JP2003173675A - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JP2003173675A
JP2003173675A JP2001368739A JP2001368739A JP2003173675A JP 2003173675 A JP2003173675 A JP 2003173675A JP 2001368739 A JP2001368739 A JP 2001368739A JP 2001368739 A JP2001368739 A JP 2001368739A JP 2003173675 A JP2003173675 A JP 2003173675A
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Mitsunori Tsujino
光紀 辻野
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Mitsubishi Electric Corp
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リフレッシュ寿命の向上を図り、セルフリフ
レッシュ電流を低減した半導体集積回路を提供する。 【解決手段】 DRAMを搭載した半導体集積回路にお
いて、DWLドライバ回路41は、ワード線WLの電位
として、アクティブ時はHレベルのサブデコード信号S
DAを与え、スタンバイ時は接地電位GNDのLレベル
信号を与え、セルフリフレッシュモード時には、スタン
バイ状態でワード線WLの電位を接地電位より微小値だ
け高いセルフリフレッシュ用低電位(+αボルト)に切
替接続するバイアス手段(42,43)を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路に関
し、特に、リフレッシュ動作を必要とするDRAM等の
揮発性デバイスにおいて、セルフリフレッシュモード時
のリフレッシュ特性の向上によりセルフリフレッシュ電
流を低減した半導体集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、DRAMを含む半導体チップを
搭載した半導体メモリモジュール等では、マイクロプロ
セッサ(CPU)から供給されるアドレス信号の上位ビ
ットに基づいてDRAMを選択的に動作させるチップ選
択信号CSを生成したり、マイクロプロセッサから供給さ
れるチップイネーブル信号CEやリードイネーブル信号R
E、ロウアドレスストローブ信号RAS、カラムアドレスス
トローブ信号CASなどの制御信号に基づいてリフレッシ
ュタイミングを与えるリフレッシュコマンド信号を生成
して各DRAMに供給している。各DRAMはこれらス
トローブ信号に基づいてリフレッシュモードを判定し、
ワード線を選択レベルにしてリフレッシュを行うリフレ
ッシュ制御機能を有している。このようなセルフリフレ
ッシュ機能を実現するために、不揮発性デバイスである
DRAM等を含む半導体集積回路は、チップ内部にアド
レス発生回路とセルフリフレッシュ周期を計測するセル
フタイマを備えている。
【0003】DRAMチップ内のメモリセルアレイは通
常複数のバンクに分割されており、READ/WRITE(読出し
・書込み)動作時には選択された一部のバンクのみ動作
させるように構成されている。しかし、リフレッシュ動
作時は通常全バンクが同時に動作するためにピーク電流
が大きくなる。従って、DRAMモジュールにおいて
も、リフレッシュ動作時は大きなピーク電流が流れるこ
とになり、Vdd/GND ノイズ(電源ノイズ)を発生し、誤
動作を引き起こす恐れがある。
【0004】DRAM等において、従来から、セルフリ
フレッシュモード時の消費電流(Icc6等)の低減が図ら
れている。消費電流(Icc6)を低減する方法としては、
一般にセルフタイマの周期を延ばす方法が採られてい
る。例えば、DRAMのリフレッシュ処理において、ス
タンバイモード時には遅い周波数のクロックに切替えて
リフレッシュ間隔を長くする方法が採られる。しかしこ
の方法では、セルフタイマの周期を延ばす範囲には限界
があるため不充分であった。即ち、セルフタイマの周期
を延ばす範囲は、セルデータの保持寿命(リフレッシュ
寿命)によって決まってくる限界があるため、充分にセ
ルフタイマ周期を延ばすことができなかった。
【0005】しかし、今後、記憶容量の増大とそれに伴
ったプロセスの微細化によって、消費電流(Icc6)は増
える一途である。従って、デバイスの低消費電力化を実
現させるためにも、セルフリフレッシュモード時の消費
電流(Icc6)を低減することは重要な課題である。
【0006】図5は従来のDWLドライバ回路のブロッ
ク構成を示す。DWLドライバ回路はトランジスタMO
S1と1組の対向するトランジスタMOS2,MOS3
を備える。これらトランジスタのON/OFF制御を行
うゲート信号として、MOS1とMOS2にはゲート信
号(ZMWL)が与えられ、MOS3にはゲート信号(ZSD
A)が与えられる。ワード線WLの電位はDWLドライ
バ回路により選択された電位が与えられ、アクティブ時
はサブデコード信号SDAのHレベル電位が与えられ、
スタンバイ時(ノンアクティブ時)は接地GNDのLレ
ベル電位(=0ボルト)が与えられる。
【0007】近年、セルデータの保持寿命(リフレッシ
ュ寿命)に関する研究において、セルデータの保持力を
低下させる主要因の1つにGIDL(Gate Induced Dra
in Leakage:ゲート誘起ドレインリーク)現象が挙げら
れるようになった。
【0008】図6(a)にGIDL発生のモデルおよび
図6(b)にその時のバイアス条件を示す。従来は、セ
ルフリフレッシュ時も通常(ノーマル)動作時と同じバ
イアス条件で動作させていた。同図6において、ビット
線BLはソース側、ワード線WLはゲート側、ストレッ
ジノードSN/SCはドレイン側に対応する。ビット線
BLの電位は選択・非選択に応じてそれぞれH/Lレベ
ルに切換えられ、スタンバイ状態のゲートはDWLドラ
イバ回路の接地(GND)電位(=0ボルト)レベルで
あり、ワード線WLはLレベル(0ボルト)に設定され
ている。図示の例では、不良モードは1ビットセルのH
⇒Lエラー発生の場合を示している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このようなスタンバイ
状態のゲート側とセルデータのHレベル(アレイVdd
レベル)が書込まれたドレイン(ストレッジノードSN
/SC側)との間に電界が生じた場合、このゲート・ド
レイン間の電界がゲート酸化膜付近で強電界となる。こ
のため、ゲート・ドレイン間のエネルギーバンドに歪み
を生じ、同図に示すEvとEcが接近し、電子(−)・
正孔(+)がバンド間遷移を起こして電流リークを生じ
る。つまり、バンド間トンネルリークが起きていると考
えられている。このような電流リークが発生するとセル
データの保持力が低下する。従って、セルフタイマの周
期を延ばす範囲が制限されることになる。
【0010】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、前述のゲート・ドレイン間に発生するバン
ド間トンネルリーク現象に鑑みて、ワード線WLの電位
を変化させることにより、ゲート・ドレイン間に発生す
る電界を変化させ、バンドの歪み率を抑制することによ
りGIDL成分の電流リークを制御できることに着目し
て成されたものである。本発明は、このようなGIDL
成分の電流リーク制御方法を採用するものであり、スタ
ンバイ時のワード線WLの電位を通常の接地(GND)
電位(=0ボルト)より微小値だけ高いセルフリフレッ
シュ用の低電圧電位に設定することにより、ワード線W
L・ドレイン(SC)間の電位差を減少させている。こ
れによってGIDL成分の電流リークを低減し、リフレ
ッシュ寿命(セルデータの保持力)の向上を図り、セル
フリフレッシュ電流を低減した半導体集積回路を提供す
ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による半導体集積回路は、ダイナミック型半
導体メモリDRAMを搭載し、ワード線を選択駆動し、
該ワード線の電位として、アクティブ時はHレベルのサ
ブデコード信号を与え、スタンバイ時は接地電位のLレ
ベル信号を与えるDWLドライバ回路と、セルフリフレ
ッシュモード時には、スタンバイ状態で上記ワード線の
電位を上記接地電位より微小値だけ高いセルフリフレッ
シュ用低電圧の電位に切替接続するバイアス手段とを有
する。
【0012】上記バイアス手段は、上記DWLドライバ
回路と上記接地電位間に介在したセルフGND切替回路
と、上記セルフGND切替回路に接続され、上記接地電
位より微小値だけ高いセルフリフレッシュ用低電圧を発
生する低電圧発生回路と、を備え、セルフリフレッシュ
モード時には、上記セルフGND切替回路は、上記ワー
ド線を、上記接地電位から切断状態とし、上記ワード線
の電位はスタンバイ状態で上記低電圧発生回路が発生す
る上記セルフリフレッシュ用低電圧値にバイアス接続す
る。
【0013】上記構成により、ワード線・ドレイン間の
電位差を減少させることができ、GIDL成分の電流リ
ークを低減できる。即ち、リフレッシュ特性の向上を図
ることができ、セルフタイマの周期を延ばすことが可能
となる。よって、セルフリフレッシュモード時の消費電
流を低減することができる。
【0014】上記構成において、セルフリフレッシュ用
低電圧の上限は、ソース側のビット線のLレベル電位が
ドレイン側にチャネルリークを起こさないレベル範囲内
の値に設定される。
【0015】このようなセルフ用低電位レベルを設ける
ことにより、スタンバイ状態のゲートとセルデータのH
レベルが書込まれたドレイン(SC)間に生じる電界
が、ゲート酸化膜付近で強電界となることを防止し、G
IDL成分の電流リークを抑制し、リフレッシュ寿命の
向上を実現できる。
【0016】上記構成において、前記低電圧発生回路
は、前記セルフリフレッシュ用低電圧を発生するゲート
・ドレイン間ショートのNチャンネルトランジスタを有
してもよい。または、前記低電圧発生回路は、前記セル
フリフレッシュ用低電圧として組込みポテンシャルの電
圧を発生するダイオードを有する構成としてもよい。
【0017】これにより、大きな低電圧発生回路を必要
としないため、DWLドライバ回路内に組込むことが容
易である。また、構造が簡単であり、低電圧発生回路の
追加による消費電流の増加がないといった利点がある。
【0018】また、前記低電圧発生回路は、前記セルフ
リフレッシュ用低電圧としてアレイ電圧の1/2である
ビットライン電圧またはセルポテンシャルを発生する電
圧発生回路を有する構成としてもよい。
【0019】この方法によれば、新たな低電圧発生回路
を付加する必要がなく、しかもワード線のGND(0ボ
ルト)に常に所定範囲の低電位を供給しているため、安
定したバイアス低電圧を与えることができる。
【0020】また、本発明の別の態様では、前記セルフ
GND切替回路をメモリセルアレイ外周部に設けた構成
としてもよい。上記構成により、DWLドライバ回路は
従来構成のままで使用可能であり、各セルフGND切替
回路を組込むに当たって、GND配線の配置のみ考慮す
ればよく、DWLドライバのサイズを低減することがで
きる。
【0021】
【発明の実施の形態】本発明は、前述のゲート・ドレイ
ン間に発生するバンド間トンネルリーク現象に鑑みて、
スタンバイ時のワード線WLの電位を変化させることに
より、ゲート・ドレイン間の電界を変化させてバンドの
歪み率を変化させ、GIDL成分の電流リークを制御す
る方法を利用したものである。
【0022】図1に示すように、本発明の実施の形態
は、セルフリフレッシュモードにおいてスタンバイ時の
ワード線WLの電位を接地電位(0ボルト)より微小に
高い低電圧値αに設定することにより、ワード線WL・
ドレイン(SC)間の電位差を減少させている。以下の
説明では、この低電圧値αのことを「セルフ用GND」ま
たは「セルフ用低電位」と呼び、ノーマル動作時の0ボル
ト接地電位GNDと区別している。このセルフ用GND
(=αV)を設けることにより、スタンバイ状態のゲー
トとセルデータのHレベルが書込まれたドレイン(S
C)間に生じる電界が、ゲート酸化膜付近で強電界とな
ることを防止している。よって、EcとEvとの接近が
抑制され、GIDL成分の電流リークを防止し、リフレ
ッシュ寿命(セルデータの保持力)の向上を実現したも
のである。
【0023】即ち、図1に示すように、セルフリフレッ
シュモードに入ったとき、スタンバイ時のワード線WL
の電位をGND(0ボルト)から微小に上げて(GND
+α)ボルトに切替設定する。ここで、セルフ用低電圧
値αの上限は、ソース側のビット線BLのLレベル電位
がドレイン側にチャネルリークを起こさないレベル範囲
内の値になるように設定されている。
【0024】そのために、本発明では、このセルフ用低
電圧(α)を発生させる低電圧発生回路を備えるととも
に、セルフリフレッシュ時にワード線WLをセルフ用G
ND(=αV)に切替接続するためのセルフ用GND切
替回路とを設けたことを特徴としている。これら低電圧
発生回路とセルフ用GND切替回路については、図2乃
至図4を参照して後述する。
【0025】以下、図2乃至図4を用いて本発明の実施
例について説明する。なお、各図において共通する要素
には同一の符号を付し、重複する説明については省略し
ている。
【0026】
【実施例1】図2は本発明の第1の実施例に係るWL電
位切替駆動機構を示すブロック図である。本発明の第1
の実施例について図2を参照して説明する。図2に示す
DWLドライバ回路41の構成は図5に示した従来構成
のDWLドライバ回路と同様の構成である。本実施例で
は、DWLドライバ回路41に追加して新たにセルフG
ND切替回路42とセルフリフレッシュ用の低電位を供
給するための低電圧発生回路43とを組込んだことを特
徴としている。
【0027】図2に示すように、DWLドライバ回路4
1はトランジスタMOS1と1組の対向するトランジス
タMOS2,MOS3を備える。これらトランジスタの
ON/OFF制御を行うゲート信号として、MOS1と
MOS2にはゲート信号(ZMWL)が与えられ、MOS3
にはゲート信号(ZSDA)が与えられる。ワード線WLの
電位はDWLドライバ回路により選択された電位が与え
られ、アクティブ時はサブデコード信号SDAのHレベ
ル電位が与えられ、通常動作のスタンバイ時(ノンアク
ティブ時)は、セルフGND切替回路42を介して接地
GNDのLレベル電位(=0ボルト)が与えられる。
【0028】セルフGND切替回路42はインバータ4
21と2個のトランジスタMOS4,MOS5を備え、
更に、接地電位GND(=0ボルト)に接続された通常
モード用GNDライン (NMGL)と、低電圧発生回路43
と接続された低電圧回路バイパスライン (LVBL)とを備
える。インバータ421とトランジスタMOS5のゲー
トには入力側ノード422を介して入力制御信号Tself
が与えられる。この制御信号Tself は、セルフリフレッ
シュモード時にはHレベル(アレイ電位レベル等)とな
り、通常動作(ノーマル)時にはLレベルである。この
入力制御信号Tself はインバータ421によって反転さ
れた後、その出力はトランジスタMOS4のゲートに入
力される。よって、セルフリフレッシュモード時には、
通常モード用GNDライン NMGL(接地電位GND=0
ボルト)は、トランジスタMOS4のゲート切替え制御
(Lレベル)により、ワード線WLとOFF状態(切断
状態)となる。
【0029】一方、低電圧発生回路43側と接続する低
電圧回路バイパスライン (LVBL) は、セルフリフレッシ
ュモード時には、トランジスタMOS5のON動作によ
りワード線WLと接続(ON)状態となる。これによ
り、ワード線WLは、スタンバイ時には、ノーマル用0
ボルト接地電位GND側とは切断(OFF)状態であ
り、低電圧発生回路43のセルフ用低電位(=αボル
ト)側とは接続(ON)状態となるように切替接続され
固定される。
【0030】このようにセルフリフレッシュモードに切
替わると、ワード線WLはスタンバイ状態で所定の低電
圧(0+αボルト)側にバイアス接続される。これによ
り、ワード線WL・ドレイン(SC)間の電位差を減少
させることができ、GIDL成分の電流リークを低減で
きる。即ち、リフレッシュ特性(セルデータの保持力)
の向上を図ることができ、セルフタイマの周期を延ばす
ことが可能となる。よって、セルフリフレッシュモード
時の消費電流(Icc6)を低減することができ、デバイス
の低消費電力化を実現できる。
【0031】
【実施例2】図3は本発明に係るWL電位切替駆動機構
で使用される低電圧発生回路の構成例を示す。本発明の
第2の実施例について図3を参照して説明する。本実施
例2は、前述の実施例1でセルフリフレッシュ動作時に
使用される低電圧発生回路43が低電圧(αボルト)を
発生する手段、方法を例示するものである。
【0032】図3(a)の例はセルフ用低電位(GND +
α)ボルトの低電圧発生回路として、ゲート・ドレイン
間ショートのNチャンネルトランジスタ51を用い、図
3(b)の方法は(GND + α)ボルトの低電圧発生回路
として、ダイオード53の組込み電位Vbi(Built-in Pot
ential)を用い、図3(c)の方法は(GND + α)ボル
トの低電圧発生回路として、ビットライン電圧Vblまた
はセル電位Vcpを発生する低電圧発生回路54を用いた
場合を例示している。
【0033】図3(a)に示す第1番目の方法は、Nチ
ャンネルトランジスタ51の閾値電位Vth を利用する方
法である。これはゲート・ドレイン間をショートしたダ
イオード接続型のNチャンネルトランジスタ51を低電
圧発生回路側のノード52に接続している。
【0034】この方法によれば、Vbl,Vcpのような大
きな低電圧発生回路を必要としないため、DWLドライ
バ回路内に組込むことが容易である。また、構造が簡単
であり、低電圧発生回路の追加による消費電流の増加が
ないといった利点がある。この場合、セルフ用低電圧
(α)はNチャンネルトランジスタ51の電位Vthに相
当する。低電圧(α)の調整は、イオン注入によるVth
の調整、または、Nチャンネルトランジスタのシリアル
接続による n * Vth(Vthのn倍化)が利用可能であ
る。
【0035】図3(b)に示す第2番目の方法は、ダイ
オード53の組込みポテンシャルVbi(Built-in Potent
ial)の電圧を利用する方法であり、ダイオード53を低
電圧発生回路側のノードに接続した構成である。
【0036】この方法により、大きな低電圧発生回路を
必要としないため、DWLドライバ回路内に組込むこと
が容易である。また、構造が簡単であり、低電圧発生回
路の追加による消費電流の増加がないといった利点があ
る。
【0037】図3(c)に示す第3番目の方法は、Vbl
またはVcp発生回路54を利用する方法である。通常
は、電圧VblまたはVcpはアレイ電圧の1/2であるた
め、さらに2個の抵抗55,56を用いて抵抗分割を行
い、例えば1/4*アレイ電圧化(アレイ電圧の4分割
化)などの処理を施して用いることもできる。
【0038】この方法によれば、新たな低電圧発生回路
を付加する必要がなく、しかもワード線WLのGND
(0ボルト)に常に所定範囲の低電位を供給しているた
め、安定したバイアス低電圧(0+αボルト)を与える
ことができる。
【0039】
【実施例3】図4は本発明の第3の実施例に係るWL電
位切替駆動機構を示すブロック図である。本発明の第3
の実施例について図4を参照して説明する。本実施例3
におけるDWLドライバ回路、セルフGND切替回路、
セルフリフレッシュ用の低電圧発生回路の各構成要素
は、図2に示す実施例1の各構成要素と同じである。前
述の図2に示す第1の実施例では、セルフGND切替回
路42をDWLドライバ回路内に組込んだ構成としてい
るので、DWLドライバのサイズが従来より大きくなる
ことが不可避である。そこで本実施例3では、セルフG
ND切替回路をメモリセルアレイ61の外側周辺部に設
置したことを特徴としている。
【0040】図4に示す構成例では、センスアンプ(S
/A)帯とDWLによって選択駆動される複数個のメモ
リセル部分に対して、セルフGND切替回路42A,4
2B,42Cの設置場所をメモリセルアレイ61の外側
周辺部であって、低電圧発生回路43とDWLドライバ
回路との間に介在する配置構成としている。図4では、
各セルフGND切替回路のGND配線は図示していない
が、これは図2に示す実施例1の場合と同様であるので
ここでは省略している。
【0041】上記構成により、DWLドライバ回路は従
来構成のままで使用可能であり、各セルフGND切替回
路を組込むに当たって、GND配線の配置のみ考慮すれ
ばよく、DWLドライバのサイズを抑制することができ
る。
【0042】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、セルフ
リフレッシュモード時において、ワード線WLはスタン
バイ状態で所定の低電圧(0+αボルト)側にバイアス
接続され、ワード線WL・ドレイン(SC)間の電位差
を減少させることができ、GIDL成分の電流リークを
低減できる。よって、リフレッシュ特性(セルデータの
保持力)の向上を図ることができ、セルフタイマの周期
を延ばすことが可能となり、セルフリフレッシュモード
時の消費電流を低減することができる。
【0043】また、セルフGND切替回路をメモリセル
アレイ61の外側周辺部に設置した構成とすることによ
り、DWLドライバ回路は従来構成のままで使用可能で
あり、各セルフGND切替回路を組込むに当たって、D
WLドライバのサイズを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のスタンバイWL電位の設定上限とそ
の時のバイアス条件を示す説明図
【図2】 本発明の第1の実施例に係るWL電位切替駆
動機構を示すブロック図
【図3】 (a)、(b)、(c)は本発明の第2の実
施例に係るセルフリフレッシュ用低電圧発生回路の構成
例を示すブロック図
【図4】 本発明の第3の実施例に係るWL電位切替駆
動機構を示すブロック図
【図5】 従来のDWLドライバ回路の構成を示すブロ
ック図
【図6】 (a)は従来のGIDL発生のモデル図、
(b)はその時のバイアス条件を示す説明図。
【符号の説明】
41 DWLドライバ回路 42 セルフGND切替回路 43 低電圧発生回路 51 Nチャンネルトランジスタ 52 ノード 53 ダイオード 54 VblまたはVcp発生回路54 55、56 電圧分割用抵抗 61 メモリセルアレイ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 DRAMを搭載した半導体集積回路であ
    って、 ワード線を選択駆動し、該ワード線の電位として、アク
    ティブ時はHレベルのサブデコード信号を与え、スタン
    バイ時は接地電位のLレベル信号を与えるDWLドライ
    バ回路と、 セルフリフレッシュモード時には、スタンバイ状態で上
    記ワード線の電位を上記接地電位より微小値だけ高いセ
    ルフリフレッシュ用低電圧の電位に切替接続するバイア
    ス手段とを有することを特徴とする半導体集積回路。
  2. 【請求項2】 DRAMを搭載した半導体集積回路であ
    って、 ワード線を選択駆動し、該ワード線の電位として、アク
    ティブ時はHレベルのサブデコード信号を与え、スタン
    バイ時は接地電位のLレベル信号を与えるDWLドライ
    バ回路と、 上記DWLドライバ回路と上記接地電位間に介在し、セ
    ルフリフレッシュモード時には上記接地電位レベルの切
    替動作を行なうセルフGND切替回路と上記セルフGN
    D切替回路に接続され、上記接地電位より微小値だけ高
    いセルフリフレッシュ用低電圧を発生する低電圧発生回
    路と、を備え、 セルフリフレッシュモード時には、上記セルフGND切
    替回路は、上記ワード線を、上記接地電位から切断状態
    とし、上記ワード線の電位はスタンバイ状態で上記低電
    圧発生回路が発生する上記セルフリフレッシュ用低電圧
    値にバイアス接続することを特徴とする半導体集積回
    路。
  3. 【請求項3】 上記セルフリフレッシュ用低電圧の上限
    は、ソース側のビット線のLレベル電位がドレイン側に
    チャネルリークを起こさないレベル範囲内の値である請
    求項1又は2記載の半導体集積回路。
  4. 【請求項4】 前記低電圧発生回路は、前記セルフリフ
    レッシュ用低電圧を発生するゲート・ドレイン間ショー
    トのNチャンネルトランジスタを有する請求項1又は2
    記載の半導体集積回路。
  5. 【請求項5】 前記低電圧発生回路は、前記セルフリフ
    レッシュ用低電圧として組込みポテンシャルの電圧を発
    生するダイオードを有する請求項1又は2記載の半導体
    集積回路。
  6. 【請求項6】 前記低電圧発生回路は、前記セルフリフ
    レッシュ用低電圧としてアレイ電圧の1/2であるビッ
    トライン電圧またはセルポテンシャルを発生する電圧発
    生回路を有する請求項1又は2記載の半導体集積回路。
  7. 【請求項7】 前記セルフGND切替回路をメモリセル
    アレイ外周部に設けた請求項1又は2記載の半導体集積
    回路。
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