JP2004039105A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】キャパシタに電荷を蓄えることにより情報を記憶する半導体記憶装置において、プリチャージ回路10により次の読出及び書込サイクルに備えるためにプリチャージする前に、強制降圧回路11によりメモリセルMCに格納した正電荷のデータをハイ側に充電されたビットラインBLの電位をメモリセルに書き込んだデータが消失ない範囲内で、予め下げておくことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、キャパシタに電荷を蓄えることにより情報を記憶する半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のキャパシタに電荷を蓄えることにより情報を記憶する半導体記憶装置では、例えば、特開平2−3162号に開示されているように、1メモリサイクル中にアクティブ期間とノンアクティブ期間とがあり、ノンアクティブ期間中にビットライン対間の電位のバランスとプリチャージを行う必要がある。また、このときのプリチャージの電圧レベルは、メモリセルに使用されるトランジスタの特性(しきい値)に応じて電源電圧Vccの1/2の電圧より若干低い電圧に設定される。
【0003】
図3は、従来の半導体記憶装置の動作を説明するための信号の波形図であり、(a)はビットライン対の信号波形を示し、(b)はワードラインの信号波形を示している。ノンアクティブ期間に移行すると、プリチャージ指令信号がハイに変化し、プリチャージ制御回路によりビットライン対が導通状態となり、ビットライン対のバランス動作が行われ、ビットライン対の電圧ベレルは、図3(a)に示すように、Vcc×1/2となりバランス動作が完了する。
【0004】
しかしながら、ビットライン対の最終電圧レベルは、低電圧動作化を図るために、電圧補正回路により、Vcc/2から更にΔV1だけ引き下げられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のダイナミック型のメモリセルを有する半導体記憶装置では、高速アクセスの実現が最大の課題である。しかしながら、上記の従来の半導体記憶装置では、ビットライン対を導通状態としてから、その電圧レベルがVcc/2となり更にΔV1だけ下げるまでに、Δt1の待ち時間を要するので、低電圧動作化するための時間がかかり、処理速度が遅くなるという問題があった。
【0006】
なお、高速化のために、ビットライン対を導通状態とするタイミングを速くすることも考えられるが、このタイミングを速くすると、図3(b)に示すワードラインの電圧が完全に下がりきらない状態でビットライン対間を導通させることとなり、メモリセルに書き込んだデータが消失してしまうおそれがある。このため、ビットライン対間の導通のタイミングを速くすることはできない。
【0007】
本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであり、キャパシタに電荷を蓄えることにより情報を記憶する半導体記憶装置において、低電圧動作化を図ると共に、高速動作化を図ることができる半導体記憶装置を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る半導体記憶装置は、キャパシタに電荷を蓄えることにより情報を記憶する半導体記憶装置において、ビットライン対間を短絡することによりビットライン対を中間電位とするプリチャージを行う前に、ハイ側に充電されたビットラインの電位をメモリセルに書き込んだデータが消失ない範囲内で、予め下げておくことを特徴とするものである。
【0009】
また、上記目的を達成するための本発明に係る半導体記憶装置は、キャパシタに電荷を蓄えることにより情報を記憶する半導体記憶装置において、一端がハイ側の駆動ラインに接続された第1のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子の他端と接地電位との間に並列に設けられた強制降圧用キャパシタ及び第2のスイッチング素子とを有する強制降圧回路を備え、事前に第2のスイッチング素子をオン状態として、前記強制降圧用キャパシタをゼロ電位に保持し、ビットライン対間を短絡することによりビットライン対を中間電位とするプリチャージを行う前に、前記第1のスイッチング素子をオン状態として、前記ハイ側の駆動ラインの電位をメモリセルに書き込んだデータが消失ない範囲内で、予め下げておくことを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
[実施形態の構成] 以下、本発明の一実施形態である半導体記憶装置について図面を参照して説明する。図1は本実施形態であるダイナミックRAMのメモリセルを有する半導体記憶装置の回路図である。本実施形態の半導体記憶装置は、複数本のワードラインWLと、複数組のビットライン対BL,BLバーとが直交して設けられており、ワードラインWLとビットラインBL及びBLバーとの各交点には、一組のトランジスタとキャパシタとを備えるメモリセルMCが配置されている。なお、図1では、図を簡略化するために、一部のメモリセル等のみを表示している。
【0011】
また、本実施形態の半導体記憶装置は、ハイ側の駆動ラインS1と電源Vccとの間にもうけられたPチャネルトランジスタP1と、ロー側の駆動ラインS2と接地電位との間に設けられたNチャネルトランジスタN1と、ビットライン対を中間電位にプリチャージするPチャネルトランジスタP5を有するプリチャージ回路10と、プリチャージ回路10によるプリチャージを行う前に予めハイ側の駆動ラインS1の電位を強制的に降圧する強制降圧回路11と、2つのPチャネルトランジスタP2,P3と2つのNチャネルトランジスタN2,N3とを備え、ビットライン対間の微小な電位差を感知して増幅を行うセンスアンプ回路12と、プリチャージ後の駆動ラインを一定値に保持するためのホールド回路13と、を備える。なお、NチャネルトランジスタN4及びPチャネルトランジスタP4は駆動ラインS1,S2間を短絡するためのものである。
【0012】
本実施形態の特徴の一つは、プリチャージ回路10によるプリチャージを行う前に、ハイ側の駆動ラインの電位を予め下げる強制降圧回路11を設けたことである。この強制降圧回路11は、一方の導通端子がハイ側の駆動ラインS1に接続された第1のNチャネルトランジスタN10と、第1のNチャネルトランジスタN10の他方の導通端子とアースとの間に並列に接続された第2のNチャネルトランジスタN11及び強制降圧用キャパシタC1と、を有する。
【0013】
プリチャージ回路10は、ビットライン対間を短絡することにより、ビットライン対の電位を、強制降圧回路11により降圧された電位と接地電位との中間電位にプリチャージする。
【0014】
センスアンプ回路12は、メモリセルの読出し動作によりビットラインに生じた微小な電位差を感知し、メモリセルに格納した正電荷のデータを読み出す側(以下、ハイ側とも称する。)のビットラインBLを駆動ラインS1に接続することによりビットラインBLを電源電位Vccに充電し、ビットラインBLバーを駆動ラインS2に接続することによりビットラインBLバーを接地電位とする。
【0015】
また、メモリセルに格納した負電荷のデータを読み出す側(以下、ロー側とも称する。)のビットラインBLを駆動ラインS2に接続することによりビットラインBLを接地電位とし、ビットラインBLバーを駆動ラインS1に接続することによりビットラインBLバーに充電する。
【0016】
ホールド回路13は、プリチャージ回路10によるプリチャージが行われ、ビットライン対の電位が所定の電位に下がった後、その下がった電位が変動しないように、所定期間、その下がった電位を保持する。
【0017】
また、後述する図2に示す所定のタイミングで、強制降圧制御信号φ1が第1のNチャネルトランジスタN10に供給され、プリチャージ開始信号φ2がプリチャージ回路のPチャネルトランジスタP5に供給され、強制降圧制御信号φ3が第2のNチャネルトランジスタN11に供給される。さらに、所定のタイミングで、制御信号φ10がPチャネルトランジスタP1に、制御信号φ11がNチャネルトランジスタN1に、制御信号φ12がPチャネルトランジスタP4に供給される。なお、センスアンプ回路12、プリチャージ回路10、ホールド回路13及びメモリセルMCは、従来のものと同様であるので、これらの回路の詳細な説明は省略する。
【0018】
[実施形態の動作] 次に、本実施形態の半導体記憶装置の動作について、図2を参照して説明する。図2は図1に示す半導体記憶装置の動作を説明するための各部の信号波形を示す図であり、(a)はビットラインBL及びビットラインBLバーの信号波形を示す図、(b)はワードラインWLaの信号波形を示す図、(c)は強制降圧回路10の第1のNチャネルトランジスタN10のゲートに供給される強制降圧制御信号φ1の波形を示す図、(d)はプリチャージ回路12のPチャネルトランジスタP5に供給されるプリチャージ開始信号φ2の波形を示す図、(e)は強制降圧回路10の第2のNチャネルトランジスタN11のゲートに供給される強制降圧制御信号φ3の波形を示す図である。
【0019】
図2(d)に示すプリチャージ開始信号φ2がハイになると、これによりPチャネルトランジスタP5がオフ状態となり、ビットライン対BL,BLバーの短絡状態が開放され、フローティング状態となり、アクティブ期間に移行する。この状態で、図2(b)に示すワードラインWLaの電位が上昇して所定の電位に達すると、メモリセルのトランジスタがオン状態となり、メモリセルのキャパシタの電荷に応じて、ビットラインBLの電位が僅かに変化する。このときの電位は、メモリセルに「1」が記憶されているときには僅かに上昇し、「0」が記憶されているときには僅かに下降する。ワードラインWLaのハイ信号が電源電圧Vccより大きいのは、メモリセルのデータを十分に且つ高速で読み出すためである。図2(a)に示すビットライン対の信号波形は、メモリセルに「1」が記憶されている場合、即ちキャパシタに正電荷が蓄えられている場合を示している。メモリセルのトランジスタがオン状態となることにより、メモリセルのキャパシタの電荷が放電されてハイ側のビットラインBLの電位が僅かに上昇する(約200mV)。このように僅かしか上昇しないのは、キャパシタの容量に比べてビットラインの容量がはるかに大きいからである。なお、ビットラインBLバーの電位は、接続されているメモリセルのトランジスタがオフ状態のままであるので、変化しない。
【0020】
センスアンプ回路12は、この僅かな電位差を感知してビットライン対を駆動ラインS1、S2に接続し、ビットライン対を所定の電位(+3V、−3V)に増幅する。また、ワードラインがハイになっているため、増幅されたビットラインBL、BLバーの電位は、メモリセルのキャパシタに電荷として再度蓄えられる。
【0021】
この後、強制降圧制御信号φ1がオンとなる前のアクティブ期間内の適当なときに、図2(e)に示す強制降圧制御信号φ3がNチャネルトランジスタN11に供給され、NチャネルトランジスタN11がオン状態となる。この結果、キャパシタC1の電荷はNチャネルトランジスタN11を介して放電される。この状態で、ワードラインWLaの電位が駆動ラインの電位よりメモリセルのトランジスタのVt(しきい値電圧)以下の電位に下がったとき、或いはその時点より若干遅れて、強制降圧制御信号φ1をハイにする。強制降圧制御信号φ1をこのようなタイミングでハイにするのは、次の理由からである。メモリセルに「1」が書き込まれているときには、ビットラインBLも同電位であり、その時点で既にワードラインWLが駆動ラインの電位よりVt以下の電位に下がっているため、ΔVはVtの範囲内で降圧することが可能でありデータ消失がないためである。
【0022】
強制降圧制御信号φ1がハイになったことにより、NチャネルトランジスタN10がオン状態となる。これにより駆動ラインS1、及びセンスアンプ回路12により駆動ラインS1に接続されているビットラインBLの電位は、キャパシタC1の値に応じて、図(a)に示すように電源電位からΔVだけ電位が下がる。このΔVは、使用するメモリセルのトランジスタのしきい値に応じて、このトランジスタがオン状態とならない範囲内のものとする。すなわち、メモリセルのトランジスタのVtは約0.5V〜1.0Vであるので、ビットラインBLの電位は3Vでなくても、2.5Vや2Vであっても、メモリセルのトランジスタはオン状態となることはなく、したがってメモリセルに格納したデータが消失することはない。また、ハイ側のビットラインBLはやがて下げるのであるから、ビットラインBLを早めに下げても、なんらデメリットは発生しない。むしろハイ側のビットラインを早めに引き下げることにより、消費電力の低減に寄与するという効果を奏する。なお、強制降圧制御信号φ1のパルス幅は約5ns位で十分である。
【0023】
駆動ライン(ビットラインBL)がΔV下がると、プリチャージ開始信号φ2がローとなり、PチャネルトランジスタP5がオン状態となって、ビットライン対BL,BLバー間が短絡され、プリチャージが行われる。
【0024】
図2(a)に示すΔtは、プリチャージを開始してから両ビットラインが所定の電位となるまでの待ち時間である。待ち時間Δtの経過後、ビットライン対が所定の電位に到達すると、次の読出し・書き込みが可能となる。なお、ホールド回路13は、ビットラインの電位が所定の電位に下がった後、下がった電位が変動しないように、所定期間、この電位を保持する。
【0025】
前述した従来の半導体記憶装置の場合、ビットライン対間を短絡し、電位が中間電位(3/2V=1.5V)になってから、さらに若干、例えば電位を1.25Vに下げているが、中間電位1.5Vから1.25Vに下げるのに時間がかかり、ビットライン対間を短絡してから次にアクセスが可能となるまでに、かなりの待ち時間(Δt1)を要していた。これに対して、本実施形態の場合、ビットライン対間を短絡する前に、予めハイ側のビットラインを3Vから、例えば2.5Vに下げた後で、ビットライン対間を短絡している。これにより、各ビットラインの電位は、ごく短い待ち時間Δtで、目標である中間電位(2.5/2V=1.25V)に達する。待ち時間Δtがこのように短いのは、次の理由からである。従来の半導体記憶装置の場合、ビットライン対間を短絡した後、更に電位を下げるので、両方のビットラインBL,BLバーの電位を下げなければならず負荷が大きい。これに対して、本実施形態の半導体記憶装置は、ビットライン対の一方の側、すなわちハイ側のビットラインBLだけ引き下げるので、従来の装置に比べて負荷が約半分となるからである。また、本実施形態の場合、予めビットラインBLの電位を下げるのは、3Vから2.5Vであり、従来の半導体記憶装置の1.5Vから1.25Vに下げる場合と比べて、より高い電位から引き下げているので、この点でも従来のものに比べてより短時間で目標とする電位に下げることができる。
【0026】
なお、ビットライン対間を短絡したときの電位をビットライン対間の中間電位(1.5V)よりも下げるのは、低電圧化を容易にするためである。すなわち、低電圧化すると、メモリセルに格納した「1」のデータを読み出すときの電位も低くなる。この電位は、従来の5Vから3Vに下がり、最近は、更に2.5Vとなっている。メモリセルに格納された「1」を読み出すときには、ビットライン対間を短絡したときの電位が1.5Vであるとすると、ワードラインの電位を1.5V+Vtとする必要がある。今、Vt=0.7Vであるとすると、ワードラインの電位を2.2Vまで引き上げないと、メモリセルの「1」を読み出すことができず、低電圧化できない。これに対して、プリチャージ時のビットラインの電位を下げれば、例えば、ビットライン対間を短絡したときの電位が1.25Vのときは、ワードラインの電位が1.25+Vt(0.7V)=1.95Vのときに、読出しが可能となり、ビットライン対間を短絡したときの電位が1.5Vのときに比べて、0.25Vだけ低い電圧で動作が可能となり、低電圧化を図ることができる。また、これにより読出し速度の高速化を図ることができる。
【0027】
[実施形態の効果] 従来の半導体記憶装置では、メモリセルのトランジスタが完全にオフ状態となった後に、ビットライン対間を短絡し、ビットラインが中間電位となった後、さらに電圧補正回路により所定の電位まで引き下げている。このため、ビットラインを所定の電位に引き下げるのに、かなりの時間を要していた。これに対して、上記の本実施形態の半導体記憶装置によれば、ビットライン対間を短絡するだけでなく、積極的に、予めハイ側のビットラインの電位を引き下げておくことにより、ビットライン対間を短絡したときに、ハイ側のビットラインをごく短時間で所定の電位に引き下げることができる。したがって、本実施形態によれば、低電圧動作化を図ると共に、動作の高速化を図ることができる。
【0028】
[他の実施形態] なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上記の実施形態では、ビットライン対間を短絡する前に、ハイ側のビットラインの電位を降下させるときに、駆動ラインS1を2つのNチャネルトランジスタN10,N11とキャパシタC1とを介して接地したが、これは2つのPチャネルトランジスタとキャパシタを介して接地するようにしてもよい。
【0029】
また、上記の実施形態では、電源電位Vccが3Vである場合について説明したが、電源電位Vccは3Vより小さくても、3Vより大きくてもよい。
【0030】
更に、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、ダイナミック型のメモリセルを有し、ビットラインをプリチャージするものであれば、DRAMだけでなく、どのような半導体記憶装置であってもよい。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次の読出及び書込サイクルに備えるためにプリチャージする前に、ハイ側に充電されたビットラインの電位をメモリセルに書き込んだデータが消失ない範囲内で、予め下げておくことにより、プリチャージを行う際に、ビットライン対をごく短時間で所定の電位に引き下げることができ、したがって、低電圧動作化を図ると共に、動作の高速化を図ることができる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】本実施形態であるダイナミックRAMを有する半導体記憶装置の回路図である。
【図2】本実施形態の半導体記憶装置の動作を説明するための各部の信号波形を示す図であり、(a)はビットラインBL及びビットラインBLバーの信号波形を示す図、(b)はワードラインの信号波形を示す図、(c)は強制降圧回路10の第1のNチャネルトランジスタN10のゲートに供給される強制降圧制御信号φ1の波形を示す図、(d)はプリチャージ回路10のPチャネルトランジスタP5に供給されるプリチャージ開始信号φ2の波形を示す図、(e)は強制降圧回路10の第2のNチャネルトランジスタN11のゲートに供給される強制降圧制御信号φ3の波形を示す図である。
【図3】従来の半導体記憶装置の動作を説明するための信号の波形図であり、(a)はビットライン対の信号波形を示し、(b)はワードラインの信号波形を示す図である。
【符号の説明】
10: プリチャージ回路、 11: 強制降圧回路、
12: センスアンプ回路、 13: ホールド回路、
BL: ビットライン、 WL: ワードライン、 S: 駆動ライン、
MC: メモリセル、 C1: 強制降圧用キャパシタ
Claims (2)
- キャパシタに電荷を蓄えることにより情報を記憶する半導体記憶装置において、ビットライン対間を短絡することによりビットライン対を中間電位とするプリチャージを行う前に、ハイ側に充電されたビットラインの電位をメモリセルに書き込んだデータが消失ない範囲内で、予め下げておくことを特徴とする半導体記憶装置。
- キャパシタに電荷を蓄えることにより情報を記憶する半導体記憶装置において、一端がハイ側の駆動ラインに接続された第1のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子の他端と接地電位との間に並列に設けられた強制降圧用キャパシタ及び第2のスイッチング素子とを有する強制降圧回路を備え、事前に第2のスイッチング素子をオン状態として、前記強制降圧用キャパシタをゼロ電位に保持し、ビットライン対間を短絡することによりビットライン対を中間電位とするプリチャージを行う前に、前記第1のスイッチング素子をオン状態として、前記ハイ側の駆動ラインの電位をメモリセルに書き込んだデータが消失ない範囲内で、予め下げておくことを特徴とする半導体記憶装置。
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