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JP2004241004A - Semiconductor storage device - Google Patents

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JP2004241004A
JP2004241004A JP2003025701A JP2003025701A JP2004241004A JP 2004241004 A JP2004241004 A JP 2004241004A JP 2003025701 A JP2003025701 A JP 2003025701A JP 2003025701 A JP2003025701 A JP 2003025701A JP 2004241004 A JP2004241004 A JP 2004241004A
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JP
Japan
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bit line
volatile
transistors
line
semiconductor memory
Prior art date
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JP2003025701A
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Japanese (ja)
Inventor
Takayuki Emori
孝之 江守
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】メモリセルのサイズが小さく、且つ記憶データの読み出しが良好であり、レイアウトの自由度が高い半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】CMOSラッチ回路とパストランジスタ(6トランジスタ)で構成される揮発性部Aと不揮発性部Bとを、ビット線BL,BL_のビット線対を介して接続する。不揮発性部Bでは、強誘電体キャパシタC1,C2の一方の電極を選択トランジスタST1,ST2のソース−ドレイン電極を介してビット線対にそれぞれ接続する。選択トランジスタST1,ST2のゲート電極をワード線WL2に接続する。強誘電体キャパシタC1,C2の他方の電極をプレート線PLに接続する。
【選択図】 図1
A semiconductor memory device having a small memory cell size, good readout of stored data, and high layout flexibility is provided.
A volatile part A and a non-volatile part B composed of a CMOS latch circuit and pass transistors (six transistors) are connected via a bit line pair of bit lines BL and BL_. In the non-volatile section B, one electrode of each of the ferroelectric capacitors C1 and C2 is connected to a bit line pair via the source-drain electrodes of the selection transistors ST1 and ST2. The gate electrodes of the select transistors ST1 and ST2 are connected to the word line WL2. The other electrodes of the ferroelectric capacitors C1 and C2 are connected to the plate line PL.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体記憶装置に関し、特に、揮発性部と不揮発性部とを有する半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体記憶装置、所謂半導体メモリの種類にRAM(random access memory)がある。RAMは、基本的に揮発性であり、電源がオンの間は記録データが保持されるが、電源がオフになると記録データが失われる。そこで、揮発性部に不揮発性部を結合することで、電源がオフになった後でも記録データが保持される不揮発性のRAMが提案されている。
【0003】
図10は、不揮発性スタティックRAM(以下、単に不揮発性SRAMと適宜称する)のメモリセルの構成の一例を示す。図10に示す不揮発性SRAMのメモリセルは、揮発性部Aと不揮発性部Bからなる。揮発性部Aは、「1」、「0」の2値を記憶することができる。揮発性部Aは、例えばCMOS(complementary metal oxide semiconductor)形SRAMの場合、図10に示すように、4個のMOS(Metal oxide semiconductor)によるラッチ回路と2個のパストランジスタで構成される。即ち、揮発性部Aは、6個のトランジスタを有する。後述するため図10では構成を省略しているが、不揮発性部Bも2値を記憶することができる。
【0004】
このような不揮発性SRAMのメモリセルは、通常、効率を良くするため、電源がオンの間は性能の良い揮発性部Aを使い、電源がオフの間は不揮発の不揮発性部Bを使うように動作する。したがって、揮発性部Aと不揮発性部Bとの間でデータの受け渡しが行われる。例えば、電源がオンからオフに切り換わる時に、揮発性部Aの記憶データが不揮発性部Bに書き込まれることを「ストア」といい、電源がオフからオンに切り換わる時に、不揮発性部Bの記憶データが揮発性部Aに書き込まれることを「リコール」という。
【0005】
不揮発性部Bは、強誘電体キャパシタを利用することで構成することができる。下記の特許文献1には、強誘電体キャパシタを用いて不揮発性部Bを構成した不揮発性SRAMのメモリセルが記載されている。
【0006】
【特許文献1】
特開昭64−66899号公報
【0007】
図11は、上記の特許文献1に記載されている強誘電体キャパシタとトランジスタとを用いて不揮発性部Bを構成したメモリセルの構成の一例を示す。揮発性部Aは、上述したように4個のMOSからなるラッチ回路と2個のパストランジスタで構成される。即ち、揮発性部Aは、6個のトランジスタを有する。
【0008】
不揮発性部B−▲1▼は、以下のように構成される。揮発性部Aの2つの記憶ノードN1,N2に、選択トランジスタST11,ST12をそれぞれ介して、強誘電体キャパシタC11,C12の一方の電極がそれぞれ接続されている。強誘電体キャパシタC11,C12の一方の電極は、さらに選択トランジスタST21,ST22をそれぞれ介して接地線に接続されている。強誘電体キャパシタC11,C12の他方の電極がプレート線PLと接続されている。接地線側の2つの選択トランジスタST21,ST22は、データ読み出し前に強誘電体キャパシタC11,C12の印加電圧を0Vとするためのリセット回路として必要とされる。
【0009】
図12は、2個の強誘電体キャパシタのみを用いて不揮発性部Bを構成したメモリセルの構成の他の例を示す。図12に示す不揮発性部B−▲2▼では、揮発性部Aの2つの記憶ノードN1,N2に、強誘電体キャパシタC13,C14がそれぞれ直接接続されている。したがって、メモリセル全体で6個のトランジスタと2個のキャパシタのみの構成となり、そのサイズは小さい。
【0010】
このように、揮発性部に強誘電体キャパシタを用いた不揮発性部を結合することで、不揮発性SRAMを構成することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した不揮発性SRAMの一例のメモリセルは、全体で10個のトランジスタと2個の強誘電体キャパシタを有する構成とされている。即ち、この場合、メモリセルは、リセット回路を含むためサイズが大きくなるという問題があった。
【0012】
また、上述した不揮発性SRAMの他の例のメモリセルは、揮発性部Aの記憶ノードN1,N2に直接強誘電体キャパシタC13,C14の一方の電極が接続されている。このため、このノード電位が誘電体キャパシタC13,C14に印加される。強誘電体キャパシタC13,C14に一方向の電界が印加され続けることをインプリントと言い、ヒステリシス・ループが非対称となる。したがって、この場合、不揮発性部B−▲2▼の記憶データの誤読み出しが起き易くなるという問題があった。
【0013】
さらに、上述した不揮発性SRAMのメモリセルは、揮発性部と不揮発性部とを分離して配置することが困難なため、レイアウトの自由度が低かった。
【0014】
したがって、この発明の目的は、メモリセルのサイズが小さく、且つ記憶データの読み出しが良好であり、レイアウトの自由度が高い半導体記憶装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項1の発明は、ビット線対と、ビット線対に交差するワード線と、ワード線の電位により制御されるトランジスタを介してビット線対に接続されたラッチ回路とを備えた半導体記憶装置であって、ラッチ回路からビット線対へ読み出されたデータを不揮発的に保持すると共に、保持したデータをビット線対を介してラッチ回路へ供給する不揮発性記憶手段を備えたことを特徴とする半導体記憶装置である。
【0016】
請求項3の発明は、ビット線及び相補ビット線からなるビット線対と、ビット線対に交差する第1のワード線及び第1のプレート線と、第1のワード線の電位により制御されるトランジスタを介してビット線対に接続されるラッチ回路とを備えた半導体記憶装置であって、第2のワード線と、一方電極が第1のプレート線に接続された第1及び第2の強誘電体キャパシタと、ビット線と第1の強誘電体キャパシタの他方電極との間に接続され、ゲートが第2のワード線に接続された第1のトランジスタと、相補ビット線と第2の強誘電体キャパシタの他方電極との間に接続され、ゲートが第2のワード線に接続された第2のトランジスタとを備えたことを特徴とする半導体記憶装置である。
【0017】
この発明による半導体記憶装置は、ラッチ回路からビット線対へ読み出されたデータを不揮発的に保持し、保持したデータをビット線対を介してラッチ回路へ供給する構成により、不揮発性とすることができ、且つラッチ回路と不揮発性記憶手段の分離が容易となり、レイアウトの自由度を高めることができる。
【0018】
したがって、第1および第2のトランジスタを介して、ビット線対と第1および第2の強誘電体キャパシタとをそれぞれ接続し、不揮発性記憶手段を構成した場合には、第1および第2の強誘電体キャパシタの印可電圧を0Vとするためのリセット回路を不揮発性記憶手段毎に設ける必要がなくなり、不揮発性部のサイズを小さくすることができる。また、強誘電体キャパシタに一方の電界が印可され続けることはなく、誤読み出しが起きやすくなるのを防ぐことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、この発明の第1の実施形態による半導体記憶装置の一例の構成図を示す。図1に示す半導体記憶装置は、不揮発性のCMOS形SRAMのメモリセルである。このメモリセルは、揮発性部Aと不揮発性部Bとからなる。
【0020】
揮発性部Aは、nMOS(n−channel MOS)からなる駆動トランジスタDT1,DT2と、pMOS(p−channel MOS)からなる駆動トランジスタDT3,DT4によるCMOSラッチ回路と、nMOSからなるパストランジスタPT1,PT2により構成されている。即ち、揮発性部Aは、6個のトランジスタにより構成されている。
【0021】
揮発性部Aにおいて、駆動トランジスタDT1,DT2のソースは、接地されており、駆動トランジスタDT3,DT4のソースは、電源Vccに接続されている。駆動トランジスタDT1,DT3のドレインが駆動トランジスタDT2,DT4のゲートに接続されている(記憶ノードN1)。駆動トランジスタDT2,DT4のドレインが駆動トランジスタDT1,DT3のゲートに接続されている(記憶ノードN2)。
【0022】
記憶ノードN1,N2は、「0」、「1」の情報を保持する。揮発性部Aでは、記憶ノードN1,N2の電位差によって記録データが「0」であるか「1」であるかが判断される。これにより、揮発性部Aは、2値を記録する。揮発性部Aに記録されたデータは、電源のオフにより失われる。即ち、揮発性部Aは、揮発性の構成とされている。
【0023】
パストランジスタPT1のソース−ドレインパスにより、記憶ノードN1がビット線BLに接続されている。パストランジスタPT2のソース−ドレインパスにより、記憶ノードN2がビット線BLと相補のビット線BL_(_は、負論理を表す)に接続されている。パストランジスタPT1,PT2のゲートがワード線WL1に接続されている。
【0024】
ビット線BL,BL_のビット線対は、例えば列方向の特定のメモリセルを選択するために用いられ、ワード線WL1は、例えば行方向の特定の揮発性部Aのメモリセルを選択するために用いられる。
【0025】
不揮発性部Bは、強誘電体キャパシタC1,C2と選択トランジスタST1,ST2により構成されている。
【0026】
不揮発性部Bにおいて、選択トランジスタST1のソース−ドレインパスにより、強誘電体キャパシタC1の一方の電極がビット線BLに接続されている。選択トランジスタST2のソース−ドレインパスにより、強誘電体キャパシタC2の一方の電極がビット線BL_に接続されている。強誘電体キャパシタC1,C2の他方の電極がプレート線PLと接続されている。選択トランジスタST1,ST2のゲートがワード線WL2に接続されている。
【0027】
ワード線WL2は、例えば行方向の特定の不揮発性部Bのメモリセルを選択するための線である。不揮発性部Bでは、強誘電体キャパシタC1,C2の分極方向によって記録データが「0」であるか「1」であるかが判断される。これにより、不揮発性部Bは、2値を記録する。強誘電体キャパシタC1,C2の分極状態は、電源がオフとされても同じ状態を保つ。即ち、不揮発性部Bは、不揮発性の構成とされている。
【0028】
したがって、図1に示す不揮発性のCMOS形SRAMのメモリセルは、CMOSラッチ回路とパストランジスタに用いられる6個のトランジスタで構成される揮発性部Aと、2個のトランジスタと2個の強誘電体キャパシタで構成される不揮発性部Bとが、ビット線BL,BL_のビット線対を介して接続されている。
【0029】
図1に示す不揮発性のCMOS形SRAMのメモリセルの書き込み、読み出し、ストア、リコール動作をそれぞれ以下に説明する。
【0030】
<書き込み動作▲1▼>
まず、揮発性部Aのみへのデータの書き込みについて説明する。揮発性部Aのみへ記録データを書き込む場合、通常のSRAMと同様な書き込み動作を行う。例えば、記録データ「0」、「1」の対応を、図1に示すメモリセルの記憶ノードN1が低い電位であり、記憶ノードN2が高い電位であるときを「0」とし、記憶ノードN1が高い電位であり、記憶ノードN2が低い電位であるときを「1」とする。この場合において、「1」をメモリセルに書き込むときの一例の動作について図2のタイミングチャートを参照しながら説明する。
【0031】
図2Bに示すように、高い電位である電源電圧Vccがビット線BLに与えられ、低い電位である接地電位0Vがビット線BL_に与えられる。
【0032】
そして、図2Aに示すように、ワード線WL1が立ち上げられる。これにより、パストランジスタPT1,PT2が導通となる。ビット線BLには、高い電位である電源電圧Vccが与えられているため、記憶ノードN1の電位が高くなる。即ち、駆動トランジスタDT2,DT4のゲートの電位が高い状態となる。したがって、駆動トランジスタDT4が非導通となり、駆動トランジスタDT2が導通となる。この状態は、パストランジスタPT1が非導通とされても保持される。
【0033】
また、ビット線BL_には、低い電位である接地電位0Vが与えられているため、記憶ノードN2の電位が低くなる。即ち、駆動トランジスタDT1,DT3のゲートの電位が低い状態となる。したがって、駆動トランジスタDT1が非導通となり、駆動トランジスタDT3が導通となる。この状態は、パストランジスタPT2が非導通とされても保持される。
【0034】
したがって、この状態で、図2Aに示すようにワード線WL1が接地電位0Vに戻され、パストランジスタPT1,PT2が非導通とされることで、ラッチ回路が外部から切り離され、メモリセルに「1」がラッチされる。
【0035】
<書き込み動作▲2▼>
次に、データが揮発性部Aへ書き込まれるとともに不揮発性部Bにも書き込まれる場合の動作の一例について、図3のタイミングチャートを参照しながら説明する。この場合、FeRAM(Ferroelectric RAM)と同様な書き込みが行われる。即ち、上述した記録データ「0」、「1」の対応において、「1」をメモリセルに書き込む場合、図3Bに示すように、高い電位である電源電圧Vccがビット線BLに与えられ、低い電位である接地電位0Vがビット線BL_に与えられる。
【0036】
そして、図3Dに示すように、時点T1でワード線WL2が立ち上げられ、強誘電体キャパシタC1に対して一方向の電界で分極がなされる。次に、図3Cに示すように、時点T2でプレート線PLが立ち上げられられ、強誘電体キャパシタC2に対して逆方向の電界で分極がなされる。この強誘電体キャパシタC1,C2の分極方向により、不揮発性部Bに記録データ「1」が書き込まれる。なお、この分極状態は、電源がオフとされても保持される。
【0037】
また、時点T1とT2では、図3Aに示すように、揮発性部Aのワード線WL1が立ち上げられ、記録データ「1」が揮発性部Aへも書き込まれる。
【0038】
このように、揮発性部Aに加えて不揮発性部Bにもデータを書き込むことで、瞬時停電等によるデータ消失を無くすことができ、データ信頼性を高めることができる。
【0039】
<読み出し動作>
揮発性部Aからデータが読み出される場合の動作の一例について、図4のタイミングチャートを参照しながら説明する。揮発性部Aからデータを読み出す場合、通常のSRAMと同様な読み出し動作を行う。即ち、図4Bに示すように、電位Vcc−αがビット線対BL,BL_に負荷から供給される。この状態において、図4Aに示すように、ワード線WL1が立ち上げられ、パストランジスタPT1,PT2がオンとされる。
【0040】
上述した記録データ「0」、「1」の対応において、例えば「1」が読み出される場合、駆動トランジスタDT3が導通であり、駆動トランジスタDT1が非導通であり、パストランジスタPT1が導通であるため、ビット線BLの電位は、引き上げられる。また、駆動トランジスタDT4が非導通であり、駆動トランジスタDT2が導通であり、パストランジスタPT2が導通であるため、ビット線BL_の電位は、引き下げられる。即ち、この場合、図4Bに示すように、ビット線BL_の電位は、ビット線BLの電位に比べて少し下がる。このようにビット線対に生じた電位差を図示しないセンスアンプが検出することで、記録データが読み出される。
【0041】
<ストア>
記録データのストアは、電源オンの状態からオフとされたときに、揮発性部Aの記録データを上述した読み出し動作でビット線に読み出してから、0V/Vccに増幅した後、不揮発性部Bに書き込まれる。
【0042】
ストアの具体的な動作の一例におけるタイミングチャートを図5に示す。なお、ここでは、上述した記録データ「0」、「1」の対応において、記録データ「1」をストアする場合について説明する。最初に読み出し動作と同様、図5Bに示すように、電位Vcc−αがビット線対BL,BL_に負荷から供給される。この状態において、図5Aに示すように、時点T1でワード線WL1が立ち上げられ、図5Bに示すビット線対に生じた電位差から、「1」の記録データが読み出される。
【0043】
時点T2でビット線BLがVccに増幅され、ビット線BL_が0Vに増幅される。次に、図5Dに示すように、時点T3でワード線WL2が立ち上げられ、強誘電体キャパシタC1に対して一方向の電界で分極がなされる。また、図5Cに示すように、時点T4でプレート線PLを立ち上げ、強誘電体キャパシタC2に対して逆方向の電界で分極がなされる。この強誘電体キャパシタC1,C2の分極方向により、不揮発性部Bに記録データ「1」が書き込まれる。なお、この分極状態は、電源がオフとされても保持される。
【0044】
なお、上述した書き込み動作において、不揮発性部Bにも記録データを書き込んでいる場合(書き込み動作▲2▼の場合)には、ストアの必要がないことはいうまでもない。
【0045】
<リコール>
記録データのリコールは、電源オフの状態からオンとされたときに、不揮発性部Bの記録データをビット線に読み出してから、0V/Vccに増幅した後、揮発性部Aに書き込まれる。
【0046】
リコールの具体的な動作の一例におけるタイミングチャートを図6に示す。ここでは、上述した記録データ「0」、「1」の対応において、記録データ「1」をリコールする場合について説明する。最初に、図6Bに示すように、ビット線対BL,BL_が0Vに放電されフローティング状態とされる。この状態において、図6Dに示すように、ワード線WL2が立ち上げられ、図6Cに示すように、時点T1でプレート線PLが立ち上げられる。これにより、図6Bに示すように、ビット線BLに高い電位が表れ、ビット線BL_に低い電位が表れる。
【0047】
時点T1では、引き続きビット線BLがVccに増幅され、ビット線BL_が0Vに増幅される。その後、図6Aに示すように、時点T2でワード線WL1が立ち上げられ、揮発性部Aに記録データ「1」が書き込まれる。
【0048】
なお、ストア、リコールはともに1Row毎(1ワード線毎)に行われるため、ストア時間、リコール時間は、ワード線の数だけ増加する。
【0049】
強誘電体キャパシタからデータを読み出す場合、読み出す直前にプレート線PLを0Vに設定し、強誘電体キャパシタを介してプレート線電極と逆にある電極の電位を0Vに放電し、フローティング状態とする必要がある。このメモリセルではビット線端にある図示しない2つのトランジスタ等からなるリセット回路とワード線WL2の立ち上げにより、強誘電体キャパシタC1,C2の印可電圧の放電が行われる。
【0050】
以上説明したように、この発明の第1の実施形態による半導体記憶装置では、CMOSラッチ回路とパストランジスタに用いられる6個のトランジスタで構成される揮発性部Aと、2個のトランジスタと2個の強誘電体キャパシタで構成される不揮発性部Bとが、ビット線BL,BL_のビット線対を介して接続されている。これにより、ビット線端に2個のトランジスタ等からなるリセット回路を設け、該リセット回路とワード線WL2の立ち上げにより、強誘電体キャパシタC1,C2の印可電圧の放電が行えるため、個々のメモリセルに2個のトランジスタからなるリセット回路を設ける必要がない。したがって、メモリセルのサイズを小さくすることができる。
【0051】
また、メモリセルを構成する揮発性部Aの記憶ノードN1,N2が直接強誘電体キャパシタC1,C2の一方の電極に接続されていないため、図12を参照して説明したような、従来のメモリセルにあったインプリントの問題がない。
【0052】
また、揮発性部Aと不揮発性部Bは、ビット線対が共通なので、複数のメモリセルを用いてSRAM等の半導体記憶装置を構成する場合、これらを別々にまとめて配置することが容易となる。したがって、複数のメモリセルにより不揮発性SRAMを構成する場合などに、メモリセルのレイアウトの自由度が高くなる。
【0053】
次に、この発明の第2の実施形態について説明する。図7は、この発明の第2の実施形態による半導体記憶装置の一例の構成図を示す。図7に示す半導体記憶装置は、4個のメモリセルの等価回路である。
【0054】
図7に示すように、この半導体記憶装置は、第1のメモリセルの揮発性部A1と第2のメモリセルの揮発性部A2と第3のメモリセルの揮発性部A3と第4のメモリセルの揮発性部A4とが、ビット線BL,BL_を介して接続されている。第1のメモリセルの不揮発性部B1と第2のメモリセルの不揮発性部B2と第3のメモリセルの不揮発性部B3と第4のメモリセルの不揮発性部B4とが、ビット線BL,BL_を介して接続されている。
【0055】
揮発性部A1〜A4と不揮発性部B1〜B4は、それぞれビット線方向にまとめて配置されており、まとめられた揮発性部A1〜A4と不揮発性部B1〜B4とがビット線BL,BL_を介して接続されている。なお、揮発性部A1〜A4は、上述した第1の実施形態で説明したメモリセルの揮発性部Aと同様の構成であり、不揮発性部B1〜B4は、上述した第1の実施形態で説明したメモリセルの不揮発性部Bと同様の構成である。
【0056】
ストア、リコールなどを行う場合には、図示しない行デコーダにより揮発性部と不揮発性部とがそれぞれ適切に対応するように(例えば揮発性部A1と不揮発性部B1など)、ワード線が選択される。
【0057】
この発明の第2の実施形態による半導体記憶装置では、揮発性部A1〜A4と不揮発性部B1〜B4とがそれぞれまとめて配置されているため、効率良いメモリセルのレイアウトが可能である。
【0058】
次に、この発明の第3の実施形態である半導体記憶システムについて説明する。ここで、半導体記憶システムとは、キャッシュメモリやメインメモリなどの複数の半導体記憶装置が論理的に集合したものをいう。半導体記憶システムがビット線BL,BL_からなるビット線対を有するメモリセル構成であり大容量のメモリセルアレイを形成する不揮発性半導体メモリであるメインメモリと、キャッシュメモリとを有するとする。この場合、メインメモリは、セルサイズが小さい低コストのメモリセルから例えば大容量を得られるように構成され、キャッシュメモリは、セルサイズは大きいが、高性能(高速書き込み/読み出し)である上述した第1の実施形態で説明したメモリセルから例えば小容量を得られるように構成される。
【0059】
図8は、メインメモリに使用されるメモリセルの具体的な構成例を示す。図8Aに示すメモリセルは、2個のトランジスタTR21,TR22と2個の強誘電体キャパシタC21,C22で構成される2トランジスタ2強誘電体キャパシタ型のFeRAMの一例である。
【0060】
メインメモリに使用されるメモリセルは、他に図8Bに示す2個の強誘電体キャパシタC31,C32で構成されるFeRAMでも良い。また、図8Cに示す2個のフローティングゲート型トランジスタTR23,TR24で構成されるフラッシュメモリでも良い。また、図8Dに示す2個のMONOS型(またはMNOS型)トランジスタTR25,TR26で構成されるフラッシュメモリなどでも良い。
【0061】
図9は、この発明の第3の実施形態による半導体記憶システムの一例の構成である。図9に示す半導体記憶システムは、ビット線BL1,BL_1〜ビット線BL128,BL_128の128のビット線対を有するメモリセルアレイ構成とされている。キャッシュメモリCM1は、4Row(4ワード線)分で構成されている。メインメモリMM1は、上述した図8AのFeRAMのメモリセルが大容量得られるように構成されている。
【0062】
キャッシュメモリCM1とメインメモリMM1との間で受け渡しされるデータの単位はブロックと呼び、1Row分のデータは1ブロックとする。キャッシュメモリCM1部のビット線対とメインメモリMM1とのビット線対は、選択回路、例えば図9に示す選択トランジスタT1〜T256のソース−ドレインパスを介してそれぞれ接続されている。なお、図9ではキャッシュメモリCM1とメインメモリMM1との間は、制御を容易とするため選択回路を介しているが、選択回路を介さず直接接続しても良い。
【0063】
この発明の第3の実施形態による半導体記憶システムによれば、記録データがビット線を介して直接やり取りされるため、バス幅の制限が無い。したがって、従来は、8〜32ビット程度のバス幅であった為、例えば128ビットの1ブロックのデータを4〜12回の転送で行っていたが、この第3の実施形態による半導体記憶システムでは、1回の転送で行うことができる。それにより、キャッシュミス時のリカバリ処理にかかる時間、所謂ミスペナルティ等が短くなる。
【0064】
この発明は、上述したこの発明の一実施形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、上述した第1の実施形態における揮発性部Aは、CMOSラッチ回路とパストランジスタを構成する6個のトランジスタからなるCMOS形のSRAMのメモリセルとしたが、これに限らず、駆動トランジスタDT3,DT4の代わりに高抵抗を用いる高抵抗負荷形のラッチ回路で揮発性部Aを構成したり、駆動トランジスタDT3,DT4の代わりに薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を用いる薄膜トランジスタ負荷を用いたラッチ回路で揮発性部Aを構成するなど、ビット線対を有する他の揮発性のメモリセル構成としても良い。
【0065】
また例えば、上述した実施形態では、不揮発性部Bなどにおいて、2個の強誘電体キャパシタを用いているが、強誘電体キャパシタは、2つの異なる状態を表し得るので、これらを1個の強誘電体キャパシタで構成することも可能である。
【0066】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ラッチ回路からビット線対へ読み出されたデータを不揮発的に保持し、保持したデータをビット線対を介してラッチ回路へ供給する構成にとすることより、不揮発性であり、且つラッチ回路と不揮発性記憶手段の分離が容易であり、レイアウトの自由度が高い半導体記憶装置を提供することができる。
【0067】
また、第1および第2のトランジスタを介して、ビット線対と第1および第2の強誘電体キャパシタとをそれぞれ接続し、不揮発性記憶手段を構成した場合には、第1および第2の強誘電体キャパシタの印可電圧を0Vとするためのリセット回路を不揮発性記憶手段毎に設ける必要がなくなり、揮発性部と不揮発性部とを合わせたメモリセルサイズを8個のトランジスタと2個の強誘電体キャパシタとで構成できるため小さくすることができる。また、強誘電体キャパシタに一方の電界が印可され続けることはなく、誤読み出しが起きやすくなるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態における半導体記憶装置の一例の構成を示す略線図である。
【図2】この発明の第1の実施形態による半導体記憶装置に記録データを書き込むときの一例のタイミングチャートを示す略線図である。
【図3】この発明の第1の実施形態による半導体記憶装置に記録データを書き込むときの他の例のタイミングチャートを示す略線図である。
【図4】この発明の第1の実施形態による半導体記憶装置から記録データを読み出すときの一例のタイミングチャートを示す略線図である。
【図5】この発明の第1の実施形態による半導体記憶装置において記録データのストアを行うときの一例のタイミングチャートを示す略線図である。
【図6】この発明の第1の実施形態による半導体記憶装置において記録データのリコールを行うときの一例のタイミングチャートを示す略線図である。
【図7】この発明の第2の実施形態における半導体記憶装置の一例の構成を示す略線図である。
【図8】この発明の第3の実施形態による半導体記憶装置に使用される具体的なメインメモリの構成を示す略線図である。
【図9】この発明の第3の実施形態における半導体記憶装置の一例の構成を示す略線図である。
【図10】不揮発性SRAMのメモリセルの一例の構成を示す略線図である。
【図11】従来の強誘電体キャパシタを利用した不揮発性SRAMのメモリセルの一例の構成を示す略線図である。
【図12】従来の強誘電体キャパシタを利用した不揮発性SRAMのメモリセルの他の例の構成を示す略線図である。
【符号の説明】
DT1,DT2,DT3,DT4・・・駆動トランジスタ、PT1,PT2・・・パストランジスタ、ST1,ST2・・・選択トランジスタ、C1,C2・・・強誘電体キャパシタ、A,A1〜A4・・・揮発性部、B,B1〜B4・・・不揮発性部、CM1・・・キャッシュメモリ、MM1・・・メインメモリ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly, to a semiconductor memory device having a volatile part and a nonvolatile part.
[0002]
[Prior art]
As a type of semiconductor memory device, so-called semiconductor memory, there is a random access memory (RAM). The RAM is basically volatile and retains recording data while the power is on, but loses the recording data when the power is off. Therefore, a nonvolatile RAM has been proposed in which a nonvolatile portion is connected to a volatile portion so that print data is retained even after the power is turned off.
[0003]
FIG. 10 shows an example of a configuration of a memory cell of a nonvolatile static RAM (hereinafter, simply referred to as nonvolatile SRAM). The memory cell of the nonvolatile SRAM shown in FIG. 10 includes a volatile portion A and a nonvolatile portion B. The volatile part A can store two values of “1” and “0”. For example, in the case of a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) type SRAM, the volatile portion A is configured by a latch circuit of four MOSs (metal oxide semiconductors) and two pass transistors, as shown in FIG. That is, the volatile part A has six transistors. Although the configuration is omitted in FIG. 10 to be described later, the non-volatile section B can also store binary values.
[0004]
In order to improve the efficiency, such a nonvolatile SRAM memory cell generally uses a volatile section A having good performance while the power is on, and uses a nonvolatile nonvolatile section B while the power is off. Works. Therefore, data is exchanged between the volatile unit A and the nonvolatile unit B. For example, when the power is switched from on to off, the storage data of the volatile portion A is written to the non-volatile portion B, which is called “store”. When the power is switched from off to on, the non-volatile portion B Writing stored data to the volatile portion A is called "recall".
[0005]
The non-volatile section B can be configured by using a ferroelectric capacitor. Patent Document 1 listed below describes a nonvolatile SRAM memory cell in which a nonvolatile portion B is formed using a ferroelectric capacitor.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-64-68699
[0007]
FIG. 11 shows an example of a configuration of a memory cell in which a nonvolatile portion B is formed using a ferroelectric capacitor and a transistor described in Patent Document 1. As described above, the volatile portion A is constituted by the latch circuit composed of four MOSs and two pass transistors. That is, the volatile part A has six transistors.
[0008]
The non-volatile section B- (1) is configured as follows. One electrode of each of the ferroelectric capacitors C11 and C12 is connected to the two storage nodes N1 and N2 of the volatile unit A via the selection transistors ST11 and ST12, respectively. One electrode of each of the ferroelectric capacitors C11 and C12 is further connected to a ground line via a selection transistor ST21 or ST22. The other electrodes of the ferroelectric capacitors C11 and C12 are connected to the plate line PL. The two selection transistors ST21 and ST22 on the ground line side are required as a reset circuit for setting the voltage applied to the ferroelectric capacitors C11 and C12 to 0 V before reading data.
[0009]
FIG. 12 shows another example of the configuration of the memory cell in which the nonvolatile portion B is formed using only two ferroelectric capacitors. In the non-volatile section B-2 shown in FIG. 12, the ferroelectric capacitors C13 and C14 are directly connected to the two storage nodes N1 and N2 of the volatile section A, respectively. Therefore, the entire memory cell has only six transistors and two capacitors, and its size is small.
[0010]
As described above, a nonvolatile SRAM using a ferroelectric capacitor can be combined with a volatile portion to form a nonvolatile SRAM.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the memory cell as an example of the above-described nonvolatile SRAM has a configuration including ten transistors and two ferroelectric capacitors in total. That is, in this case, there is a problem that the size of the memory cell becomes large because the memory cell includes the reset circuit.
[0012]
In the memory cell of another example of the above-described nonvolatile SRAM, one electrode of the ferroelectric capacitors C13 and C14 is directly connected to the storage nodes N1 and N2 of the volatile portion A. Therefore, this node potential is applied to dielectric capacitors C13 and C14. The continuous application of an electric field in one direction to the ferroelectric capacitors C13 and C14 is called imprint, and the hysteresis loop becomes asymmetric. Therefore, in this case, there is a problem that erroneous reading of the storage data in the nonvolatile portion B- (2) is likely to occur.
[0013]
Further, in the above-described nonvolatile SRAM memory cell, it is difficult to arrange the volatile part and the nonvolatile part separately, so that the degree of freedom in layout is low.
[0014]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device having a small memory cell size, good readout of stored data, and high layout flexibility.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is connected to a bit line pair via a bit line pair, a word line crossing the bit line pair, and a transistor controlled by the potential of the word line. A nonvolatile memory for holding data read from the latch circuit to the bit line pair in a nonvolatile manner and supplying the held data to the latch circuit via the bit line pair. A semiconductor storage device comprising storage means.
[0016]
The invention according to claim 3 is controlled by a potential of a bit line pair including a bit line and a complementary bit line, a first word line and a first plate line crossing the bit line pair, and a potential of the first word line. A semiconductor memory device comprising: a latch circuit connected to a pair of bit lines via a transistor; a second word line; and a first and a second capacitor having one electrode connected to a first plate line. A dielectric capacitor, a first transistor connected between the bit line and the other electrode of the first ferroelectric capacitor, and a gate connected to the second word line; a complementary bit line and a second ferroelectric capacitor; A semiconductor memory device comprising: a second transistor connected between the other electrode of the dielectric capacitor and a gate connected to a second word line.
[0017]
The semiconductor memory device according to the present invention may be configured such that data read from a latch circuit to a bit line pair is held in a nonvolatile manner, and the held data is supplied to the latch circuit through the bit line pair to be nonvolatile. And the separation between the latch circuit and the non-volatile storage means is facilitated, and the degree of freedom in layout can be increased.
[0018]
Therefore, when the bit line pair is connected to the first and second ferroelectric capacitors via the first and second transistors, respectively, and the nonvolatile memory means is configured, the first and second ferroelectric capacitors are formed. There is no need to provide a reset circuit for setting the applied voltage of the ferroelectric capacitor to 0 V for each nonvolatile storage means, and the size of the nonvolatile portion can be reduced. Further, one electric field is not continuously applied to the ferroelectric capacitor, and it is possible to prevent erroneous reading from easily occurring.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration diagram of an example of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor memory device shown in FIG. 1 is a nonvolatile CMOS SRAM memory cell. This memory cell includes a volatile part A and a non-volatile part B.
[0020]
The volatile portion A includes a CMOS latch circuit including drive transistors DT1 and DT2 formed of nMOS (n-channel MOS), drive transistors DT3 and DT4 formed of pMOS (p-channel MOS), and pass transistors PT1 and PT2 formed of nMOS. It consists of. That is, the volatile part A is constituted by six transistors.
[0021]
In the volatile part A, the sources of the driving transistors DT1 and DT2 are grounded, and the sources of the driving transistors DT3 and DT4 are connected to the power supply Vcc. The drains of the drive transistors DT1 and DT3 are connected to the gates of the drive transistors DT2 and DT4 (storage node N1). The drains of the driving transistors DT2 and DT4 are connected to the gates of the driving transistors DT1 and DT3 (storage node N2).
[0022]
The storage nodes N1 and N2 hold information of “0” and “1”. In the volatile part A, it is determined whether the recording data is “0” or “1” based on the potential difference between the storage nodes N1 and N2. Thereby, the volatile part A records a binary value. The data recorded in the volatile portion A is lost when the power is turned off. That is, the volatile portion A has a volatile configuration.
[0023]
The storage node N1 is connected to the bit line BL by the source-drain path of the pass transistor PT1. The storage node N2 is connected to the bit line BL_ (_ represents negative logic) complementary to the bit line BL by the source-drain path of the pass transistor PT2. The gates of the pass transistors PT1 and PT2 are connected to the word line WL1.
[0024]
The bit line pair of the bit lines BL and BL_ is used, for example, for selecting a specific memory cell in a column direction, and the word line WL1 is used, for example, for selecting a memory cell of a specific volatile portion A in a row direction. Used.
[0025]
The non-volatile section B includes ferroelectric capacitors C1 and C2 and select transistors ST1 and ST2.
[0026]
In the nonvolatile portion B, one electrode of the ferroelectric capacitor C1 is connected to the bit line BL by a source-drain path of the selection transistor ST1. One electrode of the ferroelectric capacitor C2 is connected to the bit line BL_ by the source-drain path of the selection transistor ST2. The other electrodes of the ferroelectric capacitors C1 and C2 are connected to the plate line PL. The gates of the select transistors ST1 and ST2 are connected to the word line WL2.
[0027]
The word line WL2 is, for example, a line for selecting a memory cell of a specific nonvolatile portion B in the row direction. In the non-volatile section B, whether the recording data is "0" or "1" is determined based on the polarization direction of the ferroelectric capacitors C1 and C2. Thereby, the non-volatile portion B records the binary value. The polarization states of the ferroelectric capacitors C1 and C2 remain the same even when the power is turned off. That is, the non-volatile section B has a non-volatile configuration.
[0028]
Accordingly, the memory cell of the nonvolatile CMOS SRAM shown in FIG. 1 has a volatile portion A composed of six transistors used for a CMOS latch circuit and a pass transistor, two transistors and two ferroelectrics. The non-volatile portion B composed of a body capacitor is connected via a bit line pair of bit lines BL and BL_.
[0029]
The write, read, store, and recall operations of the memory cell of the nonvolatile CMOS SRAM shown in FIG. 1 will be described below.
[0030]
<Write operation (1)>
First, writing of data to only the volatile portion A will be described. When writing recording data only to the volatile portion A, a writing operation similar to that of a normal SRAM is performed. For example, the correspondence between the recording data “0” and “1” is “0” when the storage node N1 of the memory cell shown in FIG. 1 has a low potential and the storage node N2 has a high potential, and the storage node N1 is When the potential is high and the storage node N2 is low, it is defined as "1". In this case, an example of the operation of writing “1” to the memory cell will be described with reference to the timing chart of FIG.
[0031]
As shown in FIG. 2B, power supply voltage Vcc which is a high potential is applied to bit line BL, and ground potential 0V which is a low potential is applied to bit line BL_.
[0032]
Then, as shown in FIG. 2A, the word line WL1 rises. As a result, the pass transistors PT1 and PT2 become conductive. Since the power supply voltage Vcc, which is a high potential, is applied to the bit line BL, the potential of the storage node N1 increases. That is, the potentials of the gates of the drive transistors DT2 and DT4 are high. Therefore, the driving transistor DT4 becomes non-conductive, and the driving transistor DT2 becomes conductive. This state is maintained even if the pass transistor PT1 is turned off.
[0033]
Further, since a low potential of 0 V is applied to the bit line BL_, the potential of the storage node N2 is lowered. That is, the potentials of the gates of the drive transistors DT1 and DT3 are low. Therefore, the driving transistor DT1 is turned off and the driving transistor DT3 is turned on. This state is maintained even if the pass transistor PT2 is turned off.
[0034]
Therefore, in this state, as shown in FIG. 2A, the word line WL1 is returned to the ground potential 0 V, and the pass transistors PT1 and PT2 are turned off, so that the latch circuit is disconnected from the outside and "1" Is latched.
[0035]
<Write operation (2)>
Next, an example of an operation when data is written to the volatile portion A and also to the nonvolatile portion B will be described with reference to the timing chart of FIG. In this case, the same writing as that of the FeRAM (Ferroelectric RAM) is performed. That is, in the case where "1" is written to the memory cell in the correspondence between the recording data "0" and "1", as shown in FIG. 3B, the power supply voltage Vcc which is a high potential is applied to the bit line BL, and A ground potential of 0 V is applied to bit line BL_.
[0036]
Then, as shown in FIG. 3D, the word line WL2 rises at time T1, and the ferroelectric capacitor C1 is polarized by an electric field in one direction. Next, as shown in FIG. 3C, the plate line PL is raised at time T2, and the ferroelectric capacitor C2 is polarized by the electric field in the opposite direction. According to the polarization direction of the ferroelectric capacitors C1 and C2, the recording data "1" is written in the nonvolatile portion B. This polarization state is maintained even when the power is turned off.
[0037]
At times T1 and T2, as shown in FIG. 3A, the word line WL1 of the volatile portion A is activated, and the recording data “1” is also written to the volatile portion A.
[0038]
As described above, by writing data to the nonvolatile portion B in addition to the volatile portion A, data loss due to an instantaneous power failure or the like can be eliminated, and data reliability can be improved.
[0039]
<Read operation>
An example of the operation when data is read from the volatile unit A will be described with reference to the timing chart of FIG. When reading data from the volatile portion A, a read operation similar to that of a normal SRAM is performed. That is, as shown in FIG. 4B, the potential Vcc-α is supplied from the load to the bit line pair BL, BL_. In this state, as shown in FIG. 4A, the word line WL1 rises, and the pass transistors PT1 and PT2 are turned on.
[0040]
In the above-described correspondence between the recording data “0” and “1”, for example, when “1” is read, the driving transistor DT3 is conductive, the driving transistor DT1 is nonconductive, and the pass transistor PT1 is conductive. The potential of the bit line BL is raised. Further, since the driving transistor DT4 is non-conductive, the driving transistor DT2 is conductive, and the pass transistor PT2 is conductive, the potential of the bit line BL_ is reduced. That is, in this case, as shown in FIG. 4B, the potential of the bit line BL_ is slightly lower than the potential of the bit line BL. As described above, the sense amplifier (not shown) detects the potential difference generated in the bit line pair, so that the recording data is read.
[0041]
<Store>
When the recording data is stored, when the power is turned off from the power-on state, the recording data of the volatile section A is read out to the bit line by the above-described read operation, then amplified to 0 V / Vcc, and then stored in the nonvolatile section B. Is written to.
[0042]
FIG. 5 shows a timing chart of an example of a specific operation of the store. Here, a case where the recording data “1” is stored in correspondence with the recording data “0” and “1” described above will be described. First, similarly to the read operation, as shown in FIG. 5B, the potential Vcc-α is supplied from the load to the pair of bit lines BL and BL_. In this state, as shown in FIG. 5A, the word line WL1 rises at time T1, and the recording data "1" is read from the potential difference generated in the bit line pair shown in FIG. 5B.
[0043]
At time T2, the bit line BL is amplified to Vcc, and the bit line BL_ is amplified to 0V. Next, as shown in FIG. 5D, the word line WL2 rises at time T3, and the ferroelectric capacitor C1 is polarized by an electric field in one direction. Further, as shown in FIG. 5C, the plate line PL is activated at time T4, and polarization is applied to the ferroelectric capacitor C2 by the electric field in the opposite direction. According to the polarization direction of the ferroelectric capacitors C1 and C2, the recording data "1" is written in the nonvolatile portion B. This polarization state is maintained even when the power is turned off.
[0044]
In the above-described write operation, it is needless to say that if the recording data is also written in the non-volatile section B (in the case of the write operation (2)), it is not necessary to store.
[0045]
<Recall>
In the recall of the recording data, when the power is turned on from the power-off state, the recording data in the non-volatile section B is read out to the bit line, amplified to 0 V / Vcc, and then written to the volatile section A.
[0046]
FIG. 6 shows a timing chart in an example of a specific operation of the recall. Here, a case where the recording data “1” is recalled in correspondence with the recording data “0” and “1” described above will be described. First, as shown in FIG. 6B, the bit line pair BL, BL_ is discharged to 0 V and brought into a floating state. In this state, the word line WL2 rises as shown in FIG. 6D, and the plate line PL rises at time T1 as shown in FIG. 6C. Thus, as shown in FIG. 6B, a high potential appears on the bit line BL, and a low potential appears on the bit line BL_.
[0047]
At time T1, the bit line BL is continuously amplified to Vcc, and the bit line BL_ is amplified to 0V. Thereafter, as shown in FIG. 6A, the word line WL1 rises at time T2, and the recording data “1” is written to the volatile portion A.
[0048]
Note that both store and recall are performed for each row (for each word line), so the store time and the recall time increase by the number of word lines.
[0049]
When reading data from a ferroelectric capacitor, it is necessary to set the plate line PL to 0 V immediately before reading, discharge the potential of the electrode opposite to the plate line electrode to 0 V via the ferroelectric capacitor, and set the plate line in a floating state. There is. In this memory cell, the applied voltage of the ferroelectric capacitors C1 and C2 is discharged by the rise of the word line WL2 and the reset circuit including two transistors (not shown) at the bit line end.
[0050]
As described above, in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, the volatile portion A including the CMOS latch circuit and the six transistors used for the pass transistor, the two transistors and the two Is connected via a bit line pair of bit lines BL and BL_. As a result, a reset circuit including two transistors and the like is provided at the end of the bit line, and by applying the reset circuit and the rise of the word line WL2, the applied voltage of the ferroelectric capacitors C1 and C2 can be discharged. There is no need to provide a reset circuit consisting of two transistors in the cell. Therefore, the size of the memory cell can be reduced.
[0051]
In addition, since the storage nodes N1 and N2 of the volatile portion A forming the memory cell are not directly connected to one electrode of the ferroelectric capacitors C1 and C2, the related art as described with reference to FIG. There is no imprint problem with the memory cells.
[0052]
Further, since the volatile portion A and the non-volatile portion B have a common bit line pair, when a semiconductor memory device such as an SRAM is configured using a plurality of memory cells, it is easy to arrange them separately and collectively. Become. Therefore, when a nonvolatile SRAM is constituted by a plurality of memory cells, the degree of freedom in the layout of the memory cells is increased.
[0053]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 shows a configuration diagram of an example of the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor memory device shown in FIG. 7 is an equivalent circuit of four memory cells.
[0054]
As shown in FIG. 7, the semiconductor memory device includes a volatile part A1 of a first memory cell, a volatile part A2 of a second memory cell, a volatile part A3 of a third memory cell, and a fourth memory. The volatile part A4 of the cell is connected via bit lines BL and BL_. The nonvolatile portion B1 of the first memory cell, the nonvolatile portion B2 of the second memory cell, the nonvolatile portion B3 of the third memory cell, and the nonvolatile portion B4 of the fourth memory cell are connected to the bit lines BL, They are connected via BL_.
[0055]
The volatile portions A1 to A4 and the non-volatile portions B1 to B4 are arranged collectively in the bit line direction, and the collected volatile portions A1 to A4 and the non-volatile portions B1 to B4 are connected to the bit lines BL and BL_. Connected through. The volatile units A1 to A4 have the same configuration as the volatile unit A of the memory cell described in the first embodiment, and the nonvolatile units B1 to B4 are the same as those in the first embodiment. The configuration is the same as that of the nonvolatile portion B of the memory cell described above.
[0056]
When performing store, recall, or the like, a word line is selected by a row decoder (not shown) so that the volatile section and the nonvolatile section appropriately correspond to each other (for example, the volatile section A1 and the nonvolatile section B1). You.
[0057]
In the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, since the volatile portions A1 to A4 and the non-volatile portions B1 to B4 are collectively arranged, an efficient memory cell layout is possible.
[0058]
Next, a semiconductor memory system according to a third embodiment of the present invention will be described. Here, the semiconductor storage system refers to a logical collection of a plurality of semiconductor storage devices such as a cache memory and a main memory. It is assumed that the semiconductor storage system has a memory cell configuration having a bit line pair including bit lines BL and BL_, and has a main memory which is a nonvolatile semiconductor memory forming a large-capacity memory cell array, and a cache memory. In this case, the main memory is configured to obtain, for example, a large capacity from a low-cost memory cell having a small cell size, and the cache memory has a large cell size but high performance (high-speed writing / reading). The configuration is such that, for example, a small capacity can be obtained from the memory cells described in the first embodiment.
[0059]
FIG. 8 shows a specific configuration example of a memory cell used for the main memory. The memory cell illustrated in FIG. 8A is an example of a two-transistor two-ferroelectric capacitor type FeRAM including two transistors TR21 and TR22 and two ferroelectric capacitors C21 and C22.
[0060]
The memory cell used for the main memory may be an FeRAM composed of two ferroelectric capacitors C31 and C32 shown in FIG. 8B. Further, a flash memory including two floating gate transistors TR23 and TR24 shown in FIG. 8C may be used. Further, a flash memory including two MONOS (or MNOS) transistors TR25 and TR26 shown in FIG. 8D may be used.
[0061]
FIG. 9 shows an example of the configuration of the semiconductor memory system according to the third embodiment of the present invention. The semiconductor memory system shown in FIG. 9 has a memory cell array configuration having 128 bit line pairs of bit lines BL1 and BL_1 to bit lines BL128 and BL_128. The cache memory CM1 is configured by 4 Rows (4 word lines). The main memory MM1 is configured such that a large capacity of the memory cell of the above-described FeRAM of FIG. 8A can be obtained.
[0062]
The unit of data transferred between the cache memory CM1 and the main memory MM1 is called a block, and one row of data is one block. The bit line pair of the cache memory CM1 and the bit line pair of the main memory MM1 are connected via a selection circuit, for example, the source-drain paths of the selection transistors T1 to T256 shown in FIG. In FIG. 9, a selection circuit is provided between the cache memory CM1 and the main memory MM1 for easy control, but may be directly connected without using the selection circuit.
[0063]
According to the semiconductor memory system according to the third embodiment of the present invention, since the recording data is directly exchanged via the bit lines, there is no limitation on the bus width. Therefore, conventionally, the bus width is about 8 to 32 bits, so that, for example, one block of data of 128 bits is transferred by 4 to 12 times, but in the semiconductor memory system according to the third embodiment, Can be performed in one transfer. As a result, the time required for recovery processing at the time of a cache miss, that is, so-called miss penalty, is reduced.
[0064]
The present invention is not limited to the embodiment of the present invention described above, and various modifications and applications are possible without departing from the gist of the present invention. For example, the volatile part A in the first embodiment is a CMOS type SRAM memory cell including a CMOS latch circuit and six transistors forming a pass transistor. However, the present invention is not limited thereto. , DT4 instead of the volatile portion A using a high resistance load type latch circuit using a high resistance, or a latch using a thin film transistor load using a thin film transistor (TFT: Thin Film Transistor) instead of the driving transistors DT3 and DT4. Another volatile memory cell configuration having a bit line pair, such as a configuration of the volatile portion A in a circuit, may be used.
[0065]
Further, for example, in the above-described embodiment, two ferroelectric capacitors are used in the non-volatile portion B and the like. However, since the ferroelectric capacitors can represent two different states, these are combined into one ferroelectric capacitor. It is also possible to use a dielectric capacitor.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the data read from the latch circuit to the bit line pair is held in a nonvolatile manner, and the held data is supplied to the latch circuit via the bit line pair. Accordingly, it is possible to provide a semiconductor memory device which is non-volatile, easily separates the latch circuit and the non-volatile storage means, and has a high degree of freedom in layout.
[0067]
When the bit line pair is connected to the first and second ferroelectric capacitors via the first and second transistors, respectively, and the nonvolatile memory means is configured, the first and second ferroelectric capacitors are connected to each other. There is no need to provide a reset circuit for setting the applied voltage of the ferroelectric capacitor to 0 V for each nonvolatile storage means, and the memory cell size including the volatile part and the nonvolatile part is reduced to eight transistors and two transistors. Since it can be configured with a ferroelectric capacitor, the size can be reduced. Further, one electric field is not continuously applied to the ferroelectric capacitor, and it is possible to prevent erroneous reading from easily occurring.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an example of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a timing chart when recording data is written to the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a schematic diagram showing a timing chart of another example when writing recording data to the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of a timing chart when recording data is read from the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a schematic diagram showing a timing chart of an example when storing recording data in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a schematic diagram showing a timing chart of an example when recalling recording data in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of an example of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a schematic diagram showing a specific configuration of a main memory used in a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a configuration of an example of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration of an example of a memory cell of a nonvolatile SRAM;
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a configuration of an example of a memory cell of a nonvolatile SRAM using a conventional ferroelectric capacitor.
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a configuration of another example of a memory cell of a nonvolatile SRAM using a conventional ferroelectric capacitor.
[Explanation of symbols]
DT1, DT2, DT3, DT4 ... drive transistors, PT1, PT2 ... pass transistors, ST1, ST2 ... select transistors, C1, C2 ... ferroelectric capacitors, A, A1 to A4 ... Volatile part, B, B1 to B4: Non-volatile part, CM1: Cache memory, MM1: Main memory

Claims (8)

ビット線対と、上記ビット線対に交差するワード線と、上記ワード線の電位により制御されるトランジスタを介して上記ビット線対に接続されたラッチ回路とを備えた半導体記憶装置であって、
上記ラッチ回路から上記ビット線対へ読み出されたデータを不揮発的に保持すると共に、保持したデータを上記ビット線対を介して上記ラッチ回路へ供給する不揮発性記憶手段を備えたことを特徴とする半導体記憶装置。
A semiconductor memory device comprising: a bit line pair; a word line intersecting the bit line pair; and a latch circuit connected to the bit line pair via a transistor controlled by a potential of the word line,
Non-volatile storage means for holding the data read from the latch circuit to the bit line pair in a nonvolatile manner and supplying the held data to the latch circuit via the bit line pair. Semiconductor storage device.
上記ビット線対に接続され、上記ビット線対を伝送するデータを保持するメモリセルをさらに備えた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, further comprising a memory cell connected to said bit line pair and holding data transmitted through said bit line pair. ビット線及び相補ビット線からなるビット線対と、上記ビット線対に交差する第1のワード線及び第1のプレート線と、上記第1のワード線の電位により制御されるトランジスタを介して上記ビット線対に接続されるラッチ回路とを備えた半導体記憶装置であって、
第2のワード線と、
一方電極が上記第1のプレート線に接続された第1及び第2の強誘電体キャパシタと、
上記ビット線と上記第1の強誘電体キャパシタの他方電極との間に接続され、ゲートが上記第2のワード線に接続された第1のトランジスタと、
上記相補ビット線と上記第2の強誘電体キャパシタの他方電極との間に接続され、ゲートが上記第2のワード線に接続された第2のトランジスタとを備えたことを特徴とする半導体記憶装置。
A bit line pair including a bit line and a complementary bit line, a first word line and a first plate line intersecting the bit line pair, and a transistor controlled by a potential of the first word line. A latch circuit connected to the bit line pair.
A second word line;
First and second ferroelectric capacitors each having one electrode connected to the first plate line;
A first transistor connected between the bit line and the other electrode of the first ferroelectric capacitor and having a gate connected to the second word line;
A second transistor connected between the complementary bit line and the other electrode of the second ferroelectric capacitor and having a gate connected to the second word line; apparatus.
上記ビット線対に交差する第3のワード線と、
上記ビット線対に交差する第2のプレート線と、
一方電極が上記第2のプレート線に接続された第3及び第4の強誘電体キャパシタと、
上記ビット線と上記第3の強誘電体キャパシタの他方電極との間に接続され、ゲートが上記第3のワード線に接続された第3のトランジスタと、
上記相補ビット線と上記第4の強誘電体キャパシタの他方電極との間に接続され、ゲートが上記第3のワード線に接続された第4のトランジスタとをさらに備えたことを特徴とする請求項3に記載の半導体記憶装置。
A third word line crossing the bit line pair;
A second plate line crossing the bit line pair,
Third and fourth ferroelectric capacitors each having an electrode connected to the second plate line,
A third transistor connected between the bit line and the other electrode of the third ferroelectric capacitor and having a gate connected to the third word line;
A fourth transistor connected between the complementary bit line and the other electrode of the fourth ferroelectric capacitor and having a gate connected to the third word line. Item 4. The semiconductor memory device according to item 3.
上記ビット線対に交差する第3のプレート線と、
上記第3の強誘電体キャパシタの他方電極と上記第3のプレート線との間に接続された第5の強誘電体キャパシタと、
上記第4の強誘電体キャパシタの他方電極と上記第3のプレート線との間に接続された第6の強誘電体キャパシタとをさらに備えたことを特徴とする請求項4に記載の半導体記憶装置。
A third plate line intersecting the bit line pair;
A fifth ferroelectric capacitor connected between the other electrode of the third ferroelectric capacitor and the third plate line;
5. The semiconductor memory according to claim 4, further comprising a sixth ferroelectric capacitor connected between the other electrode of said fourth ferroelectric capacitor and said third plate line. apparatus.
上記ビット線対に交差する第3のワード線と、
上記ビット線対に交差するソース線と、
上記ビット線と上記ソース線との間に接続され、ゲートが上記第3のワード線に接続された第3のトランジスタと、
上記相補ビット線と上記ソース線との間に接続され、ゲートが上記第3のワード線に接続された第4のトランジスタとをさらに備えたことを特徴とする請求項3に記載の半導体記憶装置。
A third word line crossing the bit line pair;
A source line crossing the bit line pair;
A third transistor connected between the bit line and the source line and having a gate connected to the third word line;
4. The semiconductor memory device according to claim 3, further comprising a fourth transistor connected between said complementary bit line and said source line and having a gate connected to said third word line. .
上記第3及び第4のトランジスタは、フローティングゲートを有する請求項6に記載の半導体記憶装置。7. The semiconductor memory device according to claim 6, wherein said third and fourth transistors have a floating gate. 上記第3及び第4のトランジスタは、MONOS型トランジスタまたはMNOS型トランジスタである請求項6に記載の半導体記憶装置。7. The semiconductor memory device according to claim 6, wherein said third and fourth transistors are MONOS transistors or MNOS transistors.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013132806A1 (en) * 2012-03-06 2013-09-12 日本電気株式会社 Nonvolatile logic integrated circuit and nonvolatile register error bit correction method
JP2013190893A (en) * 2012-03-13 2013-09-26 Rohm Co Ltd Multitask processing apparatus
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