DE102007063215A1 - Leseverstärkerschaltung, Halbleiterspeicherelement und Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterspeicherelements - Google Patents

Leseverstärkerschaltung, Halbleiterspeicherelement und Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterspeicherelements Download PDF

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Abstract

Eine Leseverstärkerschaltung eines Halbleiterspeicherelements umfasst einen Bitleitungsleseverstärker, der dazu ausgebildet ist, mit einer Bitleitung verbunden zu werden und ein Signal der Bitleitung zu lesen und zu verstärken; und eine Kalibrierschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Spannungspegel der Bitleitung basierend auf einem logischen Schwellwert des Bitleitungsleseverstärkers zu kalibrieren, wobei der Bitleitungsleseverstärker das Signal der Bitleitung liest und verstärkt, nachdem der Spannungspegel der Bitleitung kalibriert worden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leseverstärkerschaltung, ein Halbleiterspeicherelement und ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterspeicherelements.
  • Halbleiterspeicherelemente enthalten eine Bitleitungsleseverstärkerschaltung, um Daten, die in einer Speicherzelle gespeichert sind, zu lesen und zu verstärken. Das typische Leseverfahren eines Bitleitungsleseverstärkers wird als Differenzialpaar-Lesen bezeichnet und der am universellsten eingesetzte Leseverstärker ist ein überkreuz gekoppelter Latch-Leseverstärker, in dem ungültiges Lesen, das heißt Lesen von ungültigen Daten, durch eine Fehlabstimmung, beispielsweise eine Fehlabstimmung bezüglich einer Schwellspannung, zwischen Schaltungselementen, beispielsweise Transistoren, verursacht sein kann.
  • Die Strukturen der Bitleitungen in Halbleiterspeicherelementen lassen sich in eine gefaltete Struktur und eine offene Struktur unterteilen. 1 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer herkömmlichen, gefalteten Bitleitungsstruktur und 2 ist ein schematisches Dia gramm zur Darstellung einer konventionellen, offenen Bitleitungsstruktur.
  • Bezugnehmend auf 1 kann in einem Halbleiterspeicherelement, das die gefaltete Bitleitungsstruktur verwendet, ein Leseverstärker(S/A)-Block 110 von zwei Speicherzellblöcken 100L und 100R gemeinsam genutzt werden. Speicherzellen können nicht an jedem Schnittpunkt der Wortleitungen WL und Paaren von Bitleitungen BL_L und /BL_L sowie BL_R und /BL_R gebildet sein. Entsprechend ist die Größe eines Speicherzellenfelds mit einer gefalteten Struktur größer als in der offenen Bitleitungsstruktur. Wenn Speicherzelldaten in dem Speicherzellblock 100L gelesen und verstärkt werden, ist der S/A-Block 110 mit dem Paar der Bitleitungen BL_L und /BL_L verbunden, welche den Speicherzellblock 100L kreuzen oder überqueren, und liest und verstärkt Signale des Paares der Bitleitungen BL_L und /BL_L unter Verwendung des Differenzialpaar-Lesens. Zu diesem Zeitpunkt ist eine der beiden Bitleitungen BL_L und /BL_L mit einer Spannung geladen, welche den Speicherzelldaten entspricht, und die andere Bitleitung fungiert als eine Referenzspannungsleitung.
  • Bezugnehmend auf 2 können sich in einem Halbleiterspeicherelement, welches die offene Bitleitungsstruktur verwendet, ebenfalls zwei Speicherzellblöcke 200L und 200R einen S/A-Block 210 teilen. Speicherzellen können in jedem Schnittpunkt der Wortleitungen WL und der Bitleitungen BL_L und BL_R gebildet sein. Entsprechend kann die Größe eines Speicherzellenfelds mit der offenen Bitleitungsstruktur gemäß der Darstellung in 2 verglichen mit dem Speicherzellenfeld, welches die gefaltete Bitleitungsstruktur verwendet, reduziert sein. Wenn Speicherzelldaten in dem Speicherzellblock 200L gelesen und verstärkt werden, ist der S/A-Block 210 mit der Bitleitung BL_L in einem Speicherzellblock 200L und der Bitleitung BL_R in dem anderen Speicherzellblock 200R verbunden und liest und verstärkt Signale der beiden Bitlei tungen BL_L und BL_R unter Verwendung des Differenzialpaar-Lesens. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Bitleitung BL_L der beiden Bitleitungen BL_L und BL_R mit einer Spannung geladen, welche den Speicherzelldaten entspricht, und die andere Bitleitung BL_R fungiert als eine Referenzspannungsleitung. Entsprechend existiert in der offenen Bitleitungsstruktur in einem Speicherzellblock an einem Rand oder einer Kante eine Dummyzelle. Dummyzellen sind Speicherzellen, die normal arbeiten jedoch nicht benutzt werden können. Dies führt dazu, dass die offene Bitleitungsstruktur Vorteile dahingehend aufweist, dass die Größe eines Speicherzellenfelds reduziert ist, wobei sie jedoch den Nachteil aufweist, dass sie eine Dummyzelle besitzt, die nicht genutzt werden kann.
  • 3 ist ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen, überkreuz gekoppelten Latch-S/A entsprechend der gefalteten Bitleitungsstruktur, die in 1 dargestellt ist. Bezugnehmend auf 3 umfasst der S/A-Block 110 einen S/A 310, Isolationstransistoren 331L, 331R, 332L und 332R sowie eine Vorladeschaltung 320.
  • Die Isolationstransistoren 331L, 331R, 332L und 332R werden verwendet, um den S/A-Block 110 selektiv mit einem Speicherzellblock auf einer Seite des S/A-Blocks 110 oder einem Speicherzellblock auf der anderen Seite des S/A-Blocks 110 zu verbinden. Wenn ein erstes Isolationssignal ISO_L aktiviert ist, sind erste Isolationstransistoren 331L und 332L eingeschaltet, um den S/A-Block 110 mit dem Speicherzellblock auf der linken Seite zu verbinden, so dass der S/A 310 Daten in dem linken Speicherzellblock liest und verstärkt. Der S/A 310 ist ein überkreuz gekoppelter Latch-S/A und liest und verstärkt Signale eines Paars von Bitleitungen BL und /BL unter Verwendung des Differenzialpaar-Lesens. Wenn ein zweites Isolationssignal ISO_R aktiviert ist, sind zweite Isolationstransistoren 331R und 332R eingeschaltet, um den S/A-Block 110 mit dem Speicherzellblock auf der rechten Seite zu verbinden, so dass der S/A 310 Daten in dem rechten Speicherzellblock liest und verstärkt. Mit anderen Worten, der S/A 310 liest Signale eines Paares von Bitleitungen BL_R und /BL_R in dem rechten Speicherzellblock unter Verwendung des Differenzialpaar-Lesens.
  • Wie oben beschrieben, wird in der gefalteten Bitleitungsstruktur der S/A 310 selektiv mit dem linken oder dem rechten Speicherzellblock verbunden, so dass die Isolationstransistoren 331L, 331R, 332L und 332R benötigt werden.
  • Die Vorladeschaltung 320 lädt das Paar von Bitleitungen BL und /BL mit einer vorbestimmten Vorladespannung VBL in Abhängigkeit von einem Vorladesteuersignal EQ vor und gleicht sie aus.
  • Der S/A-Block 110 kann weiterhin Schaltelemente 341 und 342 aufweisen, um die Bitleitungen BL und /BL selektiv mit Eingangs-/Ausgangsleitungen lO bzw. /lO zu verbinden.
  • 4 ist ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen, überkreuz gekoppelten Latch-S/A entsprechend der offenen Bitleitungsstruktur, die in 2 dargestellt ist. Bezugnehmend auf 4 umfasst der S/A-Block 210 den S/A 310 und die Vorladeschaltung 320, wie der in 3 dargestellte S/A-Block 110. Allerdings benötigt der S/A-Block 210 nicht die Isolationstransistoren 331L, 331R, 332L und 332R.
  • Der S/A 310 liest und verstärkt ein Signal einer Bitleitung BL_L in einem Speicherzellblock auf einer Seite des S/A-Blocks 210 und ein Signal einer Bitleitung BL_R in einem Speicherzellblock auf der anderen Seite des S/A-Blocks 210 unter Verwendung des Differenzialpaar-Lesens.
  • Wie oben beschrieben, liest und verstärkt der herkömmliche, überkreuz gekoppelte Latch-S/A 310 Daten unter Verwendung des Differenzialpaar-Lesens und benötigt ein Referenzsignal. Der S/A 310, welcher Da ten durch relativen Vergleich unter Verwendung des Referenzsignals liest und verstärkt, ist anfällig gegenüber Fehlabstimmungen. Insbesondere kann ein Fehler beim Datenlesen aufgrund einer Schwellspannungsfehlabstimmung zwischen Transistoren, die in dem S/A 310 enthalten sind, einer Transkonduktanz-Fehlabstimmung zwischen den Transistoren oder einer Fehlabstimmung der Bitleitungslastkapazität auftreten.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Leseverstärkerschaltung, ein Halbleiterspeicherelement und ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterspeicherelements mit verbesserten Datenleseeigenschaften und reduzierter Speicherzellenfeldgröße anzugeben.
  • Die Erfindung löst das Problem mittels einer Leseverstärkerschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mittels eines Halbeiterelements mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und mittels eines Verfahrens zum Betreiben eines Halbleiterelements mit den Merkmalen des Patenanspruchs 14.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, deren Wortlaut hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die weiter unten detailliert beschrieben sind, sowie zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung erläuterte Ausgestaltungen des Standes der Technik sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt/zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer herkömmlichen, gefalteten Bitleitungsstruktur;
  • 2 ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer herkömmlichen, offenen Bitleitungsstruktur;
  • 3 ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen, überkreuz gekoppelten Latch-Leseverstärkers entsprechend der gefalteten Bitleitungsstruktur;
  • 4 ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen, überkreuz gekoppelten Latch-Leseverstärkers entsprechend der offenen Bitleitungsstruktur;
  • 5 ein schematisches Diagramm zur Darstellung der Verbindung zwischen Speicherzellblöcken und Bitleitungsleseverstärkerblöcken in einem Halbleiterspeicherelement gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ein Schaltungsdiagramm eines Bitleitungsleseverstärkerblocks gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ein Schaltungsdiagramm eines Bitleitungsleseverstärkerblocks gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
  • 8 die Datenleseoperation des Leseverstärkerblocks gemäß 6;
  • 9 eine Vorladeoperation, die nach dem Datenlesen des Leseverstärkerblocks gemäß 6 durchgeführt wird;
  • 10 eine Signalzeitablaufgrafik zur Darstellung der Operationen des Leseverstärkerblocks gemäß 6;
  • 11 und 12 Graphen zur Darstellung der Ergebnisse einer Simulation des Leseverstärkerblocks gemäß 6; und
  • 13 Graphen zur Darstellung des Vergleichs zwischen den Ergebnissen einer Simulation einer Leseverstärkerschaltung gemäß beispielhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und den Ergebnissen einer Simulation einer herkömmlichen, überkreuz gekoppelten Latch-Leseverstärkerschaltung.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung der Verbindung zwischen Speicherzellblöcken und Bitleitungsleseverstärkerblöcken in einem Halbleiterspeicherelement gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 5 ist ein Bitleitungsleseverstärker(S/A)-Block 310a, der zwischen einer Mehrzahl von Speicherzellblöcken angeordnet ist, mit wenigstens zwei Speicherzellblöcken verbunden, beispielsweise einem ersten Speicherzellblock 300L und einem zweiten Speicherzellblock 300R. Insbesondere ist ein Bitleitungs-S/A-Block 310a mit einer ersten Bitleitung BLi verbunden, die ein Zellenfeld des ersten Speicherzellblocks 300L kreuzt, und mit einer zweiten Bitleitung BLj, die ein Zellenfeld des zweiten Speicherzellblocks 300R kreuzt, und kann selektiv ein Signal der ersten Bitleitung BLi oder der zweiten Bitleitung BLj lesen und verstärken.
  • Der Bitleitungs-S/A-Block 310a liest und verstärkt das Signal der ersten Bitleitung BLi, wenn eine Wortleitung WL in dem ersten Speicherzellblock 300L aktiviert ist, und er liest und verstärkt das Signal der zweiten Bitleitung BLj, wenn eine Wortleitung WL in dem zweiten Speicherzellblock 300R aktiviert ist. Beim Lesen und Verstärken des Signals der ersten Bitleitung BLi oder der zweiten Bitleitung BLj verwendet der Bitleitungs-S/A-Block 310a nicht eine Spannung einer anderen Bitleitung als eine Referenz, sondern er hat seinen eigenen Wert als Referenz. Mit anderen Worten, anders als die herkömmlichen, überkreuz gekoppelten Latch-S/As, die in den 3 und 4 dargestellt sind, benötigen die Bitleitungs-S/A-Blöcke 310a und 310b keine Referenzbitleitung oder komplementäre Bitleitung. Somit kann gemäß beispielhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung der Bitleitungs-S/A-Block 310b, welcher bei einem Rand eines Zellenfelds angeordnet und mit einem einzelnen Speicherzellblock verbunden ist, ein Signal einer dritten Bitleitung BLk, welche das Zellenfeld kreuzt, lesen und verstärken, wodurch verhindert wird, dass in einem Speicherzellblock am Rand eine Dummyzelle entsteht.
  • 6 ist ein Schaltungsdiagramm des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 6 ist der Bitleitungs-S/A-Block 310a implementiert, um selektiv mit zwei Speicherzellblöcken verbunden zu werden. Wie entsprechend in 5 dargestellt, ist der Bitleitungs-S/A-Block 310a zwischen zwei Speicherzellblöcken angeordnet und kann dazu verwendet werden, selektiv Daten aus einem der beiden Speicherzellblöcke zu lesen und zu verstärken. Der Bitleitungs-S/A-Block 310a umfasst eine S/A-Schaltung, eine selektive Verbindungsschaltung und eine Vorladeschaltung 630L, 630R.
  • Die S/A-Schaltung umfasst einen Bitleitungs-S/A und eine Kalibrierschaltung 620. Der Bitleitungs-S/A kann mittels eines zweistufigen Kaskade-Latch implementiert sein, welches einen ersten Invertierer 611 und einen zweiten Invertierer 612 umfassen kann, die kaskadierend miteinander verbunden sind. Der erste Invertierer 611 weist einen Eingangsanschluss N1 auf, der mit einer Bitleitung BL verbunden ist, um ein Signal der Bitleitung BL zu empfangen und das Bitleitungssignal zu invertieren, bevor er es ausgibt. Der erste Invertierer 611 kann einen ersten Pull-Up-Transistor PT1 umfassen, der zwischen eine erste Versorgungsspannung LA und einen Ausgangsanschluss N2 geschaltet ist und dessen Gate-Anschluss mit der Bitleitung BL verbunden ist, sowie einen ersten Pull-Down-Transistor NT1, der zwischen den Ausgangsanschluss N2 und eine zweite Versorgungsspannung LAB geschaltet ist und dessen Gate-Anschluss ebenfalls mit der Bitleitung BL verbunden ist.
  • Wenn ein Offset des Bitleitungs-S/A 611, 612 kalibriert wird, ist die Kalibrierschaltung 620 in Abhängigkeit von einem Kalibrierungssteuersignal CALS aktiviert oder eingeschaltet und verbindet den Ausgangsanschluss N2 des ersten Invertierers 611 mit der Bitleitung BL, so dass der Ausgangsanschluss N2 und der Eingangsanschluss N1 des ersten Invertierers 611 miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, die Kalibrierschaltung 620 stellt eine negative Rückkopplung bereit, bei der eine Ausgabe des ersten Invertierers 611 als eine Eingabe zu dem ersten Invertierer 611 zurückgekoppelt wird, so dass ein Spannungspegel der Bitleitung BL derart kalibriert wird, dass er in der Nähe eines logischen Schwellwerts des ersten Invertierers 611 liegt. Der logische Schwellwert ist ein Schwellwert eines Eingangssignals, das einen Übergang des Logikpegels eines Ausgangssignals bewirken kann. Insbesondere wenn der Pegel eines Eingangssignals den logischen Schwellwert übersteigt, ändert sich der Logikpegel des Ausgangssignals. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem sich eine Ausgabe des ersten Invertierers 611 auf einem niedrigen Logikpegel befindet, wenn eine Eingangsspannung des ersten Invertierers 611 größer als 0,5 V ist, und in dem sie sich auf einem hohen Logikpegel befindet, wenn die Eingangsspannung niedriger als 0,5 V ist, der logische Schwellwert des ersten Invertierers 611 0,5 V betragen. Die Kalibrierschaltung 620 kann mittels eines Schaltelements implementiert sein, welches zwischen die Bitleitung BL oder den Eingangsanschluss N1 des ersten Invertierers 611 und den Ausgangsanschluss N2 des ersten Invertierers 611 geschaltet ist und welches in Abhängigkeit von dem Kalibrierungssteuersignal CALS ein- oder ausgeschaltet wird. Das Schaltelement kann mittels eines Übertragungsgatters oder eines Transistors implementiert sein.
  • Der zweite Invertierer 612 weist einen Eingangsanschluss auf, der mit dem Ausgangsanschluss N2 des ersten Invertierers 611 verbunden ist, sowie einen Ausgangsanschluss N3, der mit der Bitleitung BL verbunden ist, und kann in Abhängigkeit von einem ersten Lesesteuersignal SAP und einem zweiten Lesesteuersignal SAN aktiviert oder deaktiviert werden. Insbesondere kann der zweite Invertierer 612 einen ersten Lesesteuertransistor PT2 aufweisen, der mit der ersten Versorgungsspannung LA verbunden ist und der einen Gate-Anschluss aufweist, welcher das erste Lesesteuersignal SAP empfängt; einen zweiten Lesesteuertransistor NT3, der mit der zweiten Versorgungsspannung LAB verbunden ist und dessen Gate-Anschluss das zweite Lesesteuersignal SAN empfängt; einen zweiten Pull-Up-Transistor PT3, der zwischen den ersten Lesesteuertransistor PT2 und einen Ausgangsanschluss N3 des zweiten Invertierers 612 geschaltet ist und dessen Gate-Anschluss das Ausgangssignal des ersten Invertierers 611 empfängt; und einen zweiten Pull-Down-Transistor NT2, der zwischen den Ausgangsanschluss N3 des zweiten Invertierers 612 und den zweiten Lesesteuertransistor NT3 geschaltet ist und dessen Gate-Anschluss das Ausgangssignal des ersten Invertierers 611 empfängt. Das erste Lesesteuersignal SAP und das zweite Lesesteuersignal SAN sind Signale zum Steuern einer Aktivierung/Deaktivierung des zweiten Invertierers 612 und können innerhalb des Halbleiterspeicherelements zu einer geeigneten Zeit erzeugt werden. Der Zeitablauf des ersten Lesesteuersignals SAP und des zweiten Lesesteuersignals SAN wird unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
  • Die selektive Verbindungsschaltung dient dazu, selektiv die Bitleitungs-S/A-Schaltung 611, 612, 620 mit einem ersten und einem zweiten Speicherzellblock BLKi und BLKj zu verbinden oder davon zu isolieren, und kann einen ersten und einen zweiten selektiven Verbinder 640L und 640R umfassen, die in Form von Isolationstransistoren implementiert sind. Wenn ein erstes Isolationssignal ISO_L aktiviert ist, ist der erste selektive Verbinder 640L, der auf das erste Isolationssignal ISO_L anspricht, eingeschaltet und verbindet den ersten Speicherzellblock BLKi mit der Bitleitungs-S/A-Schaltung 611, 612, 620, so dass die Bitleitungs-S/A-Schaltung 611, 612, 620 Daten einer Speicherzelle MCi liest und verstärkt, die in dem ersten Speicherzellblock BLKi ausgewählt ist, das heißt ein Signal der ersten Bitleitung BLi. Wenn ein zweites Isolationssignal ISO_R aktiviert wird, ist der zweite selektive Verbinder 640R, welcher auf das zweite Isolationssignal ISO_R anspricht, eingeschaltet und verbindet den zweiten Speicherzellblock BLKj mit der Bitleitungs-S/A-Schaltung 611, 612, 620, so dass die Bitleitungs-S/A-Schaltung 611, 612, 620 Daten einer (nicht gezeigten) Speicherzelle liest und verstärkt, die in dem zweiten Speicherzellblock BLKj ausgewählt ist, das heißt ein Signal der zweiten Bitleitung BLj.
  • Die Vorladeschaltung 630L, 630R dient dazu, die Bitleitung BL auf eine Bitleitungsvorladespannung VBL in einem Vorlademodus einzustellen. Die Vorladeschaltung 630L, 630R ist zwischen die Bitleitung BL und die Bitleitungsvorladespannung VBL geschaltet und kann in Abhängigkeit von einem Vorladesteuersignal EQ aktiviert/deaktiviert werden.
  • Der Bitleitungs-S/A-Block 310a kann weiterhin ein anderes Element aufweisen, beispielsweise eine Umschaltschaltung (nicht gezeigt) zum selektiven Verbinden der Bitleitung BL mit einer Dateneingabe-/Ausgabeleitung, zusätzlich zu den oben beschriebenen Elementen.
  • 7 ist ein Schaltungsdiagramm des Bitleitungs-S/A-Blocks 310b gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Der Bitleitungs-S/A-Block 310b ist zum Verbinden mit einem einzelnen Speicherzellblock implementiert. Wie in 5 gezeigt, kann entsprechend der Bitleitungs-S/A-Block 310b an einem Rand eines Speicherzellenfelds angeordnet sein, um zum Lesen und Verstärken von Daten eines Speicherzellblocks am Rand verwendet zu werden.
  • Die Struktur des Bitleitungs-S/A-Blocks 310b gemäß 7 ist fast die gleiche wie bei dem Bitleitungs-S/A-Block 310a, der in 6 dargestellt ist. Da der Bitleitungs-S/A-Block 310b nur mit einem Speicherzellblock verbunden ist, benötigt der Bitleitungs-S/A-Block 310b allerdings nicht den zweiten selektiven Verbinder 640R und den Teil 630R der Vorladeschaltung, die in 6 dargestellt sind. Weiterhin ist auch der erste selektive Verbinder 640L nicht unbedingt erforderlich. Mit Ausnahme dieser Unterschiede sind die Struktur und der Betrieb des Bitleitungs-S/A-Blocks 310b, der in 7 dargestellt ist, sehr ähnlich zu den entsprechenden Eigenschaften des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a gemäß 6, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
  • 8 zeigt die Datenleseoperation des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a gemäß 6. 10 ist ein Signalzeitablaufsgraph zur Darstellung der Operationen des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a gemäß 6. In 8 und 10 ist angenommen, dass der erste Speicherzellblock BLKi als ein aktiver Block ausgewählt wurde.
  • Bezugnehmend auf die 6, 8 und 10 ist in einem Standby-Zustand (a) vor einer aktiven Operation das Vorladesteuersignal EQ auf einem ersten Logikpegel aktiviert, beispielsweise einem hohen Logikpegel, so dass die Bitleitung BL mit der Vorladespannung VBL vorgeladen ist. Dann wird in einem Zustand (b), bevor eine Wortleitung WLi aktiviert wird, eine Offset-Kalibrierung oder Offset-Auslöschung bezüglich des S/A durchgeführt. Die Offset-Kalibrierung ist kein Prozess, bei dem die Eigenschaften des S/A verändert werden, sondern ein Prozess zum Verändern des Spannungspegels der Bitleitung BL basierend auf dem logischen Schwellwert des S/A.
  • In dem Offset-Kalibrierungszustand (b) ist das Kalibrierungssteuersignal CALS auf dem ersten Logikpegel aktiviert und der Transistor, welcher in der Kalibrierschaltung 620 enthalten ist, ist in Abhängigkeit von dem Kalibrierungssteuersignal CALS eingeschaltet, welches auf dem ersten Logikpegel aktiviert ist, so dass der Eingangsanschluss N1 und der Ausgangsanschluss N2 des ersten Invertierers 611 miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, der Ausgangsanschluss N2 des ersten Invertierers 611 ist mit dessen Eingangsanschluss N1 durch negative Rückkopplung verbunden, so dass der Spannungspegel der Bitleitung BL sich dem logischen Schwellwert des ersten Invertierers 611 annähert.
  • Wie oben beschrieben, entspricht der logische Schwellwert dem Pegel einer Eingangsspannung zu einer Zeit, wenn der Logikpegel einer Ausgangsspannung von einem Zustand in einen anderen Zustand übergeht. Die logischen Schwellwerte erster Invertierer in jedem S/A-Block können jedoch aufgrund von Fertigungsprozessen leicht voneinander abweichen. Entsprechend kann nach der Offset-Kalibrierung eines S/A die Bitleitungsspannung zunehmen, so dass sie größer als die Vorladespannung ist, oder sie kann auf Werte unterhalb der Vorladespannung abnehmen. Mit anderen Worten, die Bitleitungsspannung ist definiert als „Vorladespannung + Offset-Spannung = logischer Schwellwert des ersten Invertierers". Die Offset-Spannung kann einen positiven oder einen negativen Wert aufweisen.
  • Nachdem die Kalibrierschaltung 620 im Zustand (c) ausgeschaltet wurde, wird im Zustand (d) die ausgewählte Wortleitung WLi aktiviert. Dann wird eine Ladungsteilung zwischen der Bitleitung BL und der ausgewählten Speicherzelle MCi durchgeführt. Als ein Ergebnis hiervon kann die Bitleitungsspannung gegenüber „Vorladespannung VBL + Offset-Spannung", d. h. dem logischen Schwellwert des ersten Invertierers 611 zunehmen oder abnehmen.
  • In dem Ladungsteilungszustand (d) sind das erste Lesesteuersignal SAP und das zweite Lesesteuersignal SAN aktiviert und der zweite In vertierer 612 ist aktiviert. Wenn der zweite Invertierer 612 aktiviert ist, wird im Zustand (e) eine positive Rückkopplung durchgeführt. Mit anderen Worten, der erste Invertierer 611 und der zweite Invertierer 612 sind miteinander kaskadierend verbunden und der Ausgangsanschluss N3 des zweiten Invertierers 612 ist mit dem Eingangsanschluss N1 des ersten Invertierers 611 verbunden. Entsprechend wird in dem Zustand (e) ein Bitleitungssignal mittels eines zweistufigen Kaskade-Latch gelesen und verstärkt, welches aus dem ersten Invertierer 611 und dem zweiten Invertierer 612 gebildet ist.
  • 10 zeigt eine Wellenform (D1/–Vt), wenn Daten, die in der ausgewählten Speicherzelle MCi gespeichert sind, logisch hohe Daten D1 sind, und wenn der erste Invertierer 611 eine vorbestimmte negative Offset-Spannung –Vt aufweist, sowie eine Wellenform (D0/+Vt), wenn die Daten, die in der ausgewählten Speicherzelle MCi gespeichert sind, logisch niedrige Daten DO sind und der erste Invertierer 611 eine vorbestimmte positive Offset-Spannung +Vt aufweist. In der Wellenform (D1/–Vt) weisen sowohl ein Ausgangssignal SA1_O des ersten Invertierers 611 als auch ein Signal der Bitleitung BL aufgrund der negativen Offset-Spannung –Vt einen Pegel auf, der geringfügig niedriger als der Pegel der Vorladespannung VBL während der Offset-Kalibrierung ist. Wenn die Ladungsteilung durchgeführt wird, nimmt jedoch der Signalpegel der Bitleitung BL aufgrund der logisch hohen Daten D1 zu. Während des Lesens und der Verstärkung wächst der Signalpegel der Bitleitung BL schnell an. In der Wellenform (D0/+Vt) weisen sowohl das Ausgangssignal SA1_O des ersten Invertierers 611 als auch das Signal der Bitleitung BL einen Pegel auf, der aufgrund der positiven Offset-Spannung +Vt geringfügig höher als der Pegel der Vorladespannung VBL während der Offset-Kalibrierung ist. Wenn die Ladungsteilung durchgeführt wird, nimmt jedoch der Signalpegel der Bitleitung BL aufgrund der logisch niedrigen Daten D0 ab. Während des Lesens und der Verstärkung nimmt der Signalpegel der Bitleitung BL schnell ab.
  • Durch die oben beschriebenen Schritte werden die Daten der ausgewählten Speicherzelle MCi gelesen und verstärkt.
  • 9 zeigt eine Vorladeoperation, die nach der Datenleseoperation des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a gemäß 6 durchgeführt wird. Bezugnehmend auf die 6, 9 und 10 wird die Vorladeoperation nach Abschluss der Datenleseoperation des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a in umgekehrter Reihenfolge bezogen auf die Datenleseoperation durchgeführt.
  • Nachdem die Datenleseoperation in dem Zustand (e) abgeschlossen wurde, wird die Wortleitung WLi im Zustand (f) deaktiviert, was als WL-Shutdown bezeichnet wird. Anschließend werden das erste Lesesteuersignal SAP und das zweite Lesesteuersignal SAN deaktiviert, so dass der zweite Invertierer 612 deaktiviert und das Datenlesen im Zustand (g) gestoppt wird. Dann wird das Kalibrierungssteuersignal CALS auf dem ersten Logikpegel aktiviert und der Transistor, welcher in der Kalibrierschaltung 620 enthalten ist, wird in Abhängigkeit von dem Kalibrierungssteuersignal, das auf dem ersten Logikpegel aktiviert wurde, eingeschaltet, so dass der Eingangsanschluss N1 und der Ausgangsanschluss N2 des ersten Invertierers 611 miteinander im Zustand (h) verbunden sind. Gleichzeitig wird die Vorladespannung VBL an die Bitleitung BL angelegt, so dass die Offset-Kalibrierung und die Bitleitungsvorladung in dem Zustand (h) gleichzeitig durchgeführt werden können. Wenn die Offset-Kalibrierung und die Bitleitungsvorladung gleichzeitig durchgeführt werden, lässt sich erreichen, dass die Spannung der Bitleitung rasch den Pegel der Vorladespannung VBL erreicht.
  • Das Kalibrierungssteuersignal CALS wird auf einem zweiten Logikpegel deaktiviert, beispielsweise einem niedrigen Logikpegel, um auf diese Weise die Kalibrierschaltung 620 zu deaktivieren, und die Vorladespan nung VBL wird fortlaufend an die Bitleitung BL angelegt, um eine Vorladung durchzuführen, so dass die Spannung der Bitleitung BL den Pegel der Vorladespannung VBL in Zuständen (i) und (j) erreicht.
  • Wie oben beschrieben, wird bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung vor dem Aktivieren einer Wortleitung eine negative Rückkopplung zu einem ersten Invertierer gebildet, so dass eine Offset-Kalibrierung erreicht wird, die es der Spannung einer Bitleitung ermöglicht, nahe des logischen Schwellwerts des ersten Invertierers eingestellt zu werden. Wenn die Wortleitung aktiviert wird, nachdem die Spannung der Bitleitung nahe des logischen Schwellwerts des ersten Invertierers eingestellt wurde, kann sich der Pegel eines Ausgangssignals des ersten Invertierers aufgrund von Ladungsteilung schnell ändern, wenn der Spannungspegel der Bitleitung auch nur geringfügig variiert. Wenn anschließend ein zweistufiges Kaskade-Latch das Signal der Bitleitung verstärkt, kann das Signal der Bitleitung auf einem Spannungspegel entsprechend gelesener Daten innerhalb kurzer Zeit wieder hergestellt werden. Somit kann eine Datenlesegeschwindigkeit verbessert werden. Aufgrund der Offset-Kalibrierung eines S/A kann zusätzlich der Einfluss einer Fehlabstimmung zwischen Elementen, beispielsweise Transistoren, die in dem S/A enthalten sind, ebenfalls reduziert werden.
  • 11 und 12 sind Graphen zur Darstellung von Ergebnissen einer Simulation des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a, der in 6 dargestellt ist. 11 zeigt die Ergebnisse einer Simulation der Datenleseoperation des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a einmalig und 12 zeigt einhundert Mal die Ergebnisse einer Simulation der Datenleseoperation des Bitleitungs-S/A-Blocks 310a. Bezugnehmend auf 12 sind die Spannungspegel der Bitleitung BL, die durch die Offset-Kalibrierung kalibriert wurde, über einen weiten Bereich verteilt, was bedeutet, dass die Verteilung von Offset-Spannungen eines S/A breit ist, und was außerdem bedeutet, dass die Eigenschaften von Elementen, die in dem S/A enthalten sind, aufgrund einer Prozessveränderung variieren. Mit anderen Worten, eine Fehlabstimmung zwischen Elementen kann aufgrund der Prozessveränderung in vielfältiger Weise auftreten. Trotz der Tatsache, dass die Eigenschaften der Elemente sich aufgrund der Prozessveränderung ändern, kann das Datenlesen ohne Fehler durchgeführt werden, wie ein Blick auf die 11 und 12 zeigt.
  • 13 zeigt Graphen zur Darstellung des Vergleichs zwischen den Ergebnissen einer Simulation einer S/A-Schaltung gemäß beispielhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und den Ergebnissen einer Simulation einer herkömmlichen, überkreuz gekoppelten Latch-S/A-Schaltung. In 13 zeigt Graph 910 einen Fall, bei dem die herkömmliche, überkreuz gekoppelte Latch-S/A-Schaltung die logisch niedrigen Daten D0 liest und verstärkt. Graph 920 zeigt einen Fall, bei dem die S/A-Schaltung der beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die logisch niedrigen Daten D0 liest und verstärkt. Graph 930 zeigt einen Fall, bei dem die herkömmliche, überkreuz gekoppelte Latch-S/A-Schaltung die logisch hohen Daten D1 liest und verstärkt. Graph 940 zeigt einen Fall, bei dem die S/A-Schaltung der beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die logisch hohen Daten D1 liest und verstärkt.
  • Bezugnehmend auf 13 weist die herkömmliche, überkreuz gekoppelte Latch-S/A-Schaltung eine breite Verteilung von Datenlese- und -Verstärkungsgeschwindigkeiten auf. Mit anderen Worten, es geschieht, dass eine Geschwindigkeit des Lesens und Verstärkens von Daten aufgrund der Prozessveränderung sehr langsam ist. Im Gegensatz dazu weist die S/A-Schaltung der beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine relativ enge Verteilung von Datenlese- und -Verstärkungsgeschwindigkeiten auf. Mit anderen Worten, die S/A-Schaltung der beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist nicht empfindlich gegenüber der Prozessveränderung und wird daher durch Fehlabstimmung zwischen Elementen, beispielsweise Transistoren, die in einem S/A enthalten sind, nicht sehr beeinträchtigt.
  • Wie oben beschrieben, wird eine S/A-Schaltung gemäß beispielhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung durch die Prozessveränderung oder Fehlabstimmung zwischen Elementen, beispielsweise Transistoren, nicht sehr beeinträchtigt, so dass Fehler beim Datenlesen reduziert sind. Als ein Ergebnis hiervon ist eine Datenleseeigenschaft verbessert. Weiterhin benötigt die S/A-Schaltung keine andere Bitleitung, die als eine Referenz fungiert, so dass Dummyspeicherzellen vermieden werden. Als ein Ergebnis hiervon kann die Größe eines Speicherzellenfelds reduziert sein.

Claims (19)

  1. Leseverstärkerschaltung eines Halbleiterspeicherelements, aufweisend: – einen Bitleitungsleseverstärker, der dazu ausgebildet ist, mit einer Bitleitung verbunden zu werden und ein Signal der Bitleitung zu lesen und zu verstärken; und – eine Kalibrierschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Spannungspegel der Bitleitung basierend auf einem logischen Schwellwert des Bitleitungsleseverstärkers zu kalibrieren, – wobei der Bitleitungsleseverstärker das Signal der Bitleitung liest und verstärkt, nachdem der Spannungspegel der Bitleitung kalibriert worden ist.
  2. Leseverstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bitleitungsleseverstärker ein zweistufiges Kaskade-Latch aufweist.
  3. Leseverstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweistufige Kaskade-Latch aufweist: – einen ersten Invertierer mit einem Eingangsanschluss, der mit der Bitleitung verbunden ist; und – einen zweiten Invertierer mit einem Eingangsanschluss, der mit einem Ausgangsanschluss des ersten Invertierers verbunden ist, und einem Ausgangsanschluss, der mit der Bitleitung verbunden ist, wobei der zweite Invertierer in Abhängigkeit von einem an ihn angelegten Lesesteuersignal aktiviert bzw. deaktiviert wird.
  4. Leseverstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierschaltung ein Schaltelement aufweist, das zwischen den Ausgangsanschluss des ersten Invertierers und die Bitleitung eingeschleift ist und das in Abhängigkeit von einem dar an angelegten Kalibrierungssteuersignal ein- bzw. ausgeschaltet wird.
  5. Leseverstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement einen Transistor oder ein Übertragungsgatter umfasst.
  6. Leseverstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, der erste Invertierer aufweist: – einen ersten Pull-Up-Transistor, der zwischen eine erste Versorgungsspannung und den Ausgangsanschluss des ersten Invertierers eingeschleift ist und dessen Gate-Anschluss mit der Bitleitung verbunden ist; und – einen ersten Pull-Down-Transistor, der zwischen den Ausgangsanschluss des ersten Invertierers und eine zweite Versorgungsspannung eingeschleift ist und dessen Gate-Anschluss mit der Bitleitung verbunden ist.
  7. Leseverstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lesesteuersignal ein erstes Lesesteuersignal und ein zweites Lesesteuersignal umfasst, und wobei der zweite Invertierer aufweist: – einen ersten Lesesteuertransistor, der mit der ersten Versorgungsspannung verbunden ist und dessen Gate-Anschluss das erste Lesesteuersignal empfängt; – einen zweiten Lesesteuertransistor, der mit der zweiten Versorgungsspannung verbunden ist und dessen Gate-Anschluss das zweite Lesesteuersignal empfängt; – einen zweiten Pull-Up-Transistor, der zwischen den ersten Lesesteuertransistor und den Ausgangsanschluss des zweiten Invertierers eingeschleift ist und dessen Gate-Anschluss ein Ausgangssignal des ersten Invertierers empfängt; und – einen zweiten Pull-Down-Transistor, der zwischen den Ausgangsanschluss des zweiten Invertierers und den zweiten Lesesteuertransistor eingeschleift ist und dessen Gate-Anschluss das Ausgangssignal des ersten Invertierers empfängt.
  8. Halbleiterspeicherelement, aufweisend: – ein erstes Speicherzellenfeld; – eine erste Bitleitung, die dazu ausgebildet ist, das erste Speicherzellenfeld zu kreuzen; – einen Bitleitungsleseverstärker, der dazu ausgebildet ist, mit der ersten Bitleitung verbunden zu werden und ein Signal der ersten Bitleitung zu lesen und zu verstärken; und – eine Kalibrierschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Spannungspegel der ersten Bitleitung basierend auf einem logischen Schwellwert des Bitleitungsleseverstärkers zu kalibrieren, – wobei der Bitleitungsleseverstärker das Signal der ersten Bitleitung liest und verstärkt, nachdem der Spannungspegel der Bitleitung kalibriert worden ist.
  9. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bitleitungsleseverstärker aufweist: – einen ersten Invertierer mit einem Eingangsanschluss, der mit der ersten Bitleitung verbunden ist; und – einen zweiten Invertierer mit einem Eingangsanschluss, der mit einem Ausgangsanschluss des ersten Invertierers verbunden ist, und einem Ausgangsanschluss, der mit der ersten Bitleitung verbunden ist, wobei der zweite Invertierer in Abhängigkeit von einem an ihn angelegten Lesesteuersignal aktiviert bzw. deaktiviert wird.
  10. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierschaltung ein Schaltelement aufweist, das zwischen den Ausgangsanschluss des ersten Invertierers und die erste Bitleitung eingeschleift ist und das in Abhängigkeit von einem daran angelegten Kalibrierungssteuersignal ein- bzw. ausgeschaltet wird.
  11. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 9 oder 10, weiterhin aufweisend: – ein zweites Speicherzellenfeld; und – eine zweite Bitleitung, welche das zweite Speicherzellenfeld kreuzt, – wobei der Bitleitungsleseverstärker selektiv das Signal der ersten Bitleitung und ein Signal der zweiten Bitleitung liest und verstärkt.
  12. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend eine Vorladeschaltung, die dazu ausgebildet ist, die erste Bitleitung und die zweite Bitleitung mit einer vorbestimmten Vorladespannung in Abhängigkeit von einem an die Vorladeschaltung angelegten Vorladesteuersignal vorzuladen.
  13. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 11 oder 12, weiterhin aufweisend: – eine erste selektive Verbindungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, selektiv die erste Bitleitung mit dem Bitleitungsleseverstärker in Abhängigkeit von einem ersten Isolationssignal zu verbinden; und – eine zweite selektive Verbindungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, selektiv die zweite Bitleitung mit dem Bitleitungsleseverstärker in Abhängigkeit von einem zweiten Isolationssignal zu verbinden.
  14. Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterspeicherelements mit den Schritten: – Vorladen einer Bitleitung, die selektiv mit einer Speicherzelle verbunden wird, mit einer vorbestimmten Vorladespannung; – Kalibrieren eines Spannungspegels der Bitleitung basierend auf einem logischen Schwellwert eines Bitleitungsleseverstärkers, der mit der Bitleitung verbunden ist; – Durchführen einer Ladungsteilung zwischen der Speicherzelle und der Bitleitung durch Aktivieren einer Wortleitung und Verbinden der Speicherzelle mit der Bitleitung; und – Lesen und Verstärken eines Signals der Bitleitung durch Aktivieren des Bitleitungsleseverstärkers.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bitleitungsleseverstärker ein zweistufiges Kaskade-Latch aufweist, welches einen ersten Invertierer und einen zweiten Invertierer umfasst, die miteinander kaskadierend verbunden sind, und – wobei der Schritt des Kalibrierens des Spannungspegels der Bitleitung ein Verbinden sowohl eines Eingangsanschlusses als auch eines Ausgangsanschlusses des ersten Invertierers mit der Bitleitung beinhaltet.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Lesens und Verstärkens des Signals der Bitleitung ein Verbinden eines Eingangsanschlusses des zweiten Invertierers mit dem Ausgangsanschluss des ersten Invertierers und ein Verbinden eines Ausgangsanschlusses des zweiten Invertierers mit der Bitleitung beinhaltet.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin beinhaltend ein elektrisches Isolieren des Ausgangsanschlusses des ersten Invertierers von der Bitleitung nach dem Schritt des Kalibrierens und vor den Schritten des Lesens und Verstärkens.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, weiterhin beinhaltend: – Deaktivieren der Wortleitung; – Deaktivieren des zweiten Invertierers; und – gleichzeitiges Durchführen einer Offset-Kalibrierung und eines Vorladens der Bitleitung durch Verbinden sowohl des Eingangsanschlusses als auch des Ausgangsanschlusses des ersten Invertierers mit der Bitleitung und durch Anlegen der Vorladespannung an die Bitleitung.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorladens der Bitleitung nach dem Schritt der Offset-Kalibrierung und zeitgleich mit dem Schritt des Vorladens der Bitleitung ausgeführt wird.
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