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JP2009176331A - Semiconductor storage device - Google Patents

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JP2009176331A
JP2009176331A JP2008010532A JP2008010532A JP2009176331A JP 2009176331 A JP2009176331 A JP 2009176331A JP 2008010532 A JP2008010532 A JP 2008010532A JP 2008010532 A JP2008010532 A JP 2008010532A JP 2009176331 A JP2009176331 A JP 2009176331A
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JP
Japan
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data
potential
current
memory cell
cell
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Pending
Application number
JP2008010532A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Osawa
澤 隆 大
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor storage device which has a small refresh busy rate, small in current consumption for data retention, and is advantageous at miniaturization. <P>SOLUTION: The storage device comprises a plurality of memory cells including floating bodies, a plurality of bit lines connected to drain layers, a plurality of word lines connected to gate electrodes, and sense amplifiers for reading or writing logical data from or in the memory cells, and simultaneously refreshes a plurality of the memory cells by simultaneously driving one or a plurality of the bit lines and a plurality of the word lines to create bipolar operation for making first currents larger than a predetermined current flow into the memory cells storing first logical data which show charges stored in the body is larger and second currents smaller than a predetermined current into the memory cells storing second logical data which show charges stored in the body is small. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体記憶装置に係わり、例えば、電界効果トランジスタ(FET(Field-Effect Transistor))のフローティングボディに電荷を蓄積することによって情報を記憶するFBC(Floating Body Cell)メモリに関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device, for example, an FBC (Floating Body Cell) memory that stores information by accumulating electric charges in a floating body of a field effect transistor (FET).

近年、1T(Transistor)−1C(Capacitor)型のDRAMに代わるメモリと期待されている半導体記憶装置として、FBCメモリ装置がある。FBCメモリ装置は、SOI(Silicon On Insulator)基板上にフローティングボディ(以下、ボディともいう)を備えたFET(Field Effect Transistor)を形成し、このボディに蓄積されている多数キャリアの数の多少によってデータ“1”またはデータ“0”を記憶する。例えば、N型FETからなるFBCにおいて、ボディに蓄積されているホール数が多い状態をデータ“1”とし、それが少ない状態をデータ“0”とする。データ“0”を格納するメモリセルを“0”セルと呼び、データ“1”を格納するメモリセルを“1”セルと呼ぶ。   2. Description of the Related Art In recent years, there is an FBC memory device as a semiconductor memory device that is expected to replace a 1T (Transistor) -1C (Capacitor) type DRAM. In the FBC memory device, an FET (Field Effect Transistor) having a floating body (hereinafter also referred to as a body) is formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate, and depending on the number of majority carriers accumulated in the body. Data “1” or data “0” is stored. For example, in an FBC composed of an N-type FET, a state where the number of holes accumulated in the body is large is data “1”, and a state where the number is small is data “0”. A memory cell storing data “0” is called a “0” cell, and a memory cell storing data “1” is called a “1” cell.

FBCは、従来型のDRAMよりも小型化に優れている。しかし、電荷を蓄えるボディの静電容量は、従来型のDRAMのキャパシタの静電容量よりも小さい。このため、FBCのボディからのリーク電流は、DRAMのキャパシタからのリーク電流よりも小さいにもかかわらず、データ保持時間に関してFBCはDRAMのそれよりも短い。従って、リフレッシュ動作を頻繁に実行しなければならない。その結果、通常の読出し/書込みが禁止される時間の割合(リフレッシュビジーレイト)が大きくなり、さらに、データを保持するために必要な電流が従来型のDRAMに比べて大きくなるという問題が生じる。特に、携帯機器では、消費電流が大きいことは重大な問題となる。   The FBC is superior to the conventional DRAM in size reduction. However, the capacitance of the body that stores the charge is smaller than the capacitance of the conventional DRAM capacitor. For this reason, although the leakage current from the body of the FBC is smaller than the leakage current from the capacitor of the DRAM, the FBC is shorter than that of the DRAM with respect to the data retention time. Therefore, the refresh operation must be executed frequently. As a result, the ratio of the time during which normal reading / writing is prohibited (refresh busy rate) increases, and further, there arises a problem that the current required to hold data becomes larger than that of a conventional DRAM. In particular, in a portable device, a large current consumption becomes a serious problem.

また、FBCメモリは、メモリセルに電流を流してデータを書き込むため、電流駆動用のドライバのサイズを大きくする必要がある。よって、メモリセル自体は小さいにもかかわらず、メモリ全体のサイズ(チップサイズ)はそれほど小さくならない。即ち、メモリセルがチップに占める割合(セル占有率(cell efficiency))が小さい。   In addition, since the FBC memory writes data by passing a current through the memory cell, it is necessary to increase the size of the driver for driving the current. Therefore, although the memory cell itself is small, the size of the entire memory (chip size) is not so small. That is, the ratio of the memory cells to the chip (cell efficiency) is small.

さらに、データの読出しまたは書込みにおいて、絶対値の大きな電圧をビット線に印加した場合、該ビット線に接続された非選択メモリセルが影響を受けることがある。これは、ビット線ディスターブと呼ばれ、メモリセルのリテンション時間を短縮してしまう。
米国特許出願公開番号第2006/0131650明細書
Furthermore, when a voltage having a large absolute value is applied to a bit line in reading or writing data, unselected memory cells connected to the bit line may be affected. This is called bit line disturb and shortens the retention time of the memory cell.
US Patent Application Publication No. 2006/0131650

リフレッシュビジーレイトが小さく、データ保持時の消費電流が低く、さらに、小型化に優れた半導体記憶装置を提供する。   Provided is a semiconductor memory device having a small refresh busy rate, a low current consumption during data retention, and an excellent miniaturization.

本発明に係る実施形態に従った半導体記憶装置は、ソース層と、ドレイン層と、該ソース層と該ドレイン層との間に設けられ論理データを記憶するために電荷を蓄積し、あるいは、電荷を放出する電気的に浮遊状態のボディ領域と、ゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域上に設けられたゲート電極とを含み、二次元的に配列された複数のメモリセル、
前記複数のメモリセルのドレイン層に接続された複数のビット線、
前記複数のメモリセルのゲート電極に接続された複数のワード線および、
前記ビット線に接続され、前記メモリセルから論理データを読み出し、あるいは、論理データを書き込むセンスアンプを備え、
前記メモリセルの論理データの劣化を回復させるリフレッシュ動作を実行する際に、前記ボディ領域内の蓄積電荷の多い状態を示す第1の論理データを記憶するメモリセルに所定電流よりも多い第1の電流を流し、前記ボディ領域内の蓄積電荷の少ない状態を示す第2の論理データを記憶するメモリセルに前記所定電流よりも少ない第2の電流を流すバイポーラ作用を生じさせるように単数または複数の前記ビット線および複数の前記ワード線を同時に駆動することによって、複数の前記メモリセルを同時にリフレッシュすることを特徴とする。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is provided between a source layer, a drain layer, and between the source layer and the drain layer, and accumulates charges to store logic data, or charges A plurality of memory cells arranged in a two-dimensional manner, including an electrically floating body region that emits light, and a gate electrode provided on the body region via a gate insulating film,
A plurality of bit lines connected to drain layers of the plurality of memory cells;
A plurality of word lines connected to gate electrodes of the plurality of memory cells; and
A sense amplifier connected to the bit line and reading logical data from the memory cell or writing logical data;
When executing a refresh operation for recovering the deterioration of the logic data of the memory cell, the memory cell storing the first logic data indicating a state of a large amount of accumulated charges in the body region has a first current greater than a predetermined current. One or more so as to cause a bipolar action of flowing a second current less than the predetermined current in a memory cell that stores a second logic data indicating a state in which the accumulated charge in the body region is low. A plurality of the memory cells are simultaneously refreshed by simultaneously driving the bit line and the plurality of word lines.

本発明による半導体記憶装置は、リフレッシュビジーレイトが小さく、データ保持時の消費電流が低く、さらに、小型化に優れている。   The semiconductor memory device according to the present invention has a small refresh busy rate, a low current consumption during data retention, and is excellent in miniaturization.

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.

(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る第1の実施形態に従ったFBCメモリ装置の構成の一例を示す図である。FBCメモリ装置は、メモリセルMCと、ワード線WLL0〜WLLn、WLR0〜WLRn(以下、WLともいう)と、ビット線BLL0〜BLLm、BLR0〜BLRm(以下、BLともいう)と、センスアンプS/Aと、ロウデコーダRDと、WLドライバWLDと、カラムデコーダCDと、CSLドライバCSLDとを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an FBC memory device according to the first embodiment of the present invention. The FBC memory device includes a memory cell MC, word lines WLL0 to WLLn, WLR0 to WLRn (hereinafter also referred to as WL), bit lines BLL0 to BLLm, BLR0 to BLRm (hereinafter also referred to as BL), a sense amplifier S / A, a row decoder RD, a WL driver WLD, a column decoder CD, and a CSL driver CSLD.

メモリセルMCは、マトリクス状に二次元配列され、メモリセルアレイMCAL、MCAR(以下、MCAともいう)を構成している。ワード線WLは、ロウ(row)方向に延伸し、メモリセルMCのゲート(第1のゲート電極)としての機能を兼ね備える。ワード線WLは、センスアンプS/Aの左右にn本ずつ設けられている。ビット線BLは、カラム方向に延伸し、メモリセルMCのソースまたはドレインに接続されている。ビット線BLは、センスアンプS/Aの左右にm本ずつ設けられている。ワード線WLとビット線BLとは、互いに直交しており、その各交点にメモリセルMCが設けられている。これは、クロスポイント型セルと呼ばれている。尚、ロウ方向およびカラム方向は便宜上の呼称であり、ロウ方向とカラム方向とは互いに入れ替えても差し支えない。   The memory cells MC are two-dimensionally arranged in a matrix and constitute memory cell arrays MCAL and MCAR (hereinafter also referred to as MCA). The word line WL extends in the row direction and has a function as a gate (first gate electrode) of the memory cell MC. N word lines WL are provided on the left and right sides of the sense amplifier S / A. The bit line BL extends in the column direction and is connected to the source or drain of the memory cell MC. There are m bit lines BL on the left and right sides of the sense amplifier S / A. The word line WL and the bit line BL are orthogonal to each other, and a memory cell MC is provided at each intersection. This is called a cross-point type cell. Note that the row direction and the column direction are names for convenience, and the row direction and the column direction may be interchanged.

データの読出し/書込み動作において、センスアンプS/Aの両側に接続されたビット線対BLL、BLRのうち一方がメモリセルMCのデータを伝達し、他方が基準電流Irefを流す。基準電流Irefは、“0”セルに流れる電流と“1”セルに流れる電流とのほぼ中間の電流である。基準電流Irefを生成するために、ダミーセル、ダミーワード線、平均化回路、および、ダミーセル書込み回路などが必要となるが、ここでは省略されている。センスアンプS/Aは一方のビット線BLを介して電流をメモリセルMCへ流す。これにより、メモリセルMCのデータに応じた電流がセンスアンプS/A内のセンスノードを流れる。センスノードを流れる電流が基準電流Irefよりも高いか、低いかによって、センスアンプS/Aはデータの論理値“1”または“0”を識別する。このように1メモリセルに1ビットを格納する方式を1セル/ビット(シングルセル)方式と呼ぶ。   In the data read / write operation, one of the bit line pairs BLL and BLR connected to both sides of the sense amplifier S / A transmits data of the memory cell MC, and the other passes the reference current Iref. The reference current Iref is a current approximately halfway between the current flowing through the “0” cell and the current flowing through the “1” cell. In order to generate the reference current Iref, a dummy cell, a dummy word line, an averaging circuit, a dummy cell write circuit, and the like are required, but are omitted here. The sense amplifier S / A allows a current to flow to the memory cell MC via one bit line BL. As a result, a current corresponding to the data in the memory cell MC flows through the sense node in the sense amplifier S / A. The sense amplifier S / A identifies the logical value “1” or “0” of data depending on whether the current flowing through the sense node is higher or lower than the reference current Iref. Such a method of storing one bit in one memory cell is called a 1 cell / bit (single cell) method.

代替的に、データの読出し/書込み動作において、センスアンプS/Aの両側に接続されたビット線対BLL、BLRのうち一方のデータを他方のデータの基準データとし、他方のデータを一方のデータの基準データとしてもよい。この場合、ビット線対BLLおよびBLRに接続された2つの選択メモリセルは、互いに相補データ(データ“1”とデータ“0”)を格納していなければならない。即ち、2つのメモリセルが1ビットを格納するので、この方式は、2セル/ビット(ツインセル)方式と呼ばれる。本実施形態は、シングルセルおよびツインセルの両方式に適用することができる。また、本実施形態は、その他の方式にも適用できる。   Alternatively, in the data read / write operation, one of the bit line pairs BLL and BLR connected to both sides of the sense amplifier S / A is used as reference data for the other data, and the other data is used as one data. The reference data may be used. In this case, the two selected memory cells connected to the bit line pair BLL and BLR must store complementary data (data “1” and data “0”). That is, since two memory cells store 1 bit, this method is called a 2 cell / bit (twin cell) method. This embodiment can be applied to both single-cell and twin-cell systems. Further, the present embodiment can be applied to other methods.

ロウデコーダRDは、複数のワード線WLのうち特定のワード線を選択するためにロウアドレスをデコードする。WLドライバWLDは、選択ワード線に電圧を印加することによって、この選択ワード線を活性化させる。   The row decoder RD decodes a row address in order to select a specific word line among the plurality of word lines WL. The WL driver WLD activates the selected word line by applying a voltage to the selected word line.

カラムデコーダCDは、複数のカラムのうち特定のカラムを選択するためにカラムアドレスをデコードする。CSLドライバCSLDは、選択されたカラム選択線CSLへ電位を印加することによって、DQバッファ(図示せず)へセンスアンプS/Aからデータを読み出す。センスアンプS/Aは、DQバッファを介してデータをメモリの外部へ読み出すことができる。あるいは、センスアンプS/Aは、DQバッファを介してメモリ外部からのデータをメモリセルへ書き込むことができる。電圧の極性とは、接地電位やソース電位を基準とした場合、その基準電位から正方向の電圧または負方向の電圧を示す。データの極性とは、相補的なデータ “1”またはデータ“0”を示す。   The column decoder CD decodes a column address in order to select a specific column among a plurality of columns. The CSL driver CSLD reads data from the sense amplifier S / A to the DQ buffer (not shown) by applying a potential to the selected column selection line CSL. The sense amplifier S / A can read data out of the memory via the DQ buffer. Alternatively, the sense amplifier S / A can write data from the outside of the memory into the memory cell via the DQ buffer. The voltage polarity indicates a positive or negative voltage from the reference potential when the ground potential or the source potential is used as a reference. The polarity of data indicates complementary data “1” or data “0”.

図2は、メモリセルMCの構造の一例を示す断面図である。メモリセルMCは、支持基板10、BOX層20およびSOI層30を含むSOI基板上に設けられている。SOI層30内に、ソース60およびドレイン40が設けられている。フローティングボディ50は、ソース60とドレイン40との間のSOI層30に形成される。ボディ50は、ソース60およびドレイン40とは逆導電型の半導体である。本実施形態では、メモリセルMCはN型FETである。ボディ50は、ソース60、ドレイン40、BOX層20、ゲート絶縁膜71およびSTI(Shallow Trench Isolation)(図示せず)によって、その一部または全部が囲まれることによって電気的に浮遊状態である。FBCメモリは、ボディ50内の多数キャリアの数によって論理データ(バイナリデータ)を記憶することができる。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the memory cell MC. Memory cell MC is provided on an SOI substrate including support substrate 10, BOX layer 20, and SOI layer 30. A source 60 and a drain 40 are provided in the SOI layer 30. The floating body 50 is formed in the SOI layer 30 between the source 60 and the drain 40. The body 50 is a semiconductor having a conductivity type opposite to that of the source 60 and the drain 40. In the present embodiment, the memory cell MC is an N-type FET. The body 50 is electrically floating by being partially or entirely surrounded by the source 60, the drain 40, the BOX layer 20, the gate insulating film 71, and STI (Shallow Trench Isolation) (not shown). The FBC memory can store logical data (binary data) according to the number of majority carriers in the body 50.

ゲート絶縁膜71は、ボディ50の上面に設けられている。ワード線(ゲート電極)WLは、ゲート絶縁膜71を介してボディ50の上面に設けられている。   The gate insulating film 71 is provided on the upper surface of the body 50. The word line (gate electrode) WL is provided on the upper surface of the body 50 via the gate insulating film 71.

図2に示すように、FBCがN型FETからなる場合、P型ボディ50に正孔を蓄積することによってデータを記憶することができる。便宜上、正孔の数が多い状態をデータ“1”とし、正孔の数が少ない状態をデータ“0”と定義する。   As shown in FIG. 2, when the FBC is made of an N-type FET, data can be stored by accumulating holes in the P-type body 50. For convenience, a state where the number of holes is large is defined as data “1”, and a state where the number of holes is small is defined as data “0”.

センスアンプS/Aがデータ“1”をメモリセルMCへ書き込む方法の一例を説明する。ソース線SLにつながるN型ソース層60の電位を基準(0V)として、ゲート電極Gとしてのワード線WLの電位を正電圧VWLHWにし、ビット線BLにつながるN型ドレイン層40の電位を正電圧VBLHにする。VthをメモリセルMCの閾値電圧とする。このとき、VBLH>VWLHW−Vthという関係が成り立てば、このメモリセルMCは飽和領域にバイアスされ、インパクトイオン化を引き起こす。インパクトイオン化によって多数の正孔と電子の対が発生する。インパクトイオン化により生じた電子はドレイン層40へ吸い込まれ、インパクトイオン化により生じた正孔はボディ50に形成されたポテンシャル井戸に蓄積される。これにより、データ“1”がメモリセルMCへ書き込まれる。   An example of a method in which the sense amplifier S / A writes data “1” to the memory cell MC will be described. Using the potential of the N-type source layer 60 connected to the source line SL as a reference (0V), the potential of the word line WL as the gate electrode G is set to the positive voltage VWLHW, and the potential of the N-type drain layer 40 connected to the bit line BL is set to the positive voltage. Set to VBLH. Let Vth be the threshold voltage of the memory cell MC. At this time, if a relationship of VBLH> VWLHW−Vth is established, the memory cell MC is biased to a saturation region, and causes impact ionization. Impact ionization generates a large number of hole-electron pairs. Electrons generated by impact ionization are sucked into the drain layer 40, and holes generated by impact ionization are accumulated in a potential well formed in the body 50. As a result, data “1” is written into the memory cell MC.

センスアンプS/Aがデータ“0”をメモリセルMCへ書き込む方法の一例を説明する。ワード線WLの電位をVWLHWに上昇させ、ビット線BLの電位を負電位VBLLにする。これによって、ボディ50とドレイン層40との間のpn接合が順方向にバイアスされ、ボディ50内に蓄積されていた正孔がビット線BLへ放出される。これによって、ボディ50内に蓄えられていた正孔数が減少し、データ“0”がメモリセルMCに書き込まれる。   An example of a method in which the sense amplifier S / A writes data “0” to the memory cell MC will be described. The potential of the word line WL is raised to VWLHW, and the potential of the bit line BL is set to the negative potential VBLL. As a result, the pn junction between the body 50 and the drain layer 40 is forward-biased, and the holes accumulated in the body 50 are released to the bit line BL. As a result, the number of holes stored in the body 50 decreases, and data “0” is written into the memory cell MC.

センスアンプS/AがメモリセルMCからデータを読み出す方法の一例を説明する。ビット線BLの電位をVBLRに設定し、ワード線WLの電位をVWLHRにする。VBLRは、VBLR<VWLHR−Vthを満たす比較的小さい正電位にする。尚、VWLHRは、VWLHWと等しくてもよい。これにより、メモリセルMCは線形領域にバイアスされる。このとき、ドレイン−ソース間に流れる電流はボディ50に蓄えられている正孔数に依存して変わる(ボディ効果)。従って、“1”セルに流れる電流は、“0”セルに流れる電流よりも大きくなる。センスアンプS/Aは、この電流差を識別することで、メモリセルMCに記憶されたデータの極性を判別する。   An example of how the sense amplifier S / A reads data from the memory cell MC will be described. The potential of the bit line BL is set to VBLR, and the potential of the word line WL is set to VWLHR. VBLR is set to a relatively small positive potential that satisfies VBLR <VWLHR−Vth. Note that VWLHR may be equal to VWLHW. As a result, the memory cell MC is biased to a linear region. At this time, the current flowing between the drain and the source varies depending on the number of holes stored in the body 50 (body effect). Therefore, the current flowing through the “1” cell is larger than the current flowing through the “0” cell. The sense amplifier S / A discriminates the polarity of the data stored in the memory cell MC by identifying this current difference.

データ保持状態において、ワード線WLの電位は深い負電位VWLLに設定される。ビット線BLの電位はソース線SLの電位と同じ0Vに設定される。ワード線電位を深い負電位VWLLに設定することによって、“1”セルのボディ電位をマイナスにしてボディ−ソース間のPN接合およびボディ−ドレイン間のPN接合を逆バイアスにする。これにより、“1”セルの漏れ電流を小さくし、データの保持特性を良好にする。また、或るビット線に接続された選択メモリセルにデータ“0”を書き込むとき、そのビット線の電位は負電位VBLLに設定される。このときに、ワード線電位が深い負電位VWLLに設定されていれば、そのビット線に接続された非選択の“1”セルに誤ってデータ“0”が書き込まれない。即ち、ワード線電位を深い負電位VWLLに設定することは、データ“0”書き時における非選択の“1”セルのデータ劣化現象(“0”ディスターブ)を防止する役割がある。   In the data holding state, the potential of the word line WL is set to the deep negative potential VWLL. The potential of the bit line BL is set to 0 V, which is the same as the potential of the source line SL. By setting the word line potential to a deep negative potential VWLL, the body potential of the “1” cell is made negative, and the PN junction between the body and the source and the PN junction between the body and the drain are reversed biased. As a result, the leakage current of the “1” cell is reduced and the data retention characteristic is improved. Further, when data “0” is written to a selected memory cell connected to a certain bit line, the potential of the bit line is set to a negative potential VBLL. At this time, if the word line potential is set to the deep negative potential VWLL, the data “0” is not erroneously written to the non-selected “1” cell connected to the bit line. That is, setting the word line potential to the deep negative potential VWLL serves to prevent the data deterioration phenomenon (“0” disturb) of the non-selected “1” cell when writing data “0”.

センスアンプS/AがメモリセルMCからデータを読み出す他の方法を説明する。データ読出し方法としてバイポーラ作用を利用することができる。例えば、データ保持状態では、メモリセルMCのソース電位を基準(0V)として、ワード線WLの電位を負電位に設定する。読出し時において、ワード線WLの電位を、例えば、ソース電位(0V)に上昇させ、ドレイン電位をソース電位(0V)から正電位に上昇させる。これにより、“1”セルのみにおいて、n型ソース60、p型ボディ50およびn型ドレイン40からなる寄生npnバイポーラトランジスタがオンする。コレクタ(ドレイン)−エミッタ(ソース)間の電流は、ベース(ボディ)がフローティングであるにもかかわらず定常的に流れる。なぜならば、インパクトイオン化がコレクタ−エミッタ間の電流によって生じ、正孔がベースに発生する。これにより、正帰還が寄生npnバイポーラトランジスタに生じ、ベース電流を定常的に供給し続けられるからである。このときの“1”セルのボディ電圧はインパクトイオン化で発生した電流とソースに流れ出るpn接合のフォワード電流の釣り合いによって決定される。例えば、ボディ電圧は、0.7〜1V程度になる。一方、“0”セルのボディに蓄積される正孔数は“1”セルのそれに比べて少ないので、正帰還ループは“0”セルでは発生しない。よって、“0”セルのボディ電圧は低いままである。   Another method by which the sense amplifier S / A reads data from the memory cell MC will be described. Bipolar action can be used as a data reading method. For example, in the data holding state, the source potential of the memory cell MC is set as a reference (0 V), and the potential of the word line WL is set to a negative potential. At the time of reading, the potential of the word line WL is raised to, for example, the source potential (0V), and the drain potential is raised from the source potential (0V) to the positive potential. Thereby, the parasitic npn bipolar transistor including the n-type source 60, the p-type body 50, and the n-type drain 40 is turned on only in the “1” cell. The current between the collector (drain) and the emitter (source) flows constantly even though the base (body) is floating. This is because impact ionization is caused by a current between the collector and the emitter, and holes are generated in the base. This is because positive feedback is generated in the parasitic npn bipolar transistor and the base current can be continuously supplied. The body voltage of the “1” cell at this time is determined by the balance between the current generated by impact ionization and the forward current of the pn junction flowing out to the source. For example, the body voltage is about 0.7 to 1V. On the other hand, since the number of holes accumulated in the body of the “0” cell is smaller than that of the “1” cell, the positive feedback loop does not occur in the “0” cell. Therefore, the body voltage of the “0” cell remains low.

その結果、“1”セルにおけるビット線、ワード線、ソース線の各電位は、“0”セルにおけるそれらの各電位とそれぞれ等しいものの、“1”セルの寄生バイポーラトランジスタはオンし、“0”セルの寄生バイポーラトランジスタはオフ状態を維持する。これにより、センスアンプS/Aは、メモリセルMCに格納されたデータを検出することができる。   As a result, although the potentials of the bit line, word line, and source line in the “1” cell are equal to those potentials in the “0” cell, the parasitic bipolar transistor of the “1” cell is turned on, and “0” The parasitic bipolar transistor of the cell remains off. Thereby, the sense amplifier S / A can detect the data stored in the memory cell MC.

次に、本実施形態による自律リフレッシュ動作を説明する。本実施形態による自律リフレッシュ動作は、バイポーラ作用を利用する。まず、データ保持状態において、上述のように、ワード線WLの電位は、ソース電位(0V)を基準として深い負電位VWLLに設定され、ビット線BLの電位は、ソース電位と同じ電位でよい。リフレッシュ動作は、メモリセルMCの論理データの劣化を回復させる動作である。   Next, the autonomous refresh operation according to this embodiment will be described. The autonomous refresh operation according to the present embodiment uses a bipolar action. First, in the data holding state, as described above, the potential of the word line WL is set to the deep negative potential VWLL with reference to the source potential (0 V), and the potential of the bit line BL may be the same as the source potential. The refresh operation is an operation for recovering the deterioration of the logical data of the memory cell MC.

データ保持状態から自律リフレッシュを実行する場合、ワード線WLの電位は、“1”セルの閾値電圧Vth1よりも低くかつVWLL以上の電位VWLRに立ち上げる。即ち、VWLL≦VWLR<Vth1を満たすようにワード線WLの電位VWLRを設定する。   When autonomous refresh is executed from the data holding state, the potential of the word line WL rises to a potential VWLR that is lower than the threshold voltage Vth1 of the “1” cell and equal to or higher than VWLL. That is, the potential VWLR of the word line WL is set so as to satisfy VWLL ≦ VWLR <Vth1.

ビット線BLの電位を正電位VBLRに立ち上げる。電圧VBLRが充分に高いと、図2に示すように、ボディ(ベース)に蓄積されている正孔がソース側(エミッタ側)へフォワード電流(ベース電流)IEとして流れ出し、電子がソース側(エミッタ側)からボディ(ベース)を通り抜けてドレイン側(コレクタ側)へ流れる。ボディからドレインへの電子の流れは、コレクタ電流ICであり、フォワード電流IEを増幅した電流である。これにより、いわゆる、バイポーラ作用がメモリセルMCに生じる。   The potential of the bit line BL is raised to the positive potential VBLR. When the voltage VBLR is sufficiently high, as shown in FIG. 2, holes accumulated in the body (base) flow out to the source side (emitter side) as a forward current (base current) IE, and electrons flow to the source side (emitter). Flows from the side) through the body (base) to the drain side (collector side). The flow of electrons from the body to the drain is a collector current IC, which is a current obtained by amplifying the forward current IE. As a result, a so-called bipolar action occurs in the memory cell MC.

“1”セルでは、コレクタ電流ICが所定の電流値IC0よりも大きくなる。この場合、電子がシリコン原子をイオン化し、多数の伝導電子−正孔対を発生させる(インパクトイオン化)。このとき発生した電子は、ドレイン側(コレクタ側)へ放出されるが、正孔はボディ(ベース)内に留まる。そして、IC>IC0においては、インパクトイオン化により発生した正孔数がエミッタ側へ流れる正孔数よりも多い。これによって、ベースは、エミッタに対してフォワードバイアスを維持し続けることができ、定常的にバイポーラ作用が継続する。よって、増幅されたコレクタ電流ICがメモリセルMC内を流れ続け、ボディ電位が上昇する。ボディ電位(ベース電位)が上昇すると、フォワード電流IEが大きくなるので、ボディ50に蓄積される正孔の量は一定値以上に増大せず、平衡状態となる。これにより、“1”セルの自律リフレッシュが完了する。   In the “1” cell, the collector current IC is larger than the predetermined current value IC0. In this case, electrons ionize silicon atoms and generate a large number of conduction electron-hole pairs (impact ionization). The electrons generated at this time are emitted to the drain side (collector side), but the holes remain in the body (base). In IC> IC0, the number of holes generated by impact ionization is larger than the number of holes flowing to the emitter side. As a result, the base can continue to maintain a forward bias with respect to the emitter, and the bipolar action continues constantly. Therefore, the amplified collector current IC continues to flow in the memory cell MC, and the body potential rises. When the body potential (base potential) rises, the forward current IE increases, so the amount of holes accumulated in the body 50 does not increase beyond a certain value and is in an equilibrium state. Thereby, the autonomous refresh of the “1” cell is completed.

“0”セルでは、コレクタ電流ICが所定の電流値IC0よりも小さい。この場合、インパクトイオン化により生じる正孔数は、PN接合のフォワードバイアスによりエミッタ側へ流出する正孔数よりも少ないので、ベース電位は、フォワード電流IEによる正孔の流出と共に低下する。従って、定常的なバイポーラ作用は生じず、コレクタ電流ICは次第に消滅する。これにより、“0”セルの自律リフレッシュが完了する。   In the “0” cell, the collector current IC is smaller than the predetermined current value IC0. In this case, since the number of holes generated by impact ionization is smaller than the number of holes flowing out to the emitter side due to the forward bias of the PN junction, the base potential decreases with the outflow of holes due to the forward current IE. Therefore, a steady bipolar action does not occur, and the collector current IC gradually disappears. Thereby, the autonomous refresh of the “0” cell is completed.

以上のように、“1”セルおよび“0”セルの両方を同時に自律リフレッシュするためには、“1”セルに対しては、IC>IC0となり、“0”セルに対しては、IC<IC0となるように、ワード線WLの電位VWLRおよびビット線BLの電位VBLRを設定する必要がある。ワード線WLの電位VWLRは、上述の通り、VWLL≦VWLR<Vth1を満たす必要がある。“1”セルの閾値電圧Vth1は、“0”セルの閾値電圧Vth0よりも低いので、VWLRは、当然、Vth0よりも低くなる。   As described above, in order to autonomously refresh both the “1” cell and the “0” cell simultaneously, IC> IC0 for the “1” cell, and IC <IC for the “0” cell. It is necessary to set the potential VWLR of the word line WL and the potential VBLR of the bit line BL so as to be IC0. As described above, the potential VWLR of the word line WL needs to satisfy VWLL ≦ VWLR <Vth1. Since the threshold voltage Vth1 of the “1” cell is lower than the threshold voltage Vth0 of the “0” cell, VWLR is naturally lower than Vth0.

ビット線BLの最適な電位VBLRは、メモリセルMCの構成およびワード線WLの電位等によって異なるため、その条件を定性的に示すことはできないが、図3を参照して定量的な具体例として説明する。   Since the optimum potential VBLR of the bit line BL varies depending on the configuration of the memory cell MC and the potential of the word line WL, the condition cannot be qualitatively shown. explain.

図3は、或るメモリセルMCのドレイン電流とドレイン電圧との関係を示す実験結果である。ここで、メモリセルMCのサイズ(L/W)は、0.15μm/2.0μmである。ラインL1〜L4は、それぞれゲート電圧(ワード線の電位)が0.125V、0.150V、0.175Vおよび0.200Vのときの結果を示す。   FIG. 3 shows experimental results showing the relationship between the drain current and drain voltage of a certain memory cell MC. Here, the size (L / W) of the memory cell MC is 0.15 μm / 2.0 μm. Lines L1 to L4 show the results when the gate voltage (word line potential) is 0.125V, 0.150V, 0.175V and 0.200V, respectively.

この実験では、ドレイン電圧Vdを一旦上昇させた後、これを低下させたときのドレイン電流Id(コレクタ電流IC)を測定している。ドレイン電圧Vdが或る電圧を超えると、ドレイン電流Idが急に上昇する。あるいは、ドレイン電圧Vdが或る電圧を下回ると、ドレイン電流Idが急に低下する。ドレイン電流Idが急に上昇するドレイン電圧Vupは、インパクトイオン化が生じるポイントであり、ドレイン電流Idが急に低下するドレイン電圧Vdownは、インパクトイオン化が停止するポイントである。従って、破線円C1は、“1”セルの状態を示し、破線円C0は“0”セルの状態を示す。   In this experiment, the drain current Id (collector current IC) when the drain voltage Vd is once increased and then decreased is measured. When the drain voltage Vd exceeds a certain voltage, the drain current Id increases rapidly. Alternatively, when the drain voltage Vd falls below a certain voltage, the drain current Id suddenly decreases. The drain voltage Vup at which the drain current Id suddenly rises is a point where impact ionization occurs, and the drain voltage Vdown at which the drain current Id suddenly falls is a point where impact ionization stops. Accordingly, the broken-line circle C1 indicates the state of the “1” cell, and the broken-line circle C0 indicates the state of the “0” cell.

ゲート電圧が0.175V以上の場合には、ラインL3およびL4で示すように、ドレイン電流Idが急に上昇するドレイン電圧Vupは、ドレイン電流Idが急に低下するドレイン電圧Vdownとほぼ等しい。これに対し、ゲート電圧が0.150V以下の場合には、ドレイン電流Idが急に上昇するドレイン電圧Vupは、ドレイン電流Idが急に低下するドレイン電圧Vdownと異なる。即ち、ゲート電圧が所定値以下の場合に、ドレイン電圧とドレイン電流との間にヒステリシスが現れる。図3に示す具体例では、ゲート電圧が約0.15V以下の場合に、ドレイン電圧とドレイン電流との間にヒステリシスが現れる。さらに、ゲート電圧が負であっても、ドレイン電圧とドレイン電流との間にヒステリシスが現れる(図8)。   When the gate voltage is 0.175 V or more, as shown by lines L3 and L4, the drain voltage Vup at which the drain current Id suddenly increases is substantially equal to the drain voltage Vdown at which the drain current Id suddenly decreases. On the other hand, when the gate voltage is 0.150 V or less, the drain voltage Vup at which the drain current Id suddenly increases is different from the drain voltage Vdown at which the drain current Id suddenly decreases. That is, when the gate voltage is less than a predetermined value, hysteresis appears between the drain voltage and the drain current. In the specific example shown in FIG. 3, when the gate voltage is about 0.15 V or less, hysteresis appears between the drain voltage and the drain current. Furthermore, even if the gate voltage is negative, hysteresis appears between the drain voltage and the drain current (FIG. 8).

本実施形態による自律リフレッシュでは、ドレイン電圧Vupとドレイン電圧Vdownとの間にドレイン電圧Vdを設定する。例えば、ゲート電圧が0.125Vの場合(L1)、ドレイン電圧Vdは、約3.35V〜約3.55Vの範囲内に設定される。ゲート電圧が0.150Vの場合(L2)、ドレイン電圧Vdは、約3.25V〜約3.35Vの範囲内に設定される。これにより、“1”セルのドレイン電圧(ビット線BLの電位)と“0”セルのドレイン電圧とが等しくとも、“1”セルにおいてインパクトイオン化が生じ、“0”セルにおいてインパクトイオン化が生じない。換言すると、ドレイン電圧Vdが上記範囲内に設定されることによって、“1”セルのドレイン電流Id(コレクタ電流IC)は、所定の電流値IC0よりも大きくなり、“0”セルのドレイン電流Id(コレクタ電流IC)は、所定の電流値IC0よりも小さくなる。所定の電流値IC0は、約10−11A〜約10−8Aの範囲内にある。このように、ゲート電圧およびドレイン電圧を制御することによって、バイポーラ作用を利用した自律リフレッシュが“1”セルおよび“0”セルにおいて同時に実行可能となる。 In the autonomous refresh according to the present embodiment, the drain voltage Vd is set between the drain voltage Vup and the drain voltage Vdown. For example, when the gate voltage is 0.125V (L1), the drain voltage Vd is set within a range of about 3.35V to about 3.55V. When the gate voltage is 0.150V (L2), the drain voltage Vd is set within a range of about 3.25V to about 3.35V. As a result, even if the drain voltage of the “1” cell (the potential of the bit line BL) is equal to the drain voltage of the “0” cell, impact ionization occurs in the “1” cell, and impact ionization does not occur in the “0” cell. . In other words, by setting the drain voltage Vd within the above range, the drain current Id (collector current IC) of the “1” cell becomes larger than the predetermined current value IC0, and the drain current Id of the “0” cell. (Collector current IC) is smaller than a predetermined current value IC0. Predetermined current value IC0 is in the range of about 10 -11 A to about 10 -8 A. As described above, by controlling the gate voltage and the drain voltage, autonomous refresh using the bipolar action can be simultaneously executed in the “1” cell and the “0” cell.

ゲート電圧が0.175V以上の場合(L3およびL4)には、ドレイン電圧Vupがドレイン電圧Vdownとほぼ等しいため、“1”セルおよび“0”セルを同時に自律リフレッシュすることはできない。   When the gate voltage is 0.175 V or higher (L3 and L4), the drain voltage Vup is almost equal to the drain voltage Vdown, so that the “1” cell and the “0” cell cannot be autonomously refreshed simultaneously.

このように、本発明の発明者は、メモリセルMC自体がバイポーラ作用によってデータを増幅する機能を有することに着目した。このバイポーラ作用を利用することによって、メモリセルMC自身がデータの増幅および再書込みを行うことができる。この自律リフレッシュの利点は、リフレッシュ時にセンスアンプS/Aがデータを検出する必要がないことである。従って、本実施形態による自律リフレッシュは、同一ビット線BLに接続された複数のメモリセルMCを同時にリフレッシュすることができる。これにより、後述のように、従来のリフレッシュ方式に比べて、消費電力を削減できるとともに、リフレッシュビジー率を低下させることができる。   Thus, the inventors of the present invention have focused on the fact that the memory cell MC itself has a function of amplifying data by a bipolar action. By utilizing this bipolar action, the memory cell MC itself can amplify and rewrite data. The advantage of this autonomous refresh is that the sense amplifier S / A does not need to detect data during refresh. Therefore, the autonomous refresh according to the present embodiment can simultaneously refresh a plurality of memory cells MC connected to the same bit line BL. Thereby, as will be described later, the power consumption can be reduced and the refresh busy rate can be reduced as compared with the conventional refresh method.

図4から図8は、本実施形態による自律リフレッシュ動作を示すタイミング図である。ソース電位は、接地電位(0V)に維持されている。データ保持状態では、ワード線WLの電位は、深い負電位VWLLに設定されており、ビット線BLの電位は、ソース電位と同様に接地電位に設定されている。   4 to 8 are timing charts showing an autonomous refresh operation according to the present embodiment. The source potential is maintained at the ground potential (0 V). In the data holding state, the potential of the word line WL is set to the deep negative potential VWLL, and the potential of the bit line BL is set to the ground potential similarly to the source potential.

自律リフレッシュ動作に入ると、t1〜t2において、まず、ワード線ドライバWLDがワード線WLの電位をVWLLから正電位VWLRへ立ち上げる。これにより、“1”セルのボディ電位Vbody1および“0”セルのボディ電位Vbody0がともにボディ−ゲート間の容量結合により上昇する。このとき、ワード線ドライバWLDは、複数のワード線WLを同時に駆動してよい。   When the autonomous refresh operation is entered, from t1 to t2, first, the word line driver WLD raises the potential of the word line WL from VWLL to the positive potential VWLR. As a result, the body potential Vbody1 of the “1” cell and the body potential Vbody0 of the “0” cell both rise due to capacitive coupling between the body and the gate. At this time, the word line driver WLD may drive a plurality of word lines WL simultaneously.

t3〜t4において、カラム選択線ドライバCSLDがビット線BLの電位をソース電位から正電位VBLRへ立ち上げる。これにより、“1”セルのボディ電位Vbody1および“0”セルのボディ電位Vbody0はさらにボディ−ドレイン間の容量結合により上昇する。このとき、カラム選択線ドライバCSLDは、複数のビット線BLを同時に駆動してよい。   From t3 to t4, the column selection line driver CSLD raises the potential of the bit line BL from the source potential to the positive potential VBLR. As a result, the body potential Vbody1 of the “1” cell and the body potential Vbody0 of the “0” cell further increase due to capacitive coupling between the body and the drain. At this time, the column selection line driver CSLD may drive a plurality of bit lines BL simultaneously.

“1”セルのボディ電位Vbody1が“0”セルのボディ電位Vbody0よりも高い。このため、t4以降、上述の通り、“1”セルではバイポーラ作用によるインパクトイオン化が生じ、正孔がボディ50に蓄積される。“0”セルでは、フォワード電流IEによって正孔がボディ50から放出される。即ち、“1”セルではIC>IC0となり、“0”セルではIC<IC0となるため、“1”セルのボディ電位と“0”セルのボディ電位との差は、ΔVb_beforeからΔVb_after(ΔVb_after>ΔVb_before)に増幅される。   The body potential Vbody1 of the “1” cell is higher than the body potential Vbody0 of the “0” cell. Therefore, after t4, as described above, impact ionization occurs due to the bipolar action in the “1” cell, and holes are accumulated in the body 50. In the “0” cell, holes are emitted from the body 50 by the forward current IE. That is, since IC> IC0 in the “1” cell and IC <IC0 in the “0” cell, the difference between the body potential of the “1” cell and the body potential of the “0” cell is changed from ΔVb_before to ΔVb_after (ΔVb_after> ΔVb_before).

t5〜t6において、ワード線ドライバWLDがワード線WLの電位をVWLRからVWLLに戻す。t7〜t8において、カラム選択線ドライバCSLDがビット線BLの電位をVBLRからソース電位へ戻す。これにより、本実施形態によるバイポーラ作用を用いた自律リフレッシュ動作が完了するとともに、メモリセルMCは再び保持状態になる。   From t5 to t6, the word line driver WLD returns the potential of the word line WL from VWLR to VWLL. From t7 to t8, the column selection line driver CSLD returns the potential of the bit line BL from VBLR to the source potential. Thereby, the autonomous refresh operation using the bipolar action according to the present embodiment is completed, and the memory cell MC is again in the holding state.

図5のように、ビット線BLの電位を先に立ち上げ、その後、ワード線WLの電位を立ち上げてもよい。即ち、ビット線BLの電位およびワード線WLの電位の立上げの順番は問わない。   As shown in FIG. 5, the potential of the bit line BL may be raised first, and then the potential of the word line WL may be raised. That is, the order in which the potential of the bit line BL and the potential of the word line WL are raised does not matter.

図6では、データ保持時におけるワード線WLの電位が図4および図5に示すそれよりも浅い負電位VWLL1(VWLL1>VWLL)に設定されている。これにより、“1”セルのボディ−ソース間のPN接合およびボディ−ドレイン間のPN接合には、順バイアスが印加される。この場合、“1”セルのデータは劣化するものの、“0”セルの記憶状態は安定化する。なぜならば、ワード線WLの電位が浅い負電位であるため、正孔が“0”セルのボディ50にあまり蓄積されないからである。   In FIG. 6, the potential of the word line WL at the time of data retention is set to a negative potential VWLL1 (VWLL1> VWLL) shallower than that shown in FIGS. As a result, a forward bias is applied to the body-source PN junction and the body-drain PN junction of the “1” cell. In this case, although the data in the “1” cell is deteriorated, the storage state of the “0” cell is stabilized. This is because, since the potential of the word line WL is a shallow negative potential, holes are not accumulated much in the body 50 of the “0” cell.

本実施形態による自律リフレッシュは、インパクトイオン化により“1”セルに正孔を補給する動作である。よって、図6のデータ保持状態は、本実施形態によるバイポーラ作用を利用した自律リフレッシュに適していると言える。   The autonomous refresh according to the present embodiment is an operation of supplying holes to the “1” cell by impact ionization. Therefore, it can be said that the data holding state of FIG. 6 is suitable for autonomous refresh using the bipolar action according to the present embodiment.

図7は、図6のタイミング図に比べ、ビット線BLの電位を先に立ち上げ、その後、ワード線WLの電位を立ち上げている点で異なる。このように、ビット線BLの電位およびワード線WLの電位の立上げの順番は問わない。   FIG. 7 differs from the timing chart of FIG. 6 in that the potential of the bit line BL is raised first, and then the potential of the word line WL is raised. Thus, the order of raising the potential of the bit line BL and the potential of the word line WL is not limited.

図8では、ワード線WLの電位を立ち上げることなく、ビット線BLの電位のみを立ち上げている。即ち、自律リフレッシュ時におけるワード線WLの電位は、データ保持状態におけるワード線WLの電位VWLLにほぼ等しく負電位に設定される。この場合、ワード線WLの電位VWLLは、図4〜図7で示したワード線WLの電位VWLRよりも低いが、ビット線BLの電位VBLR1を図4〜図7で示したビット線BLの電位VBLRよりも高く設定することによって、バイポーラ作用による自律リフレッシュが可能になる。   In FIG. 8, only the potential of the bit line BL is raised without raising the potential of the word line WL. That is, the potential of the word line WL during the autonomous refresh is set to a negative potential substantially equal to the potential VWLL of the word line WL in the data holding state. In this case, the potential VWLL of the word line WL is lower than the potential VWLR of the word line WL shown in FIGS. 4 to 7, but the potential VBLR1 of the bit line BL is set to the potential of the bit line BL shown in FIGS. By setting higher than VBLR, autonomous refresh by bipolar action becomes possible.

(アクティブモードでの自律リフレッシュ動作)
外部からのデータを書き込み、あるいは、外部へデータを読み出す動作が一定期間以上実行されないデータ保持モード(待機状態)では、メモリセルMCへのアクセスは生じない。一方、アクティブモードでは、外部にデータを読み出し、あるいは、外部からのデータを書き込むために、不定期にメモリセルMCにアクセスする必要が生じる。アクティブモードは、外部にデータを読み出し、あるいは、外部からのデータを書き込むアクセスから次のアクセスまでの期間が一定期間未満の状態である。データ読出し/書込み動作では、センスアンプS/Aは、メモリセルMCのデータを一旦読み出して、このデータをメモリセルMCに書き戻すという従来のリフレッシュ動作を実行する。従って、メモリセルMCにアクセスが頻繁に入る状態であっても、自律リフレッシュは、データ保持モードにおけるサイクルと同じ周期で実行すればよい。
(Autonomous refresh operation in active mode)
In the data holding mode (standby state) in which the operation of writing data from the outside or reading the data to the outside is not executed for a certain period or longer, access to the memory cell MC does not occur. On the other hand, in the active mode, it is necessary to access the memory cells MC irregularly in order to read data to the outside or write data from the outside. The active mode is a state in which a period from an access for reading data to the outside or writing data from the outside to the next access is less than a certain period. In the data read / write operation, the sense amplifier S / A executes a conventional refresh operation in which data in the memory cell MC is once read and this data is written back to the memory cell MC. Therefore, even when access to the memory cell MC frequently enters, the autonomous refresh may be executed in the same cycle as the cycle in the data holding mode.

本来、データ読出し/書込みのためのアクセスが所定期間以上入らない場合に、メモリセルMCのデータ劣化が問題となる。従って、頻繁にアクセスがメモリセルMCに入る状況においては、自律リフレッシュは、データ保持モード時と同じように機能する。   Originally, when the access for reading / writing data does not enter for a predetermined period or more, the data deterioration of the memory cell MC becomes a problem. Therefore, in a situation where access frequently enters the memory cell MC, the autonomous refresh functions in the same manner as in the data holding mode.

しかし、データ読出し/書込みのためのアクセスがかなり頻繁に入る場合、メモリセルMCへのディスターブが懸念される。このような場合には、電流成分の中のディスターブで変動する成分が無視できるように(相対的に小さくなるように)、自律リフレッシュの動作電圧を変えることが有効となる。   However, when access for reading / writing data enters fairly frequently, there is a concern about disturbing the memory cell MC. In such a case, it is effective to change the operation voltage of the autonomous refresh so that the component of the current component that fluctuates due to disturbance can be ignored (so as to be relatively small).

図9は、アクティブモードおよびデータ保持モードにおけるワード線WLおよびビット線BLの動作を示すタイミング図である。例えば、図9に示すように、アクティブモードにおけるワード線電位VWLおよびビット線電位VBLを、データ保持モードにおけるそれらよりも上げる。即ち、アクティブモードにおけるワード線電位VWLおよびビット線電位VBLは、データ保持モードにおけるそれらよりもソース電位VSLから離す。これにより、アクティブモードにおけるインパクトイオン化をデータ保持モードにおけるそれよりも増大させることができる。   FIG. 9 is a timing chart showing operations of the word line WL and the bit line BL in the active mode and the data holding mode. For example, as shown in FIG. 9, the word line potential VWL and the bit line potential VBL in the active mode are set higher than those in the data holding mode. That is, the word line potential VWL and the bit line potential VBL in the active mode are separated from the source potential VSL more than those in the data holding mode. Thereby, the impact ionization in the active mode can be increased more than that in the data holding mode.

アクティブモード時にはデータ保持モードに比べ、ディスターブによる電流成分が増加するので、インパクトイオン化電流およびフォワード電流を増加させることが有効である。このとき、メモリセルMCに流すDC電流も増えるが、アクティブモードでは本来、大きな平均電流が流れている。このため、インパクトイオン化電流およびフォワード電流の増分は無視できる。つまり、消費電流はほとんど増大しない。しかし、データ保持モード時では、低いデータ保持電流を実現する必要があるので、インパクトイオン化電流およびフォワード電流の増大は顕著になる。従って、データ保持モードにおけるインパクトイオン化電流およびフォワード電流は、アクティブモードのそれよりも低い方が好ましい。   Since the current component due to disturbance increases in the active mode compared to the data holding mode, it is effective to increase the impact ionization current and the forward current. At this time, the DC current passed through the memory cell MC also increases, but a large average current flows originally in the active mode. For this reason, the increment of impact ionization current and forward current is negligible. That is, current consumption hardly increases. However, in the data holding mode, since it is necessary to realize a low data holding current, an increase in impact ionization current and forward current becomes significant. Therefore, the impact ionization current and the forward current in the data retention mode are preferably lower than those in the active mode.

ただし、図3を参照して説明したように、アクティブモードおよびデータ保持モードにおいて、“1”セルのドレイン電流Idが所定の電流値Id0よりも大きくなり、“0”セルのドレイン電流Idが所定の電流値Id0よりも小さくなるように、ビット線電位およびワード線電位を設定する必要がある。   However, as described with reference to FIG. 3, in the active mode and the data holding mode, the drain current Id of the “1” cell is larger than the predetermined current value Id0, and the drain current Id of the “0” cell is predetermined. It is necessary to set the bit line potential and the word line potential to be smaller than the current value Id0.

自律リフレッシュ時に、同時に活性化するワード線WLの数および同時に活性化するビット線BLの数は任意である。例えば、従来のリフレッシュ動作のように1本のワード線WLおよび全ビット線BLを活性化させて、活性化されたワード線WLに接続された全メモリセルMCを同時にリフレッシュしてもよい。この場合、データ保持モードにおける消費電流は、従来と同様である。不活性状態の非選択ワード線WLに接続されたメモリセルMCのドレイン40の電位は上昇するが、ゲート電位は低いままである。従って、“1”セルおよび“0”セルにおいてバイポーラ作用は生じない。   At the time of autonomous refresh, the number of word lines WL activated simultaneously and the number of bit lines BL activated simultaneously are arbitrary. For example, one word line WL and all bit lines BL may be activated as in a conventional refresh operation, and all memory cells MC connected to the activated word line WL may be simultaneously refreshed. In this case, the current consumption in the data holding mode is the same as the conventional one. Although the potential of the drain 40 of the memory cell MC connected to the inactive unselected word line WL rises, the gate potential remains low. Therefore, the bipolar action does not occur in the “1” cell and the “0” cell.

活性とは素子または回路をオンまたは駆動させることを意味し、不活性とは素子または回路をオフまたは停止させることを意味する。従って、HIGH(高電位レベル)の信号が活性化信号である場合もあり、LOW(低電位レベル)の信号が活性化信号である場合もあることに注意されたい。例えば、NMOSトランジスタは、ゲートをHIGHにすることによって活性化する。一方、PMOSトランジスタは、ゲートをLOWにすることによって活性化する
全ワード線WLおよび1本のビット線BLを活性化させて、活性化されたビット線BLに接続された全メモリセルMCを同時にリフレッシュしてもよい。この場合、データ保持モードにおける消費電流は、ワード線WLの数2n、ワード線WLの容量CWL、ワード線WLの駆動振幅ΔVWL、ビット線の数2m、ビット線の容量CBL、ビット線の駆動振幅ΔVBLに依存する。データ保持モードにおける消費電流は、従来よりも減少する場合もあり、増加する場合もあり得る。この場合、不活性状態の非選択ビット線に接続されたメモリセルMCのゲート電位は上昇するが、ドレイン電位は低いままである。従って、“1”セルおよび“0”セルにおいてバイポーラ作用は生じない。
Active means that an element or circuit is turned on or driven, and inactive means that an element or circuit is turned off or stopped. Therefore, it should be noted that a HIGH (high potential level) signal may be an activation signal, and a LOW (low potential level) signal may be an activation signal. For example, the NMOS transistor is activated by setting the gate to HIGH. On the other hand, the PMOS transistor activates all word lines WL and one bit line BL activated by setting the gate to LOW, and simultaneously activates all memory cells MC connected to the activated bit line BL. You may refresh. In this case, the current consumption in the data holding mode is as follows: the number 2n of the word lines WL, the capacity CWL of the word lines WL, the driving amplitude ΔVWL of the word lines WL, the number of bit lines 2 m, the capacity CBL of the bit lines, and the driving amplitude of the bit lines. Depends on ΔVBL. The current consumption in the data holding mode may be decreased or increased as compared with the conventional case. In this case, the gate potential of the memory cell MC connected to the inactive non-selected bit line rises, but the drain potential remains low. Therefore, no bipolar action occurs in the “1” cell and the “0” cell.

全ワード線WLおよび全ビット線BLを活性化させて、メモリセルアレイ内の全メモリセルMCを同時にリフレッシュしてもよい。この場合、データ保持モードにおける消費電流は、従来よりも低下する。また、この場合、周辺回路の動作に必要な電流も小さくすることができる。   All the word lines WL and all the bit lines BL may be activated to refresh all the memory cells MC in the memory cell array at the same time. In this case, the current consumption in the data holding mode is lower than in the conventional case. In this case, the current required for the operation of the peripheral circuit can also be reduced.

図10は、同時に活性化されるワード線WLの本数とデータ保持モードにおける電流との関係を示すグラフである。横軸が、リフレッシュ時に同時に活性化されるワード線WLの本数を示し、縦軸は、2メガビットのメモリセルアレイMCAを32×16ユニット(2Mb×32×16)備えた1ギガビットのFBCメモリのデータ保持モードにおける電流を示す。データ保持モードにおける電流は、1ギガビットのFBCメモリを自律リフレッシュするために必要とされる電流である。2つの2メガビットのメモリセルアレイが、図1に示すようにセンスアンプS/Aの左右に設けられている。各メモリセルアレイは、例えば、512本のワード線WLおよび4096本のビット線BLを備える。   FIG. 10 is a graph showing the relationship between the number of word lines WL activated simultaneously and the current in the data holding mode. The horizontal axis indicates the number of word lines WL that are simultaneously activated at the time of refresh, and the vertical axis indicates data of a 1 gigabit FBC memory having 32 × 16 units (2 Mb × 32 × 16) of a 2 megabit memory cell array MCA. The current in the holding mode is shown. The current in the data holding mode is a current required for autonomously refreshing the 1 gigabit FBC memory. Two 2-megabit memory cell arrays are provided on the left and right of the sense amplifier S / A as shown in FIG. Each memory cell array includes, for example, 512 word lines WL and 4096 bit lines BL.

一例として、ワード線WLの容量CWLが300fF、ワード線WLの電圧振幅ΔVWLが1V、ビット線BLの容量が100fF、ビット線BLの電圧振幅ΔVBLが3.5V、リフレッシュ動作に関係する周辺回路の充電容量CPERIが200pF、周辺回路の電圧振幅ΔVPERIが1.8Vであると仮定する。ワーストセルのリテンション時間TRETを5msとする。また、リフレッシュのサイクル時間τrefを50nsと仮定する。   As an example, the capacitance CWL of the word line WL is 300 fF, the voltage amplitude ΔVWL of the word line WL is 1 V, the capacitance of the bit line BL is 100 fF, the voltage amplitude ΔVBL of the bit line BL is 3.5 V, and the peripheral circuit related to the refresh operation Assume that the charge capacity CPERI is 200 pF and the voltage amplitude ΔVPERI of the peripheral circuit is 1.8V. The worst cell retention time TRET is set to 5 ms. Also, it is assumed that the refresh cycle time τref is 50 ns.

16個の64MbitのメモリセルMCは、64Mbit単位に、同時並行してリフレッシュされる。64Mbitメモリ内では、ロウデコーダRDを共有する2個の2Mbitのメモリセルアレイ毎にリフレッシュを実行する。リフレッシュ時に“1”セルに流れるDC電流を2μAとし、メモリセルをリフレッシュする時間τ1を3nsと仮定した。このメモリセルに流れるDC電流がデータ保持モードにおける電流に与える影響は、メモリセルのリテンション時間(例えば、5ms)に依存し、同時に活性化するワード線およびビット線の本数には依らない。“1”セルおよび“0”セルが半数ずつ存在するとした場合、データ保持モードにおいて1ギガビットのFBCメモリに流れるDC電流の平均値は、0.644mAとなる。   Sixteen 64-Mbit memory cells MC are refreshed in parallel in units of 64 Mbits. In the 64 Mbit memory, refresh is executed for every two 2 Mbit memory cell arrays sharing the row decoder RD. It was assumed that the DC current flowing through the “1” cell during refresh was 2 μA, and the time τ1 for refreshing the memory cell was 3 ns. The influence of the DC current flowing through the memory cell on the current in the data holding mode depends on the retention time (for example, 5 ms) of the memory cell and does not depend on the number of word lines and bit lines activated simultaneously. If half of the “1” cells and “0” cells exist, the average value of the DC current flowing through the 1 gigabit FBC memory in the data holding mode is 0.644 mA.

図10は、2Mbitメモリセルアレイにおいて同時に活性化されるワード線数に対する1Gbitメモリのデータ保持モードにおける消費電流を示す。同時に活性化されるビット線数が512本、1024本、2048本、4096本のそれぞれの場合について、1Gbitメモリのデータ保持モードにおける消費電流が曲線L1〜L4で示されている。   FIG. 10 shows the current consumption in the data holding mode of the 1 Gbit memory with respect to the number of word lines activated simultaneously in the 2 Mbit memory cell array. For each of 512, 1024, 2048, and 4096 bit lines activated simultaneously, the current consumption in the data holding mode of the 1 Gbit memory is shown by curves L1 to L4.

従来のリフレッシュ動作では、1本のワード線を活性化させるとともに、4096本のビット線に接続されたメモリセルを活性化していた。この場合、データ保持モードにおける電流は、約100mAである。一方、上記実施形態による自律リフレッシュ動作では、512本のワード線を活性化させるとともに、4096本のビット線に接続されたメモリセルを活性化することができる。即ち、自律リフレッシュ動作では、2Mbitメモリセルアレイの全メモリセルを同時にリフレッシュすることができる。この場合、データ保持モードにおける電流は、約0.84mAとなる。つまり、自律リフレッシュ動作によるデータ保持モード時の消費電流は、従来のリフレッシュのそれに比べて1/100以下になる。   In the conventional refresh operation, one word line is activated and memory cells connected to 4096 bit lines are activated. In this case, the current in the data holding mode is about 100 mA. On the other hand, in the autonomous refresh operation according to the above embodiment, 512 word lines can be activated and memory cells connected to 4096 bit lines can be activated. That is, in the autonomous refresh operation, all the memory cells in the 2Mbit memory cell array can be refreshed simultaneously. In this case, the current in the data holding mode is about 0.84 mA. That is, the current consumption in the data holding mode by the autonomous refresh operation is 1/100 or less compared to that of the conventional refresh.

尚、同時に活性化されるワード線数およびビット線数に依存せず、メモリセルの集積度に依存するオフセット電流がある。このオフセット電流は、メモリセルのDC電流によるものである。従って、本実施形態では、1Gbit分のメモリセルのDC電流がオフセット電流となる。従って、データ保持モードにおける消費電流をさらに低下させるためには、オフセット電流を低下させる必要がある。オフセット電流を低下させるためには、DC電流を低下させるか、あるいは、フリフレッシュ期間を長くすればよい。   Note that there is an offset current that does not depend on the number of word lines and bit lines that are simultaneously activated but depends on the degree of integration of the memory cells. This offset current is due to the DC current of the memory cell. Therefore, in this embodiment, the DC current of the memory cell for 1 Gbit becomes the offset current. Therefore, in order to further reduce the current consumption in the data holding mode, it is necessary to reduce the offset current. In order to decrease the offset current, the DC current may be decreased or the refresh period may be lengthened.

データ保持モードにおいて必要な電流のうち、ビット線およびワード線の充電に必要な電流Iret1(AC成分ともいう)を一般化すると次のように表すことができる。N本のワード線とM本のビット線からなるN×Mビットのメモリアレイを考える。全メモリセルのリテンション時間の最小値をTRETとすると、従来のDRAMと同じリフレッシュ動作では、TRET/Nの時間毎にM本のビット線を充放電しなければならない。ワード線の容量および電圧振幅をそれぞれCWLおよびVWL、ビット線の容量および電圧振幅をCBLおよびVBLとすると、メモリセルアレイ全体のデータ保持時に必要な電流のAC成分Iret1は、式1のように表される。
Iret1=(CWL・VWL+M・CBL・VBL)/( TRET/N)= N(CWL・VWL+M・CBL・VBL)/TRET (式1)
Of the currents required in the data holding mode, the current Iret1 (also referred to as AC component) required for charging the bit line and the word line can be generalized as follows. Consider an N × M bit memory array consisting of N word lines and M bit lines. If the minimum value of the retention time of all memory cells is TRET, M bit lines must be charged / discharged every TRET / N in the same refresh operation as that of a conventional DRAM. Assuming that the word line capacitance and voltage amplitude are CWL and VWL, and the bit line capacitance and voltage amplitude are CBL and VBL, respectively, the AC component Iret1 of the current required for data retention of the entire memory cell array is expressed as shown in Equation 1. The
Iret1 = (CWL.VWL + M.CBL.VBL) / (TRET / N) = N (CWL.VWL + M.CBL.VBL) / TRET (Formula 1)

一方、全メモリセルを同時にリフレッシュする場合、TRETの経過ごとに全ワード線WLおよび全ビット線BLを活性化させる。従って、この場合のメモリセルアレイに関するデータ保持時に必要な電流のAC成分Iret2は、式2のように表される。
Iret2=(N・CWL・VWL+M・CBL・VBL)/TRET(式2)
On the other hand, when all memory cells are refreshed simultaneously, all word lines WL and all bit lines BL are activated every time TRET elapses. Therefore, the AC component Iret2 of the current necessary for holding data relating to the memory cell array in this case is expressed as in Expression 2.
Iret2 = (N · CWL · VWL + M · CBL · VBL) / TRET (Formula 2)

データ保持電流のAC成分の差分ΔIret=Iret1−Iret2は、式3のように表される。
ΔIret=(NM−1)・CBL・VBL/TRET≒(N・M)・CBL・VBL/TRET (式3)
The difference ΔIret = Iret1−Iret2 of the AC component of the data holding current is expressed as Equation 3.
ΔIret = (NM−1) · CBL · VBL / TRET≈ (N · M) · CBL · VBL / TRET (Formula 3)

これは、従来のリフレッシュ動作におけるビット線の充放電電流とほぼ同じ値である。N・CWL・VWL<<(N・M)M・CBL・VBLであるので、本実施形態による自律リフレッシュにおけるデータ保持電流のAC成分は、従来のリフレッシュにおけるデータ保持電流と比較すると、ほぼ無視できる程に小さい。   This is almost the same value as the charge / discharge current of the bit line in the conventional refresh operation. Since N · CWL · VWL << (N · M) M · CBL · VBL, the AC component of the data holding current in the autonomous refresh according to the present embodiment is almost negligible when compared with the data holding current in the conventional refresh. Small enough.

さらに、ビット線BLを駆動するために設けられた周辺回路(カラム系周辺回路ともいう)における消費電流についても、従来のリフレッシュではTRETの間に周辺回路をN回充放電する必要があったが、本実施形態による自律リフレッシュではTRETの間に周辺回路を1回充放電すれば足りる。カラム系周辺回路についても、本実施形態による自律リフレッシュにおけるカラム系周辺回路の消費電流は、従来のリフレッシュにおけるカラム系周辺回路の消費電流と比較すると、ほぼ無視できる程に小さい。尚、上記計算においては、リフレッシュ時にメモリセルに流れるDC電流の影響は無視した。   Further, regarding current consumption in a peripheral circuit (also referred to as a column-related peripheral circuit) provided for driving the bit line BL, the conventional refresh requires charging / discharging the peripheral circuit N times during TRET. In the autonomous refresh according to the present embodiment, it is sufficient to charge and discharge the peripheral circuit once during TRET. Also in the column peripheral circuit, the current consumption of the column peripheral circuit in the autonomous refresh according to the present embodiment is small enough to be ignored as compared with the current consumption of the column peripheral circuit in the conventional refresh. In the above calculation, the influence of the DC current flowing in the memory cell during refresh is ignored.

図11は、同時に活性化されるワード線WLの本数とリフレッシュのビジー率との関係を示すグラフである。横軸が、リフレッシュ時に同時に活性化されるワード線WLの本数を示し、縦軸は、リフレッシュビジー率を示す。リフレッシュビジー率は、データ保持モードにおいて、1サイクル期間TRETに対する自律リフレッシュ期間が占める時間的な比率を意味する。例えば、リフレッシュビジー率が100%とは、データ保持状態において常時リフレッシュ動作が必要な状態である。従って、データを保持することができる限りにおいて、リフレッシュビジー率は低いほど良いと言える。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the number of simultaneously activated word lines WL and the refresh busy rate. The horizontal axis indicates the number of word lines WL that are simultaneously activated during refresh, and the vertical axis indicates the refresh busy rate. The refresh busy rate means a time ratio of the autonomous refresh period to the one cycle period TRET in the data holding mode. For example, a refresh busy rate of 100% is a state in which a refresh operation is always required in a data holding state. Therefore, the lower the refresh busy rate, the better as long as data can be held.

リフレッシュ動作において同時に活性化されるワード線WLの数が1である場合、全カラムのビット線BL(4096本)を同時に活性化したとしても、リフレッシュビジー率は約8%以上である。従来のリフレッシュ動作では、同時に活性化されるワード線は、1本のみでなければならなかった。この場合、全カラムのビット線BL(4096本)を同時に活性化したとしても、リフレッシュビジー率は約8%よりも低くすることができない。   When the number of word lines WL simultaneously activated in the refresh operation is 1, the refresh busy rate is about 8% or more even if the bit lines BL (4096 lines) of all the columns are activated simultaneously. In the conventional refresh operation, only one word line must be activated at the same time. In this case, even if the bit lines BL (4096 lines) of all the columns are activated simultaneously, the refresh busy rate cannot be made lower than about 8%.

本実施形態による自律リフレッシュ動作は、複数のワード線を同時に活性化させることができる。例えば、リフレッシュ動作において同時に活性化されるワード線WLの数が512であり、かつ、リフレッシュ動作において同時に活性化されるビット線BLの数が4096である場合(メモリセルアレイ内の全メモリセルを同時にリフレッシュする場合)、リフレッシュビジー率は約0.016%に低下させることができる。   The autonomous refresh operation according to the present embodiment can simultaneously activate a plurality of word lines. For example, when the number of word lines WL simultaneously activated in the refresh operation is 512 and the number of bit lines BL simultaneously activated in the refresh operation is 4096 (all memory cells in the memory cell array are simultaneously When refreshing), the refresh busy rate can be reduced to about 0.016%.

同時にリフレッシュするメモリセル数が多いと、電流ピークが大きくなり、ノイズなどが問題になる場合がある。このような問題が生じる場合には、メモリセルアレイを或るブロックに分割して、ブロックごとにリフレッシュしてもよい。例えば、64メガビットのメモリセルを128分割して、512Kビットのメモリセルを同時にリフレッシュするように設定してもよい。この場合、電流ピークが小さくなり、リフレッシュビジー率が上昇する。しかし、リフレッシュビジー率は、約2%(0.016%×128)程度であり、依然として、実用的な範囲内である。   If the number of memory cells to be refreshed at the same time is large, the current peak becomes large, and noise may become a problem. When such a problem occurs, the memory cell array may be divided into certain blocks and refreshed for each block. For example, a 64 megabit memory cell may be divided into 128 and 512 Kbit memory cells may be refreshed simultaneously. In this case, the current peak is reduced and the refresh busy rate is increased. However, the refresh busy rate is about 2% (0.016% × 128), and is still within a practical range.

(第2の実施形態)
図12は、本発明に係る第2の実施形態に従ったFBCメモリの動作を示すタイミング図である。第2の実施形態では、メモリ外部へのデータ読出しあるいはメモリ外部からのデータの書込み直後に、該読出しまたは該書込み時に活性化された選択ビット線に接続された全メモリセルを自律リフレッシュする。読出しは、メモリセルMCの電流をセンスアンプS/Aが検知する方式である。データ“1”の書込みはメモリセルMCのインパクトイオン化により実行され、データ“0”の書込みはビット線を負電位にしてボディ−ドレイン間のPN接合を順バイアスすることにより実行される。勿論、上記以外の書込み方式または読出し方式を用いても差し支えない。
(Second Embodiment)
FIG. 12 is a timing diagram showing an operation of the FBC memory according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, immediately after data reading to the outside of the memory or data writing from the outside of the memory, all the memory cells connected to the selected bit line activated at the time of reading or writing are autonomously refreshed. Reading is a method in which the sense amplifier S / A detects the current of the memory cell MC. Data “1” is written by impact ionization of the memory cell MC, and data “0” is written by forward biasing the PN junction between the body and the drain by setting the bit line to a negative potential. Of course, other writing methods or reading methods may be used.

読出しあるいは書込みが実行された後、t10以降において選択ビット線BLに接続された全メモリセルMCの自律リフレッシュを実行する。このとき、非選択ビット線BLに接続されたメモリセルMCに対しては、リフレッシュを実行しない。ここでの自律リフレッシュは、上記実施形態による自律リフレッシュである。このように、読出しまたは書込み直後に、該読出しまたは該書込みの対象となった選択ビット線に接続された全メモリセルMCを自律リフレッシュしてもよい。   After the reading or writing is executed, autonomous refresh of all the memory cells MC connected to the selected bit line BL is executed after t10. At this time, refresh is not performed on the memory cells MC connected to the non-selected bit line BL. The autonomous refresh here is an autonomous refresh according to the above embodiment. Thus, immediately after reading or writing, all the memory cells MC connected to the selected bit line to be read or written may be autonomously refreshed.

データ“1”の書込み時に選択ビット線は高レベル電位に立ち上げられる。このため、選択ビット線に接続された非選択の“0”セルにGIDLが生じ、データ“0”が劣化する(“1”ビット線ディスターブ)。データ“0”の書込み時に、選択ビット線は低レベル電位に立ち下げられる。このため、選択ビット線に接続された非選択の“1”セル内の正孔がボディ−ドレイン間のフォワードバイアスによって流出する場合がある(“0”ビット線ディスターブ)
第2の実施形態では、読出しまたは書込み直後に、選択ビット線に接続された全メモリセルMCを自律リフレッシュするので、“1”ビット線ディスターブおよび“0”ビット線ディスターブを効果的に抑制することができる。
When data “1” is written, the selected bit line is raised to a high level potential. For this reason, GIDL occurs in an unselected “0” cell connected to the selected bit line, and data “0” is degraded (“1” bit line disturb). At the time of writing data “0”, the selected bit line is lowered to the low level potential. For this reason, holes in the non-selected “1” cell connected to the selected bit line may flow out due to a forward bias between the body and the drain (“0” bit line disturb).
In the second embodiment, since all the memory cells MC connected to the selected bit line are autonomously refreshed immediately after reading or writing, “1” bit line disturbance and “0” bit line disturbance are effectively suppressed. Can do.

(第3の実施形態)
図13は、本発明に係る第3の実施形態に従ったFBCメモリの構成の一例を示す図である。第3の実施形態では、センスアンプS/Aがm本(m≧2)のビット線BLごとに設けられている。ビット線セレクタBLSがセンスアンプS/Aとm本のビット線BLとの間に設けられている。ビット線セレクタBLSは、データ読出し/書込み動作において、m本のビット線BLから特定のビット線BLを選択してセンスアンプS/Aに接続するように構成されている。一方、リフレッシュ動作では、ビット線セレクタBLSは、m本のビット線BLを全てセンスアンプS/Aに接続することができる。これにより、第3の実施形態によるFBCメモリは、第1または第2の実施形態と同様に自律リフレッシュ動作を実行することができる。
(Third embodiment)
FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of the FBC memory according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, a sense amplifier S / A is provided for each of m (m ≧ 2) bit lines BL. A bit line selector BLS is provided between the sense amplifier S / A and the m bit lines BL. The bit line selector BLS is configured to select a specific bit line BL from the m bit lines BL and connect it to the sense amplifier S / A in the data read / write operation. On the other hand, in the refresh operation, the bit line selector BLS can connect all m bit lines BL to the sense amplifier S / A. Thereby, the FBC memory according to the third embodiment can execute the autonomous refresh operation similarly to the first or second embodiment.

第3の実施形態では、センスアンプS/Aがm本のビット線ごとに設けられているので、メモリセル以外の周辺回路の面積を低減させることができる。即ち、メモリチップに対するセル占有率が向上する。これにより、FBCメモリのチップサイズを小さくすることができる。   In the third embodiment, since the sense amplifier S / A is provided for every m bit lines, the area of peripheral circuits other than the memory cells can be reduced. That is, the cell occupation ratio with respect to the memory chip is improved. As a result, the chip size of the FBC memory can be reduced.

(第4の実施形態)
図14は、本発明に係る第4の実施形態に従ったFBCメモリの構成の一例を示す図である。第4の実施形態では、ビット線がローカルビット線LBLLk,i、LBLRk,i(kは1〜N、iは1〜M)(以下、単にLBLともいう)と、グローバルビット線GBLLi、GBLRi(以下、単にGBLともいう)とに分けられている。各ローカルビット線LBLは、或るカラムのメモリセルMCのうちいくつかのメモリセルに接続されている。図14では、(N+1)個のメモリセルMCが1つのローカルビット線LBLに接続されている。グローバルビット線GBLは、複数のローカルビット線に対応して設けられており、センスアンプS/Aに接続されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 is a diagram showing an example of the configuration of the FBC memory according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, the bit lines are local bit lines LBLLk, i, LBLRk, i (k is 1 to N, i is 1 to M) (hereinafter also simply referred to as LBL), and global bit lines GBLLi, GBLRi ( Hereinafter, this is also simply referred to as GBL). Each local bit line LBL is connected to some of the memory cells MC in a certain column. In FIG. 14, (N + 1) memory cells MC are connected to one local bit line LBL. The global bit line GBL is provided corresponding to a plurality of local bit lines and is connected to the sense amplifier S / A.

ビット線スイッチBSWがローカルビット線LBLとグローバルビット線GBLとの間に接続されている。グローバルビット線GBLは、ビット線スイッチBSWによって特定のローカルビット線LBLに選択的に接続され得る。   A bit line switch BSW is connected between the local bit line LBL and the global bit line GBL. The global bit line GBL can be selectively connected to a specific local bit line LBL by a bit line switch BSW.

図14に示す階層型ビット線構成によれば、ローカルビット線LBLごとにセンスアンプS/Aを設ける必要がなく、センスアンプS/Aの個数を減少させることができる。例えば、図14の具体例では、グローバルビット線GBLがセンスアンプS/Aの左右に接続されており、それぞれのグローバルビット線GBLは4本のローカルビット線LBL(計8本のローカルビット線)に接続されている。よって、本実施形態におけるセンスアンプS/Aの個数は、ローカルビット線LBLごとにセンスアンプS/Aを設けた場合の個数の1/8となる。   According to the hierarchical bit line configuration shown in FIG. 14, it is not necessary to provide a sense amplifier S / A for each local bit line LBL, and the number of sense amplifiers S / A can be reduced. For example, in the specific example of FIG. 14, global bit lines GBL are connected to the left and right of the sense amplifier S / A, and each global bit line GBL has four local bit lines LBL (a total of eight local bit lines). It is connected to the. Therefore, the number of sense amplifiers S / A in this embodiment is 1/8 of the number of sense amplifiers S / A provided for each local bit line LBL.

このような階層型ビット線構成において従来のリフレッシュ動作を実行した場合、一度にリフレッシュできるメモリセル数は1/8に減る。このため、リフレッシュのサイクル数(全メモリセルセルをリフレッシュするために必要なリフレッシュサイクル数)が大きくなり、リフレッシュビジー率が大きくなってしまう。   When the conventional refresh operation is executed in such a hierarchical bit line configuration, the number of memory cells that can be refreshed at one time is reduced to 1/8. As a result, the number of refresh cycles (the number of refresh cycles necessary for refreshing all memory cell cells) increases, and the refresh busy rate increases.

これに対し、上記実施形態による自律リフレッシュを用いた場合、センスアンプ数とは無関係にメモリセルアレイ全体のメモリセルを同時にリフレッシュすることができる。従って、自律リフレッシュによれば、階層型ビット線構成を採用するFBCメモリであっても、リフレッシュビジー率を上昇させることなく、全メモリセルをリフレッシュすることができる。さらに、階層型ビット線構成を採用することによって、センスアンプS/A数を減少させることができるので、メモリ装置全体のサイズを小さくすることができる。   On the other hand, when the autonomous refresh according to the above embodiment is used, the memory cells in the entire memory cell array can be simultaneously refreshed regardless of the number of sense amplifiers. Therefore, according to the autonomous refresh, all memory cells can be refreshed without increasing the refresh busy rate even in the FBC memory adopting the hierarchical bit line configuration. Furthermore, since the number of sense amplifiers S / As can be reduced by adopting the hierarchical bit line configuration, the size of the entire memory device can be reduced.

上記実施形態において、メモリセルMCは、p型FETであってもよい。この場合には、メモリセルMCは、電子を蓄積し、あるいは、電子を放出することによってデータを格納する。また、この場合、ワード線WLおよびビット線BLの各電位の極性を逆にすればよい。   In the above embodiment, the memory cell MC may be a p-type FET. In this case, the memory cell MC stores data by accumulating electrons or emitting electrons. In this case, the polarity of each potential of the word line WL and the bit line BL may be reversed.

上記実施形態において、ソース電位は、接地電位としたが、ソース電位は、接地電位以外の電位に設定されてもよい。この場合、ワード線WLおよびビット線BLの各電位の極性はソース電位を基準とする。 In the above embodiment, the source potential is the ground potential, but the source potential may be set to a potential other than the ground potential. In this case, the polarity of each potential of the word line WL and the bit line BL is based on the source potential.

上記実施形態では、読出しおよび書込み方式については特に限定しない。したがって、本実施形態による自律リフレッシュ動作は、従来の如何なる読出しおよび書込み方式、更に、これから提案されるであろう如何なる読出しおよび書込み方式にも適用可能である。   In the above embodiment, the read and write methods are not particularly limited. Therefore, the autonomous refresh operation according to the present embodiment can be applied to any conventional read and write methods, and any read and write methods that will be proposed.

本発明に係る第1の実施形態に従ったFBCメモリ装置の構成の一例を示す図。1 is a diagram showing an example of the configuration of an FBC memory device according to a first embodiment of the present invention. メモリセルMCの構造の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the structure of the memory cell MC. 或るメモリセルMCのドレイン電流とドレイン電圧との関係を示す実験結果。The experimental result which shows the relationship between the drain current and drain voltage of a certain memory cell MC. 本実施形態による自律リフレッシュ動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the autonomous refresh operation | movement by this embodiment. 本実施形態による自律リフレッシュ動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the autonomous refresh operation | movement by this embodiment. 本実施形態による自律リフレッシュ動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the autonomous refresh operation | movement by this embodiment. 本実施形態による自律リフレッシュ動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the autonomous refresh operation | movement by this embodiment. 本実施形態による自律リフレッシュ動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows the autonomous refresh operation | movement by this embodiment. アクティブモードおよびデータ保持モードにおけるワード線WLおよびビット線BLの動作を示すタイミング図。FIG. 4 is a timing chart showing operations of a word line WL and a bit line BL in an active mode and a data holding mode. 同時に活性化されるワード線WLの本数とデータ保持モードにおける電流との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the number of the word lines WL activated simultaneously, and the electric current in data retention mode. 同時に活性化されるワード線WLの本数とリフレッシュのビジー率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the number of the word lines WL activated simultaneously, and the refresh busy rate. 本発明に係る第2の実施形態に従ったFBCメモリの動作を示すタイミング図。The timing diagram which shows operation | movement of the FBC memory according to 2nd Embodiment based on this invention. 本発明に係る第3の実施形態に従ったFBCメモリの構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the FBC memory according to 3rd Embodiment concerning this invention. 本発明に係る第4の実施形態に従ったFBCメモリの構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the FBC memory according to 4th Embodiment concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

MC…メモリセル
BL…ビット線
WL…ワード線
SL…ソース線
40…ドレイン
50…ボディ
60…ソース
S/A…センスアンプ
MCAL、MCAR…メモリセルアレイ
MC ... memory cell BL ... bit line WL ... word line SL ... source line 40 ... drain 50 ... body 60 ... source S / A ... sense amplifier MCAL, MCAR ... memory cell array

Claims (5)

ソース層と、ドレイン層と、該ソース層と該ドレイン層との間に設けられ論理データを記憶するために電荷を蓄積し、あるいは、電荷を放出する電気的に浮遊状態のボディ領域と、ゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域上に設けられたゲート電極とを含み、二次元的に配列された複数のメモリセル、
前記複数のメモリセルのドレイン層に接続された複数のビット線、
前記複数のメモリセルのゲート電極に接続され、あるいは、ゲート電極として機能する複数のワード線および、
前記ビット線に接続され、前記メモリセルから論理データを読み出し、あるいは、論理データを書き込むセンスアンプを備え、
前記メモリセルの論理データの劣化を回復させるリフレッシュ動作を実行する際に、前記ボディ領域内の蓄積電荷の多い状態を示す第1の論理データを記憶するメモリセルに所定電流よりも多い第1の電流を流し、前記ボディ領域内の蓄積電荷の少ない状態を示す第2の論理データを記憶するメモリセルに前記所定電流よりも少ない第2の電流を流すバイポーラ作用を生じさせるように単数または複数の前記ビット線および複数の前記ワード線を同時に駆動することによって、複数の前記メモリセルを同時にリフレッシュすることを特徴とする半導体記憶装置。
A source layer, a drain layer, an electrically floating body region that is provided between the source layer and the drain layer to store or release charges to store logic data; and a gate A plurality of memory cells arranged two-dimensionally, including a gate electrode provided on the body region via an insulating film,
A plurality of bit lines connected to drain layers of the plurality of memory cells;
A plurality of word lines connected to the gate electrodes of the plurality of memory cells or functioning as gate electrodes; and
A sense amplifier connected to the bit line and reading logical data from the memory cell or writing logical data;
When executing a refresh operation for recovering the deterioration of the logic data of the memory cell, the memory cell storing the first logic data indicating a state of a large amount of accumulated charges in the body region has a first current greater than a predetermined current. One or more so as to cause a bipolar action of flowing a second current less than the predetermined current in a memory cell that stores a second logic data indicating a state in which the accumulated charge in the body region is low. A semiconductor memory device, wherein the plurality of memory cells are simultaneously refreshed by simultaneously driving the bit lines and the plurality of word lines.
前記複数のビット線および前記複数のワード線に接続された総ての前記メモリセルを同時にリフレッシュすることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。   2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein all the memory cells connected to the plurality of bit lines and the plurality of word lines are simultaneously refreshed. 前記リフレッシュ動作を実行する際に、前記複数のワード線の電位は、データ保持状態における前記複数のワード線の電位よりも高く、前記第1の論理データを記憶したメモリセルの閾値電圧および前記第2の論理データを記憶したメモリセルの閾値電圧よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。   When performing the refresh operation, the potential of the plurality of word lines is higher than the potential of the plurality of word lines in the data holding state, and the threshold voltage of the memory cell storing the first logic data and the first 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the threshold voltage is lower than a threshold voltage of a memory cell storing 2 logic data. 前記センスアンプが外部へデータを読み出し、あるいは、外部からのデータを書き込んだ後に、読出し対象または書込み対象となった前記ビット線に接続された複数の前記メモリセルを、前記バイポーラ作用を利用して同時にリフレッシュすることを特徴とする請求項1または請求項3に記載の半導体記憶装置。   After the sense amplifier reads data to the outside or writes data from the outside, a plurality of the memory cells connected to the bit line to be read or written are utilized using the bipolar action. 4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein refreshing is performed simultaneously. 前記リフレッシュ動作を実行する際に、前記複数のワード線の電位は、データ保持状態における前記複数のワード線の電位とほぼ等しいことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。   2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein when the refresh operation is performed, the potentials of the plurality of word lines are substantially equal to the potentials of the plurality of word lines in a data holding state.
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