説明

半導体記憶装置及び半導体記憶装置の動作方法

【課題】従来の半導体記憶装置では、半導体記憶装置の動作速度を満足しつつ、高いSER耐性を実現することは難しかった。
【解決手段】一対の記憶ノードと、この記憶ノードに一端が接続された容量と、この容量の他端に接続されるとともに、半導体記憶装置が所定の速度以上で動作する場合には、容量の他端の接続状態を変更するスイッチ部と、を備える。このように、半導体記憶装置の動作状態に応じて、容量の他端の接続状態を変更することで、記憶ノードに接続される容量が半導体記憶装置の動作速度に与える影響を抑えることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体記憶装置及び半導体記憶装置の動作方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、チップサイズの小型化及びメモリの大容量化が進んでいる。これに伴って、半導体記憶装置(例えば、SRAM)にも、高いSER(Soft Error Rate)耐性を備えることが望まれている。
【0003】
一般的には、SER耐性を向上させるため、SRAMのメモリセルの記憶ノード(クロスカップルノード)について容量と抵抗に基づくCR時定数回路を接続したり、クロスカップルノード自体の容量を大きくして蓄積電荷量を大きくしたりする。しかし、単に容量を大きくする方法では、SRAMの動作速度が低下してしまう。特許文献1では、データの書き込み時(記憶動作時)に、容量プレートの電位をローレベルとすることで、書き込み時の動作条件を改善している。つまり、TFTを採用し、容量用プレート電極を備えたSRAMにおいて、その容量プレート電極の電位の影響を緩和している。
【特許文献1】特開平8−46060
【0004】
ところで、SRAMに対してデータの読み出し又は書き込み動作を連続して行う場合には、クロスカップルノードも連続してH又はLの状態を繰り返すが、このような場合において、クロスカップルノードに付加容量が形成されていると、電位レベル(H又はL)の変化が鈍くなり、結果としてSRAMの動作速度が低下するという問題がある。すなわち、SRAMのSER耐性を向上させるためには、クロスカップルノードに容量が付加されていることは好ましいが、SRAMの高速動作を実現する観点からはクロスカップルノードに容量が付加されていることは好ましくない。特許文献1では、この点について何ら考慮されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述のように、従来の半導体記憶装置では、半導体記憶装置の動作速度を満足しつつ、高いSER耐性を実現することは難しかった。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明にかかる半導体記憶装置は、一対の記憶ノードと、前記記憶ノードに一端が接続された容量と、前記容量の他端に接続されるとともに、半導体記憶装置が所定の速度以上で動作するとき、前記他端の接続状態を変更するスイッチ部と、を備える。
本発明にかかる半導体記憶装置は、少なくとも一対の記憶ノードを備えるSRAMセルと、一対の前記記憶ノードの一方に一端が接続される第1の容量素子と、一対の前記記憶ノードの他方に一端が接続される第2の容量素子と、前記第1及び第2の容量素子の他端間の節点と電源とを接続するスイッチ部と、前記SRAMセルが所定の動作状態のとき、前記スイッチ部により、前記節点を前記電源から電気的に切り離すことで、前記第1及び第2の容量素子を一対の前記記憶ノードの間に直列接続した状態とさせる制御回路と、を備える半導体記憶装置。
また、本発明にかかる半導体記憶装置の動作方法は、一対の記憶ノードに容量の一端が接続されており、当該容量の他端にスイッチ部が接続されている半導体記憶装置の動作方法であって、前記スイッチ部は、半導体記憶装置が所定の速度以上で動作するとき、前記他端の接続状態を変更する。
【0007】
かかる構成によれば、半導体記憶装置の動作状態に応じて、容量の他端の接続状態を変更する。これにより、記憶ノードに接続される容量が半導体記憶装置の動作速度に与える影響を抑えることができる。
【発明の効果】
【0008】
本発明にかかる半導体記憶装置によれば、半導体記憶装置の動作速度を満足しつつ、高いSER耐性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
[第1の実施の形態]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1に示すように、半導体記憶装置(ここでは、SRAM)1は、CMOS型の複数のトランジスタから構成されるメモリセル(SRAMセル)2を含む。このメモリセル2は、NMOS駆動トランジスタTr2、Tr4と、PMOS負荷トランジスタTr1、Tr3と、NMOS転送トランジスタTr5、Tr6と、を有する。このメモリセル2には、電位調整回路3が電気的に接続されている。
【0010】
はじめにメモリセル2の構成について説明する。負荷トランジスタTr1と駆動トランジスタTr2は、電源電位VDDと接地電位VSSとの間に直列に接続されている。また、負荷トランジスタTr1と駆動トランジスタTr2のゲートは、負荷トランジスタTr3と駆動トランジスタTr4との間の節点20及び転送トランジスタTr6に接続されている。また、容量C1(第1の容量素子)の一端は、節点20に接続されている。転送トランジスタTr6は、節点20とビット線BLとの間にあり、そのゲートはワード線WLに接続されている。上述した構成と対をなして、負荷トランジスタTr3と駆動トランジスタTr4は、電源電位VDDと接地電位VSSとの間に直列に接続されている。また、負荷トランジスタTr3と駆動トランジスタTr4のゲートは、負荷トランジスタTr1と駆動トランジスタTr2との間の節点10及び転送トランジスタTr5に接続されている。そして、容量C2(第2の容量素子)第の一端は、節点10に接続されている。転送トランジスタTr5は、節点10とビット線BLとの間にあり、そのゲートはワード線WLに接続されている。
【0011】
図1に示すように、第1記憶ノード(クロスカップルノード)11は、トランジスタTr3、Tr4のゲートからトランジスタTr5に至る配線領域と、節点10から容量C2の一端に至る配線領域と、を含む。他方、クロスカップルノード11と対をなす第2記憶ノード(クロスカップルノード)12(説明の便宜上、ここでは図示しない。図3にて図示する)は、トランジスタTr1、Tr2のゲートからトランジスタTr6に至る配線領域と、節点20から容量C1の一端に至る配線領域と、を含む。尚、これらのクロスカップルノード11、12は、電源電位VDD又は接地電位VSSの電位を有し、記憶される情報に応じて電位が変動する。
【0012】
このメモリセル2は、次のように動作する。ビット線BLからのH信号又はL信号に基づいて、転送トランジスタTr5、Tr6を介して、クロスカップルノード11及びクロスカップルノード12にはH信号又はL信号が書き込まれる(書き込み動作)。また、このクロスカップルノード11、12に書き込まれたH信号又はL信号は、転送トランジスタTr5、Tr6を介して、ビット線BLに出力される(読み出し動作)。
【0013】
本実施形態においては、メモリセル2は、クロスカップルノード11に一端が接続された容量C2、クロスカップルノード12に一端が接続された容量C1を有する。また、この容量C1、C2の他端同士は、相互に接続されている。そして、電位調整回路3は、この容量C1、C2の他端同士の接続配線にある節点CPに電気的に接続されている。
【0014】
電位調整回路3は、スイッチ部SWa及び制御回路を有するスイッチ回路4、基準電位発生回路(電源)、を有する。そして、SRAM1の動作状態に基づいて、節点CPの電位、すなわち容量C1、C2の他端の電位を調整する。言い換えると、節点CPの電位を調整(容量C1、C2の他端の電位を調整)することで、容量C1、C2の一端と他端との間の電位差から規定される容量C1、C2の保持容量を調整する。
【0015】
本実施形態においては、スイッチ部SWaが、接点A又は仮想接点Bのいずれかを選択することで、節点CPの電位、すなわち容量C1、C2の他端の電位を変更し、容量C1、C2の保持容量を調整する。ここでは、接点Aは、基準電位発生回路の接地電位GND(第1電位)に接続されている。他方、仮想接点Bは、フローティングとなっている。スイッチ部SWaの動作によって、接点Aが選択された場合には、節点CPは接地電位GNDに固定される。他方、仮想接点Bが選択された場合には、節点CPはフローティングとなる。なお、スイッチ部SWaは、例えば、電界効果トランジスタ(FET)から構成すると良い。
【0016】
制御回路は、SRAM1の動作状態(SRAMセル2の所定の動作状態)に基づいて、スイッチ部SWaを制御する。すなわち、SRAM1が所定の速度以上の速度で(高速で)書き込み又は読み出し動作する場合(第1動作状態)には、SER耐性よりもSRAM1の動作速度を優先させるため、スイッチ部SWaが仮想接点Bを選択するように制御する。他方、SRAM1が所定の速度以下の速度(低速で)で書き込み又は読み出し動作する場合又はSRAM1が待機状態の場合(第二動作状態)には、SRAM1の動作速度よりもSER耐性を優先させるため、スイッチ部SWaが接点Aを選択するように制御する。
なお、SRAM1が読み出し又は書き込み動作中にあるときを第一動作状態とし、SRAM1が待機状態にあるときを第二動作状態としてもよい。この場合においても、後述の説明と同様に、SRAM1が読み出し又は書き込み動作中にあれば、SER耐性よりもSRAM1の動作速度を優先させることができる。また、後述の説明と同様に、SRAM1が待機状態にあれば、SRAM1の動作速度よりもSER耐性を優先させることができる。
【0017】
制御回路からの制御信号に基づいて、スイッチ部SWaが仮想接点Bを選択する場合、節点CPはフローティング状態にあり、容量C1、C2の他端もフローティング状態にある。このとき、容量C1、C2は、一対のクロスカップルノード11、12との間で直列に接続された状態となる。そして、容量C1、C2の保持容量は最小となる。従って、節点CPの電位が固定されている場合に比べて、容量C1、C2がSRAM1の動作速度に与える影響を抑制できる。つまり、SER耐性よりもSRAM1の動作速度を優先させることができる。なお、制御回路からスイッチ部SWaに与えられる制御信号は、メモリセル2の動作状態を示す信号であって、チップセレクト信号(CS信号)又は書き込み信号(WE信号)等に基づいて生成される。ここでは、制御回路に接続される端子PSに、CS信号又はWE信号が与えられる。
【0018】
他方、制御回路からの制御信号に基づいて、スイッチ部SWaが接点Aを選択すると、節点CPは接地電位GNDにあり、また容量C1、C2の他端も接地電位GNDに設定される。このとき、容量C1、C2は互いに所定の保持容量を持つ。従って、クロスカップルノード11、12は、それぞれ容量C1、C2が付加された状態となり、より多くの電荷を蓄積できる。つまり、SRAM1の動作速度よりもSER耐性を優先させることができる。
【0019】
図2に、上述した説明を表として整理する。尚、SRAM1が第一動作状態又は第二動作状態のいずれにあるかは、例えば、SRAM1の動作状態に関する情報に基づいて制御回路自体が判断しても良いが、必ずしも制御回路自身が判断する必要はない。人為的に判断してもよい。
【0020】
ここで、SRAM1の概略的なレイアウトを図3に示す。図3には、容量C1、C2の他端を構成する他端電極40が示されている。この他端電極40は、複数のメモリセル2Aa〜2Ad及び2Ba〜2Bdの各々にあるクロスカップルノード11、12を覆うように配置されている。この構成によれば、より好適に容量C1、C2をクロスカップルノード11、12に付加させることができる。
【0021】
また、複数のメモリセル2Aa〜2Adと、複数のメモリセル2Ba〜2Bdとの間にある配線形成領域21には、この他端電極40と電気的に接続された他端電極用配線ラインが設けられている。この他端電極用配線ラインは、SRAM1のチップ上の端子から図1の電位調整回路3に電気的に接続される。なお、この他、SRAM1のメモリセルが配列された領域の周囲の領域まで他端電極40を延在させ、この他端電極の延長部分と電位調整回路3とを電気的に接続してもよい。なお、図3には、説明の便宜上、VSSライン、VDDライン、ビット線BL等を省略して示している。
【0022】
図4に、図3に示したX−X'ラインの概略的な断面構成を示す。尚、図4に示された構成要素の大きさ等は説明のためのものであり、実際の大きさを反映しているものではない。
【0023】
図4に示すように、メモリセル2Ac、2Adのクロスカップルノード12を構成する上部ノード12aの上層には、誘電膜23が形成されている。また、この誘電膜23の上層には、図3のレイアウト図に示した他端電極40が形成されている。このような構成によって、図4に模式的に示したように、クロスカップルノード12と他端電極40との間に容量C1が形成され得る。尚、ここでは、クロスカップルノード12の上部ノード12aが容量の一端を構成している。
また、ここでは、電源ライン(VSSライン、VDDライン)とクロスカップルノード12の上部ノード12aとは同層に配置されている。また、誘電膜23は、クロスカップルノード12を覆うとともに、電源ライン(VDDライン、VSSライン)も覆っている。かかる構成により、好適に容量C1、C2を形成できる。誘電膜23は、誘電材料から構成され、例えば、二酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、酸化チタン(TiO2)等の材料を用いて構成できる。
【0024】
ここで、図5に、図4で示したメモリセル2Acのレイアウトの概略図を示す。なお、ここでは、図面の明確化のため、他端電極40は省略してある。
図5に示すように、メモリセル2Acは、他端電極40(図示せず)のほか、拡散領域110、120、ゲート領域13、ワード線WL、VDDライン、VSSライン、クロスカップルノード11、クロスカップルノード12、ビア15を有している。
【0025】
拡散領域110は、トランジスタTr2、Tr4〜Tr6のソースあるいはドレインを形成する。拡散領域120は、トランジスタTr1、Tr3のソースあるいはドレインを形成する。ゲート領域13は、トランジスタTr1〜Tr4のゲートを形成する。ワード線WLは、トランジスタTr5、Tr6のゲートとして形成される。
【0026】
クロスカップルノード11は、トランジスタTr3、Tr4のゲートとトランジスタTr1、Tr2のドレインを接続するように形成される。また、クロスカップルノード12は、トランジスタTr1、Tr2のゲートとトランジスタTr3、Tr4のドレインを接続するように形成される。なお、本図において、トランジスタTr2のドレインとトランジスタTr4のソースは、一体に形成される拡散領域110によって接続されている。また、トランジスタTr4のドレインとトランジスタTr6のソースは、一体に形成される拡散領域110によって接続されている。
【0027】
[第2の実施の形態]
次に、図6、図7及び図8を用いて、本発明の第2の実施の形態について説明する。同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0028】
第1の実施の形態と異なる点は、電位調整回路20の構成である。すなわち、図6に示すように、スイッチ部SWbは、制御回路からの制御信号に基づいて、接地電位GNDに接続された接点A、フローティングの仮想接点B以外に、電源電位VCCと接地電位GNDの中間の電位VCC/2(第2電位)に接続された接点C、電源電位VCC(第3電位)に接続された接点Dをも選択する。
【0029】
制御回路からの制御信号に基づいてスイッチ部SWbが、VCC/2電位の接点Cを選択する場合は、SRAM1の動作状態は、H信号として通常の場合(例えば、第一動作状態又は第二動作状態の場合)よりも高い信号電圧又はL信号として通常の場合(同上)よりも低い信号電圧が印加されて書き込み動作が行われている動作状態(第三動作状態)にある。このような場合に、スイッチ部SWbが、接点Cを選択することで、容量C1、C2の各々の誘電膜には、他端に印加されたVCC/2電位と一端に印加されうる信号電圧との差分の電位が保持される。従って、容量C1及び容量C2の他端を電源電位VCC又は接地電位GNDに固定しておく場合と比較して、通常よりも高いH信号又は低いL信号が印加されても、誘電膜23が破壊されることを抑制することができる。この第三動作状態は、例えば、SRAM1の信頼性試験時の動作状態である。
【0030】
制御回路からの制御信号に基づいてスイッチ部SWbが、VCCの接点Dを選択する場合は、SRAM1がより遅い速度で動作する場合又はSRAM1が待機状態の場合(第二動作状態)にある場合である。スイッチ部SWbが、接点Dを選択すると、容量C1及び容量C2の他端は、VDDが与えられる。このとき、容量C1、C2は互いに所定の保持容量を持つ。従って、クロスカップルノード11、12は、それぞれ容量C1、C2が付加された状態(CR時定数回路が直列に接続された状態)となり、SER耐性が向上する。つまり、SRAM1の動作速度よりもSER耐性を優先させることができる。図7に、上述した説明を表として整理する。
【0031】
ここで、図8を用いて電位調整回路20の具体例を説明する。第一動作状態のときは、SW4をオフとすることで、容量C1及び容量C2の容量は最小となる。第二動作状態のときは、SW4をオンとしSW1をオフとして、SW2又はSW3のいずれかをオンとする。このとき、容量C1、C2は互いに所定の保持容量を持つ。従って、SER耐性が向上する。第三動作状態のときは、SW4をオンとし、SW2及びSW3をオフとして、SW1をオンとする。このとき、容量C1、C2は互いに所定の保持容量を持ち、容量C1及び容量C2の他端を電源電位VCC又は接地電位GNDに固定しておく場合と比較して、通常よりも高いH信号電圧又は低いL信号電圧が印加されても、誘電膜23が破壊されることを抑制することができる。
【0032】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。所定の速度は、半導体記憶装置の動作環境又は求められる特性等に応じて適宜設定されるべきものである。容量C1又は容量C2は、どのように構成しても良い。つまり、いわゆるトレンチ型容量、シリンダー型容量、プレーナー型容量のいずれかにより構成してもよい。また、それぞれのクロスカップルノードについて、二以上の容量を付加しても良い。電位調整回路3の具体的な構成は任意である。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】第1の実施の形態にかかる半導体記憶装置の構成を説明するための概略図である。
【図2】SRAM1の動作状態に基づいて容量他端の状態が変更されることを説明するための表である。
【図3】SRAM1のレイアウトを示す概略図である。
【図4】図3のX−X'の断面構成を示す概略図である。
【図5】メモリセルのレイアウトを示す概略図である。
【図6】第2の実施の形態にかかる半導体記憶装置の構成を説明するための概略図である。
【図7】SRAM1の動作状態に基づいて容量他端の状態が変更されることを説明するための表である。
【図8】電位調整回路20の具体例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【0034】
1 SRAM
2 メモリセル
3 電位調整回路
4 スイッチ回路
11 クロスカップルノード
A 接点
B 仮想接点
CP 接点
SWa スイッチ部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
一対の記憶ノードと、
前記記憶ノードに一端が接続された容量と、
前記容量の他端に接続されるとともに、半導体記憶装置が所定の速度以上で動作するとき、前記他端の接続状態を変更するスイッチ部と、
を備える半導体記憶装置。
【請求項2】
前記スイッチ部は、半導体記憶装置が所定の速度以上で動作するとき、前記他端をフローティングとすることを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
【請求項3】
前記スイッチ部は、半導体記憶装置が所定の速度以下で動作するとき又は半導体記憶装置が待機するとき、前記他端の電位を電源電位又は接地電位に設定することを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
【請求項4】
前記スイッチ部は、より高い信号電圧又はより低い信号電圧が与えられて半導体記憶装置が動作するとき、前記他端の電位を電源電位と接地電位との間の電位に設定することを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
【請求項5】
前記スイッチ部は、制御回路からの制御信号に基づいて、前記他端の接続状態を変更することを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
【請求項6】
前記スイッチ部は、電界効果トランジスタを含んで構成されることを特徴とする請求項5記載の半導体記憶装置。
【請求項7】
前記記憶ノードは、複数のトランジスタの間の配線領域を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
【請求項8】
前記容量は、前記配線領域上にある誘電膜を含んで構成されることを特徴とする請求項7記載の半導体記憶装置。
【請求項9】
前記誘電膜は、実質的に前記配線領域を覆っていることを特徴とする請求項8記載の半導体記憶装置。
【請求項10】
一対の記憶ノードに容量の一端が接続されており、当該容量の他端にスイッチ部が接続されている半導体記憶装置の動作方法であって、
前記スイッチ部は、半導体記憶装置が所定の速度以上で動作するとき、前記他端の接続状態を変更する、半導体記憶装置の動作方法。
【請求項11】
前記スイッチ部は、半導体記憶装置が所定の速度以上で動作するとき、前記他端をフローティングとすることを特徴とする請求項10記載の半導体記憶装置の動作方法。
【請求項12】
前記スイッチ部は、半導体記憶装置が所定の速度以下で動作するとき又は半導体記憶装置が待機するとき、前記他端の電位を電源電位又は接地電位に設定することを特徴とする請求項10記載の半導体記憶装置の動作方法。
【請求項13】
前記スイッチ部は、より高い信号電圧又はより低い信号電圧が与えられて半導体記憶装置が動作するとき、前記他端の電位を電源電位と接地電位との間の電位に設定することを特徴とする請求項10記載の半導体記憶装置の動作方法。
【請求項14】
前記スイッチ部は、制御回路からの制御信号に基づいて、前記他端の接続状態を変更することを特徴とする請求項10記載の半導体記憶装置の動作方法。
【請求項15】
前記スイッチ部は、電界効果トランジスタを含んで構成されることを特徴とする請求項14記載の半導体記憶装置の動作方法。
【請求項16】
少なくとも一対の記憶ノードを備えるSRAMセルと、
一対の前記記憶ノードの一方に一端が接続される第1の容量素子と、
一対の前記記憶ノードの他方に一端が接続される第2の容量素子と、
前記第1及び第2の容量素子の他端間の節点と電源とを接続するスイッチ部と、
前記SRAMセルが所定の動作状態のとき、前記スイッチ部により、前記節点を前記電源から電気的に切り離すことで、前記第1及び第2の容量素子を一対の前記記憶ノードの間に直列接続した状態とさせる制御回路と、
を備える半導体記憶装置。
【請求項17】
前記所定の動作状態のとき、前記SRAMセルは、読み出し又は書き込み動作中にあることを特徴とする請求項16記載の半導体記憶装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2008−4208(P2008−4208A)
【公開日】平成20年1月10日(2008.1.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−174498(P2006−174498)
【出願日】平成18年6月23日(2006.6.23)
【出願人】(302062931)NECエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Fターム(参考)】