に読出しビットライン(BLr)の信号を検出するために使用される「センス増幅器」を表す。
3T1D gated diode memory array FIG. 33 shows a plurality of gated diode memory cells 2310-11 to 2310-NM formed by arranging gated diode memory cells in a two-dimensional array and writing The word line (coupled to drivers 2320-1A to 2320-NA) and the read word line (coupled to drivers 2320-1B to 2320-NB) run in one direction, eg, parallel to the horizontal, and Write bit lines 2330-1 to 2330-M, read bit lines 2340-1 to 2340-M, and ground (GND) lines 2350-1 to 2350-M / 2 run orthogonally, for example, in the vertical direction. The intersection of the bit line and the word line defines the location of the memory cell, ie the bit of data storage. In addition, write bitline drivers 2350-1 to 2350-M and read bitline sense amplifiers 2360-1 and 2360-M are used. It should be noted that since read bit line 2340 is generally precharged during a read operation, “BLPC” in the figure means bit line precharge and “SA” is a read bit line ( BLr) represents a “sense amplifier” used to detect the signal.

図34は、書込み電圧増大が使用されるときの同じ構造を示す。ゲート制御ダイオードのソースに接続する1つの追加のワードライン(WLw2)2420−1Cから2420−NCが行ごとに付け加えられて、書込み動作中に電圧増大を実現する。この動作方法の下では、ワードライン制御信号WLw22420−XC(X=1、…、N)が、ゲート制御ダイオードのソースへの他の制御信号WLrの接続に取って代わっている。さらに、WLrs線/ドライバ2420−1Bから2420−NBが読出し選択FETのゲートに結合され、一方で、WLw線/ドライバ2320−1Aから2320−NAが書込みFETに結合されている。   FIG. 34 shows the same structure when write voltage increase is used. One additional word line (WLw2) 2420-1C to 2420-NC connecting to the source of the gated diode is added for each row to achieve a voltage increase during the write operation. Under this method of operation, the word line control signal WLw22420-XC (X = 1,..., N) replaces the connection of the other control signal WLr to the source of the gated diode. In addition, WLrs lines / drivers 2420-1B to 2420-NB are coupled to the gate of the read select FET, while WLw lines / drivers 2320-1A to 2320-NA are coupled to the write FET.

図35は、図33のアレイを示し、ただ、接地線2350−1から2350−M/8は、そのように多くの(この例では、8)ビット全てで共有されている。接地線は、8個のメモリ・セルのグループごとに、局部的に、図では水平方向で、ビットラインに平行に走っている大域接地線に接続されている。   FIG. 35 shows the array of FIG. 33, except that ground lines 2350-1 to 2350-M / 8 are shared by all such many (8 in this example) bits. The ground line is connected to a global ground line that runs parallel to the bit line, locally in the figure, horizontally for each group of eight memory cells.

図33〜35において、読出しおよび書込みビットラインは、セルの列ごとに読出し用と書込み用の異なるビットラインとして分離することができ、これによって、デュアル・ポート読出し/書込み動作が可能になる。デュアル・ポート動作では、より高い読出し/書込みデータ処理能力またはより短い読出し/書込みサイクル時間を達成するように、読出し動作と書込み動作をある程度まで重ねることができる。読出し/書込みビットラインは、また、セルの列ごとに単一ビットラインに組み合わせることもできる。これが単一ポート読出し/書込み動作である。単一ポート動作では、読出し動作と書込み動作を重ねることができない。単一ポートの場合には1本のビットラインおよび1本のワードラインとしてであるが、デュアル・ポート・メモリ・セルの場合には、2本のビットラインと2本のワードラインがメモリ・セルの単一ビットを通過する。   33-35, the read and write bit lines can be separated as different bit lines for reading and writing for each column of cells, thereby enabling dual port read / write operations. In dual port operation, read and write operations can be overlapped to some extent to achieve higher read / write data throughput or shorter read / write cycle times. The read / write bit lines can also be combined into a single bit line for each column of cells. This is a single port read / write operation. In the single port operation, the read operation and the write operation cannot be overlapped. In the case of a single port, as one bit line and one word line, but in the case of a dual port memory cell, two bit lines and two word lines are the memory cell. Pass through a single bit.

各水平読出しまたは書込みワードラインは、多くのメモリ・セル(比較的小さな高速アレイでは一般に64から256セルであり、非常に高密度のアレイでは、ある場合には1024セル)をドライブし、各ビットライン(読出し/書込み)は垂直方向に走り、一般に128〜256個のセルに接続する。水平ワードラインおよび垂直ビットラインがメモリ・アレイを形成する。ワードラインおよびビットラインは長い線であるので、ワードライン負荷およびRC遅延に対処するように、そのように適切なワードライン・ドライバを設計しなければならない。また、タイミングの目的を達成するために、読出し、書込み動作中に、ビットラインをドライブする十分な電流を供給するように、適切な設計を使用しなればならない。   Each horizontal read or write word line drives many memory cells (typically 64 to 256 cells in relatively small high speed arrays, and in some cases 1024 cells in very high density arrays), each bit Lines (read / write) run vertically and generally connect to 128-256 cells. Horizontal word lines and vertical bit lines form a memory array. Since wordlines and bitlines are long lines, such appropriate wordline drivers must be designed to handle wordline loads and RC delays. Also, to achieve the timing objective, an appropriate design must be used to supply sufficient current to drive the bit lines during read and write operations.

各ビットラインは、シングルエンデッド・センス増幅器に接続される。本出願と同じ日に出願されたルーク(Luk)その他の「ゲート制御ダイオードを使用する増幅器(AMPLIFIERS USING GATED DIODE)」という名称の米国特許出願番号第XX/XXX,XXX号に記載されているように、ゲート制御ダイオードに基づいた例示の高速センス増幅器を使用することができる。この出願の開示は、既に参照して組み込まれた。書込み動作で、センス増幅器は、データ0およびデータ1に対して、それぞれ電圧0ボルトおよびVBLHをメモリ・セル1300に書き込む。読出し動作の前に、各ビットラインはVBLHに予め充電される。p型ゲート制御ダイオード1330が使用される相補動作モードの場合、ビットラインはGNDに予め充電される。n型ゲート制御ダイオードでは、読出し動作中に、データ0の場合、ビットラインはハイ(VBLH)にとどまり、したがってセンス増幅器は切り換わらない。データ1を読み出すとき、ビットライン電圧は放電して接地に向い、ビットライン上に信号が発生してからある時間間隔の後で、信号増幅器が活動化され、信号増幅器はビットライン信号を検出し、データ0かデータ1かどちらかに対応する値が出力される。   Each bit line is connected to a single-ended sense amplifier. As described in Luk et al., US Patent Application No. XX / XXX, XXX, entitled “AMPLIFIERS USING GATED DIODE” filed on the same day as this application. In addition, an exemplary high speed sense amplifier based on a gated diode can be used. The disclosure of this application has already been incorporated by reference. In a write operation, the sense amplifier writes voltages 0 volts and VBLH to memory cell 1300 for data 0 and data 1, respectively. Prior to the read operation, each bit line is precharged to VBLH. In the complementary mode of operation where a p-type gated diode 1330 is used, the bit line is precharged to GND. For an n-type gated diode, during a read operation, for a data 0, the bit line remains high (VBLH) and therefore the sense amplifier does not switch. When reading data 1, the bit line voltage is discharged and goes to ground, and after a certain time interval after the signal is generated on the bit line, the signal amplifier is activated and the signal amplifier detects the bit line signal. , A value corresponding to either data 0 or data 1 is output.

選択されないそんなメモリ・セルに接続された書込みワードラインに関して、読出しまたは書込みに選択されないそんなセルの書込みゲート1325が、閾値電圧に関して数デケード小さいことと同等な負のゲート電圧を、したがって負のゲート・ソース間電圧(Vgs)を有するように、負電圧(VWLL)をワードラインに加えて、書込みゲート1345のサブスレッショルド電流を減少し、したがってセルの保持を非常に高めることができる。   For a write word line connected to such a memory cell that is not selected, the write gate 1325 of such a cell that is not selected for read or write has a negative gate voltage equivalent to a few decades less with respect to the threshold voltage, and thus a negative gate. A negative voltage (VWLL) can be applied to the word line to have a source-to-source voltage (Vgs) to reduce the subthreshold current of the write gate 1345 and thus greatly increase cell retention.

読出しワードラインWLr1335に関して、書込み動作中に読出しワードラインに小さな負電圧を加えることができる。このことは、そのソースが読出しワードライン1335に接続されているゲート制御ダイオード1330の閾値電圧を下げる効果を有し、セルに書き込まれる信号すなわち電荷を増大させる。   For read word line WLr 1335, a small negative voltage can be applied to the read word line during a write operation. This has the effect of lowering the threshold voltage of the gated diode 1330 whose source is connected to the read word line 1335, increasing the signal or charge written to the cell.

現在の技術状態に関係して、電源電圧VDDは約0.8から1.2であり、従来のDRAMおよびSRAMでは、利得セル、ビットライン電圧および振幅はVDDに密接に関係している。ゲート制御ダイオード・メモリ・セル1300の読出しおよび書込み電圧増大方法によって、セルに加えるためにVDD電圧の約半分が必要であり、したがって、電力および結合雑音が減少する。そのように一般に、VBLHは0.4から0.5Vである。メモリ・セル1300の電圧増大および電圧利得特性は、書込みまたは読出し中にセル信号を増大して、従来のメモリ・セルに比べて、より大きな信号対雑音マージン、より速いセル速度を実現することができる。ビットライン電圧を約半分に減らすことで、活動状態の電力はほぼ50パーセント減少する。   In relation to the current state of the art, the power supply voltage VDD is about 0.8 to 1.2, and in conventional DRAMs and SRAMs, the gain cell, bit line voltage and amplitude are closely related to VDD. The read and write voltage increase method of gated diode memory cell 1300 requires about half of the VDD voltage to apply to the cell, thus reducing power and coupling noise. As such, VBLH is typically between 0.4 and 0.5V. The voltage increase and voltage gain characteristics of the memory cell 1300 can increase the cell signal during writing or reading to achieve a larger signal-to-noise margin and faster cell speed compared to conventional memory cells. it can. By reducing the bit line voltage by approximately half, the active power is reduced by almost 50 percent.

さらに、従来のメモリよりも低いビットライン電圧のために、ワードライン電圧は遥かに小さくすることができる。その理由は、より高いビットライン電圧をセルに書き込むためにワードライン電圧増大が必要でないからである。従来のDRAMで必要とされた非常に高い(約50〜75パーセント高い)ワードライン電圧に比べて、一般に使用されるワードライン電圧(VWLH)はVDDと同じである。このことによって、ワードライン電圧方式は簡単になり、ワードライン・ドライバの複雑さおよびワードライン・ドライバの活動状態電力が非常に減少する。ゲート制御ダイオード・メモリ・セルのワードライン・ドライバで実質的な面積が節約され、したがって、遥かに優れたアレイ効率が実現される。   Furthermore, because of the lower bit line voltage than conventional memories, the word line voltage can be much smaller. The reason is that no word line voltage increase is required to write a higher bit line voltage to the cell. Compared to the very high (about 50-75 percent higher) word line voltage required in conventional DRAMs, the commonly used word line voltage (VWLH) is the same as VDD. This simplifies the wordline voltage scheme and greatly reduces wordline driver complexity and wordline driver active power. The gated diode memory cell wordline driver saves substantial area, and thus far better array efficiency is achieved.

n型ゲート制御ダイオード・メモリ・セルの場合、ビットラインはVBLHに予め充電され、ビットライン上の電圧振幅は一般に0V(GND)とVBLHの間であり、したがって、この振幅は従来のDRAMセル、SRAMセルおよび利得セルの約半分である。これによって、低活動状態電力、低リフレッシュ電力、およびビットラインの低切換え雑音がもたらされる。   For n-type gated diode memory cells, the bit line is precharged to VBLH, and the voltage amplitude on the bit line is typically between 0 V (GND) and VBLH, so this amplitude is the conventional DRAM cell, About half of the SRAM cell and the gain cell. This results in low active state power, low refresh power, and low bit line switching noise.

さらに、電圧増大中にデータ0が書き込まれ、また読み出されるとき、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルに電荷は蓄積されないので、活動状態電流は流れない。この有利点は、従来のコンデンサを用いる他の電圧増大方法との相違を示す。読出し動作中に、データ0を有するビットラインは、VBLHでハイのままであり、ビットライン間の切換え結合雑音を減らす遮蔽効果を実現する。   Further, when data 0 is written and read during voltage increase, no active current flows because no charge is stored in the gated diode memory cell. This advantage shows a difference from other methods of increasing voltage using conventional capacitors. During a read operation, the bit line with data 0 remains high at VBLH, providing a shielding effect that reduces switching coupling noise between the bit lines.

接地(GND)線は、読出しビットラインおよび書込みビットラインに平行に走っている。この接地線は、読出し動作および書込み動作中にビットライン間の切換え雑音結合を減少する遮蔽効果を実現する。さらに、読出し動作中に、ビットラインから接地への電流がアレイのビット全体にわたって分布するように、GND線は構成される。   A ground (GND) line runs parallel to the read bit line and the write bit line. This ground line provides a shielding effect that reduces switching noise coupling between the bit lines during read and write operations. In addition, the GND line is configured so that the current from the bit line to ground is distributed throughout the bits of the array during a read operation.

図36は、3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セルの様々な波形を図示する2つのグラフを示す。上のグラフは、書込みワードラインWLwの波形および読出しワードラインWLrの波形を示す。さらに、読出しビットラインBLrおよび書込みビットラインBLwの対応するセル電圧波形を示す。セル電圧の波形(図36の上のグラフに示す)から、セル電圧波形は、3T1Dメモリ・セルの重要な特性、すなわち読出し動作中のメモリ・セルの電圧利得を強調している。セル電圧波形は、記憶されたデータ1とデータ0の間に約0.5Vの電圧差を示し、読み出されるとき、データ1とデータ0の間に約1.3Vの電圧差を生じさせ、したがって約2.6の電圧利得を実現する。下のグラフは、センス増幅器(SA)出力を示す。図36で理解することができるように、データ1を読み出すときセル電圧は増大され、ビットラインはハイ電圧で始まるが、データ1を読むときより低い電圧で終わる。データ1を読み出すとき、SA出力はハイ電圧になる。データ0の読出し中に、セル電圧は電圧の僅かな増加を経験するだけである。SA出力はロー電圧にとどまっている。   FIG. 36 shows two graphs illustrating various waveforms of a 3T1D gated diode memory cell. The upper graph shows the waveform of the write word line WLw and the waveform of the read word line WLr. Furthermore, corresponding cell voltage waveforms of the read bit line BLr and the write bit line BLw are shown. From the cell voltage waveform (shown in the upper graph of FIG. 36), the cell voltage waveform highlights an important characteristic of the 3T1D memory cell, namely the voltage gain of the memory cell during a read operation. The cell voltage waveform shows a voltage difference of about 0.5V between stored data 1 and data 0, and when read, causes a voltage difference of about 1.3V between data 1 and data 0, thus A voltage gain of about 2.6 is achieved. The lower graph shows the sense amplifier (SA) output. As can be seen in FIG. 36, when reading data 1, the cell voltage is increased and the bit line starts with a high voltage, but ends with a lower voltage than when reading data 1. When reading data 1, the SA output goes high. During the reading of data 0, the cell voltage only experiences a slight increase in voltage. The SA output remains at a low voltage.

理解すべきことであるが、本明細書で図示しまた説明した実施例および変形物は、本発明の原理をただ例示するものであり、当業者は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な修正を実施することができる。   It should be understood that the embodiments and variations shown and described herein are merely illustrative of the principles of the present invention and that those skilled in the art will depart from the scope and spirit of the present invention. And various modifications can be made.

第1のn型ゲート制御ダイオードに使用される例示の記号を示す図である。FIG. 6 shows exemplary symbols used for the first n-type gated diode. 半導体で形成された第1のn型ゲート制御ダイオードを示す側面図の例である。It is an example of the side view which shows the 1st n-type gate control diode formed with the semiconductor. 第2のn型ゲート制御ダイオードに使用される例示の記号を示す図である。FIG. 6 illustrates exemplary symbols used for a second n-type gated diode. 半導体で形成された第2のn型ゲート制御ダイオードを示す側面図の例である。It is an example of the side view which shows the 2nd n-type gate control diode formed with the semiconductor. ドーパント濃度がゲート制御ダイオードの閾値にどのように影響を及ぼすかを示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing how the dopant concentration affects the threshold of a gated diode. 異なるサイズのゲート制御ダイオードにかかるゲート・ソース間電圧(Vgs)で、ゲート制御ダイオードのキャパシタンスがどのように変化するかを示すグラフである。6 is a graph showing how the capacitance of a gated diode varies with gate-source voltage (Vgs) applied to gated diodes of different sizes. 第1のp型ゲート制御ダイオードに使用される例示の記号を示す図である。FIG. 4 shows exemplary symbols used for the first p-type gated diode. 半導体で形成された第1のp型ゲート制御ダイオードを示す側面図の例である。It is an example of the side view which shows the 1st p-type gate control diode formed with the semiconductor. 第2のp型ゲート制御ダイオードに使用される例示の記号を示す図である。FIG. 6 shows exemplary symbols used for a second p-type gated diode. 半導体で形成された第2のp型ゲート制御ダイオードを示す側面図の例である。It is an example of the side view which shows the 2nd p-type gate control diode formed with the semiconductor. シリコン・オン・インシュレータ(SOI)で形成された第1のn型ゲート制御ダイオードを示す側面図の例である。It is an example of the side view which shows the 1st n-type gate control diode formed with the silicon on insulator (SOI). SOIで形成された第2のn型ゲート制御ダイオードを示す側面図の例である。It is an example of the side view which shows the 2nd n-type gate control diode formed by SOI. シリコン・オン・インシュレータ(SOI)で形成された第1のp型ゲート制御ダイオードを示す側面図の例である。It is an example of the side view which shows the 1st p-type gate control diode formed with the silicon | silicone on insulator (SOI). SOIで形成された第2のp型ゲート制御ダイオードを示す側面図の例である。It is an example of the side view which shows the 2nd p-type gate control diode formed by SOI. コンデンサが電荷蓄積転送デバイスとして使用されたときの回路の利得を示すグラフである。It is a graph which shows the gain of a circuit when a capacitor is used as a charge storage and transfer device. ゲート制御ダイオード回路の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a gate control diode circuit. ゲート制御ダイオードがオフになったときの図16のゲート制御ダイオード回路を示す代表的な回路である。FIG. 17 is a representative circuit illustrating the gated diode circuit of FIG. 16 when the gated diode is turned off. ゲート制御ダイオードがオンになったときの図16のゲート制御ダイオード回路を示す代表的な回路である。FIG. 17 is a representative circuit showing the gated diode circuit of FIG. 16 when the gated diode is turned on. ゲート制御ダイオードが電荷蓄積転送デバイスとして使用されたときの増幅器の利得を示すグラフである。Fig. 6 is a graph showing the gain of an amplifier when a gated diode is used as a charge storage and transfer device. 図21および22に使用されるゲート制御ダイオード・メモリ・セルの例を示す図である。FIG. 23 shows an example of a gated diode memory cell used in FIGS. 21 and 22. 図20のゲート制御ダイオード・メモリ・セルに関して完全電荷転送および限定電荷転送を示す表である。21 is a table showing full charge transfer and limited charge transfer for the gated diode memory cell of FIG. 容量性負荷(CL)で、特にキャパシタンス比Rc=Cg_gd(オン)/CLで、ゲート制御ダイオード・メモリ・セルの利得がどのように変化するかを示すグラフであり、ここでCg_gd(オン)はゲート制御ダイオード・オン・キャパシタンスである。A graph showing how the gain of a gated diode memory cell varies with capacitive load (CL), especially with a capacitance ratio Rc = Cg_gd (on) / CL, where Cg_gd (on) is Gated diode on capacitance. ゲート制御ダイオード・デュアル・ポート・メモリ・セルを示す図である。FIG. 6 illustrates a gated diode dual port memory cell. ゲート制御ダイオード単一ポート・メモリ・セルを示す図である。FIG. 6 illustrates a gated diode single port memory cell. 1つの例に使用された図23のゲート制御ダイオード・デュアル・ポート・メモリ・セルを示す図である。FIG. 24 illustrates the gated diode dual port memory cell of FIG. 23 used in one example. ゲート制御ダイオード・デュアル・ポート・メモリ・セルおよびセンス増幅器を有するメモリ部分を示す図である。FIG. 4 illustrates a memory portion having a gated diode dual port memory cell and a sense amplifier. 読出し電圧増大を有する図26のメモリ部分のいくつかの波形を示す図である。FIG. 27 illustrates several waveforms of the memory portion of FIG. 26 having a read voltage increase. 書込み電圧増大を有する図26のメモリ部分のいくつかの波形を示す図である。FIG. 27 shows several waveforms of the memory portion of FIG. 26 with a write voltage increase. バルク・シリコンで電界効果トランジスタ(FET)技術を使用して実現された3トランジスタ・1ダイオード(3T1D)・ゲート制御ダイオード平板状メモリ・セルを示す側面図である。1 is a side view of a three-transistor, one-diode (3T1D) gate-controlled diode planar memory cell implemented using field effect transistor (FET) technology in bulk silicon. FIG. シリコン・オン・インシュレータ(SOI)を使用して実現された他の3T1Dゲート制御ダイオード平板状メモリ・セルを示す側面図である。FIG. 6 is a side view of another 3T1D gated diode planar memory cell implemented using silicon on insulator (SOI). FET技術を使用して実現された3T1Dゲート制御ダイオード・トレンチ・メモリ・セルを示す側面図である。FIG. 3 is a side view of a 3T1D gated diode trench memory cell implemented using FET technology. 共通接続を共有する図31で使用された2個のトレンチ・ゲート制御ダイオード構造を示す側面断面図である。FIG. 32 is a side cross-sectional view showing the two trench gated diode structures used in FIG. 31 sharing a common connection. 3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セルを使用するいくつかのメモリ・アレイを示す回路図および全体構造である。1 is a circuit diagram and overall structure showing several memory arrays using 3T1D gated diode memory cells. FIG. 3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セルを使用するいくつかのメモリ・アレイを示す回路図および全体構造である。1 is a circuit diagram and overall structure showing several memory arrays using 3T1D gated diode memory cells. FIG. 3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セルを使用するいくつかのメモリ・アレイを示す回路図および全体構造である。1 is a circuit diagram and overall structure showing several memory arrays using 3T1D gated diode memory cells. FIG. 3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セルのある特定の波形を示すグラフである。Figure 3 is a graph showing certain waveforms of 3T1D gated diode memory cells.

符号の説明Explanation of symbols

100、200、600、700 n型ゲート制御ダイオード
400、500、800、900 p型ゲート制御ダイオード
105、125、205、225、405、425、505、525、605、625、705、725、805、825、905、925、1965 トレンチ分離領域
110、210、410、510、610、710、810、910、1970、1975、2220 ソース拡散領域
115、215、415、515、615、715、815、715、815、915 ゲート
120、220、420、520、620、720、820、920、1983、1990、1993、2190、2290、2583 ゲート絶縁物
130、230、430、530、630、730、830、930、1992 ウェル
245、545、745、945、1975、1970、2570 ドレイン拡散領域
250、550、750、950 相互接続
1130、1330、1904 ゲート制御ダイオード
1120、1350、1940 制御線
1300、1400、1900、2000、2100、2310−11〜2310−NM 3T1Dゲート制御ダイオード・メモリ・セル
1305、1925、2330−1〜2330−M 書込みビットライン(BLw)
1310、1915、2340−1〜2340−M 読出しビットライン(BLr)
1320、1335、1920、2520 書込みワードライン(WLw)
1335、1340、1350、1945 読出しワードライン(WLr)
1325 書込みゲートFET
1345 読出しゲートFET
1340、1902 読出し選択FET
1410 単一ビットライン
1901 書込みFET
1903 読出しFET
1910 接地
1994 (ゲートの)キャップ部分
2110、2210 円柱状ポリシリコン・トレンチ
2350−1〜2350−M/2、2350−1〜2350−M/8 接地線
G ゲート
S ソース
SA センス増幅器
STI 浅いトレンチ分離

100, 200, 600, 700 n-type gate control diode 400, 500, 800, 900 p-type gate control diode 105, 125, 205, 225, 405, 425, 505, 525, 605, 625, 705, 725, 805, 825, 905, 925, 1965 Trench isolation regions 110, 210, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1970, 1975, 2220 Source diffusion regions 115, 215, 415, 515, 615, 715, 815, 715, 815, 915 Gate 120, 220, 420, 520, 620, 720, 820, 920, 1983, 1990, 1993, 2190, 2290, 2583 Gate insulator 130, 230, 430, 530, 630, 730, 830, 930, 1992 245, 545, 745, 945, 1975, 1970, 2570 Drain diffusion region 250, 550, 750, 950 Interconnect 1130, 1330, 1904 Gate control diode 1120, 1350, 1940 Control line 1300, 1400, 1900, 2000, 2100, 2311-11 to 2310-NM 3T1D gated diode memory cell 1305, 1925, 2330-1 to 2330-M Write bit line (BLw)
1310, 1915, 2340-1 to 2340-M Read bit line (BLr)
1320, 1335, 1920, 2520 Write word line (WLw)
1335, 1340, 1350, 1945 Read word line (WLr)
1325 Write gate FET
1345 Read gate FET
1340, 1902 Read selection FET
1410 single bit line 1901 write FET
1903 Read FET
1910 ground 1994 (gate) cap portion 2110, 2210 cylindrical polysilicon trench 2350-1 to 2350-M / 2, 2350-1 to 2350-M / 8 ground line G gate S source SA sense amplifier STI shallow trench isolation

Claims (11)

メモリ・セルに選択的にアクセスするための第1の制御線、第2の制御線、第3の制御線および少なくとも1つのビットラインに結合されるように構成されたメモリ・セルであって、
書き込みの選択を示す第1の電圧レベルおよび非選択を示す第2の電圧レベルから構成される電圧信号が入力される制御端子ならびに第1および第2の端子を有する書込みスイッチであって、前記書込みスイッチの前記第1の端子が前記少なくとも1つのビットラインに結合され、前記書込みスイッチの前記制御端子が前記第1の制御線に結合されている書込みスイッチと、
第1および第2の入力端子を有する2端子半導体デバイスであって、前記2端子半導体デバイスの前記第1の入力端子が前記書込みスイッチの前記第2の端子に結合され、そして前記2端子半導体デバイスの前記第2の入力端子が前記第2の制御線に結合されており、前記第2の入力端子に対する前記第1の入力端子の電圧が閾値電圧を超えるときのキャパシタンスが前記閾値電圧を超えないときのキャパシタンスよりも大きくなるように構成され、書込動作中、前記書込みスイッチの前記制御端子に入力される前記電圧信号が前記第2の電圧レベルから遷移して前記第1の電圧レベルにある間に前記第2の入力端子の電圧が変えられ、書き込み後に蓄えられる前記第1の入力端子の最終電圧を、前記第1の入力端子に加えられる書込電圧に対応する前記キャパシタンスの大きさに応じて増大させる2端子半導体デバイスと、
制御端子ならびに第1および第2の端子を有する読出し選択スイッチであって、前記読出し選択スイッチの前記制御端子が前記第3の制御線に結合され、前記読出し選択スイッチの前記第1の端子が前記少なくとも1つのビットラインに結合されている読出し選択スイッチと、
制御端子ならびに第1および第2の端子を有する読出しスイッチであって、前記読出しスイッチの前記制御端子が前記2端子半導体デバイスの前記第1の入力端子と前記書込みスイッチの前記第2の端子とに結合され、前記読出しスイッチの前記第1の端子が前記読出し選択スイッチの前記第2の端子に結合され、そして、前記読出しスイッチの前記第2の端子が接地されている読出しスイッチと、を備えるメモリ・セル。
A memory cell configured to be coupled to a first control line, a second control line, a third control line and at least one bit line for selectively accessing the memory cell,
A write switch having a control terminal to which a voltage signal composed of a first voltage level indicating selection of writing and a second voltage level indicating non-selection is input, and first and second terminals, A write switch in which the first terminal of the switch is coupled to the at least one bit line and the control terminal of the write switch is coupled to the first control line;
A two-terminal semiconductor device having first and second input terminals, wherein the first input terminal of the two-terminal semiconductor device is coupled to the second terminal of the write switch, and the two-terminal semiconductor device The second input terminal is coupled to the second control line, and the capacitance when the voltage of the first input terminal with respect to the second input terminal exceeds a threshold voltage does not exceed the threshold voltage The voltage signal input to the control terminal of the write switch is transitioned from the second voltage level and is at the first voltage level during a write operation. voltage of said second input terminal is changed between the final voltage of the first input terminal to be stored after the writing, the write voltage applied to the first input terminal 2 and terminal semiconductor device that increases according to the magnitude of the capacitance to respond,
A read selection switch having a control terminal and first and second terminals, wherein the control terminal of the read selection switch is coupled to the third control line, and the first terminal of the read selection switch is the A read select switch coupled to at least one bit line;
A read switch having a control terminal and first and second terminals, wherein the control terminal of the read switch is connected to the first input terminal of the two-terminal semiconductor device and the second terminal of the write switch. A read switch coupled, wherein the first terminal of the read switch is coupled to the second terminal of the read select switch, and the second terminal of the read switch is grounded. ·cell.
前記2端子半導体デバイスが、ゲート入力およびソース入力を有するゲート制御ダイオードを備え、前記ゲート入力が前記2端子半導体デバイスの前記第1の入力端子であり、前記ソース入力が前記2端子半導体デバイスの前記第2の入力端子である、請求項1に記載のメモリ・セル。   The two-terminal semiconductor device comprises a gated diode having a gate input and a source input, the gate input is the first input terminal of the two-terminal semiconductor device, and the source input is the one of the two-terminal semiconductor device. The memory cell of claim 1, wherein the memory cell is a second input terminal. 前記書込みスイッチ、前記読出し選択スイッチ、および前記読出しスイッチが、電界効果トランジスタ(FET)であり、各FETがゲートおよび2つのソース/ドレイン拡散領域を有し、それぞれのゲートがそれぞれの制御端子に結合され、そしてそれぞれのソース/ドレイン拡散領域の各々がそれぞれの第1または第2の端子のうちの1つに結合されている、請求項1に記載のメモリ・セル。   The write switch, the read select switch, and the read switch are field effect transistors (FETs), each FET having a gate and two source / drain diffusion regions, each gate coupled to a respective control terminal. The memory cell of claim 1, wherein each of the respective source / drain diffusion regions is coupled to one of the respective first or second terminals. メモリ・アレイであって、
複数の第1の制御線と、
複数の第2の制御線と、
複数の第3の制御線と、
複数のビットラインと、
複数の接地線と、
複数のメモリ・セルを含むグループとを備え、前記メモリ・セルの各々が、
書き込みの選択を示す第1の電圧レベルおよび非選択を示す第2の電圧レベルから構成される電圧信号が入力される制御端子ならびに第1および第2の端子を有する書込みスイッチであって、前記書込みスイッチの前記第1の端子が前記ビットラインのうちの少なくとも1つに結合され、前記書込みスイッチの前記制御端子が前記第1の制御線のうちの1つに結合されている書込みスイッチと、
第1および第2の入力端子を有する2端子半導体デバイスであって、前記2端子半導体デバイスの前記第1の入力端子が前記書込みスイッチの前記第2の端子に結合され、そして、前記2端子半導体デバイスの前記第2の入力端子が前記第2の制御線のうちの1つに結合されており、前記第2の入力端子に対する前記第1の入力端子の電圧が閾値電圧を超えるときのキャパシタンスが前記閾値電圧を超えないときのキャパシタンスよりも大きくなるように構成され、書込動作中、前記書込みスイッチの前記制御端子に入力される前記電圧信号が前記第2の電圧レベルから遷移して前記第1の電圧レベルにある間に前記第2の入力端子の電圧が変えられ、書き込み後に蓄えられる前記第1の入力端子の最終電圧を、前記第1の入力端子に加えられる書込電圧に対応する前記キャパシタンスの大きさに応じて増大させる2端子半導体デバイスと、
制御端子ならびに第1および第2の端子を有する読出し選択スイッチであって、前記読出し選択スイッチの前記制御端子が前記第3の制御線のうちの1つに結合され、前記読出し選択スイッチの前記第1の端子が前記ビットラインのうちの少なくとも1つに結合されている読出し選択スイッチと、
制御端子ならびに第1および第2の端子を有する読出しスイッチであって、前記読出しスイッチの前記制御端子が前記2端子半導体デバイスの前記第1の入力端子と前記書込みスイッチの前記第2の端子とに結合され、前記読出しスイッチの前記第1の端子が前記読出し選択スイッチの前記第2の端子に結合され、さらに、前記読出しスイッチの前記第2の端子が接地線に結合されている読出しスイッチと、を備えるものである、メモリ・アレイ。
A memory array,
A plurality of first control lines;
A plurality of second control lines;
A plurality of third control lines;
Multiple bit lines,
Multiple ground wires,
A group comprising a plurality of memory cells, each of the memory cells comprising:
A write switch having a control terminal to which a voltage signal composed of a first voltage level indicating selection of writing and a second voltage level indicating non-selection is input, and first and second terminals, A write switch in which the first terminal of the switch is coupled to at least one of the bit lines and the control terminal of the write switch is coupled to one of the first control lines;
A two-terminal semiconductor device having first and second input terminals, wherein the first input terminal of the two-terminal semiconductor device is coupled to the second terminal of the write switch, and the two-terminal semiconductor A capacitance when the second input terminal of the device is coupled to one of the second control lines and the voltage of the first input terminal relative to the second input terminal exceeds a threshold voltage. It is configured to be larger than the capacitance when the threshold voltage is not exceeded, and during the write operation, the voltage signal input to the control terminal of the write switch changes from the second voltage level and the second voltage level. 1 of the voltage of said second input terminals while in the voltage level is changed, a final voltage of said first input terminal to be stored after the write, et al in addition to the first input terminal 2 and terminal semiconductor device that increases according to the magnitude of the capacitance corresponding to the write voltage that,
A read selection switch having a control terminal and first and second terminals, wherein the control terminal of the read selection switch is coupled to one of the third control lines, the first of the read selection switches; A read selection switch having one terminal coupled to at least one of the bit lines;
A read switch having a control terminal and first and second terminals, wherein the control terminal of the read switch is connected to the first input terminal of the two-terminal semiconductor device and the second terminal of the write switch. A read switch coupled, wherein the first terminal of the read switch is coupled to the second terminal of the read selection switch, and the second terminal of the read switch is coupled to a ground line; A memory array.
前記複数の第2の制御線が、複数の書込み制御線であり、前記複数の第3の制御線が、複数の読出し選択制御線であり、所定の読出し選択制御線が、前記複数のメモリ・セルを含むグループのうちの一部のメモリ・セルからなる部分集合のための前記読出し選択スイッチの前記制御端子に結合され、所定の書込み制御線が、前記メモリ・セルの前記部分集合のための前記ゲート制御ダイオードの前記第2の端子に結合されている、請求項4に記載のメモリ・アレイ。   The plurality of second control lines are a plurality of write control lines, the plurality of third control lines are a plurality of read selection control lines, and a predetermined read selection control line is the plurality of memory A predetermined write control line coupled to the control terminal of the read select switch for a subset of a subset of memory cells in a group including cells, wherein a predetermined write control line is for the subset of the memory cells The memory array of claim 4, wherein the memory array is coupled to the second terminal of the gated diode. 所定のメモリ・セルに選択的にアクセスするための第1の制御線、第2の制御線、第3の制御線、および少なくとも1つのビットラインに結合されるように構成された所定のメモリ・セルをアクセスする方法であって、
前記所定のメモリ・セルが、
書き込みの選択を示す第1の電圧レベルおよび非選択を示す第2の電圧レベルから構成される電圧信号が入力される制御端子ならびに第1および第2の端子を有する書込みスイッチであって、前記書込みスイッチの前記第1の端子が前記少なくとも1つのビットラインのうちの1つに結合され、前記書込みスイッチの前記制御端子が前記第1の制御線に結合されている書込みスイッチと、
第1および第2の入力端子を有する2端子半導体デバイスであって、前記2端子半導体デバイスの前記第1の入力端子が前記書込みスイッチの前記第2の端子に結合され、そして、前記2端子半導体デバイスの前記第2の入力端子が前記第2の制御線に結合されており、前記2端子半導体デバイスは、前記第2の入力端子に対する前記第1の入力端子の電圧が閾値電圧を超えるときのキャパシタンスが前記閾値電圧を超えないときのキャパシタンスよりも大きくなるように構成され、書込動作中、前記書込みスイッチの前記制御端子に入力される前記電圧信号が前記第2の電圧レベルから遷移して前記第1の電圧レベルにある間に前記第2の入力端子の電圧が変えられ、書き込み後に蓄えられる前記第1の入力端子の最終電圧を、前記第1の入力端子に加えられる書込電圧に対応する前記キャパシタンスの大きさに応じて増大させる2端子半導体デバイスと、
制御端子ならびに第1および第2の端子を有する読出し選択スイッチであって、前記読出し選択スイッチの前記制御端子が前記第3の制御線に結合され、前記読出し選択スイッチの前記第1の端子が前記少なくとも1つのビットラインのうちの1つに結合されている読出し選択スイッチと、
制御端子ならびに第1および第2の端子を有する読出しスイッチであって、前記読出しスイッチの前記制御端子が前記2端子半導体デバイスの前記第1の入力端子と前記書込みスイッチの前記第2の端子とに結合され、前記読出しスイッチの前記第1の端子が前記読出し選択スイッチの前記第2の端子に結合され、そして前記読出しスイッチの前記第2の端子が接地に結合されている読出しスイッチとを備え、前記方法が、
複数のメモリ・セルのうちの前記所定のメモリ・セルに結合されている前記第2の制御線の電圧を第1の電圧から第2の電圧に変えるステップを含む方法。
A predetermined memory circuit configured to be coupled to a first control line, a second control line, a third control line, and at least one bit line for selectively accessing a predetermined memory cell; A method of accessing a cell,
The predetermined memory cell is
A write switch having a control terminal to which a voltage signal composed of a first voltage level indicating selection of writing and a second voltage level indicating non-selection is input, and first and second terminals, A write switch in which the first terminal of the switch is coupled to one of the at least one bit line and the control terminal of the write switch is coupled to the first control line;
A two-terminal semiconductor device having first and second input terminals, wherein the first input terminal of the two-terminal semiconductor device is coupled to the second terminal of the write switch, and the two-terminal semiconductor The second input terminal of the device is coupled to the second control line, and the two-terminal semiconductor device has a voltage when the voltage of the first input terminal with respect to the second input terminal exceeds a threshold voltage. The capacitance is configured to be larger than the capacitance when the threshold voltage is not exceeded, and during the write operation, the voltage signal input to the control terminal of the write switch transitions from the second voltage level. the final voltage of the first voltage of said second input terminal is changed while in the voltage level, said first input terminal to be stored after the write, the first 2 and terminal semiconductor device that increases according to the magnitude of the capacitance corresponding to the write voltage applied to the force terminal,
A read selection switch having a control terminal and first and second terminals, wherein the control terminal of the read selection switch is coupled to the third control line, and the first terminal of the read selection switch is the A read select switch coupled to one of the at least one bit line;
A read switch having a control terminal and first and second terminals, wherein the control terminal of the read switch is connected to the first input terminal of the two-terminal semiconductor device and the second terminal of the write switch. A read switch coupled, wherein the first terminal of the read switch is coupled to the second terminal of the read select switch, and the second terminal of the read switch is coupled to ground; Said method comprises
Changing the voltage of the second control line coupled to the predetermined memory cell of the plurality of memory cells from a first voltage to a second voltage.
前記第2の制御線が書込み制御線であり、前記第3の制御線が読出し選択制御線であり、
前記方法が、信号を前記少なくとも1つのビットラインのうちの前記書込みスイッチに接続されているものに加えるステップをさらに備え、
前記変えるステップが、
前記書込み制御線の電圧を予め決められた高い電圧から予め決められた低い電圧に下げるステップと、
前記書込み制御線の電圧を前記予め決められた低い電圧から前記予め決められた高い電圧に上げるステップとをさらに備え、そして、
前記方法が、前記信号を前記少なくとも1つのビットラインに加えるのをやめるステップをさらに備え、前記信号を加えるのをやめる前記ステップが、電圧を下げる前記ステップの後で行われる、請求項6に記載の方法。
The second control line is a write control line, the third control line is a read selection control line;
The method further comprises applying a signal to one of the at least one bit lines connected to the write switch;
Said changing step comprises:
Lowering the voltage of the write control line from a predetermined high voltage to a predetermined low voltage;
Raising the voltage of the write control line from the predetermined low voltage to the predetermined high voltage; and
The method of claim 6, further comprising stopping applying the signal to the at least one bit line, wherein the step of stopping applying the signal is performed after the step of reducing voltage. the method of.
少なくとも1つの半導体メモリ・デバイスを備える半導体構造であって、前記少なくとも1つの半導体メモリ・デバイスは、前記少なくとも1つの半導体メモリ・デバイスに選択的にアクセスするための第1の制御線、第2の制御線、第3の制御線および少なくとも1つのビットラインに結合されるように構成されており、前記少なくとも1つの半導体メモリ・デバイスが、
書き込みの選択を示す第1の電圧レベルおよび非選択を示す第2の電圧レベルから構成される電圧信号が入力されるゲートとウェルの間に形成された絶縁物、前記ゲート、前記ゲートの側に形成された第1および第2のソース/ドレイン拡散領域を備える書込みトランジスタであって、前記書込みトランジスタの前記第1のソース/ドレイン拡散領域が少なくとも1つのビットラインに結合され、前記書込みトランジスタの前記ゲートが前記第1の制御線に結合されている書込みトランジスタと、
ゲートとウェルの間に形成されたゲート制御ダイオード絶縁物、前記ゲート、および前記ゲート制御ダイオード絶縁物の一部に少なくとも接するソース拡散領域を少なくとも備える2端子半導体デバイスであって、前記2端子半導体デバイスの前記ゲートが前記書込みトランジスタの前記第2のソース/ドレイン拡散領域に結合され、そして前記2端子半導体デバイスの前記ソース拡散領域が前記第2の制御線に結合されており、前記ソース拡散領域に対する前記ゲートの電圧が閾値電圧を超えるときのキャパシタンスが前記閾値電圧を超えないときのキャパシタンスよりも大きくなるように構成され、書込動作中、前記書込みスイッチの前記制御端子に入力される前記電圧信号が前記第2の電圧レベルから遷移して前記第1の電圧レベルにある間に前記ソース拡散領域の電圧が変えられ、書き込み後に蓄えられる前記ゲートの最終電圧を、前記ゲートに加えられる書込電圧に対応する前記キャパシタンスの大きさに応じて増大させる2端子半導体デバイスと、
ゲートとウェルの間に形成された絶縁物、前記ゲート、および前記ゲートの側に形成された第1および第2のソース/ドレイン拡散領域を備える読出し選択トランジスタであって、前記読出し選択トランジスタの前記ゲートが前記第3の制御線に結合され、前記読出し選択トランジスタの前記第1のソース/ドレイン拡散領域が前記少なくとも1つのビットラインに結合されている読出し選択トランジスタと、さらに、
ゲートとウェルの間に形成された絶縁物、前記ゲート、および前記ゲートの側に形成された第1および第2のソース/ドレイン拡散領域を備える読出しトランジスタであって、前記読出しトランジスタの前記ゲートが前記2端子半導体デバイスの前記ゲートと前記書込みトランジスタの前記第2のソース/ドレイン拡散領域とに結合され、前記読出しトランジスタの前記第1のソース/ドレイン拡散領域が前記読出し選択トランジスタの前記第2のソース/ドレイン拡散領域に結合され、前記読出しトランジスタの前記第2のソース/ドレイン拡散領域が接地に結合されている読出しトランジスタと、を備える半導体構造。
A semiconductor structure comprising at least one semiconductor memory device, the at least one semiconductor memory device having a first control line for selectively accessing the at least one semiconductor memory device, a second Configured to be coupled to a control line, a third control line, and at least one bit line, the at least one semiconductor memory device comprising:
An insulator formed between a gate and a well to which a voltage signal composed of a first voltage level indicating writing selection and a second voltage level indicating non-selection is input, on the gate and the gate side A write transistor comprising first and second source / drain diffusion regions formed, wherein the first source / drain diffusion region of the write transistor is coupled to at least one bit line; A write transistor having a gate coupled to the first control line;
A two-terminal semiconductor device comprising at least a gated diode insulator formed between a gate and a well, the gate, and a source diffusion region at least in contact with a part of the gated diode insulator, the two-terminal semiconductor device The gate of the write transistor is coupled to the second source / drain diffusion region of the write transistor, and the source diffusion region of the two-terminal semiconductor device is coupled to the second control line, with respect to the source diffusion region The voltage signal input to the control terminal of the write switch during a write operation is configured such that a capacitance when the gate voltage exceeds a threshold voltage is larger than a capacitance when the gate voltage does not exceed the threshold voltage. Transitions from the second voltage level to the first voltage level. Voltage of the source diffusion region is changed between that, the final voltage of the gate to be stored after the write, the 2-terminal semiconductor device that increases according to the magnitude of the capacitance corresponding to the write voltage applied to the gate ,
A read selection transistor comprising an insulator formed between a gate and a well, the gate, and first and second source / drain diffusion regions formed on a side of the gate, the read selection transistor comprising: A read select transistor having a gate coupled to the third control line and the first source / drain diffusion region of the read select transistor coupled to the at least one bit line; and
A read transistor comprising an insulator formed between a gate and a well, the gate, and first and second source / drain diffusion regions formed on the gate side, wherein the gate of the read transistor comprises: Coupled to the gate of the two-terminal semiconductor device and the second source / drain diffusion region of the write transistor, the first source / drain diffusion region of the read transistor is the second source / drain diffusion region of the read select transistor. A read transistor coupled to a source / drain diffusion region and wherein the second source / drain diffusion region of the read transistor is coupled to ground.
前記2端子半導体デバイスがゲート制御ダイオードであり、そして、前記ゲート制御ダイオードのゲートが、少なくとも部分的にトレンチ中に形成され、前記絶縁物が前記トレンチを前記ウェルおよび前記ソース拡散領域から隔てている、請求項8に記載の半導体構造。   The two-terminal semiconductor device is a gated diode, and the gate of the gated diode is at least partially formed in a trench, and the insulator separates the trench from the well and the source diffusion region. A semiconductor structure according to claim 8. 前記少なくとも1つの半導体メモリ・デバイスが、第1の半導体メモリ・デバイスを備え、前記ゲート制御ダイオードが、第1のソース拡散領域を有する第1のゲート制御ダイオードであり、
前記半導体構造が、第2のトレンチ中に少なくとも部分的に形成された第2のゲート、前記第2のトレンチと前記ウェルの間に形成された第2の絶縁物、および前記第2の絶縁物に接する第2のソース拡散領域を有する第2のゲート制御ダイオード、を備える第2の半導体メモリ・デバイスをさらに備え、
前記第1のゲート制御ダイオードの前記第1のソース拡散領域が、前記第2のゲート制御ダイオードの前記第2のソース拡散領域でもあり、それによって、前記ソース拡散領域が、前記第1の半導体メモリ・デバイスと前記第2の半導体メモリ・デバイスの間で共有される、請求項9に記載の半導体構造。
The at least one semiconductor memory device comprises a first semiconductor memory device, and the gated diode is a first gated diode having a first source diffusion region;
A second gate formed at least partially in a second trench; a second insulator formed between the second trench and the well; and the second insulator. A second gated diode having a second source diffusion region in contact with the second semiconductor memory device,
The first source diffusion region of the first gated diode is also the second source diffusion region of the second gated diode, whereby the source diffusion region is the first semiconductor memory. 10. The semiconductor structure of claim 9, shared between a device and the second semiconductor memory device.
前記第1のゲート制御ダイオードが、第1のトレンチ、第1のゲート、および第1の絶縁物を有し、
前記第1のトレンチが、前記第1のゲートの第1のキャップ部分の下にあり、
前記第1の絶縁物が、前記第1のトレンチの上にない前記第1のキャップの部分と前記ウェルとの間に形成され、
前記第2のトレンチが、前記第2のゲートの第2のキャップ部分の下にあり、
前記第2の絶縁物が、前記第2のトレンチの上にない前記第2のキャップの部分と前記ウェルとの間に形成される、請求項10に記載の半導体構造。
The first gated diode has a first trench, a first gate, and a first insulator;
The first trench is under a first cap portion of the first gate;
The first insulator is formed between a portion of the first cap that is not over the first trench and the well;
The second trench is under a second cap portion of the second gate;
The semiconductor structure of claim 10, wherein the second insulator is formed between a portion of the second cap that is not over the second trench and the well.
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