JP2008172081A - Semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
【課題】 消費電力が抑制された半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】 半導体記憶装置は、データの読み出しおよびデータの書き込みおよびリフレッシュを含む動作が行われる第1モードと、データの読み出しおよびデータの書き込み無しにリフレッシュが自律的に繰り返される第2モードと、を有する。素子分離領域12は、半導体基板11の表面に形成され、素子領域を区画し、表面に絶縁膜31を有し、内部において導電体32を含む。複数のメモリセルは、素子領域に形成され、それぞれがキャパシタ14とMOSトランジスタ16とを含む。電位発生回路4は、導電体に第1モードにおいて第1電位を印加し、第2モードにおいて第1電位より高い第2電位を印加する。
【選択図】 図3PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory device with reduced power consumption.
A semiconductor memory device includes a first mode in which operations including data reading and data writing and refresh are performed, and a second mode in which refresh is autonomously repeated without data reading and data writing; Have The element isolation region 12 is formed on the surface of the semiconductor substrate 11, partitions the element region, has an insulating film 31 on the surface, and includes a conductor 32 inside. The plurality of memory cells are formed in the element region, and each includes a capacitor 14 and a MOS transistor 16. The potential generation circuit 4 applies a first potential to the conductor in the first mode, and applies a second potential higher than the first potential in the second mode.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、半導体記憶装置に関し、例えば、特に携帯機器などに搭載される低消費電力メモリとして使用されるDRAM(dynamic random access memory)に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a dynamic random access memory (DRAM) used as a low power consumption memory mounted in, for example, a portable device.
DRAMでは、スタンバイ時または(および)セルフリフレッシュモード時のリフレッシュ動作によって消費される電力を低減することによって、消費電力を低減できる。このためには、DRAMセルのデータ保持時間を長くしてリフレッシュ間隔をより長くすることが有効である。なお、セルフリフレッシュモードは、DRAMがコマンドを供給されることによって移行し得るモードであり、ここでは、DRAMはリフレッシュを自律的に繰り返してデータが保持される。 In the DRAM, the power consumption can be reduced by reducing the power consumed by the refresh operation in the standby mode and / or the self-refresh mode. For this purpose, it is effective to lengthen the data retention time of the DRAM cell to make the refresh interval longer. Note that the self-refresh mode is a mode that can be shifted by the DRAM being supplied with a command, and in this case, the DRAM autonomously repeats refresh to hold data.
また、近時、例えば携帯機器に搭載されるRAMとして、SRAM(static RAM)セルに代えて1トランジスタ+1キャパシタ構成のDRAMセルが使われることがある(擬似SRAM)。擬似SRAMのスタンバイモード時にも、リフレッシュが自律的に繰り返される。 In recent years, for example, as a RAM mounted on a portable device, a DRAM cell having a 1 transistor + 1 capacitor configuration may be used instead of an SRAM (static RAM) cell (pseudo SRAM). The refresh is autonomously repeated even in the standby mode of the pseudo SRAM.
一方、セルの微細化により、セルトランジスタ中のリーク電流およびストレージノードとウェルとの間のpn接合(以下、単にpn接合と称する)間のリーク電流が増加し、この結果、“1”データを保持しているメモリセルのデータが失われやすくなっている。この結果、データ保持時間が短くなり、リフレッシュに要する電力の削減が難しい。特に、100nmより微細なデザインルールにおいて、隣接メモリセル中の電荷により生じる電界が、素子分離領域を通じて隣接メモリセルに作用し、セルキャパシタの電荷がリークする現象が顕著になってきている。 On the other hand, the cell miniaturization increases the leakage current in the cell transistor and the leakage current between the pn junction (hereinafter simply referred to as the pn junction) between the storage node and the well. Data stored in the memory cell is easily lost. As a result, the data retention time is shortened and it is difficult to reduce the power required for refresh. In particular, in the design rule finer than 100 nm, the phenomenon that the electric field generated by the charge in the adjacent memory cell acts on the adjacent memory cell through the element isolation region and the charge of the cell capacitor leaks has become prominent.
“1”データを保持するメモリセルの隣接メモリセルが“0”データ(Low Level)を保持しているとする。この状態では、メモリセルのセルキャパシタのpn接合での空乏層幅が、隣接メモリセルにより生ずる電界によって短くなる。この結果、接合リーク電流の一種のTFE(thermionic field emission)電流が増加し、“1”データの保持時間が短くなる(非特許文献1)。セルキャパシタのpn接合間での空乏層を長くするためにチャネル部へ注入される不純物の量を減らすことが考えられる。しかしながら、チャネル部への不純物注入量を減ずると、セルトランジスタの閾値電圧が下がる。閾値電圧が小さいと、トランジスタ中のリーク電流が大きくなる。特に、ノーマルオペレーションモード中の書き込みまたは読み出し時にビット線が低電位に長時間に亘って保持された場合に、“1”データを保持するセルキャパシタ中の多くの電荷がセルトランジスタを介してビット線へとリークしてしまう。 Assume that a memory cell adjacent to a memory cell holding “1” data holds “0” data (Low Level). In this state, the depletion layer width at the pn junction of the cell capacitor of the memory cell is shortened by the electric field generated by the adjacent memory cell. As a result, a kind of junction leakage current TFE (thermionic field emission) current increases, and the retention time of “1” data is shortened (Non-patent Document 1). In order to lengthen the depletion layer between the pn junctions of the cell capacitor, it is conceivable to reduce the amount of impurities injected into the channel portion. However, if the amount of impurities implanted into the channel portion is reduced, the threshold voltage of the cell transistor is lowered. When the threshold voltage is small, the leakage current in the transistor increases. In particular, when the bit line is held at a low potential for a long time at the time of writing or reading in the normal operation mode, a large amount of charge in the cell capacitor holding “1” data passes through the cell transistor. It leaks into.
また、隣接メモリセルが“1”データを保持する場合は、セルトランジスタの活性領域側面にチャネルが誘起され、この結果、セルトランジスタの閾値が、隣接メモリセルが“0”データを保持している場合よりも下がる。したがって、チャネル部への不純物注入量を減らした場合と同じく、セルトランジスタ中のリーク電流が増加する。“1”データを保持する隣接メモリセルからの電界によりセルトランジスタの閾値電圧が低下することに対して、STI(shallow trench isolation)構造の素子分離絶縁膜にシールド導電体を埋め込み、このシールド導電体に負電位を与える技術が提案されている(非特許文献2)。この技術によれば、“1”データを保持する隣接メモリセルがセルトランジスタの閾値電圧を低下させることを回避できる。この結果、セルトランジスタ中のリーク電流を抑制できる。 When the adjacent memory cell holds “1” data, a channel is induced on the side surface of the active region of the cell transistor. As a result, the threshold value of the cell transistor holds the data “0” in the adjacent memory cell. Lower than the case. Accordingly, the leakage current in the cell transistor increases as in the case where the impurity implantation amount into the channel portion is reduced. In response to the threshold voltage of the cell transistor being lowered by an electric field from an adjacent memory cell holding “1” data, a shield conductor is embedded in an element isolation insulating film having an STI (shallow trench isolation) structure. There has been proposed a technique for applying a negative potential to the non-patent document 2 (Non-patent Document 2). According to this technique, it is possible to avoid the adjacent memory cell holding “1” data from lowering the threshold voltage of the cell transistor. As a result, the leakage current in the cell transistor can be suppressed.
しかしながら、非特許文献2の技術では、シールド導電体の負電位により生じる電界により、ストレージノードとpウェルとの間のpn接合での空乏層幅が短くなる。この結果、隣接メモリセルが“0”データを保持する場合と同様に、TFE電流の増大によってpn接合リーク電流が増える。そのため、リフレッシュ間隔を長く設定することができない。
However, in the technique of Non-Patent
このように、pn接合リーク電流対策としてチャネル領域への不純物量を減らすと、セルトランジスタ中のリーク電流が大きくなる。一方、隣接メモリセルが“1”データを保持している場合に顕著なセルトランジスタ中のリーク電流対策としてシールド導電体を用いるとpn接合リーク電流が大きくなる。すなわち、各対策は、セルトランジスタ閾値電圧制御の観点では相反する方向となるため両者を満たすことが難しい。このため、現状では、pn接合リーク電流に対してはSTIシールドを用いて対処するとともに、セルトランジスタ中のリーク電流に対しては、リフレッシュ電流が大きくなることを容認してリフレッシュ間隔を短く設定せざるを得ない。これは、リフレッシュによる消費電力が大きくなることを意味する。
本発明は、消費電力が抑制された半導体記憶装置を提供しようとするものである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device with reduced power consumption.
本発明の一態様による半導体記憶装置は、データの読み出しおよびデータの書き込みおよびリフレッシュを含む動作が行われる第1モードと、データの読み出しおよびデータの書き込み無しにリフレッシュが自律的に繰り返される第2モードと、を有する半導体記憶装置であって、(1)半導体基板と、(2)前記半導体基板の表面に形成され、素子領域を区画し、表面に絶縁膜を有し、内部において導電体を含んだ素子分離領域と、(3)前記素子領域に形成され、それぞれがキャパシタとMOSトランジスタとを含む、複数のメモリセルと、(4)前記導電体に前記第1モードにおいて第1電位を印加し、前記第2モードにおいて前記第1電位より高い第2電位を印加する電位発生回路と、を具備することを特徴とする。 A semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention includes a first mode in which operations including data reading, data writing, and refresh are performed, and a second mode in which refresh is autonomously repeated without data reading and data writing. (1) a semiconductor substrate, and (2) formed on the surface of the semiconductor substrate, defining an element region, having an insulating film on the surface, and including a conductor therein. An element isolation region; (3) a plurality of memory cells formed in the element region, each including a capacitor and a MOS transistor; and (4) applying a first potential to the conductor in the first mode. And a potential generating circuit for applying a second potential higher than the first potential in the second mode.
本発明によれば、消費電力が抑制された半導体記憶装置を提供できる。 According to the present invention, a semiconductor memory device with reduced power consumption can be provided.
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, components having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
(第1実施形態)
図1乃至図9を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る半導体装置の主要部の構成を示す機能ブロック図である。図1に示すように、半導体記憶装置(DRAM)1、メモリセルアレイ2、制御回路3、電位発生回路4、電位発生回路制御回路5を含んでいる。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the main part of the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a semiconductor memory device (DRAM) 1, a
メモリセルアレイ2は、行列状に配置された複数のDRAMメモリセル6を含んでいる。各メモリセル6は、1つのセルキャパシタ14および1つのセルトランジスタ16を含んでいる。セルキャパシタ14の一端は、セルトランジスタ16の一端と接続され、他端には、プレート電位Vplが印加されている。セルトランジスタ14の他端は、ビット線17と接続され、ゲートはワード線15と接続されている。
The
メモリセル6は、STI(shallow trench isolation)構造の素子分離絶領域(図示せぬ)により相互に電気的に分離されている。素子分離領域は、後に詳述するように、絶縁膜と、その内部に形成されたシールド導電体と、を含んでいる。メモリセルアレイ2は、制御回路3と接続されている。
The
制御回路3は、例えばロウデコーダ、カラムデコーダ、センスアンプ等を含み、制御回路3は、例えば外部から供給されたアドレス信号により特定されるメモリセル6にデータを書き込んだり、メモリセル6からデータを読み出したりする制御を行う。また、時間とともにセルキャパシタから電荷が失われるためにデータが消失することを防ぐために、各メモリセル6に対して、リフレッシュを行う。リフレッシュの間隔は、公知の技術に従って、接合リークおよびセルトランジスタのリークによる電荷の消失によってデータが失われない程度の長さである。
The
半導体記憶装置1は、ノーマルオペレーションモードとセルフリフレッシュモードとを有する。ノーマルオペレーションモードにおいて、制御回路3は、データの書き込み、読み出し、リフレッシュ等を行う。また、半導体記憶装置1は、例えば外部から供給された移行コマンドに応じてセルフリフレッシュモードに移行する。また、外部から供給される退出コマンドによってセルフリフレッシュモードからノーマルオペレーションモードに移行する。セルフリフレッシュモードにおいて、制御回路3は、データの書き込み、読み出しを行わず、単にメモリセル6に対して、適当な間隔でリフレッシュを繰り返す。制御回路3は、ノーマルオペレーションモードとセルフリフレッシュモードとで、相互に異なる間隔でリフレッシュを行うことができるように構成されている。
Semiconductor memory device 1 has a normal operation mode and a self-refresh mode. In the normal operation mode, the
既知の技術に従い、メモリセル6を、セルキャパシタ14とセルトランジスタ16を用いた擬似SRAMのメモリセルとすることもできる。擬似SRAMのスタンバイモード時においても、リフレッシュが自律的に繰り返される。以下、リフレッシュモードという文言は、メモリセル6が擬似SRAMとして用いられた場合のスタンバイモードをも含むものとする。すなわち、本発明の全ての実施形態は、メモリの形態に限定されず、直列接続されたキャパシタとトランジスタを用いたメモリセルを有する全ての半導体記憶装置に適用される。
According to a known technique, the
電位発生回路4は、後述のように、素子分離領域内のシールド導電体と接続され、シールド導電体に所定の電位を印加する。電位発生回路4は、電位発生回路制御回路5と接続され、電位発生回路制御回路5の制御に従って電位を発生する。電位発生回路制御回路5は、制御回路3によって制御される。電位発生回路制御回路5は、制御回路3と一体化していても構わない。
As will be described later, the
次に、図2乃至図4を用いて、第1実施形態に係る半導体装置の構造について説明する。図2は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の主要部の構造を示す平面図である。図3は、図2のIII−III線に沿った構造を示す断面図である。図4は、図2のIV−IV線に沿った構造を示す断面図である。 Next, the structure of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a plan view showing the structure of the main part of the semiconductor memory device according to the first embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure taken along line III-III in FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure taken along line IV-IV in FIG.
図2に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板11の表面は、素子分離領域12により複数の活性領域13へと区画される。素子分離領域12は、表面に形成された絶縁膜31とその内部に埋め込まれたシールド導電体32とを含む。絶縁膜31は、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜から構成することができる。活性領域13は、素子分離領域12により囲まれることにより、相互に電気的に分離されている。活性領域13は、例えば図2の左右方向に延びる方形形状を有する。図2の上下方向で奇数(偶数)行目の隣接する2つの活性領域13は、偶数(奇数)行目の活性領域13の左右方向の中央に対応する位置で対向する。
As shown in FIG. 2, the surface of the
各活性領域13の左右方向の両端には、セルキャパシタ14が設けられる。従って、偶数行目の活性領域13の同じ側(左または右)の各キャパシタ14は上下方向に延びる同じ直線上に位置する。同様に、奇数行目の活性領域13の同じ側の各キャパシタ14は、同じ直線上に位置する。
偶数行目の活性領域13の同じ側(左または右)の各キャパシタ14の、高さ方向における上方をゲート電極15が通る。同様に、偶数行目の活性領域13の同じ側(左または右)の各キャパシタ14の、高さ方向における上方をゲート電極15が通る。したがって、1つの活性領域13の上方を4本のゲート電極15が亘る。
The
活性領域13とゲート電極15が作る4つの交点のうち、活性領域13の両端(キャパシタが形成される領域)を除く2つの各々には、セルトランジスタ16が形成される。1つのセルトランジスタ16と、これに隣接する1つのセルキャパシタ14が、1つのメモリセル6を構成する。
A
図3、図4に示すように、基板11の表面には、pウェル21が形成されている。pウェル21は、図示せぬコンタクトを用いて所定の電位に設定されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, a p-
セルキャパシタ14は、トレンチ22、プレート拡散層23、キャパシタ絶縁膜24、カラー酸化膜25、ストレージノード26を含んでいる。トレンチ22は、基板11の表面に形成される。プレート拡散層23は、トレンチ22の下部の周囲に形成され、不純物を含んでいる。キャパシタ絶縁膜24は、トレンチ22の下部の内面上に形成される。カラー酸化膜25は、トレンチ22の上部の内面上に形成される。カラー酸化膜25の上端は、トレンチ22の上端よりも低い位置に位置し、このため、トレンチ22は、最上部においてpウェル21と接している。そして、このトレンチ22とpウェル21との境界には、境界に沿ったpウェル21内に、n+型のストレージノード拡散層27が設けられる。ストレージノード26は、例えば導電性のポリシリコンからなり、キャパシタ絶縁膜24、カラー酸化膜25を介して、トレンチ22を埋め込む。
The
トレンチ22相互間の基板11の表面には、素子分離領域12が設けられる。素子分離領域12は、トレンチ22の上部において平面方向に突出しており、この突出部分は各トレンチ22の上面を覆っている。素子分離領域12内には、シールド導電体32が埋め込まれている。シールド導電体32は、例えばn型の不純物を導入された多結晶シリコンからなり、電界に対するシールドとしての機能を有する。シールド導電体32は、素子分離領域12の表面形状に沿った形状を有し、素子分離領域12の、表面を除く内側を埋め込んでいる。
An
素子分離領域12上、より具体的には、シールド導電体32の上面は、例えば酸化シリコンからなる導電体上絶縁膜33が形成される。
On the
トレンチ22の、隣接する別のトレンチ22と反対側の基板11上には、セルトランジスタ16が設けられる。セルトランジスタ16は、例えばn型のMOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)からなり、基板11上に設けられたゲート絶縁膜41、ゲート絶縁膜41上に設けられたゲート電極(ワード線)15、ソース/ドレイン拡散層43、44を含む。ソース/ドレイン拡散層44は、ストレージノード拡散層27と接続されている。セルトランジスタ16のチャネル領域には、不純物が導入されており、この濃度を適切に設定することによって、セルトランジスタ16の閾値が所望の値に設定される。
A
基板11上の全面は、層間絶縁膜51により覆われている。層間絶縁膜51内には、ビット線17が設けられている。ビット線17は、コンタクトプラグ52により、ソース/ドレイン拡散層43と接続されている。
The entire surface on the
シールド導電体32は、メモリセルアレイ2の端部において、電位発生回路4と電気的に接続されている。シールド導電体32は、電位発生回路4によって、メモリセルアレイ2全体に亘って同じ電位に設定される。
The
次に、シールド導電体32が設定される電位の詳細について、図5を参照して説明する。図5は、第1実施形態においてシールド導電体32に印加される電位のタイミングチャートである。“0”データ、“1”データを保持するメモリセル6からビット線17に読み出された電位は、メモリセル6の特性(例えばキャパシタの容量等)、センスアンプの特性、メモリセル6に要求されるアクセス速度などの様々な要素応じて決定される。以下の説明では、例えば“0”データ保持にビット線に読み出される電位(Lベル)は0Vとし、“1”データ(Hレベル)については1.4Vであるとする。以下、この1.4VをVBLHと称する。
Next, details of the potential at which the
図5に示すように、ノーマルオペレーションモード(〜時刻T1)においては、シールド導電体32は、所定の第1電位V1に設定されている。第1電位V1は、例えば0V以下であり、以下の要素を考慮して決定される。
As shown in FIG. 5, in the normal operation mode (to time T1), the
読み出し時および書き込み時には、読み出しまたは書き込まれるアクセス対象のメモリセル6の位置、およびアクセス対象のメモリセル6が保持するデータによっては、ビット線17が長時間に亘って低電位(Lレベルの電位(例えば0V))に保持されることがある。この結果、ストレージノード26とpウェル21との間のpn接合におけるリーク電流に加えて、隣接メモリセル6が保持する電荷による電界によって活性領域(例えばカラー酸化膜25上の素子分離領域12の側面)にチャネルが誘起されることによって、セルトランジスタ16を介するリーク電流が発生する。これに対して、シールド導電体32の電位を第1電位V1に維持することによって、セルトランジスタ16を介するリーク電流を抑制する。よって、第1電位V1は、この目的を達成可能な値に設定される。第1電位V1は、後述もするように、例えば0Vである。
At the time of reading and writing, depending on the position of the
なお、このシールド導電体32に電位を印加して電界の影響を排する技術を用いれば、
セルトランジスタ16に対する隣接メモリセルのデータによる電界の影響を排除できるため、セルトランジスタ16のチャネル部の不純物濃度として所望の閾値電圧を達成可能な濃度を用いることができる。
In addition, if a technique for applying an electric potential to the
Since the influence of the electric field due to the data of the adjacent memory cell with respect to the
シールド導電体32は、書き込み、読み出し、リフレッシュによらずに、ノーマルオペレーションモードの期間に亘って、第1電位V1に保持される。
The
一方、時刻T2で半導体記憶装置がリフレッシュモードに移行すると同時に、シールド導電体32は、第1電位V1と異なる第2電位V2に設定される。そして、リフレッシュモードの終了まで第2電位V2が維持される。ノーマルオペレーションモードへの移行と同時に、シールド導電体32は、第1電位V1に再度、設定される。第2電位V2は、第1電位V1より高い電位であって、以下に示す要素を考慮して選択され、後述もするように、例えば0.4Vである。
On the other hand, at the same time as the semiconductor memory device shifts to the refresh mode at time T2, the
セルフリフレッシュモードではセルフリフレッシュ動作以外にビット線17が活性化することがない。このため、リフレッシュ相互間の大半の時間においてビット線17の電位、ひいてはソース/ドレイン拡散層43の電位は、プリチャージ電圧、すなわち、1/2×VBLH(=0.7V)である。よって、ビット線17の電位VBLとストレージノード26の電位Vcellとの間の電位差は、0.7Vとなり(図6)、ノーマルオペレーションモードにおいて長時間保持される可能性があるビット線17の電位が0Vの場合(図7)よりも小さい。さらに、ゲート電極15の電位は該当メモリセルのリフレッシュ時を除き0Vで保持され、ソース電圧(ビット線コンタクト部拡散層43)の0.7Vに対して相対的に負の電圧でオフしていることになる。したがって、セルキャパシタ14中の電荷が、セルトランジスタ16を介してリークする現象は発生し難い。したがって、第2電位V2(セルフリフレッシュモード時のシールド導電体32の電位)を、第1電位V1(ノーマルオペレーションモード時のシールド導電体32の電位)よりも高く設定することができる。電位をこのように設定しても、シールド導電体32による、隣接メモリセルからの電界の抑制効果に大きな影響は生じない。
In the self-refresh mode, the
一方、第2電位は、高過ぎると、導電体31を用いない場合に隣接メモリセルが“1”データを保持する場合と同じ状況になり、メモリセル6の活性領域13の側面にチャネルが誘起される。すなわち、セルトランジスタ16のリークが発生する。したがって、第2電位V2は、第1電位V1より高く、且つビット線17がプリチャージ電位であるときに基板11の表面の、素子分離領域12との境界にチャネルが形成されないように設定される。この値は、素子分離領域12の形状等のデザインルール、絶縁膜31の厚さ、pウェル21の濃度などを考慮して決定される。第2電位V2の設定方法については、後に詳述する。
On the other hand, if the second potential is too high, the state becomes the same as when the adjacent memory cell holds “1” data when the
シールド導電体32を適切な第2電位V2に設定することによって、リフレッシュモード時においては、ソース/ドレイン拡散層44(ストレージノード拡散層27)とpウェル31との間のpn接合での空乏層の幅が広くなる。この結果、空乏層内の電界強度が下がり、pn接合リーク電流をノーマルオペレーションモード時のそれよりも下げることができる。よって、セルフリフレッシュモード時のデータの保持時間が長くなる。そこで、シールド導電体32の電位を第2電位V2に設定するとともに、制御回路3は、セルフリフレッシュモード時のリフレッシュ間隔を、ノーマルオペレーションモード時のリフレッシュ間隔よりも長くする。
By setting
次に、第2電位V2のより詳細な設定方法について図8、図9を参照して説明する。トランジスタのリークが大きくなるのは、上記のように、ビット線17がローレベルであるときである。そこで、まず、ノーマルオペレーションモード時のリフレッシュ相互間の全体に亘ってビット線17がローレベルを維持した場合の、シールド導電体32の電位とセルトランジスタ16のリークとの関係を求める。
Next, a more detailed setting method of the second potential V 2 will be described with reference to FIGS. As described above, the leakage of the transistor becomes large when the
図8は、シールド導電体電位とストレージノードを流れる電流との関係を示している。実線は、セルトランジスタ16中のリーク電流が最大となる、すなわち最悪の条件下での関係である。この関係は、例えば、半導体装置内または半導体装置を分割するためのダイシングラインに埋め込まれたセルトランジスタ16のTEG(test element group)においてストレージノード26に“1”データを保持したときの電位(本例では1.4V)を印加し、ビット線17にはローレベル(本例では0V)を印加し、ワード線(ゲート電極15)にはローレベル(本例では0V)を印加し、pウェル21にはバックゲート電圧(本例では−0.5V)を印加した状態で、シールド導電体32の電位を変化させながら、ストレージノード26に流れる電流を測定することにより得られる。
FIG. 8 shows the relationship between the shield conductor potential and the current flowing through the storage node. The solid line shows the relationship under the worst condition in which the leakage current in the
図8に示すように、ストレージノードに流れる電流は、シールド導電体電位に依存する。 As shown in FIG. 8, the current flowing through the storage node depends on the shield conductor potential.
次に、この関係を用いて、セルフリフレッシュモード時にビット線17がローレベルであるときのシールド導電体電位とストレージノード電流との関係を求める。セルフリフレッシュモード時にビット線17がローレベルとなる時間は、セルフリフレッシュモード時のリフレッシュ間隔に依存する。ここでは、リフレッシュ間隔は、セルキャパシタの容量等、多くの要因にも依存するが、リフレッシュ間隔を、実現可能な値320msと設定したとする。
Next, using this relationship, the relationship between the shield conductor potential and the storage node current when the
また、例えば1カラム(2本のビット線により構成される)に繋がるワード線の数が256本であり、セルフリフレッシュモード時にビット線17が活性化する時間を30nsであるとする。
For example, it is assumed that the number of word lines connected to one column (configured by two bit lines) is 256, and the time for activating the
以上の条件では、セルフリフレッシュモード中にビット線17がリフレッシュされずにローレベルに保持される最大の時間は、7.7μsである。
Under the above conditions, the maximum time that the
一方、ノーマルオペレーションモード中にビット線17がローレベルに保持される最大の時間は、リフレッシュ間隔とほぼ等しい。ここで、リフレッシュ間隔は、様々な要因を考慮して、例えば96msと設定されているとする。
On the other hand, the maximum time during which the
以上より、セルフリフレッシュモード時にビット線17がローレベルとなる時間は、ノーマルオペレーションモード時にビット線17がローレベルとなる最大時間の約8×10-5倍である。この値を、先に求めた、ノーマルオペレーションモード時にストレージノードに流れる電流とシールド導電体電位との関係を示す直線に乗ずる。これにより、図8の破線に示すように、セルフリフレッシュモード時のストレージノード電流の平均とシールド導電体電位との関係を示す直線が得られる。
From the above, the time during which the
一方、“1”データが、次のリフレッシュまでに“0”データに変化しないためのストレージノード電流Ioffは、おおよそ以下のように求められる。 On the other hand, the storage node current I off for preventing the “1” data from changing to “0” data until the next refresh is approximately calculated as follows.
Ioff=Cs×(V1−Vbp)/tref (1)
ただし、
Cs:ストレージノード容量
V1:“1”データ書き込み電圧
Vbp:ビット線のプリチャージ時の電位
tref:リフレッシュ間隔時間
である。
I off = C s × (V 1 −V bp ) / t ref (1)
However,
C s : storage node capacitance V 1 : “1” data write voltage V bp : potential t ref at the time of precharging the bit line: refresh interval time.
式(1)に各値を代入した結果、リフレッシュモード時に、“1”データを保持するのに要する電流の具体的な値Ioff2が得られる(例えば6.6×10-14A)。この値と図8の破線との交点に対応するシールド導電体電位が、電位V2に対応する。電位V2は、例えば、0.4Vである。 As a result of substituting each value into Expression (1), a specific value I off2 of the current required to hold “1” data is obtained in the refresh mode (for example, 6.6 × 10 −14 A). Shield conductor potential corresponding to the intersection of the dashed this value and FIG. 8 corresponds to the potential V 2. The potential V 2 is, for example, 0.4V.
なお、同様の手法で、ノーマルオペレーションモード時に“1”データが“0”データに変化しないためのシールド導電体電位も求められる。例えば、式(1)に各値を代入することにより、Ioff1が求められ(例えば、2×10-13A)この値と図8の実線との交点に対応するシールド導電体電位が電位V1である。電位V1は、例えば0Vである。 The shield conductor potential for preventing the “1” data from changing to “0” data in the normal operation mode is also obtained by the same method. For example, by substituting each value into the equation (1), I off1 is obtained (for example, 2 × 10 −13 A), and the shield conductor potential corresponding to the intersection of this value and the solid line in FIG. 1 . The potential V 1 is, for example, 0V.
さらに、実際に動作するチップが既に得られている場合は、各ビット(メモリセル)の特性のばらつきを考慮して、電位V2を最適化することもできる。このチップは、リフレッシュ間隔がある具体的な値に設定されている(例えばノーマルオペレーションモード時は96ms、セルフリフレッシュモード時は320ms)。このチップに対して、図9に示すように、セルフリフレッシュモード時のシールド導電体電位を変化させた場合の不良ビット数を求める(破線により図示)。 Furthermore, when a chip that actually operates is already obtained, the potential V 2 can be optimized in consideration of variations in characteristics of each bit (memory cell). This chip is set to a specific value with a refresh interval (for example, 96 ms in the normal operation mode and 320 ms in the self-refresh mode). For this chip, as shown in FIG. 9, the number of defective bits when the shield conductor potential in the self-refresh mode is changed is obtained (illustrated by a broken line).
図9に示すように、ある値(V2j)以下の範囲では、シールド導電体電位が低いほど、pn接合リーク起因の不良ビットが多く、ある値(V2t)以上の範囲ではシールド導電体電位Vshが高いほど、セルトランジスタのリーク起因の不良ビットが多い。そこで、値V2jと値V2tとの間で不良ビット数が極小となる値が、電位V2に適用される。 As shown in FIG. 9, in the range below a certain value (V 2j ), the lower the shield conductor potential, the more defective bits due to pn junction leakage, and the shield conductor potential in a range above a certain value (V 2t ). The higher Vsh, the more defective bits due to cell transistor leakage. Therefore, a value that minimizes the number of defective bits between the value V 2j and the value V 2t is applied to the potential V 2 .
同様の手法で、ノーマルオペレーションモード時の電位V1を求めることもできる。すなわち、ビット線がローレベルになる時間が最大となるタイミング、対応するリフレッシュ時間(例えば96ms)およびデータパターンを使ったテストにおいて、pn接合リーク起因の不良ビットの増加が始まる値V1jと、セルトランジスタのリーク起因の不良ビットの増加が始まる値V1tとの間で不良ビット数が極小となる値が電位V1に適用される。なお、残留した不良ビットについてはリダンダンシー回路を使用してスペアセルに置き換えることができる。 The potential V 1 in the normal operation mode can be obtained by the same method. That is, in the test using the timing when the bit line becomes low level, the corresponding refresh time (for example, 96 ms) and the data pattern, the value V 1j at which the increase of defective bits due to the pn junction leakage starts, A value that minimizes the number of defective bits is applied to the potential V 1 between the value V 1t at which an increase in defective bits due to transistor leakage starts. The remaining defective bits can be replaced with spare cells using a redundancy circuit.
以上述べたように、第1実施形態によれば、素子分離領域12内のシールド導電体32は、ノーマルオペレーションモードにおいて第1電位V1とされ、リフレッシュモードにおいて第1電位V1より高い第2電位V2とされる。このため、ノーマルオペレーションモードにおいては、隣接メモリセルによりセルトランジスタの閾値変動を回避できるとともに、セルフリフレッシュモードにおいては、シールド導電体32が引き起こし得るpn接合リーク電流を抑制することができる。このため、半導体記憶装置の消費電流を減ずることができる。
As described above, according to the first embodiment, the
(第2実施形態)
第1実施形態では、セルフリフレッシュモード中のリフレッシュ間隔およびシールド導電体32の電位は、均一である。これに対して、第2実施形態では、これらの値がセルフリフレッシュモード中の時点に応じて異なる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the refresh interval during the self-refresh mode and the potential of the
図10乃至図12を参照して、第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。図10は、第2実施形態に係る半導体記憶装置の主要部の構成を示す機能ブロック図である。図11、図12は、第2実施形態においてシールド導電体32に印加される電位のタイミングチャートである。
A semiconductor memory device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a functional block diagram showing the configuration of the main part of the semiconductor memory device according to the second embodiment. 11 and 12 are timing charts of potentials applied to the
図10に関しては、第1実施形態の制御回路3に代えて、制御回路61が設けられている。制御回路61は、セルフリフレッシュモードにおいて2種類以上の相互に異なる間隔でリフレッシュを行うことができるように構成されている。さらに、制御回路61は、所定の時間を計測するタイマ62を有している。これらの点以外は、制御回路61は、第1実施形態の制御回路3と同じである。
As for FIG. 10, a
制御回路61は、セルフリフレッシュモードにおいて、セルフリフレッシュの間隔を、第1間隔で行うができ、第2間隔で行うこともできる。第1間隔は、セルフリフレッシュモードへの移行直後に用いられる間隔であり、少なくともノーマルオペレーションモードでのリフレッシュ間隔と同等か、それよりも長く、例えば128msである。また、第2間隔は、セルフリフレッシュへの移行後、所定の設定時間経過後に用いられる時間であり、例えば320msである。
In the self-refresh mode, the
セルフリフレッシュモードへ移行後、シールド導電体32の電位は、第1電位V1から第2電位V2への遷移状態にあるかもしれない。そこで、図11に示すように、時刻T1から、シールド導電体電位が第2電位V2に達する時刻T3までの間は、第1間隔でリフレッシュが行われる。時刻T3以降は、第2間隔でリフレッシュが行われる。
After shifting to the self-refresh mode, the potential of the
また、セルフリフレッシュモードへの移行およびセルフリフレッシュモードからの退出は、外部からのコマンドに依存し、セルフリフレッシュモードの持続時間は、短いかもしれないし、長いかもしれない。そうであるにも関わらず、第2電位V2が印加される状態へと設定するのに要する制御のための電流が消費され得る。このため、セルフリフレッシュモードの持続時間が非常に短い場合は、シールド導電体電位を第2電位V2に設定したとしても、大きな消費電流の抑制効果は期待できず、むしろ無駄な電流消費となる可能性もある。そこで、図12に示すように、セルフリフレッシュモードが、所定の待機時間に亘って持続したこと、すなわち時刻T1から待機時間の経過後の時刻T4に到達したことを条件に、シールド導電体電位が第2電位V2に設定される。待機時間の具体例としては、例えば、96msとすることができる。 The transition to the self-refresh mode and the exit from the self-refresh mode depend on an external command, and the duration of the self-refresh mode may be short or long. Nevertheless, the current for control required to set the second potential V 2 to be applied can be consumed. For this reason, when the duration of the self-refresh mode is very short, even if the shield conductor potential is set to the second potential V 2 , the effect of suppressing a large current consumption cannot be expected, but rather a wasteful current consumption occurs. There is a possibility. Therefore, as shown in FIG. 12, on the condition that the self-refresh mode has continued for a predetermined waiting time, that is, has reached time T4 after elapse of the waiting time from time T1, the shield conductor potential is The second potential V 2 is set. As a specific example of the standby time, for example, 96 ms can be set.
シールド導電体電位を第2電位V2へと設定するタイミングの制御は、制御回路61がタイマ62を用いて、セルフリフレッシュモードへの移行後の所定時間経過後に、第2電位発生回路制御回路5に、第2電位V2へ設定する旨の信号を送信することで実行できる。または、電位発生回路制御回路5内にタイマを設け、制御回路3からセルフリフレッシュモードへの移行を知らせる信号の受信後の所定時間経過後に、電位発生回路4に電位を変化する指示を送る手法でもよい。
The timing of setting the shield conductor potential to the second potential V 2 is controlled by the second potential generating
ここで説明した内容以外の部位に関しては、第1実施形態と同じである。 The parts other than the contents described here are the same as those in the first embodiment.
第2実施形態に係る半導体記憶装置によれば、第1実施形態と同じく、素子分離領域12内のシールド導電体32は、ノーマルオペレーションモードにおいて第1電位V1とされ、リフレッシュモードにおいて第1電位より高い第2電位V2とされる。このため、第1実施形態と同じ効果を得られる。
According to the semiconductor memory device of the second embodiment, as in the first embodiment, the
また、第2実施形態によれば、セルフリフレッシュモード時のリフレッシュ間隔、または(および)シールド導電体電位の変化のタイミング、が半導体記憶装置の動作を考慮して適切に設定される。このため、シールド導電体電位の変化に必要な電流が非効率に消費されることが防止される。 In addition, according to the second embodiment, the refresh interval in the self-refresh mode or (and) the change timing of the shield conductor potential is appropriately set in consideration of the operation of the semiconductor memory device. For this reason, it is prevented that the current required for the change of the shield conductor potential is consumed inefficiently.
なお、第1、第2実施形態は、セルキャパシタとしてトレンチキャパシタを用いて説明された。しかしながら、スタックトキャパシタであっても、上記したような、トレンチキャパシタの場合と同じ問題が生じ、これを解消するために本実施形態をスタックトキャパシタに適用することも可能である。 In addition, 1st, 2nd embodiment was demonstrated using the trench capacitor as a cell capacitor. However, even in the case of a stacked capacitor, the same problem as in the case of a trench capacitor as described above occurs, and this embodiment can be applied to a stacked capacitor in order to solve this problem.
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .
1…半導体記憶装置、2…メモリセルアレイ、3…制御回路、4…電位発生回路、5…電位発生回路制御回路、6…メモリセル、11…半導体基板、12…素子分離領域、13…活性領域、14…セルキャパシタ、15…ゲート電極、16…セルトランジスタ、17…ビット線、21…pウェル、22…トレンチ、23…プレート拡散層、24…キャパシタ絶縁膜、25…カラー酸化膜、26…ストレージノード、27…ストレージノード拡散層、31…絶縁膜、32…シールド導電体、33…導電体上絶縁膜、41…ゲート絶縁膜、42…ゲート電極、43、44…ソース/ドレイン拡散層、51…層間絶縁膜、52…コンタクトプラグ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor memory device, 2 ... Memory cell array, 3 ... Control circuit, 4 ... Potential generation circuit, 5 ... Potential generation circuit control circuit, 6 ... Memory cell, 11 ... Semiconductor substrate, 12 ... Element isolation region, 13 ... Active region , 14 ... cell capacitor, 15 ... gate electrode, 16 ... cell transistor, 17 ... bit line, 21 ... p-well, 22 ... trench, 23 ... plate diffusion layer, 24 ... capacitor insulating film, 25 ... color oxide film, 26 ... Storage node, 27 ... Storage node diffusion layer, 31 ... Insulating film, 32 ... Shield conductor, 33 ... Insulating film on conductor, 41 ... Gate insulating film, 42 ... Gate electrode, 43, 44 ... Source / drain diffusion layer, 51: Interlayer insulating film, 52: Contact plug.
Claims (5)
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に形成され、素子領域を区画し、表面に絶縁膜を有し、内部において導電体を含んだ素子分離領域と、
前記素子領域に形成され、それぞれがキャパシタとMOSトランジスタとを含む、複数のメモリセルと、
前記導電体に前記第1モードにおいて第1電位を印加し、前記第2モードにおいて前記第1電位より高い第2電位を印加する電位発生回路と、
を具備することを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor memory device having a first mode in which operations including data reading and data writing and refresh are performed, and a second mode in which refresh is autonomously repeated without data reading and data writing,
A semiconductor substrate;
An element isolation region formed on the surface of the semiconductor substrate, defining an element region, having an insulating film on the surface, and including a conductor inside;
A plurality of memory cells formed in the element region, each including a capacitor and a MOS transistor;
A potential generating circuit for applying a first potential to the conductor in the first mode and applying a second potential higher than the first potential in the second mode;
A semiconductor memory device comprising:
前記第2モードにおいて前記第1時間より長い第2時間毎にリフレッシュが行われる、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 In the first mode, refresh is performed every first time,
Refreshing is performed every second time longer than the first time in the second mode.
The semiconductor memory device according to claim 1.
前記第2モードへの移行時点から第1時刻までの間において前記第1時間より長い第2時間毎にリフレッシュが行われ、
前記第1時刻から前記第2モードの終了までの間において前記第2時間より長い第3時間毎にリフレッシュが行われる、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 In the first mode, refresh is performed every first time,
Refreshing is performed every second time longer than the first time between the transition to the second mode and the first time,
Refreshing is performed every third time longer than the second time from the first time to the end of the second mode.
The semiconductor memory device according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007004671A JP2008172081A (en) | 2007-01-12 | 2007-01-12 | Semiconductor memory device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007004671A JP2008172081A (en) | 2007-01-12 | 2007-01-12 | Semiconductor memory device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008172081A true JP2008172081A (en) | 2008-07-24 |
Family
ID=39699883
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007004671A Pending JP2008172081A (en) | 2007-01-12 | 2007-01-12 | Semiconductor memory device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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-
2007
- 2007-01-12 JP JP2007004671A patent/JP2008172081A/en active Pending
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