JP4935231B2 - メモリセル及び不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Description
このメモリセルアレイ320はメモリセルC0,0〜Cn−1,m−1がn行m列のマトリクス状に配置され、各メモリセルC0,0〜Cn−1,m−1はセレクトトランジスタとキャパシタで構成されている。
図11に示す、メモリセルC0,0〜Cn−1,m−1が1T(トランジスタ)−1C(キャパシタ)で構成されるDRAM装置300は、半導体における最も一般的なメモリとして、あらゆる用途に広く用いられ、高速性能や安定動作の面で非常に優れている。
しかしながら、電源を切ると記憶情報が消失してしまうので、不揮発性メモリ用にはそのままでは用いることができない。また、電源投入期間中でも一定時間ごとにリフレッシュと呼ばれる記憶保持動作が必要である。
一方、不揮発性メモリとしてはフラッシュメモリが一般的であるが、NOR(ノア)型、NAND(ナンド)型ともに書込み・消去速度が10マイクロ秒〜10ミリ秒と遅く、書換え回数が10万回程度までと制限されているので、データ格納用途やファイルストレージ用途には適していても、汎用の不揮発性メモリとは言い難い。
特許文献3には、メモリセルが不揮発性記憶素子とアクセストランジスタのみで構成された他の不揮発性記憶装置が開示されている。
さらに、ビット線容量の充放電を伴うリフレッシュ動作で電力が消費されるために、集積度増大に伴うDRAM装置のスタンバイ消費電力が増加する問題がある。
また不揮発性記憶装置の例とした、特許文献3に不揮発性記憶素子とアクセストランジスタのみでメモリセルが構成され不揮発性記憶装置が開示されている。この場合通常動作中、不揮発性記憶素子に外部からデータを書き込むとき時間がかかるので、DRAM装置と比較して動作速度が遅くなる点、書き換え回数に制限があるため、DRAM装置のようにワークメモリ用途に用いるのが困難である点、に問題がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的はDRAM装置に不揮発性機能を付加した記憶装置を提供することにある。ここで、DRAM装置の不揮発性機能付加とは、(1)電源切断時の記憶情報の退避(以下「セーブ動作」と呼ぶ。)と電源投入時の退避情報の再読み込み動作(以下「リストア動作」と呼ぶ。)、(2)リフレッシュ動作の省略(一部代替)動作、を示す。
なお、不揮発性記憶(ARAM)素子7の動作メカニズム等に関しては前述の参照文献3に詳しく記載されている。
以後用語を明確にするため、DRAMセルに相当するセルを揮発性メモリセル(または単にDRAMセル)、不揮発性機能を有するセルを不揮発性メモリセルとし、これらをまとめて1個のセルユニットとした回路をメモリセルと定義する。
このメモリセル100は、揮発性のDRAMセル(揮発性メモリセル)と不揮発性メモリセルとで構成されている。DRAMセルは、NMOSトランジスタ1とキャパシタ2で構成され、不揮発性メモリセルはNMOSトランジスタ6と不揮発性記憶素子7で構成される。
次に、これらの素子の接続構成について述べる。セレクトトランジスタのNMOSトランジスタ1のドレインはビット線3に接続され、ゲートはワード線4に、またソースはキャパシタ2の一方の端子と電荷転送用のNMOSトランジスタ6のドレインに接続される。キャパシタ2の他方の端子は、セルプレート電極(VCP)の端子に接続される。
NMOSトランジスタ6のゲートは不揮発性記憶素子制御信号線(NV−EN線)8に接続され、ソースは不揮発性記憶素子7の一方の端子に接続される。またこの不揮発性記憶素子7の他方の端子は不揮発性記憶素子電源(PWR線)9に接続される。
なお、不揮発性記憶素子制御信号線(NV−EN線)8と不揮発性記憶素子電源(PWR線)9に供給される制御信号については、後でタイミングチャートを用いて詳細に説明する。
図2(a)に不揮発性記憶素子7の電流−電圧(I−V)特性を示す。印加電圧が0[V]付近の初期状態では抵抗値が大きく電流が流れにくい状態であるが、書き込み閾値電圧Vwの0.5〜1[V]以上になると、抵抗値が急激に減少し、その結果電流が流れるようになる。このとき、不揮発性記憶素子7の抵抗値は高抵抗値から低抵抗値へと変化し、その抵抗値を維持する。そして、印加電圧をさらに増加すると不揮発性記憶素子7がオーミック特性を示し、電流が電圧に比例して流れる。その後、印加電圧を減少して0Vに戻しても不揮発性記憶素子7はその低抵抗値を保持し続ける。
また、印加電圧をVw以上または−Ve以下にしても、この不揮発性記憶素子7は、書込みまた消去時における抵抗値を維持する。
このように、不揮発性記憶素子7は上述した電圧−電流(または電圧―抵抗)特性を有しているため記憶機能を有するので、この不揮発性記憶素子7をDRAMセルと組み合わせて不揮発性のメモリセルとこれを用いた不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、不揮発性記憶素子(ARAM)7として、可変抵抗素子の例に示したが、この抵抗のON/OFF変化比は100倍程度要求される。他の可変抵抗素子として、例えばカルコゲナイト系相変化メモリがある。
不揮発性記憶素子7は可変抵抗素子に限定されるものでなく、他の記憶動作型の例として不揮発性記憶素子7に印加される電圧を可変してデータを書き込/消去できる不揮発性のFeRAM(強誘電体キャパシタ)がある。
図3及び図4は、それぞれ一般的なDRAMセルの読出し動作時、書込み動作時におけるメモリセル周りの動作を説明するタイミングチャートである。最近はシンクロナスDRAM装置が一般的であるが、説明を簡素化するためにEDO(Extended Data Out)DRAM装置をDRAM部分の動作例として説明する。
例えばキャパシタ2とNMOSトランジスタ1からなる揮発性メモリセルの読出し動作時には/RAS(Row Address Strobe)入力(RASの反転)信号の立下りエッジで行アドレスXが確定し(図3(c))、あるワード線4が選択されて高電位になる(図3(h))。すると、(揮発性メモリセルの)セル内部記憶ノード10の電位状態に応じてビット線3が基準電位に対して僅かに高電位または低電位に変化する(図3(g))。この状態でビット線3に接続されたセンスアンプを活性化させることにより、ビット線3およびセル内部記憶ノード10の電位をVDD(電源電圧)または0(グランド電位)まで駆動させる(図3(i))。
その後/CAS(Column Address Strobe)(CASの反転)信号の入力の立下りエッジで列アドレスYが確定しあるビット線が選択されて(図3(b),(c))、そのビット線の電位状態に応じて出力端子に「1」または「0」のデータが出力される。その後、/RAS信号の入力の立上りエッジでワード線4が低電位に戻り(図3(a),(h))、セル内部記憶ノード10がビット線3から電気的に切り離されてメモリセルがデータ保持状態になり一連の読出し動作が終了する。
書き込み動作は、読出し動作時と同様に/RAS信号の入力の立ち下がりエッジでアドレスXが確定しワード線4が選択され(図4(a),(c),(h))、ビット線3にVDD(電源電圧)または0電位がセンスされ、出力される(図4(g))。この状態で/CAS信号の立下りエッジで列アドレスYを確定し(図4(c))、/WE(WE(ライトイネーブル)の反転)信号の入力を低電位にすることにより(図4(d))、入力端子の「1」または「0」データに応じてビット線3がVDDまたは0[V]までライトバッファによって駆動される(図4(g))。同時にセル内部の記憶ノード10の電位もビット線3と同電位に駆動され書込み動作が実行される(図4(i))。その後、/RAS信号の入力の立上りエッジでワード線4が低電位に戻り(図4(a),(h))、セル内部記憶ノード10がビット線3から電気的に切り離されてメモリセルがデータ保持状態になり一連の書込み動作が終了する(図4(i))。
なお、この書込み動作の期間中に、後述のリフレッシュ動作の制御を行う目的で、選択されたワード線4に対応するフラグ(FLAG)を「1」にセットしておく。
図5には前回のリフレッシュから今回のリフレッシュ期間に、外部からの書込み動作が行われた場合(FLAG=1)のタイミングチャートを示す。なお、外部から揮発性メモリセルへデータの書込みが無い場合は、フラッグ無し(FLAG=0)と設定する。
まず、/RAS信号の入力の立下りエッジでアドレスXが確定しあるワード線4を選択する(図5(a),(c),(h))。読出し動作時と同様に、セル内部記憶ノード10の電位状態に応じてビット線3にVDDまたは0電位がセンスされ、駆動されて(図5(g))、その電位がそのままセル内部記憶ノード10に書き戻される(一般的なDRAM装置のリフレッシュ動作を行う)(図5(i))。
この時、ワード線4が高電位のままの状態で不揮発性記憶素子制御信号線(NV_EN線)8を高電位にし(図5(j))、セル内部記憶ノード10と不揮発性記憶(可変抵抗)素子7とを導通させる(図5(i))。不揮発性記憶素子電源線(PWR線)9は図5(j)に示す101の期間は高電位のままにしておく(図5(j),(k))。この状態で不揮発性記憶素子7は消去動作が行われ高抵抗になる。
次にPWR線9を102の期間パルス状に低電位に変化させることにより(図5(j),(k))、セル内部記憶ノード10の電位状態に応じて不揮発性記憶素子7にデータの記録が行われるか、またはデータの消去状態を保持するかの動作が実行される。すなわち、セル内部記憶ノード10の電位がVDDの場合には不揮発性記憶素子7に記録動作が行われて低抵抗となる(図5(k),(i))。
セル内部記憶ノード10の電位が0[V]の場合は、不揮発性記憶素子7は消去状態(高抵抗)のまま何も起こらない(図5(i))。
なお、このリフレッシュ動作の期間中に選択されたワード線4に対応するフラグを「0」(FLAG=0)にクリヤしておく。
この場合には選択された行アドレスのワード線4は低電位のままで(図6(h))、メモリセル内部のNV_EN線8を図6(j)に示す103の期間パルス状に高電位にすることにより(図6(j))、セル内部記憶ノード10と不揮発性記憶素子7とを導通させる。すると、不揮発性記憶素子7が記録状態(低抵抗)の場合はPWR線9からセル内部記憶ノード10に電荷が補充されリフレッシュと同様な機能の動作が実行される(図6(i),(j),(k))。
この一連の動作ではビット線3の充放電もセンスアンプ動作も無いため、消費電力はほとんどゼロである。
図7に電源投入直後のタイミングチャートを示す。このタイミングチャートを用いて、電源投入直後のメモリセルの動作を説明する。/RAS信号の入力の立下りエッジでアドレスXが確定しあるワード線4を選択し(図7(a),(c),(h))、メモリセルに「0」を書き込む(図7(i))。その後アクセストランジスタ1を閉じ、不揮発性記憶素子制御用(電荷転送用)のMOSトランジスタ6を104の期間だけ導通にし(図7(j))、図6の場合と同様な電荷注入動作により不揮発性記憶素子7の記憶情報をセル内部記憶ノード10にリストアする(図7(i),(j))。
なお、この電源投入直後の動作期間中に、前述した通り、リフレッシュ動作制御を行う目的で、選択されたワード線4に対応するフラグを「0」(FLAG=0)にクリヤしておく。
電源切断直前に、フラグ(FLAG)=1の場合は、図5で示すリフレッシュ動作と全く同一の動作を行うことにより、セル内部記憶ノード10の情報を不揮発性記憶素子7にセーブする。
一方、電源切断直前、フラグ(FLAG)=0の場合は、リストアするための特別の動作は行わない。
さらに、不揮発性記憶素子7に電源切断後にデータを記憶できるとともに、外部から揮発性メモリセルへの書込み状態に応じてフラグをセット、リセットし、不揮発性記憶メモリセルと揮発性メモリセル間でデータの転送を行いデータのリフレッシュ動作を行うことにより、所謂従来のDRAM装置におけるリフレッシュ動作を代替することができる。
DRAM装置では一般的にデータ保持状態(アクセストランジスタ;NMOSトランジスタ1を閉じた状態)ではセル内部記憶ノード10の電位は、N型拡散層とPウェル間の接合リーク電流やアクセストランジスタのゲート酸化膜のリーク電流のために、高電位(VDD)から徐々に低電位(グランド)に近づいて行く性質を持っている。
不揮発性記憶装置200は、ワード線ドライバ/不揮発性記憶素子駆動回路210、メモリセルアレイ220、デコーダ/コントロール回路240、セルプレート電位(Vcp)発生回路250、ライトバッファ/センスアンプ260などで構成されている。
また、ワード線選択信号以外の不揮発性記憶素子制御信号線NV−EN0〜NV−ENn−1に電荷転送用トランジスタをオン/オフ制御する制御電圧を供給し、揮発性メモリセルと不揮発性メモリセル間でデータの転送を行う。
また、不揮発性記憶素子電源線PWR0〜PWRn−1に不揮発性記憶素子7の書込み・消去用電圧を供給し、リフレッシュや電源切断時のデータを保持する。
このメモリセルMC0,0〜MCn−1,m−1は、図1に示したように、揮発性メモリセルと不揮発性メモリセルで構成され、揮発性メモリセルはワード線WL0〜WLn−1とビット線BL0〜BLn−1でデータの書き込み、読出し制御が行われる。各キャパシタのセルプレート電極VCPはセルプレート電位(Vcp)発生回路250から所定の電圧が供給される。
不揮発性メモリセルは、不揮発性記憶素子制御信号(NV−EN0〜NV−ENn−1)で電荷転送用のトランジスタがオン/オフ制御されてデータの転送が行われ、また、不揮発性記憶素子電源(PWR0〜PWRn−1)用電圧を不揮発性記憶素子に印加することによりデータの書込み、消去が行われる。
また、これらの制御信号を発生する他、電源投入直後にフラグを「0」にセットし、外部から揮発性メモリセルにデータを書き込む動作が発生したとき、フラグを「1」にセットし、リフレッシュ動作が終了すると再びフラグを「0」にセットするフラッグ制御信号を生成する。
また、データ読出時において、メモリセルMC0,0〜MCn−1,m−1から読み出した微小振幅のデータ(電圧)がビット線を介してセンスアンプに供給され、データが増幅されて所定電圧にされた後出力される(OUT)。
この一覧表の列欄に動作モードを示し、行欄にメモリセルMC0,0〜MCn−1,m−1の動作項目を示す。動作モードとして、電源投入直後の動作、揮発性セルから外部への読出し、外部から揮発性セルへの書込み、フラッグが「1」と「0」のときのリフレッシュ動作、そして電源切断前の動作がある。
またメモリセル(MC0,0〜MCn−1,m−1)の動作項目として、読出し(Read)、書込み(Write)、セーブ(Save)、リストア(Restore)、フラグ(FLAG)設定の各動作がある。
ここで、用語の定義をする。セーブとは、揮発性メモリセル(アクセストランジスタ(NMOSトランジスタ)1、キャパシタ2)に記憶されたデータを同一メモリセル内の不揮発性メモリセルの不揮発性記憶素子7に転送する動作を示し、リストアとは、不揮発性記憶素子7に記憶されたデータを同一セル内の揮発性メモリセルに転送する動作を示す。
外部から揮発性セルへ書込みがあったとき、フラグはセット(FLAG=1)される。フラグをセットする以外は、一般のDRAM動作と完全に同一であり、図3、図4の説明と同様である。したがって、ここでは詳細な説明は省略する。
この一覧表は、図3〜図7のタイミングチャートに対応付けてあり、不揮発性記憶装置200の動作に関する説明を示す。
動作モードは、電源投入直後の動作、揮発性セルから外部への読出し(動作)、外部から揮発性セルへの書込み(動作)、リフレッシュ動作と電源切断前の動作にはそれぞれ2通りあり、前回のリフレッシュから今回のリフレッシュ期間に、外部からの書込み動作が行われた場合(FLAG=1)と、書込み動作が行われなかった場合(FLAG=0)の動作がある。
各動作モードにおいて、行欄内に示す番号は、メモリセル動作順序を示す。これらの動作については、メモリセル100に関する動作説明で既に行ったので、ここでは省略する。
また、電源投入期間中でも必ずしも一定時間ごとにリフレッシュ動作を行う必要が無く、揮発性メモリセルに外部からデータを書き込む動作が無い期間は、不揮発性メモリセルのデータを同一セル内の揮発性メモリセルに転送することによりリフレッシュ動作と等価な動作を行い、消費電力を削減することができる。
Claims (9)
- マトリクス状に配置されたメモリセルと、
行方向に配列されたメモリセルを共通に接続する第1の制御用信号線としてのワード線と、
列方向に配列されたメモリセルを共通に接続するビット線と、
行方向に配列されたメモリセルを共通に接続する第2の制御用信号線と、
前記メモリセルに接続される第1の基準電位供給線と
を有し、
前記メモリセルは、
ゲートが前記ワード線に接続され、ドレインが前記ビット線に接続された第1の電界効果トランジスタと、
一端が前記第1の電界効果トランジスタのソースに接続され、他端が第2の基準電位に接続されたキャパシタと、
前記第1の電界効果トランジスタのソースと前記キャパシタの一端とが接続されてなる記憶ノードにドレインが接続され、ゲートが前記第2の制御用信号線に接続された第2の電界効果トランジスタと、
一端が前記第2の電界効果トランジスタのソースに接続され、他端が前記第1の基準電位供給線に接続された不揮発性記憶素子と
を有し、
外部から前記メモリセルにデータを書込むまたは読み出す際には、
前記第2の制御用信号線を、前記第2の電界効果トランジスタを閉じた状態に維持する電位に維持したままで、前記ワード線を、前記第1の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して、前記キャパシタにデータを書込みまたは読み出し、
前記記憶ノードの情報を保持するために周期的に行うリフレッシュ動作に関して、
外部からの書込みが実行された後のリフレッシュ動作では、前記ワード線を、前記第1の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して前記キャパシタにリフレッシュ用のデータを書込む際に、前記第2の制御用信号線を、前記第2の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して、前記不揮発性記憶素子にデータを書込み、
外部からの書込みが実行されなかった後のリフレッシュ動作では、前記ワード線を、前記第1の電界効果トランジスタを閉じた状態に維持する電位に維持したままで、前記第2の制御用信号線を、前記第2の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して、前記不揮発性記憶素子のデータを前記キャパシタに書込む
不揮発性記憶装置。 - 前記各ワード線に対して1ビット以上のフラグを持ち、直前のリフレッシュ動作後の期間において、前記ワード線に繋がるメモリセルに外部から書込み動作が実行された場合には前記フラグを第1の状態に設定し、外部からの書き込み動作が実行されない場合には前記フラグを第2の状態に設定することにより、リフレッシュ動作を、ワード線毎に、外部からの書き込みの有無に応じて制御する
請求項1記載の不揮発性記憶装置。 - 前記不揮発性記憶素子は、
前記第1の基準電位供給線の電位を可変して該不揮発性記憶素子の両端に異なる極性の電圧を印加することにより、データの記録・消去を行う
請求項1または2記載の不揮発性記憶装置。 - 外部からの書込みがなされた後のリフレッシュ動作において前記不揮発性記憶素子にデータを書込む際には、
前記キャパシタにリフレッシュ用のデータを書込むために前記ワード線を、前記第1の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御している期間において、前記第2の制御用信号線の電位を、パルス状の電圧変化により、前記第2の電界効果トランジスタを導通させる電位に変化させて、前記不揮発性記憶素子の消去動作を行った後、
前記パルス状の電圧変化により前記第2の電界効果トランジスタを導通させている期間において、前記第2の基準電位供給線の電圧を、パルス状の電圧変化により変化させて、前記不揮発性記憶素子への記録動作を行う
請求項1から3のいずれか一項記載の不揮発性記憶装置。 - 外部からの書込みがなされなかった後のリフレッシュ動作において前記不揮発性記憶素子のデータを前記キャパシタに書込む際には、
前記ワード線を、前記第1の電界効果トランジスタを閉じた状態に維持する電位に維持したままで、前記第2の制御用信号線の電位を、パルス状の電圧変化により変化させて、前記不揮発性記憶素子のデータを前記キャパシタに書込む
請求項1から4のいずれか一項記載の不揮発性記憶装置。 - 前記メモリセルの電源を切断する前に、
外部から前記メモリセルにデータの書込みが実行されていた際には、外部からの書込みがなされた後のリフレッシュ動作と同一の動作を行い、
前記メモリセルの電源を投入した後に、
前記ワード線を、前記第1の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して前記キャパシタに所定の値を書込んだ後に、前記第1の電界効果トランジスタを閉じるように制御し、
前記第1の電界効果トランジスタを閉じた状態において、前記第2の制御用信号線を、前記第2の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して、前記不揮発性記憶素子のデータを前記キャパシタに書込む
請求項1から5のいずれか一項記載の不揮発性記憶装置。 - 前記メモリセルの電源を投入し、更に前記第1の電界効果トランジスタを閉じた後において、前記第2の制御用信号線の電位は、パルス状の電圧変化により、前記第2の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御される
請求項6記載の不揮発性記憶装置。 - 前記ワード線、前記第2の制御用信号線および前記第1の基準電位供給線に接続され、任意のメモリセルのワード線を駆動するワード線ドライブ信号を出力するワード線ドライバ/駆動回路と、
前記ビット線に接続され、前記ビット線を介して前記任意のメモリセルのデータの書込みまたは読出しを行うラインバッファ/センスアンプと、
前記ワード線ドライバ/駆動回路および前記ラインバッファ/センスアンプに接続され、供給されたアドレスデータをデコードするデコーダ/コントロール回路と
を有する請求項1から7のいずれか一項記載の不揮発性記憶装置。 - 第1制御端子が第1の制御用信号線に接続され、第1の端子がビット線に接続された第1の電界効果トランジスタと、
一端が前記第1の電界効果トランジスタの第2の端子に接続され、他端が第2の基準電位に接続されたキャパシタと、
前記第1の電界効果トランジスタの第2の端子と前記キャパシタの一端とが接続されてなる記憶ノードに第3の端子が接続され、第2制御端子が第2の制御用信号線に接続された第2の電界効果トランジスタと、
一端が前記第2の電界効果トランジスタの第4の端子に接続され、他端が第1の基準電位供給線に接続された不揮発性記憶素子と
を有するメモリセルであって、
外部から前記メモリセルにデータを書込むまたは読み出す際には、
前記第2の制御用信号線を、前記第2の電界効果トランジスタを閉じた状態に維持する電位に維持したままで、前記第1の制御用信号線を、前記第1の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して、前記キャパシタにデータを書込みまたは読み出し、
前記記憶ノードの情報を保持するために周期的に行うリフレッシュ動作に関して、
外部からの書込み動作が実行された後のリフレッシュ動作では、前記第1の制御用信号線を、前記第1の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して前記キャパシタにリフレッシュ用のデータを書込む際に、前記第2の制御用信号線を、前記第2の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して、前記不揮発性記憶素子にデータを書込み、
外部からの書込み動作が実行されなかった後のリフレッシュ動作では、前記第1の制御用信号線を、前記第1の電界効果トランジスタを閉じた状態に維持する電位に維持したままで、前記第2の制御用信号線を、前記第2の電界効果トランジスタを導通させる電位に制御して、前記不揮発性記憶素子のデータを前記キャパシタに書込む
メモリセル。
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