(57)【要約】【課題】ＳＯＩ基板に形成された１トランジスタ／１セル構造のメモリセルを持つ、高速読み出しが可能な半導体記憶装置を提供する。【解決手段】半導体記憶装置は、絶縁層により下地基板と分離された半導体層を有する素子基板と、前記素子基板の半導体層に配列形成された複数のメモリセルを有し、各メモリセルはフローティング状態のボディを持つＭＯＳトランジスタ構造を有し、そのボディの多数キャリア蓄積状態によりデータを記憶するメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイのデータ読み出しを行うための、読み出し時選択されたメモリセルの電流増幅を行うバイポーラトランジスタを含むセンスアンプ回路とを有する。【選択図】  図１
2004335031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層により下地基板と分離された半導体層を有する素子基板と、
前記素子基板の半導体層に配列形成された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは電気的にフローティング状態のボディを持つＭＯＳトランジスタ構造を有し、そのボディの多数キャリア蓄積状態によりデータを記憶するメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイのデータ読み出しを行うための、読み出し時選択されたメモリセルの電流増幅を行うバイポーラトランジスタを含むセンスアンプ回路と、
を有することを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項２】
前記センスアンプ回路は、前記バイポーラトランジスタを含むプリセンスアンプと、その出力を増幅するメインセンスアンプとを有する
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】
前記プリセンスアンプのバイポーラトランジスタは、前記素子基板の半導体層に形成されたラテラルトランジスタであり、そのコレクタは接地され、ベースは対応するメモリセルのドレインに接続され、エミッタは前記メインセンスアンプに接続される
ことを特徴とする請求項２記載の半導体記憶装置。
【請求項４】
前記ラテラルトランジスタは、読み出し時の動作電流範囲内で、ベース電流が増加するにつれて電流増幅率が増加する特性を有する
ことを特徴とする請求項３記載の半導体記憶装置。
【請求項５】
前記プリセンスアンプは、読み出し時に前記ラテラルトランジスタのベースと対応するメモリセルのドレインとの間を接続するための第１の転送ゲートと、書き込み時に書き込みデータを前記ラテラルトランジスタを介さずに対応するメモリセルのドレインに転送するための第２の転送ゲートとを有する
ことを特徴とする請求項３記載の半導体記憶装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の転送ゲートは、ＭＯＳトランジスタである
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】
前記プリセンスアンプと前記メモリセルアレイの間に、前記メモリセルアレイの複数のビット線のなかの一つを選択して前記プリセンスアンプに接続するビット線セレクタが配置されている
ことを特徴とする請求項２記載の半導体記憶装置。
【請求項８】
前記メインセンスアンプは、
一方の入力端子をセルデータが転送されるセンスノード、他方の入力端子をデータセンス用参照電圧が与えられる参照ノードとするオペアンプと、
前記センスノードに接続された第１の電流源負荷と、
前記参照ノードに接続された第２の電流源負荷を含んで構成された、前記データセンス用参照電圧を発生するための第１の参照電圧発生回路と、
読み出し時、前記センスノードに接続される前記メモリセルアレイのビット線の電圧をクランプするためのクランプ回路とを有する
ことを特徴とする請求項２記載の半導体記憶装置。
【請求項９】
前記メインセンスアンプは更に、前記オペアンプの出力端子に接続されて読み出しデータを保持するためのデータラッチを有する
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】
前記データラッチは、書き込みデータを一時保持するために用いられる
ことを特徴とする請求項９記載の半導体記憶装置。
【請求項１１】
前記クランプ回路は、前記センスノードと前記メモリセルアレイのビット線との間に介在させたクランプ用ＭＯＳトランジスタと、
一方の入力端子に前記クランプ用ＭＯＳトランジスタのソース電圧が帰還入力され、他方の入力端子にクランプ用参照電圧が入力されて、その出力により前記クランプ用ＭＯＳトランジスタのゲートを駆動するオペアンプと、
前記クランプ用参照電圧を発生する第２の参照電圧発生回路とを有する
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１２】
前記第２の参照電圧発生回路は、
カソードに、読み出し時メモリセルのドレインに与えられるべき読み出し電圧が与えられたダイオードと、このダイオードのアノードに接続された電流源負荷とを備えて、前記読み出し電圧に前記ダイオードの順方向電圧降下を加えたクランプ用参照電圧を発生する
ことを特徴とする請求項１１記載の半導体記憶装置。
【請求項１３】
前記第１の参照電圧発生回路は、
それぞれデータ“０”，“１”が書かれる二つの参照メモリセルと、
これらの各参照メモリセルと前記参照ノードの間にそれぞれ配置された参照プリセンスアンプ及び参照クランプ回路とを有し且つ、
前記第２の電流源負荷が前記第１の電流源負荷の２倍の電流駆動能力を持つ
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１４】
前記メモリセルアレイのメモリセルのゲートに接続されたワード線を駆動するための、バイポーラトランジスタを用いて構成されたワード線ドライバを有する
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１５】
前記ワード線ドライバは、前記素子基板の半導体層に形成されたプルアップ用ラテラルトランジスタとプルダウン用ラテラルトランジスタを有する
ことを特徴とする請求項１４記載の半導体記憶装置。
【請求項１６】
前記ワード線ドライバは更に、前記プルアップ用ラテラルトランジスタのコレクタ・ベース間に介在させたＰＭＯＳトランジスタと、このＰＭＯＳトランジスタとゲートが共通接続されて前記プルダウン用ラテラルトランジスタのコレクタ・ベース間に介在させたＮＭＯＳトランジスタとを有する
ことを特徴とする請求項１５記載の半導体記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＳＯＩ基板に形成された１トランジスタ／１セル構造のメモリセルを持つ半導体記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、従来のＤＲＡＭ代替を目的として、より単純なセル構造でダイナミック記憶を可能とした半導体メモリが提案されている（非特許文献１参照）。メモリセルは、ＳＯＩ基板に形成されたフローティングのボディ（チャネルボディ）を持つ一つのトランジスタにより構成される。このメモリセルは、ボディに過剰の多数キャリアが蓄積された状態を第１データ状態（例えば、データ“１”）、ボディから過剰の多数キャリアが放出された状態を第２データ状態（例えば、データ“０”）として、二値記憶を行う。
【０００３】
以下、このようなメモリセルを“ＦＢＣ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｂｏｄｙ  Ｃｅｌｌ）”といい、ＦＢＣを用いた半導体メモリを“ＦＢＣメモリ”という。ＦＢＣメモリは、通常のＤＲＡＭのようにキャパシタを用いないから、メモリセルアレイの構造が単純であり、単位セル面積が小さく、従って高集積化が容易であるという長所を持つ。
【０００４】
ＦＢＣメモリのデータ“１”の書き込みには、メモリセルのドレイン近傍でのインパクトイオン化を利用する。即ち、メモリセルに大きなチャネル電流が流れるバイアス条件を与えて、インパクトイオン化により発生する多数キャリアをボディに蓄積する。データ“０”書き込みは、ドレインとボディの間のＰＮ接合を順バイアス状態として、ボディの多数キャリアをドレイン側に放出させることにより行われる。
【０００５】
ボディのキャリア蓄積状態の相違は、トランジスタのしきい値の相違として現れる。従ってある読み出し電圧をゲートに与えて、セル電流の有無又は大小を検出することにより、データ“０”，“１”をセンスすることができる。ボディの過剰の多数キャリアは、長時間放置すると、ソース，ドレインとの間のＰＮ接合を介して抜ける。従って、ＤＲＡＭと同様に一定周期でリフレッシュ動作を行うことが必要である。
【０００６】
ＦＢＣメモリの特性改善のために、メモリセルの主ゲートとは別に、ボディに容量結合する補助ゲートを設けることも提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００７】
ＳＯＩ基板に横型バイポーラトランジスタを形成する技術は、知られている（非特許文献２参照）。
バルク半導体を用いた半導体メモリにおいて、高速読み出しのためにセンスアンプ回路にバイポーラトランジスタを用いる技術は知られている（特許文献３−６参照）。ビット線セレクタにバイポーラトランジスタを用いる技術も知られている（特許文献７参照）。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｏｈｓａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｍｅｍｏｒｙ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｏｎｅ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  Ｇａｉｎ  Ｃｅｌｌ  ｏｎ  ＳＯＩ”，  ＩＳＳＣＣ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ｐｐ１５２−１５３，  ２００２
【非特許文献２】
ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｖｏｌ．４９，  Ｎｏ．３，  Ｍａｒｃｈ，  ２００２，  ｐ４１４−４２１
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２４６５７１号公報
【特許文献２】
特開２００３−３１６９３号公報
【特許文献３】
米国特許第４，６５８，１５９号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，２８７，３１４号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，２６５，０６０号明細書
【特許文献６】
米国特許第４，８３９，８６２号明細書
【特許文献７】
米国特許第５，３７１，７０３号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＢＣメモリでは、データ読み出し時と“１”データ書き込み時とで同様のバイアス関係が用いられる。従って読み出し時には、誤書き込みが生じないように、言い換えれば選択メモリセルでインパクトイオン化が生じないように、選択メモリセルのドレイン電圧を“１”書き込み時のそれより低くすることが必要である。このため、データ読み出し時に大きなセル電流を流すこと、従って高いセンス感度を得ることが容易ではない。大きなセル電流を流すことができなければ、メモリセルのドレインに接続されるビット線の充放電に時間がかかり、高速読み出しができなくなる。
ＦＢＣメモリの高速読み出しを実現するためには、メモリセルのゲートを駆動するワード線の立ち上がり、立ち下がりの高速化も必要である。言い換えれば、ワード線を駆動するロウデコーダにも大きな駆動能力が要求される。
【００１１】
この発明は、ＳＯＩ基板に形成された１トランジスタ／１セル構造のメモリセルを持つ、高速読み出しが可能な半導体記憶装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体記憶装置は、絶縁層により下地基板と分離された半導体層を有する素子基板と、前記素子基板の半導体層に配列形成された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは電気的にフローティング状態のボディを持つＭＯＳトランジスタ構造を有し、そのボディの多数キャリア蓄積状態によりデータを記憶するメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイのデータ読み出しを行うための、読み出し時選択されたメモリセルの電流増幅を行うバイポーラトランジスタを含むセンスアンプ回路とを有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
最初に、この発明の実施の形態によるＦＢＣメモリのメモリセルアレイの構成を説明する。図１２はメモリセルアレイの平面図であり、図１３，図１４及び図１５はそれぞれ、図１２のＩ−Ｉ’，ＩＩ−ＩＩ’及びＩＩＩ−ＩＩＩ’断面図を示している。
【００１４】
Ｐ型シリコン基板１０の表面にＮ＋型層１１が形成され、その表面はシリコン酸化膜等の絶縁層１２で覆われている。この絶縁層１２上に、これにより基板１０とは分離された活性層となるＰ型シリコン層１３が形成されている。この様なＳＯＩ基板のシリコン層１３に、ゲート電極１５と、Ｎ型ソース，ドレイン拡散層１６ａ，１６ｂとが形成されて、フローティングのボディを持つＮチャネルＭＯＳトランジスタからなるメモリセルＭＣが構成される。
【００１５】
シリコン層１３は、後に形成されるビット線（ＢＬ）１９と同様に、複数本のストライプ状にパターニングされ、その周囲は層間絶縁膜１４で埋められる。この様なストライプパターンの各シリコン層１３に、複数のメモリセルが隣接するもの同士でソース，ドレイン拡散層１６ａ，１６ｂを共有するように配列される。ゲート電極１５は、ビット線（ＢＬ）１９と交差する方向に並ぶ複数のメモリセルＭＣにまたがって連続するパターンとして形成されて、ワード線ＷＬとなる。メモリセルのソース拡散層１６ａは、ワード線と並行するソース線（ＳＬ）２１に共通接続される。セルアレイ上は層間絶縁膜１７で覆われ、この上にビット線１９が配設される。ビット線１９は、コンタクトプラグ１８を介して各メモリセルＭＣのドレイン拡散層１６ｂに接続される。
【００１６】
絶縁膜１２，１４には、各ビット線１９間のスペースに位置するように、多結晶シリコンのピラー２０が埋め込まれている。ピラー２０は、絶縁膜１２を貫通して、下端がＮ＋型シリコン層１１にコンタクトし、上端部は絶縁膜１４内に位置して、各メモリセルＭＣのボディ下端部に容量結合する。このピラー２０は、メモリセルのボディの電位を制御する補助ゲートの働きをする。例えば、シリコン層１１を介してピラー２０に負電圧を与えることにより、メモリセルＭＣのボディのホール蓄積状態（データ“１”状態）を長時間維持することが可能になる。
【００１７】
この様にして、図１６に示すようにメモリセルＭＣがマトリクス配列されたメモリセルアレイが得られる。メモリセルＭＣは一つのトランジスタにより構成されるから、単位セル面積は図１２に破線で示したように小さい。従って、高密度集積化が可能である。
【００１８】
次にＦＢＣメモリの動作原理を、図１７〜図２０を参照して説明する。ソース線ＳＬは、常時接地電位ＧＮＤである。データ“１”書き込みには、選択ワード線と選択ビット線に、これにより選択されるメモリセルが５極管領域で動作する電圧を与える。例えば図１７に示すように、選択ワード線ＷＬに１．５Ｖ、選択ビット線ＢＬに１．５Ｖを与える。これにより選択メモリセルは、５極管領域（電流飽和領域）で動作し、チャネル電流が流れると同時に、ドレイン近傍でインパクトイオン化が生じる。インパクトイオン化の結果生成される多数キャリアであるホールは、ボディの下方に移動し、蓄積される。このボディの過剰ホール蓄積状態が、データ“１”である。
【００１９】
データ“０”書き込みには、メモリセルのドレインとボディ間のＰＮ接合の順バイアス電流を利用する。例えば図１８に示すように、選択ワード線ＷＬに１．５Ｖを与えた状態で、選択ビット線ＢＬに−１Ｖを与える。これにより選択メモリセルのボディのホールは、順バイアスされたＰＮ接合を介してビット線ＢＬに抜ける。こうして得られる、ボディに過剰ホールがない状態がデータ“０”である。
【００２０】
データ書き込み後、ワード線ＷＬに負の保持電圧、例えば−１．５Ｖを与えることにより、データは保持される。データ読み出しは、メモリセルをインパクトイオン化が生じない程度のオン状態にバイアスして、セル電流を検出することにより、行われる。例えば図１９に示すように、選択ワード線ＷＬに１．５Ｖを与え、選択ビット線ＢＬに０．２Ｖを与える。これにより、メモリセルは３極管動作領域（線形領域）のオン状態になる。データ“０”，“１”に応じて異なるボディのホール蓄積状態は、バックバイアスの相違、従ってメモリセルのしきい値の相違となる。従ってメモリセルの電流特性は、図２０に示すようにデータ“０”，“１”で異なり、両者のセル電流の差ΔＩｄｓを検出することで、データ“０”，“１”が判別できる。
【００２１】
データ読み出し時は、インパクトイオン化が起こらない線形領域を利用することで、選択メモリセルでのデータ破壊が防止される。非選択メモリセルは、ワード線ＷＬを−１．５Ｖ，ビット線ＢＬを０Ｖに保持することで、データ破壊が生じない。
【００２２】
次に、この実施の形態によるＦＢＣメモリのチップ１００の構成を図２１に示す。メモリセルアレイ１０１は好ましくは、複数のビット線の範囲毎にセルユニットを構成する。各セルユニットのビット線ＢＬは、ビット線セレクタ（ＢＬＳ）１０２により選択される。ＦＢＣメモリは、ＤＲＡＭ代替を目的としているので、ＤＲＡＭと同様に、カラムアドレスストローブ／ＣＡＳ，ロウアドレスストローブ／ＲＡＳにより制御されるアドレス多重化を利用する。ロウアドレス信号は、ロウアドレスバッファ１０６により取り出されて、プリデコーダ１０７を介してロウデコーダ１０５に供給される。ロウデコーダ１０５は、ロウアドレス信号に応じてメモリセルアレイ１０１のワード線ＷＬ選択を行う。カラムアドレス信号は、カラムアドレスバッファ１０８により取り出されて、ビット線セレクタ１０２に供給され、ビット線選択を行う。
【００２３】
ビット線セレクタ１０２により選択されたビット線ＢＬは、プリセンスアンプ（ＰＳＡ）１０３を介して、メインセンスアンプ（ＭＳＡ）１０４に接続されている。この実施の形態ではこの様に、センスアンプ回路を、セルアレイ１０１近くに配置されたプリセンスアンプ１０３と、その出力を増幅するメインセンスアンプ１０４により構成し、更にプリセンスアンプ１０３をパイポーラトランジスタにより構成することが、特徴である。その詳細は後述する。なお図２１では、プリセンスアンプ１０３とメインセンスアンプ１０４が１：１に対応しているが、複数のプリセンスアンプ１０３が一つのメインセンスアンプ１０４を共有する構成とすることもできる。
【００２４】
書き込みデータは、データ入力パッドＤｉｎから、入力バッファ１０９を介して書き込みデータ線Ｄに供給される。データ線Ｄの書き込みデータは、メインセンスアンプ１０４，プリセンスアンプ１０３を介し、ビット線セレクタ１０２により選択されたビット線ＢＬに与えられる。読み出しデータは、読み出しデータ線Ｑ，／Ｑを介し、出力バッファ１１０、オフチップドライバ１１１を介して、データ出力パッドＤｏｕｔに出力される。
メモリチップ１００にはこのほか、種々の制御信号を発生するコントローラ１１２、種々の内部電圧を発生する電圧発生回路１１３が設けられる。
【００２５】
次にこの実施の形態のＦＢＣメモリにおけるセンス回路系の具体的な構成を、図１を参照して説明する。図１では具体的に、メモリセルアレイ１０１が、メインビット線ＭＢＬに複数のサブビット線ＳＢＬが従属する方式を示している。更に、サブビット線ＳＢＬの複数本ずつがセルユニットＭＵｉ（ｉ＝１，…，ｎ）を構成し、複数のセルユニットが一本のメインビット線ＭＢＬを共有する。センスアンプ回路は、各セルユニットＭＵｉ毎に配置されて、ビット線セレクタ１０２により選択的にサブビット線ＳＢＬに接続されるプリセンスアンプ１０３と、メインビット線ＭＢＬに接続されるメインセンスアンプ１０４により構成される。
【００２６】
メインセンスアンプ１０４は、メインビット線ＭＢＬにクランプ回路４４を介して接続されるセンスノードＮ１と、参照電圧ＶＳＡＲが与えられる参照ノードＮ２の間の差電圧を増幅するオペアンプ４１を有する。センスノードＮ１は、ダイオード接続された負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ１を介し、センスアンプ活性化用スイッチＳＷ４を介して電源端子Ｖｃｃに接続される。負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ１に代わって抵抗素子を用いることもできる。参照ノードＮ２に与える参照電圧ＶＳＡＲは、センスノードＮ１に得られるデータ“１”，“０”の読み出し電圧の中間電圧値である。この参照電圧ＶＳＡＲの発生回路については、後に説明する。
【００２７】
クランプ回路４４は、読み出し時に選択メモリセルのドレインに与えられる電圧値を設定するために、メインビット線ＭＢＬの電圧をクランプするためのもので、センスノードＮ１とメインビット線ＭＢＬの間に挿入されたクランプ用ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３と、メインビット線ＭＢＬの電圧を帰還してトランジスタＭＮ３のゲートを制御するオペアンプ４２により構成される。オペアンプ４２の参照入力端子には、参照電圧ＶＢＬＲ２が与えられ、これにより読み出し時のメインビット線ＭＢＬの電圧は、ＶＢＬＲ２に設定される。
【００２８】
オペアンプ４１の出力端子には、読み出しデータ及び書き込みデータを保持するためのデータラッチ４３が接続されている。データラッチ４３のノードは、読み出し時はスイッチＳＷ２を介して読み出し用データ線Ｑ，／Ｑに接続される。データラッチ４３のノードはまた、書き込みデータ転送時は、スイッチＳＷ１，ＳＷ３を介して、書き込み用データ線Ｄに接続される。書き込み動作時は、データラッチ４３にロードされた書き込みデータがスイッチＳＷ３を介して、メインデータ線ＭＢＬに転送され、更にプリセンスアンプ１０３を介して選択されたサブビット線ＳＢＬに転送される。
【００２９】
この実施の形態では上述のように、書き込みデータを一旦メインセンスアンプ１０４内のデータラッチ４３にロードするようにしている。しかしこれに限られるわけではない。例えばデータ線Ｄに供給される書き込みデータを、データラッチ４３を介さず直接にメインデータ線ＭＢＬに与えるようにしてもよい。
【００３０】
各セルユニットＭＵｉ毎に配置されたプリセンスアンプ１０３は、ＰＮＰパイポーラトランジスタＱＰを用いて構成される。このセンス用トランジスタＱＰは、コレクタが接地され、エミッタがメインビット線ＭＢＬに接続され、ベースは読み出し用転送ゲートであるＮＭＯＳトランジスタＭＮ１を介してビット線セレクタ１０２の端子Ｎ３に接続される。ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１は、読み出し時、選択信号ＲＳｉ（ｉ＝１，…，ｎ）により選択的に駆動されてオンになる。トランジスタＱＰのエミッタと端子Ｎ３の間には、書き込み時にメインビット線ＭＢＬに供給される書き込みデータをトランジスタＱＰを介さずにサブビット線ＳＢＬに転送するための転送ゲートであるＮＭＯＳトランジスタＭＮ２が設けられている。このＮＭＯＳトランジスタＭＮ２は、書き込み時、選択信号ＷＳｉ（ｉ＝１，…，ｎ）により選択的に駆動されて、オンになる。従って、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１，ＭＮ２は、セルユニットを選択する選択ゲートの働きをすることになる。
【００３１】
プリセンスアンプ１０３のセンス用トランジスタＱＰは、ＳＯＩ基板のシリコン層１３にラテラルトランジスタとして構成される。図６は、このトランジスタＱＰと、選択ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１がＳＯＩ基板のシリコン層１３に形成された状態を示している。図１のセンスアンプ回路方式は、ラテラルトランジスタＱＰを、メモリセルアレイ１０１のサブビット線ＳＢＬのピッチ内に形成することが難しい場合を想定している。このために、セルユニットＭＵｉ毎にプリセンスアンプ１０３を配置している。トランジスタＱＰをサブビット線ＳＢＬのピッチに配置することができるのであれば、ビット線セレクタ１０２を用いることなく、各サブビット線ＳＢＬ毎にプリセンスアンプ１０３を配置してもよい。
【００３２】
次に、この様に構成されたセンスアンプ回路を用いたデータ読み出し動作を、図５を参照して説明する。図５は、ビット線セレクタ１０２により選択された一つのサブビット線ＳＢＬが、プリセンスアンプ１０３のトランジスタＱＰを介してメインビット線ＭＢＬに接続される状態を示している。選択されたメモリセルのセル電流Ｉｃｅｌｌは、トランジスタＱＰにより増幅され、その増幅電流によりメインビット線ＭＢＬが放電される。これにより、クランプ用ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３を介してメインビット線ＭＢＬに接続されているセンスノードＮ１には、セル電流に応じた電圧が得られる。オペアンプ４１は、センスノードＮ１の電圧を、参照ノードＮ２に与えられている参照電圧ＶＳＡＲとの比較によりセンスする。
【００３３】
更に具体的に説明する。図５に示すように、セル電流をＩｃｅｌｌ、トランジスタＱＰのエミッタ接地増幅率をｈＦＥとすると、トランジスタＱＰのエミッタ電流Ｉｅは、下記数１で表される。
【００３４】
【数１】
Ｉｅ＝（ｈＦＥ＋１）Ｉｃｅｌｌ
【００３５】
メインビット線ＭＢＬからセンスノードＮ１までの容量は、このエミッタ電流Ｉｅにより充放電されるから、データセンス開始からセンスノードＮ１の電圧が確定するまで時間は、セル電流Ｉｃｅｌｌにより充放電される場合に比べて、短縮される。しかも、メインビット線電流が増えることにより、センスノードＮ１の電圧振幅も増大し、この結果センス感度が向上する。例えば、負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ１が、抵抗値ＲＬの線形抵抗で近似できるものとすると、センスノードＮ１の電圧ＶＮ１は、電源電圧をＶｃｃとして、次の数２で表される。
【００３６】
【数２】
ＶＮ１＝Ｖｃｃ−（ｈＦＥ＋１）Ｉｃｅｌｌ・ＲＬ
【００３７】
セルデータが“１”，“０”のときのセル電流Ｉｃｅｌｌをそれぞれ、Ｉ１，Ｉ０として、データ“１”が読み出されたときとデータ“０”が読み出されたときのセンスノードＮ１の電圧差ΔＶＮ１は、下記数３となる。
【００３８】
【数３】
ΔＶＮ１＝（ｈＦＥ＋１）（Ｉ１−Ｉ０）ＲＬ
【００３９】
数３から、バイポーラトランジスタＱＰの増幅効果により、センス感度が向上することが分かる。また、バイポーラトランジスタは、ＭＯＳトランジスタと異なりゲートを持たないから、ゲートに起因するばらつきがない分、ＭＯＳトランジスタよりも素子特性のばらつきが少ない。この点でも、バイポーラトランジスタを用いると、センス感度の向上が図られる。
【００４０】
プリセンスアンプにバイポーラトランジスタを用いると、図５に示したように、コレクタ電流Ｉｃが流れるから、それだけ消費電力（即ち単位時間当たりの消費エネルギー）が大きくなる。しかし、パイポーラトランジスタを用いることにより、読み出し時間を減らすことができるから、読み出しサイクル当たりの消費電力がそれほど大きく増大することはない。
【００４１】
電流増幅率ｈＦＥは、実際には電流に依存するが、その電流依存性はプロセス条件により調整することができる。センス感度をより向上させるためには、図７に示すように、読み出し動作条件下でのｈＦＥの増加率ｄｈＦＥ／ｄＩｃｅｌｌが正になるように、トランジスタ特性を調整する。これにより、セル電流Ｉｃｅｌｌの大小がセンスノードＮ１で更に増幅されるため、センス感度がより向上する。
【００４２】
図１９に示したように、読み出し時、選択ワード線に与える電圧を１．５Ｖとして、選択メモリセルのドレインに与える電圧をＶＢＬＲ＝０．２Ｖとする。トランジスタＱＰのベース・エミッタ間には、Ｖｆ＝０．６Ｖ程度の順方向電圧降下があるので、メインビット線ＭＢＬの電圧は、０．２＋０．６＝０．８Ｖに設定することが必要である。この読み出し時のメインビット線ＭＢＬの電圧を決めているのは、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３を用いたクランプ回路４４である。クランプ回路４４のオペアンプ４２に入力される参照電圧ＶＢＬＲ２がメインビット線ＭＢＬのクランプ電圧であり、従って、ＶＢＬＲ２＝０．８Ｖにする。
【００４３】
ところで、トランジスタＱＰのベース・エミッタ間の順方向電圧降下Ｖｆは、温度依存性を持つ。そこで、選択メモリセルのドレインに与えられる読み出し電圧ＶＢＬＲを温度に依らず、０．２Ｖに設定するためには、参照電圧ＶＢＬＲ２の発生回路にも工夫がが必要である。図８は、クランプ回路４４に適用される好ましい参照電圧発生回路１２０の構成を示している。この参照電圧発生回路１２０は、カソードに読み出しドレイン電圧ＶＢＬＲが与えられたダイオードＤｉと、そのアノードに接続された電流源負荷である抵抗Ｒとから構成される。
【００４４】
ダイオードＤｉの順方向電圧降下をＶｆとして、抵抗ＲとダイオードＤｉの接続ノードから出力される参照電圧ＶＢＬＲ２は、ＶＢＬＲ２＝ＶＢＬＲ＋Ｖｆとなる。ダイオードＤｉとトランジスタＱＰのベース・エミッタ接合の順方向降下電圧は同じ温度依存性を持つから、結局選択セルのドレインに与えられる読み出し電圧は、温度によらず、ＶＢＬＲ＝０．２Ｖとすることができる。
【００４５】
次にデータ書き込み動作を説明する。データ書き込み時は、書き込み用データ線Ｄを介してメインセンスアンプ１０４のラッチ回路４３にロードしたデータを、選択されたサブビット線まで転送する。このとき、ラッチ回路４３の書き込みデータは、クランプ回路４４を通さず、メインビット線ＭＢＬに供給され、サブセンスアンプ１０３を介してサブビット線ＳＢＬに与えられる。
【００４６】
サブビット線ＳＢＬに転送される電圧は、データ“１”，“０”に応じてそれぞれ、１．５Ｖ，−１Ｖである（図１７及び図１８参照）。これらの書き込みデータレベルは、データラッチ４３の高レベル側，低レベル側電源電圧の設定により得られる。しかし、サブセンスアンプ１０３は、ＰＮＰトランジスタＱＰを用いており、これを通してメインビット線ＭＢＬからサブビット線ＳＢＬに負電圧を転送することはできない。トランジスタＱＰのエミッタ・ベース間が逆バイアスとなるためである。一方、トランジスタＱＰを通してサブビット線に１．５Ｖを転送することは、メインビット線ＭＢＬの電圧を１．５Ｖ＋Ｖｆにすれば、可能である。しかしその場合には、トランジスタＱＰのエミッタからコレクタに無駄な貫通電流が流れる。これは消費電力の点から好ましくない。
【００４７】
そこでこの実施の形態では、トランジスタＱＰのエミッタから端子Ｎ３に書き込みデータをバイパスさせるためのＮＭＯＳトランジスタＭＮ２を設けている。このＮＭＯＳトランジスタＭＮ２は、書き込み時、選択信号ＷＳｉにより選択的にオンとされる。書き込み時、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ１はオフにすることにより、バイポーラトランジスタＱＰにはベース電流が流れず、エミッタ・コレクタ間の貫通電流も流れない。この様にして、書き込みデータを選択されたサブビット線に転送して、データ書き込みを行うことができる。
【００４８】
図９は、メインセンスアンプ１０４に用いられる参照電圧ＶＳＡＲを発生するための参照電圧発生回路１３０の構成を示している。参照電圧ＶＳＡＲは、読み出しデータ“１”，“０”のときにセンスノードＮ１に得られる電圧の中間値であることが必要である。そのためにこの実施の形態では、参照電圧発生回路１３０に、データ“１”を書き込む参照メモリセルＲＭＣ１とデータ“０”を書き込む参照メモリセルＲＭＣ０の二つが用いられる。参照電圧発生回路１３０は、この二つの参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０のセル電流Ｉ１，Ｉ０を合成することにより参照電圧ＶＳＡＲを生成する。図９では、二つのセルユニットＭＵのセンスアンプ回路が参照電圧発生回路１３０を共有する例を示しているが、更にこの参照電圧発生回路１３０をより多くのセンスアンプ回路が共有するように構成することが可能である。
【００４９】
参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０は、セルユニットＭＵ内のメモリセルＭＣと同じ構造を有し、同じワード線ＷＬにより同時に駆動される。参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０が接続される参照サブビット線ＲＳＢＬａ，ＲＳＢＬｂはそれぞれ、ダミーセレクトゲート１０２ａ，１０２ｂを介し、参照プリセンスアンプ１０３ａ，１０３ｂを介して参照メインビット線ＲＭＢＬａ，ＲＭＢＬｂに接続される。ダミーセレクトゲート１０２ａ，１０２ｂは、センスアンプ回路から見てビット線セレクタ１０２と等価な負荷となるように設けられており、読み出し時同時にオン駆動されるゲートトランジスタにより構成される。参照プリセンスアンプ１０３ａ，１０３ｂはプリセンスアンプ１０３と基本的に同様の構成とする。但し、書き込みデータ転送用のＮＭＯＳトランジスタＭＮ２は、参照メインビット線ＲＭＢＬａ，ＲＭＢＬｂではなく、参照データ書き込み用のデータ線ＤＲ１，ＤＲ０に接続される。
【００５０】
二つの参照プリセンスアンプ１０３ａ，１０３ｂの読み出し用のＮＭＯＳトランジスタＭＮ１は共通に、読み出し選択信号ＲＳｄにより駆動される。同様に書き込み用のＮＭＯＳトランジスタＭＮ２は共通に、書き込み選択信号ＷＳｄにより駆動される。
【００５１】
参照メインビット線ＲＭＢＬａ，ＲＭＢＬｂはそれぞれ、参照クランプ回路４４ａ，４４ｂを介して、二つのメインセンスアンプ１０４の参照ノードＮ２ａ，Ｎ２ｂに接続される。参照クランプ回路４４ａ，４４ｂは、クランプ回路４４と同様の構成とする。二つの参照ノードＮ２ａ，Ｎ２ｂは共通接続されて実質ひとつの参照ノードＮ２となる。この参照ノードＮ２には二つのダイオード接続された負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ２ａ，ＭＰ２ｂが接続される。これらの負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ２ａ，ＭＰ２ｂは、負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ１と同じサイズで、同じ電流駆動能力をもつ。二つの負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ２ａ，ＭＰ２ｂに代わって、センスノードＮ１側の負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ１の２倍の電流駆動能力を持つひとつの負荷ＰＭＯＳトランジスタを用いてもよい。
【００５２】
以上により、二つの負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ２ａ，ＭＰ２ｂには、二つの参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０のセル電流を加算して１／２した電流が流れる。具体的に図９には、参照電圧発生回路１３０とこれを共有する二つのセンスアンプ回路系について、読み出し時の電流を示している。即ち図９に示す二つのセルユニットＭＵ内で一つずつのメモリセルが選択されて、セル電流Ｉｃｅｌｌ１，Ｉｃｅｌｌ２が流れるものとする。このとき、対応するメインセンスアンプ１０４の負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ１には、前述したようにそれぞれ、（ｈＦＥ＋１）Ｉｃｅｌｌ１，（ｈＦＥ＋１）Ｉｃｅｌｌ２なる電流が流れる。
【００５３】
参照電圧発生回路１３０内ではこのとき、参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０が同時に選択され、これらにそれぞれセル電流Ｉ１，Ｉ０が流れる。これらのセル電流Ｉ１，Ｉ０は、ＲＳｄ＝“Ｈ”によって選択されて、参照プリセンスアンプ１０３ａ，１０３ｂにより増幅され、参照メインビット線ＲＭＢＬａ，ＲＭＢＬｂを介して参照ノードＮ２ａ，Ｎ２ｂに転送される。参照ノードＮ２ａ，Ｎ２ｂは共通接続されているから、二つの負荷ＰＭＯＳトランジスタＭＰ２ａ，ＭＰ２ｂにはそれぞれ、（ｈＦＥ＋１）（Ｉ０＋Ｉ１）／２なる電流が流れる。これにより、参照ノードＮ２ａ，Ｎ２ｂには、データ“１”，“０”の読み出し電圧の中間値の参照電圧ＶＳＡＲが得られる。
【００５４】
参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０へのデータ書き込みは、データ線ＤＲ１，ＤＲ０を介して参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０に同時に書き込みデータを転送して行われる。即ちデータ線ＲＤ１，ＲＤ０に与えられたデータ“１”，“０”の書き込み電圧は、ＷＳｄ＝“Ｈ”により駆動されるＮＭＯＳトランジスタＭＮ２を介してそれぞれ参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０に与えられる。これにより、参照セルＲＭＣ１，ＲＭＣ０にデータ“１”，“０”が書かれる。
【００５５】
以上のようにこの実施の形態によると、バイポーラトランジスタを用いたプリセンスアンプによってセル電流を増幅することにより、センス感度の向上及び、読み出し時間の短縮が可能になる。具体的に実施の形態のセンスアンプ回路は、バイポーラトランジスタとＣＭＯＳ回路を組み合わせたいわゆるＢｉＣＭＯＳ回路により構成している。ＢｉＣＭＯＳ技術は従来より知られており、またセンスアンプにバイポーラトランジスタを用いる技術も前述したように知られている。しかし、バルク半導体を用いて形成されたメモリにＢｉＣＭＯＳ技術を適用した場合には、ラッチアップ対策が不可欠になる。しかもラッチアップを防止とするためには、例えばバイポーラトランジスタ領域とＣＭＯＳ回路領域の間を確実に分離する素子分離領域を設けることが必要である。従って、レイアウト面積が大きなものとなってしまう。
【００５６】
これに対してこの実施の形態では、ＳＯＩ基板を用いたＦＢＣメモリにＢｉＣＭＯＳ技術を適用している。ＳＯＩ基板を用いることによって、図６からも明らかなように、パイポーラトランジスタは、周囲のＣＭＯＳ回路からは絶縁分離される。このためラッチアップは問題にならず、広い素子分離領域も必要としない。従って、ＦＢＣメモリにＢｉＣＭＯＳ技術を適用することによって、高集積化と高速化を効果的に実現することが可能になる。
【００５７】
センスアンプ回路系の他の構成例をいくつか説明する。図２は、図１のセンスアンプ回路におけるビット線セレクタ１０２の機能を、プリセンスアンプ１０３内に一体に組み込んだ例である。即ち各セルユニットＭＵｉ内のサブビット線ＳＢＬ（図の例では２本）とセンス用トランジスタＱＰのベースとの間にそれぞれ読み出し用のＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２が配置される。これらのＮＭＯＳトランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２は、異なる読み出し用選択信号ＲＳ１１，ＲＳ１２，…ＲＳｎ１，ＲＳｎ２により駆動される。
【００５８】
同様にメインビット線ＭＢＬと各セルユニットＭＵｉ内のサブビット線ＳＢＬの間にそれぞれ書き込み用のＮＭＯＳトランジスタＭＮ２１，ＭＮ２２が配置される。これらのＮＭＯＳトランジスタＭＮ２１，ＭＮ２２は、異なる書き込み用選択信号ＷＳ１１，ＷＳ１２，…ＷＳｎ１，ＷＳｎ２により駆動される。
これにより、プリセンスアンプ１０３は、ビット線セレクタの機能を有することになる。
【００５９】
図３は、一つのメインセンスアンプ１０４に対して、マトリクス状にセルユニットＭＵｉｊ（ｉ＝１〜ｍ，ｊ＝１〜ｎ）が配列される例を示している。この場合も、プリセンスアンプ１０３は、各セルユニットＭＵｉｊ毎に設けられる。
図４は、図３とは反対に、一つのセルユニットＭＵに対して一つのプリセンスアンプ１０３と一つのメインセンスアンプ１０４を用いる例である。
【００６０】
この発明において、センスアンプ回路系以外の回路にＢｉＣＭＯＳ技術を適用することも有用である。例えば図１０及び図１１は、ロウデコーダ１０５にＢｉＣＭＯＳ回路を適用した例を示している。ロウデコーダ１０５は、デコードゲート回路５１と、そのデコード出力によりワード線を駆動するワード線ドライバ５２により構成される。
【００６１】
図１０においては、ワード線ドライバ５２のプルアップ回路が、ＰＭＯＳトランジスタＭＰ５１とＰＮＰパイポーラトランジスタＱＰ５１のダーリントン接続により、プルダウン回路がＮＭＯＳトランジスタＭＮ５１とＰＮＰパイポーラトランジスタＱＰ５２のダーリントン接続によりそれぞれ構成されている。ＰＭＯＳトランジスタＭＰ５１，ＮＭＯＳトランジスタＭＮ５１はそれぞれ、ＰＮＰトランジスタＱＰ５１，ＱＰ５２のコレクタ・ベース間に介在し、ゲートが共通にデコードゲート回路５１の出力により駆動される。
【００６２】
図１１では、出力回路にＮＰＮバイポーラトランジスタＱＮ５１，ＱＮ５２を用いている他、図１０と同じである。これらのバイポーラトランジスタＱＰ５１，ＱＰ５２，ＱＮ５１，ＱＮ５２は、センスアンプ回路系のそれと同様に、ＳＯＩ基板上のシリコン層にラテラルトランジスタとして構成される。
【００６３】
メモリを大容量化すると、ワード線の容量は大きくなる。その様なワード線を高速に駆動するためには、ロウデコーダのワード線ドライバが大きな駆動能力を持つことが必要である。従来のようにロウデコーダをＭＯＳトランジスタのみで構成すると、図２２に示すように、ワード線ドライバは、トランジスタサイズを次第に大きくした複数段のインバータにより構成することが必要になり、従って大きなチップ面積を占有する。
【００６４】
これに対して図１０或いは図１１に示すように、ＢｉＣＭＯＳ技術を適用すると、ＭＯＳトランジスタＭＰ５１，ＭＮ５１のドレイン電流をバイポーラトランジスタＱＰ５１（ＱＮ５１），ＱＰ５２（ＱＮ５２）により増幅して、大きな駆動電流を得ることができる。従って、ＭＯＳトランジスタのみで構成する場合に比べて、ワード線ドライバを比較的小さい面積に形成してしかもワード線駆動の高速性を確保することが可能になる。
【００６５】
この発明は、上記実施の形態に限られるものではない。例えば実施の形態では、メモリセルがＮＭＯＳトランジスタ構造の例を説明したが、ＰＭＯＳトランジスタ構造を用いることもできる。ＰＭＯＳトランジスタ構造のメモリセルの場合には、各回路要素のＰＭＯＳトランジスタ，ＮＭＯＳトランジスタを逆にすると同時に、プリセンスアンプのバイポーラトランジスタにはＮＰＮトランジスタを用い、電圧関係を実施の形態とは逆にすればよい。
その他この発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００６６】
【発明の効果】
この発明によれば、ＳＯＩ基板に形成された１トランジスタ／１セル構造のメモリセルを持つ、高速読み出し可能な半導体記憶装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態によるＦＢＣメモリのセンスアンプ回路の構成を示す図である。
【図２】センスアンプ回路の他の構成例を示す図である。
【図３】センスアンプ回路の他の構成例を示す図である。
【図４】センスアンプ回路の他の構成例を示す図である。
【図５】センスアンプ回路の動作を説明するための図である。
【図６】プリセンスアンプ部の断面構造を示す図である。
【図７】プリセンスアンプに用いられるバイポーラトランジスタの電流増幅率特性を示す図である。
【図８】メインセンスアンプのクランプ回路に用いられる参照電圧発生回路の構成を示す図である。
【図９】メインセンスアンプの参照ノードに接続される参照電圧発生回路の構成を示す図である。
【図１０】ロウデコーダの構成例を示す図である。
【図１１】ロウデコーダの他の構成例を示す図である。
【図１２】メモリセルアレイのレイアウトを示す図である。
【図１３】図１２のＩ−Ｉ’断面図である。
【図１４】図１２のＩＩ−ＩＩ’断面図である。
【図１５】図１２のＩＩＩ−ＩＩＩ’断面図である。
【図１６】メモリセルアレイの等価回路である。
【図１７】メモリセルのデータ“１”書き込みの原理を示す図である。
【図１８】メモリセルのデータ“０”書き込みの原理を示す図である。
【図１９】メモリセルの読み出し原理を示す図である。
【図２０】メモリセルの電流特性を示す図である。
【図２１】メモリチップの構成を示す図である。
【図２２】従来のロウデコーダの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…シリコン基板、１１…Ｎ＋型層、１２…絶縁層、１３…Ｐ型シリコン層、１４…層間絶縁膜、１５…ゲート電極（ワード線）、１６ａ，１６ｂ…ソース，ドレイン、１７…層間絶縁膜、１８…コンタクト、１９…ビット線、２０…Ｎ＋ポリシリコン・ピラー、２１…ソース線、１００…メモリチップ、１０１…メモリセルアレイ、１０２…ビット線セレクタ、１０３…プリセンスアンプ、１０４…メインセンスアンプ、１０５…ロウデコーダ、１０６…ロウアドレスバッファ、１０７…プリデコーダ、１０８…カラムアドレスバッファ、１０９…データ入力バッファ、１１０…データ出力バッファ、１１１…オフチップドライバ、１１２…電圧発生回路、１１３…コントローラ、ＭＵｉ…セルユニット、ＭＣ…メモリセル、ＱＰ…ＰＮＰトランジスタ、ＭＮ１…読み出し用ＮＭＯＳトランジスタ、ＭＮ２…書き込み用ＮＭＯＳトランジスタ、４１，４２…オペアンプ、４３…データラッチ、４４…クランプ回路、ＭＮ３…クランプ用ＮＭＯＳトランジスタ、ＭＰ１，ＭＰ２ａ，ＭＰ２ｂ…負荷ＰＭＯＳトランジスタ、Ｎ１…センスノード、Ｎ２…参照ノード。１２０…クランプ回路用参照電圧発生回路、１３０…センスアンプ用参照電圧発生回路。
【図１】
2004335031.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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