JP2004280956A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを要せず、簡単な構成でメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができるSRAMを提供する。
【解決手段】CMOSインバータ13の負荷素子は、直列接続してゲート同士を接続してなるPMOSトランジスタ14、15で構成し、CMOSインバータ17の負荷素子は、直列接続してゲート同士を接続してなるPMOSトランジスタ18、19で構成する。
【選択図】 図1
【解決手段】CMOSインバータ13の負荷素子は、直列接続してゲート同士を接続してなるPMOSトランジスタ14、15で構成し、CMOSインバータ17の負荷素子は、直列接続してゲート同士を接続してなるPMOSトランジスタ18、19で構成する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2個のインバータをクロス接続したフリップフロップを記憶媒体とする半導体記憶装置、いわゆる、SRAM(static random access memory)に関する。
【0002】
近年、トランジスタの微細化に伴い、電源電位が低下し、トランジスタの閾値電圧がますます低下する傾向にある。このため、LSI内の回路のうち、論理回路部分については、スタンバイモード時には電源から切り離すことによって、スタンバイモード時にトランジスタを通じて流れるリーク電流を極力小さくする工夫が行われている。論理回路部分は、状態保持用のフリップフロップ部分を除いて、スタンバイモード時には電源に接続されている必要がないため、このような手法をとることができる。
【0003】
また、フリップフロップの状態をスタンバイモード時にはリセットされるものとしてシステムを設計することもしばしば行われている。この場合は、フリップフロップの電源も、スタンバイモード時には切断することができる。スタンバイモードからアクティブモードに移行するためには、プログラムを最初から起動し直す手順や状態を復帰させるための手順が必要であるが、これらの手順に必要な時間を無視できる場合が多いからである。
【0004】
しかしながら、大容量のSRAMについては、スタンバイモード時にリセットすると、元の状態へ復帰させるための時間が非常に大きくなったり、元の状態へ復帰させることをあきらめなければならない場合もある。このため、通常、大容量のSRAMについては、スタンバイモード時に電源を切断してメモリセルの情報をリセットするということは行われず、他の方法によってリーク電流を低減することが行われているが、SRAMのスタンバイモード時のリーク電流はメモリセルのリーク電流が大部分を占めるため、メモリセルのリーク電流を低減する手法が有効である。
【0005】
【従来の技術】
図5は従来のSRAMの一例の要部を示す回路図であり、従来のSRAMが備えるメモリセルの一例を示している。図5中、WLはワード線、BL、/BLはビット線、VDDは電源電位、VSSは接地電位である。
【0006】
1は記憶媒体をなすフリップフロップであり、2はPMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ4からなるCMOSインバータ、5はPMOSトランジスタ6及びNMOSトランジスタ7からなるCMOSインバータ、8、9は記憶データに対応したレベルに維持される記憶ノードである。10、11はデータ転送用のNMOSトランジスタである。
【0007】
図6は図5に示す従来のSRAMが有する問題点を説明するための回路図である。例えば、記憶ノード8がLレベル(VSS)、記憶ノード9がHレベル(VDD)に維持されている場合には、PMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ7がOFF状態、NMOSトランジスタ4及びPMOSトランジスタ6がON状態にある。
【0008】
この場合、OFF状態のPMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ7のゲート・ソース間電位Vgs=Vg−Vsは、いずれも0Vであり、PMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ7の閾値電圧の絶対値が小さい場合には、PMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ7のソース・ドレイン間にリーク電流が流れることになる。
【0009】
図6に示す場合とは逆に、記憶ノード8がHレベル(VDD)、記憶ノード9がLレベル(VSS)に維持されている場合には、NMOSトランジスタ4及びPMOSトランジスタ6のソース・ドレイン間にリーク電流が流れる。これらフリップフロップ1に流れるリーク電流がメモリセルのリーク電流に寄与する最も大きな電流である。
【0010】
従来、図5に示すメモリセルのリーク電流低減方法として、メモリセルに接続する電源を分離し、この電源の電位をスタンバイモード時には低くする技術や、PMOSトランジスタ3、6及びNMOSトランジスタ4、7、10、11のウエル電位を変化させて、非選択状態時には、PMOSトランジスタ3、6のNウエルを電源電位VDDよりも高電位にし、NMOSトランジスタ4、7、10、11のPウエルを接地電位VSSよりも低電位にする技術(例えば、特許文献1参照)が提案されている。
【0011】
また、PMOSトランジスタ3のドレインと記憶ノード8との間に、PMOSトランジスタ3がON状態の場合には低抵抗、OFF状態の場合に高抵抗となる可変抵抗を介在させると共に、PMOSトランジスタ6のドレインと記憶ノード9との間に、PMOSトランジスタ6がON状態の場合には低抵抗、OFF状態の場合には高抵抗となる可変抵抗を介在させる技術(例えば、特許文献2参照)も提案されている。
【0012】
【特許文献1】特開2000−182377号公報
【特許文献2】特開平2−250373号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メモリセルに接続する電源の電位をスタンバイモード時には低くする技術は、電源電位VDDより低い電位を持つ電源を用意する必要があるという問題点を有していた。
【0014】
また、メモリセルを構成するトランジスタのウエル電位を変化させる技術は、このための回路が必要となり、この回路の消費電力がリーク電流による消費電力と比較して無視できないと共に、ウエル電位を変動させる場合には、安定した電位に至るまでの時間が必要であり、頻繁にスタンバイモードに移行することができないという問題点があった。
【0015】
また、メモリセルを構成するPMOSトランジスタのドレインと記憶ノードとの間に可変抵抗を介在させる技術は、製造上、可変抵抗を形成するためのプロセスが必要になってしまうという問題点を有していた。
【0016】
本発明は、かかる点に鑑み、メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを必要とせず、簡単な構成でメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができるようにしたSRAMを提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明のSRAMは、第1、第2のCMOSインバータをクロス接続し、第1、第2のCMOインバータの出力ノードをそれぞれ第1、第2の記憶ノードとする記憶媒体を有するSRAMであって、少なくとも、第1、第2のCMOSインバータの一方は、直列接続してゲート同士を接続してなる2個のPMOSトランジスタを負荷素子としている、というものである。
【0018】
本発明によれば、記録媒体を構成する第1、第2のCMOSインバータのうち、少なくとも一方は、直列接続してゲート同士を接続してなる2個のPMOSトランジスタを負荷素子としているので、メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを設けなくとも、メモリセルのリーク電流を低減化することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図4を参照して、本発明の第1実施形態〜第3実施形態について説明する。
【0020】
(第1実施形態・・図1、図2)
図1は本発明の第1実施形態の要部を示す回路図であり、本発明の第1実施形態が備えるメモリセルを示している。すなわち、本発明の第1実施形態は、図1に示すメモリセルを備え、その他については、従来周知のように構成するというものである。
【0021】
図1中、WLはワード線、BL、/BLはビット線、VDDは電源電位、VSSは接地電位である。12は記憶媒体をなすフリップフロップであり、13はPMOSトランジスタ14、15及びNMOSトランジスタ16からなるCMOSインバータ、17はPMOSトランジスタ18、19及びNMOSトランジスタ20からなるCMOSインバータ、21、22は記憶ノードである。23、24はデータ転送用のNMOSトランジスタである。なお、PMOSトランジスタ14、15、18、19が形成されているNウエルのボディ電位(ウエル電位)は電源電圧VDDとされる。
【0022】
図2は本発明の第1実施形態におけるメモリセルのリーク電流低減原理を説明するための回路図である。例えば、記憶ノード21がLレベル(VSS)、記憶ノード22がHレベル(VDD)に維持されている場合には、PMOSトランジスタ14、15及びNMOSトランジスタ20がOFF状態、NMOSトランジスタ16及びPMOSトランジスタ18、19がON状態にある。
【0023】
この場合、PMOSトランジスタ14のドレインとPMOSトランジスタ15のソースの接続点25の電位は、電源電位VDDよりも低い電位VDD−αとなる。これは、PMOSトランジスタ14のリークによるコンダクタンスによってもたらされる。
【0024】
また、この場合、PMOSトランジスタ15のゲート電位は、電源電位VDDとなっているので、PMOSトランジスタ15のゲート・ソース間電位Vgs(=Vg−Vs)はαとなり、PMOSトランジスタ15は、通常のゲート・ソース間電位(0V)よりも正方向にバイアスされる。したがって、PMOSトランジスタ15のソース・ドレイン間のリーク電流は減少する。
【0025】
また、この場合、PMOSトランジスタ15のボディ・ソース間電位Vbs(=Vb−Vs)はαとなり、PMOSトランジスタ15のボディ電位は正方向にバイアスされる。この結果、PMOSトランジスタ15の閾値電圧の絶対値は大きくなり、リーク電流は減少する方向に働く。この点からも、PMOSトランジスタ15のリーク電流は減少する。
【0026】
図2に示す場合とは逆に、記憶ノード21がHレベル(VDD)、記憶ノード22がLレベル(VSS)の状態にある場合には、NMOSトランジスタ16及びPMOSトランジスタ18、19のソース・ドレイン間にリーク電流が流れることになるが、本発明の第1実施形態によれば、PMOSトランジスタ19に流れるリーク電流を低減することができる。
【0027】
ここで、特許文献2に記載の技術は、PMOSトランジスタ15、19の代わりに可変抵抗を設け、可変抵抗での電圧効果分だけPMOSトランジスタ15、19のドレイン電位を上昇させ、PMOSトランジスタ14、18のリーク電流を減少させるというものであるが、その作用からすれば、リーク電流低減の割合は、1/2〜1/3のオーダであると考えられる。これに対して、本発明の第1実施形態の場合には、PMOSトランジスタ15、19のゲートを逆バイアスすることにより実効的に閾値電圧の絶対値を大きくしているので、リーク電流低減の割合は、1/10〜1/100のオーダになる。
【0028】
以上のように、本発明の第1実施形態によれば、CMOSインバータ13は、直列接続してゲート同士を接続してなるPMOSトランジスタ14、15を負荷素子とし、CMOSインバータ17は、直列接続してゲート同士を接続してなるPMOSトランジスタ18、19を負荷素子としているので、メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを必要とせず、簡単な構成でメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。
【0029】
また、本発明の第1実施形態によれば、スタンバイ及びアクティブのいずれの動作モードにおいても、メモリセルのリーク電流を低減することができるので、スタンバイモードとアクティブモードとの切替を行う回路を設けることなしに、メモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。
【0030】
(第2実施形態・・図3)
図3は本発明の第2実施形態の要部を示す回路図であり、本発明の第2実施形態が備えるメモリセルを示している。すなわち、本発明の第2実施形態は、図3に示すメモリセルを備え、その他については、従来周知のように構成するというものである。
【0031】
図3中、WLはワード線、BL、/BLはビット線、VDDは電源電位、VSSは接地電位である。26は記憶媒体をなすフリップフロップであり、27はPMOSトランジスタ28、29及びNMOSトランジスタ30からなるCMOSインバータ、31はPMOSトランジスタ32及びNMOSトランジスタ33からなるCMOSインバータ、34、35は記憶ノードである。36、37はデータ転送用のNMOSトランジスタである。なお、PMOSトランジスタ28、29が形成されているNウエルのボディ電位(ウエル電位)は電源電圧VDDとされる。
【0032】
ここで、例えば、記憶ノード34がLレベル(VSS)、記憶ノード35がHレベル(VDD)に維持されている場合には、PMOSトランジスタ28、29及びNMOSトランジスタ33がOFF状態、NMOSトランジスタ30及びPMOSトランジスタ32がON状態にある。この状態を論理1を記憶する状態と定義すると、論理1を記憶する場合には、PMOSトランジスタ29のリーク電流を低減することができる。
【0033】
これに対して、記憶ノード34がHレベル(VDD)、記憶ノード35がLレベル(VSS)に維持されている場合には、PMOSトランジスタ28、29及びNMOSトランジスタ33がON状態、NMOSトランジスタ30及びPMOSトランジスタ32がOFF状態にある。この状態を論理0を記憶する状態と定義すると、論理0を記憶する場合には、PMOSトランジスタ32のリーク電流を低減することができない。
【0034】
したがって、本発明の第2実施形態によれば、メモリセルが論理1を記憶する場合には、本発明の第1実施形態の場合と同様にメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。但し、本発明の第2実施形態は、本発明の第1実施形態と比較すると、メモリセルのトランジスタ数は5個であるから、面積的には有利であるが、メモリセルが論理0を記憶する場合には、メモリセルのリーク電流は、図5に示すメモリセルを備える従来のSRAMと同様となってしまう。これを改善したのが、次に説明する本発明の第3実施形態である。
【0035】
(第3実施形態・・図4)
図4は本発明の第3実施形態の要部を示す回路図である。本発明の第3実施形態は、図3に示すメモリセルを有し、入出力データのビット数をn(但し、nは3ビット以上の整数)とするものであり、書き込みデータの中の論理0の数が論理1の数よりも多くない場合には、書き込みデータの論理値を反転することなしにメモリセルアレイに書き込み、書き込みデータの中の論理0の数が論理1の数よりも多い場合には、書き込みデータを反転したデータをメモリセルアレイに書き込むことができるようにしたものである。
【0036】
図4中、WLi(但し、i=1、2、・・・、mであり、WL3〜WL(m−1)は図示を省略している)はワード線、38は外部から与えられるアドレス信号A0〜Akをデコードしてワード線の選択を行うアドレスデコーダ、39は図3に示すメモリセルを各ワード線にn個ずつ接続してなる、すなわち、n行m列に配列してなるメモリセルアレイである。
【0037】
40は各行のメモリセルに書き込みデータを反転することなしに書き込んだか、あるいは、書き込みデータを反転したデータを書き込んだかを記憶する記憶回路であるデータ極性フィールドであり、各ワード線WLiに1個のメモリセルを接続して構成されている。このメモリセルとして、図1に示すメモリセル又は図3に示すメモリセルを使用することができる。
【0038】
WD0〜WDnは外部から与えられる書き込みデータ、41は書き込みデータWD0〜WDnを反転する反転回路、42は書き込みデータWD0〜WDnの中の論理0の数と論理1の数を比較し、論理0の数が論理1の数よりも多いか否かを示す1ビットからなる極性データPDを出力する極性判定回路であり、論理0の数が論理1の数よりも多くない場合には、極性データPDを論理1とし、論理0の数が論理1の数よりも多い場合には、極性データPDを論理0とするものである。
【0039】
43は書き込みデータWD0〜WDn又は反転回路41から出力される反転書き込みデータ/WD0〜/WDnを選択して出力する選択回路であり、極性データPDが論理1の場合には、書き込みデータWD0〜WDnを選択して出力し、極性データPDが論理0の場合には、反転書き込みデータ/WD0〜/WDnを選択して出力するものである。
【0040】
44は選択回路43から出力される書き込みデータWD0〜WDn又は反転書き込みデータ/WD0〜/WDnをメモリセルアレイ39の選択されたワード線に接続されているメモリセルに書き込むと共に、対応する極性データPDをデータ極性フィールド40の選択されたワード線に接続されているメモリセルに書き込むライトアンプである。
【0041】
45はメモリセルアレイ39から読み出された読み出しデータRD0〜RDnを増幅すると共に、データ極性フィールド40から読み出された極性データPDを増幅するリードアンプ、46はリードアンプ45から出力される読み出しデータRD0〜RDnを反転する反転回路である。
【0042】
47はリードアンプ45から出力された読み出しデータRD0〜RDn又は反転回路46から出力される反転読み出しデータ/RD0〜/RDnを選択して出力する選択回路であり、極性データPDが論理1の場合には、読み出しデータRD0〜RDnを選択して出力し、極性データPDが論理0の場合には、反転読み出しデータ/RD0〜/RDnを選択して出力するものである。
【0043】
本発明の第3実施形態によれば、反転回路41、極性判定回路42、選択回路43及びライトアンプ44からなる書き込み回路を設けているので、メモリセルアレイ39には、論理0の数が論理1の数よりも多くならないように、書き込みデータWD0〜WDn又は反転書き込みデータ/WD0〜/WDnを書き込むことができるので、図3に示すメモリセルを設けるとしているが、本発明の第2実施形態の場合よりもメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。
【0044】
なお、本発明の第3実施形態は、データ極性フィールド40、リードアンプ45、反転回路46及び選択回路47を設けているので、選択回路47から出力される読み出しデータRD0〜RDn又は反転読み出しデータ/RD0〜/RDnは、対応する書き込みデータWD0〜WDnと同一の論理値を有するものとなるので、メモリセルアレイ39に反転書き込みデータ/WD0〜/WDnを書き込むことに何ら問題は生じない。
【0045】
なお、本発明の第3実施形態では、入出力データのビット数nを3ビット以上とする場合について説明したが、本発明は、n=2の場合についても適用することができ、この場合、極性判定回路42は、書き込みデータのビットが論理0のみからなるものか否かを判定することになる。
【0046】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、メモリセルを構成する第1、第2のCMOSインバータのうち、少なくとも一方は、直列接続してゲート同士を接続してなる2個のPMOSトランジスタを負荷素子としているので、メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを必要とせず、簡単な構成でメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の要部を示す回路図である。
【図2】本発明の第1実施形態におけるメモリセルのリーク電流低減原理を説明するための回路図である。
【図3】本発明の第2実施形態の要部を示す回路図である。
【図4】本発明の第3実施形態の要部を示す回路図である。
【図5】従来のSRAMの一例の要部を示す回路図である。
【図6】図5に示す従来のSRAMが有する問題点を説明するための回路図である。
【符号の説明】
WL・・・ワード線
BL、/BL・・・ビット線
VDD・・・電源電位
VSS・・・接地電位
8、9・・・記憶ノード
21、22・・・記憶ノード
34、35・・・記憶ノード
【発明の属する技術分野】
本発明は、2個のインバータをクロス接続したフリップフロップを記憶媒体とする半導体記憶装置、いわゆる、SRAM(static random access memory)に関する。
【0002】
近年、トランジスタの微細化に伴い、電源電位が低下し、トランジスタの閾値電圧がますます低下する傾向にある。このため、LSI内の回路のうち、論理回路部分については、スタンバイモード時には電源から切り離すことによって、スタンバイモード時にトランジスタを通じて流れるリーク電流を極力小さくする工夫が行われている。論理回路部分は、状態保持用のフリップフロップ部分を除いて、スタンバイモード時には電源に接続されている必要がないため、このような手法をとることができる。
【0003】
また、フリップフロップの状態をスタンバイモード時にはリセットされるものとしてシステムを設計することもしばしば行われている。この場合は、フリップフロップの電源も、スタンバイモード時には切断することができる。スタンバイモードからアクティブモードに移行するためには、プログラムを最初から起動し直す手順や状態を復帰させるための手順が必要であるが、これらの手順に必要な時間を無視できる場合が多いからである。
【0004】
しかしながら、大容量のSRAMについては、スタンバイモード時にリセットすると、元の状態へ復帰させるための時間が非常に大きくなったり、元の状態へ復帰させることをあきらめなければならない場合もある。このため、通常、大容量のSRAMについては、スタンバイモード時に電源を切断してメモリセルの情報をリセットするということは行われず、他の方法によってリーク電流を低減することが行われているが、SRAMのスタンバイモード時のリーク電流はメモリセルのリーク電流が大部分を占めるため、メモリセルのリーク電流を低減する手法が有効である。
【0005】
【従来の技術】
図5は従来のSRAMの一例の要部を示す回路図であり、従来のSRAMが備えるメモリセルの一例を示している。図5中、WLはワード線、BL、/BLはビット線、VDDは電源電位、VSSは接地電位である。
【0006】
1は記憶媒体をなすフリップフロップであり、2はPMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ4からなるCMOSインバータ、5はPMOSトランジスタ6及びNMOSトランジスタ7からなるCMOSインバータ、8、9は記憶データに対応したレベルに維持される記憶ノードである。10、11はデータ転送用のNMOSトランジスタである。
【0007】
図6は図5に示す従来のSRAMが有する問題点を説明するための回路図である。例えば、記憶ノード8がLレベル(VSS)、記憶ノード9がHレベル(VDD)に維持されている場合には、PMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ7がOFF状態、NMOSトランジスタ4及びPMOSトランジスタ6がON状態にある。
【0008】
この場合、OFF状態のPMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ7のゲート・ソース間電位Vgs=Vg−Vsは、いずれも0Vであり、PMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ7の閾値電圧の絶対値が小さい場合には、PMOSトランジスタ3及びNMOSトランジスタ7のソース・ドレイン間にリーク電流が流れることになる。
【0009】
図6に示す場合とは逆に、記憶ノード8がHレベル(VDD)、記憶ノード9がLレベル(VSS)に維持されている場合には、NMOSトランジスタ4及びPMOSトランジスタ6のソース・ドレイン間にリーク電流が流れる。これらフリップフロップ1に流れるリーク電流がメモリセルのリーク電流に寄与する最も大きな電流である。
【0010】
従来、図5に示すメモリセルのリーク電流低減方法として、メモリセルに接続する電源を分離し、この電源の電位をスタンバイモード時には低くする技術や、PMOSトランジスタ3、6及びNMOSトランジスタ4、7、10、11のウエル電位を変化させて、非選択状態時には、PMOSトランジスタ3、6のNウエルを電源電位VDDよりも高電位にし、NMOSトランジスタ4、7、10、11のPウエルを接地電位VSSよりも低電位にする技術(例えば、特許文献1参照)が提案されている。
【0011】
また、PMOSトランジスタ3のドレインと記憶ノード8との間に、PMOSトランジスタ3がON状態の場合には低抵抗、OFF状態の場合に高抵抗となる可変抵抗を介在させると共に、PMOSトランジスタ6のドレインと記憶ノード9との間に、PMOSトランジスタ6がON状態の場合には低抵抗、OFF状態の場合には高抵抗となる可変抵抗を介在させる技術(例えば、特許文献2参照)も提案されている。
【0012】
【特許文献1】特開2000−182377号公報
【特許文献2】特開平2−250373号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メモリセルに接続する電源の電位をスタンバイモード時には低くする技術は、電源電位VDDより低い電位を持つ電源を用意する必要があるという問題点を有していた。
【0014】
また、メモリセルを構成するトランジスタのウエル電位を変化させる技術は、このための回路が必要となり、この回路の消費電力がリーク電流による消費電力と比較して無視できないと共に、ウエル電位を変動させる場合には、安定した電位に至るまでの時間が必要であり、頻繁にスタンバイモードに移行することができないという問題点があった。
【0015】
また、メモリセルを構成するPMOSトランジスタのドレインと記憶ノードとの間に可変抵抗を介在させる技術は、製造上、可変抵抗を形成するためのプロセスが必要になってしまうという問題点を有していた。
【0016】
本発明は、かかる点に鑑み、メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを必要とせず、簡単な構成でメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができるようにしたSRAMを提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明のSRAMは、第1、第2のCMOSインバータをクロス接続し、第1、第2のCMOインバータの出力ノードをそれぞれ第1、第2の記憶ノードとする記憶媒体を有するSRAMであって、少なくとも、第1、第2のCMOSインバータの一方は、直列接続してゲート同士を接続してなる2個のPMOSトランジスタを負荷素子としている、というものである。
【0018】
本発明によれば、記録媒体を構成する第1、第2のCMOSインバータのうち、少なくとも一方は、直列接続してゲート同士を接続してなる2個のPMOSトランジスタを負荷素子としているので、メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを設けなくとも、メモリセルのリーク電流を低減化することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図4を参照して、本発明の第1実施形態〜第3実施形態について説明する。
【0020】
(第1実施形態・・図1、図2)
図1は本発明の第1実施形態の要部を示す回路図であり、本発明の第1実施形態が備えるメモリセルを示している。すなわち、本発明の第1実施形態は、図1に示すメモリセルを備え、その他については、従来周知のように構成するというものである。
【0021】
図1中、WLはワード線、BL、/BLはビット線、VDDは電源電位、VSSは接地電位である。12は記憶媒体をなすフリップフロップであり、13はPMOSトランジスタ14、15及びNMOSトランジスタ16からなるCMOSインバータ、17はPMOSトランジスタ18、19及びNMOSトランジスタ20からなるCMOSインバータ、21、22は記憶ノードである。23、24はデータ転送用のNMOSトランジスタである。なお、PMOSトランジスタ14、15、18、19が形成されているNウエルのボディ電位(ウエル電位)は電源電圧VDDとされる。
【0022】
図2は本発明の第1実施形態におけるメモリセルのリーク電流低減原理を説明するための回路図である。例えば、記憶ノード21がLレベル(VSS)、記憶ノード22がHレベル(VDD)に維持されている場合には、PMOSトランジスタ14、15及びNMOSトランジスタ20がOFF状態、NMOSトランジスタ16及びPMOSトランジスタ18、19がON状態にある。
【0023】
この場合、PMOSトランジスタ14のドレインとPMOSトランジスタ15のソースの接続点25の電位は、電源電位VDDよりも低い電位VDD−αとなる。これは、PMOSトランジスタ14のリークによるコンダクタンスによってもたらされる。
【0024】
また、この場合、PMOSトランジスタ15のゲート電位は、電源電位VDDとなっているので、PMOSトランジスタ15のゲート・ソース間電位Vgs(=Vg−Vs)はαとなり、PMOSトランジスタ15は、通常のゲート・ソース間電位(0V)よりも正方向にバイアスされる。したがって、PMOSトランジスタ15のソース・ドレイン間のリーク電流は減少する。
【0025】
また、この場合、PMOSトランジスタ15のボディ・ソース間電位Vbs(=Vb−Vs)はαとなり、PMOSトランジスタ15のボディ電位は正方向にバイアスされる。この結果、PMOSトランジスタ15の閾値電圧の絶対値は大きくなり、リーク電流は減少する方向に働く。この点からも、PMOSトランジスタ15のリーク電流は減少する。
【0026】
図2に示す場合とは逆に、記憶ノード21がHレベル(VDD)、記憶ノード22がLレベル(VSS)の状態にある場合には、NMOSトランジスタ16及びPMOSトランジスタ18、19のソース・ドレイン間にリーク電流が流れることになるが、本発明の第1実施形態によれば、PMOSトランジスタ19に流れるリーク電流を低減することができる。
【0027】
ここで、特許文献2に記載の技術は、PMOSトランジスタ15、19の代わりに可変抵抗を設け、可変抵抗での電圧効果分だけPMOSトランジスタ15、19のドレイン電位を上昇させ、PMOSトランジスタ14、18のリーク電流を減少させるというものであるが、その作用からすれば、リーク電流低減の割合は、1/2〜1/3のオーダであると考えられる。これに対して、本発明の第1実施形態の場合には、PMOSトランジスタ15、19のゲートを逆バイアスすることにより実効的に閾値電圧の絶対値を大きくしているので、リーク電流低減の割合は、1/10〜1/100のオーダになる。
【0028】
以上のように、本発明の第1実施形態によれば、CMOSインバータ13は、直列接続してゲート同士を接続してなるPMOSトランジスタ14、15を負荷素子とし、CMOSインバータ17は、直列接続してゲート同士を接続してなるPMOSトランジスタ18、19を負荷素子としているので、メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを必要とせず、簡単な構成でメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。
【0029】
また、本発明の第1実施形態によれば、スタンバイ及びアクティブのいずれの動作モードにおいても、メモリセルのリーク電流を低減することができるので、スタンバイモードとアクティブモードとの切替を行う回路を設けることなしに、メモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。
【0030】
(第2実施形態・・図3)
図3は本発明の第2実施形態の要部を示す回路図であり、本発明の第2実施形態が備えるメモリセルを示している。すなわち、本発明の第2実施形態は、図3に示すメモリセルを備え、その他については、従来周知のように構成するというものである。
【0031】
図3中、WLはワード線、BL、/BLはビット線、VDDは電源電位、VSSは接地電位である。26は記憶媒体をなすフリップフロップであり、27はPMOSトランジスタ28、29及びNMOSトランジスタ30からなるCMOSインバータ、31はPMOSトランジスタ32及びNMOSトランジスタ33からなるCMOSインバータ、34、35は記憶ノードである。36、37はデータ転送用のNMOSトランジスタである。なお、PMOSトランジスタ28、29が形成されているNウエルのボディ電位(ウエル電位)は電源電圧VDDとされる。
【0032】
ここで、例えば、記憶ノード34がLレベル(VSS)、記憶ノード35がHレベル(VDD)に維持されている場合には、PMOSトランジスタ28、29及びNMOSトランジスタ33がOFF状態、NMOSトランジスタ30及びPMOSトランジスタ32がON状態にある。この状態を論理1を記憶する状態と定義すると、論理1を記憶する場合には、PMOSトランジスタ29のリーク電流を低減することができる。
【0033】
これに対して、記憶ノード34がHレベル(VDD)、記憶ノード35がLレベル(VSS)に維持されている場合には、PMOSトランジスタ28、29及びNMOSトランジスタ33がON状態、NMOSトランジスタ30及びPMOSトランジスタ32がOFF状態にある。この状態を論理0を記憶する状態と定義すると、論理0を記憶する場合には、PMOSトランジスタ32のリーク電流を低減することができない。
【0034】
したがって、本発明の第2実施形態によれば、メモリセルが論理1を記憶する場合には、本発明の第1実施形態の場合と同様にメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。但し、本発明の第2実施形態は、本発明の第1実施形態と比較すると、メモリセルのトランジスタ数は5個であるから、面積的には有利であるが、メモリセルが論理0を記憶する場合には、メモリセルのリーク電流は、図5に示すメモリセルを備える従来のSRAMと同様となってしまう。これを改善したのが、次に説明する本発明の第3実施形態である。
【0035】
(第3実施形態・・図4)
図4は本発明の第3実施形態の要部を示す回路図である。本発明の第3実施形態は、図3に示すメモリセルを有し、入出力データのビット数をn(但し、nは3ビット以上の整数)とするものであり、書き込みデータの中の論理0の数が論理1の数よりも多くない場合には、書き込みデータの論理値を反転することなしにメモリセルアレイに書き込み、書き込みデータの中の論理0の数が論理1の数よりも多い場合には、書き込みデータを反転したデータをメモリセルアレイに書き込むことができるようにしたものである。
【0036】
図4中、WLi(但し、i=1、2、・・・、mであり、WL3〜WL(m−1)は図示を省略している)はワード線、38は外部から与えられるアドレス信号A0〜Akをデコードしてワード線の選択を行うアドレスデコーダ、39は図3に示すメモリセルを各ワード線にn個ずつ接続してなる、すなわち、n行m列に配列してなるメモリセルアレイである。
【0037】
40は各行のメモリセルに書き込みデータを反転することなしに書き込んだか、あるいは、書き込みデータを反転したデータを書き込んだかを記憶する記憶回路であるデータ極性フィールドであり、各ワード線WLiに1個のメモリセルを接続して構成されている。このメモリセルとして、図1に示すメモリセル又は図3に示すメモリセルを使用することができる。
【0038】
WD0〜WDnは外部から与えられる書き込みデータ、41は書き込みデータWD0〜WDnを反転する反転回路、42は書き込みデータWD0〜WDnの中の論理0の数と論理1の数を比較し、論理0の数が論理1の数よりも多いか否かを示す1ビットからなる極性データPDを出力する極性判定回路であり、論理0の数が論理1の数よりも多くない場合には、極性データPDを論理1とし、論理0の数が論理1の数よりも多い場合には、極性データPDを論理0とするものである。
【0039】
43は書き込みデータWD0〜WDn又は反転回路41から出力される反転書き込みデータ/WD0〜/WDnを選択して出力する選択回路であり、極性データPDが論理1の場合には、書き込みデータWD0〜WDnを選択して出力し、極性データPDが論理0の場合には、反転書き込みデータ/WD0〜/WDnを選択して出力するものである。
【0040】
44は選択回路43から出力される書き込みデータWD0〜WDn又は反転書き込みデータ/WD0〜/WDnをメモリセルアレイ39の選択されたワード線に接続されているメモリセルに書き込むと共に、対応する極性データPDをデータ極性フィールド40の選択されたワード線に接続されているメモリセルに書き込むライトアンプである。
【0041】
45はメモリセルアレイ39から読み出された読み出しデータRD0〜RDnを増幅すると共に、データ極性フィールド40から読み出された極性データPDを増幅するリードアンプ、46はリードアンプ45から出力される読み出しデータRD0〜RDnを反転する反転回路である。
【0042】
47はリードアンプ45から出力された読み出しデータRD0〜RDn又は反転回路46から出力される反転読み出しデータ/RD0〜/RDnを選択して出力する選択回路であり、極性データPDが論理1の場合には、読み出しデータRD0〜RDnを選択して出力し、極性データPDが論理0の場合には、反転読み出しデータ/RD0〜/RDnを選択して出力するものである。
【0043】
本発明の第3実施形態によれば、反転回路41、極性判定回路42、選択回路43及びライトアンプ44からなる書き込み回路を設けているので、メモリセルアレイ39には、論理0の数が論理1の数よりも多くならないように、書き込みデータWD0〜WDn又は反転書き込みデータ/WD0〜/WDnを書き込むことができるので、図3に示すメモリセルを設けるとしているが、本発明の第2実施形態の場合よりもメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。
【0044】
なお、本発明の第3実施形態は、データ極性フィールド40、リードアンプ45、反転回路46及び選択回路47を設けているので、選択回路47から出力される読み出しデータRD0〜RDn又は反転読み出しデータ/RD0〜/RDnは、対応する書き込みデータWD0〜WDnと同一の論理値を有するものとなるので、メモリセルアレイ39に反転書き込みデータ/WD0〜/WDnを書き込むことに何ら問題は生じない。
【0045】
なお、本発明の第3実施形態では、入出力データのビット数nを3ビット以上とする場合について説明したが、本発明は、n=2の場合についても適用することができ、この場合、極性判定回路42は、書き込みデータのビットが論理0のみからなるものか否かを判定することになる。
【0046】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、メモリセルを構成する第1、第2のCMOSインバータのうち、少なくとも一方は、直列接続してゲート同士を接続してなる2個のPMOSトランジスタを負荷素子としているので、メモリセルの電源電位やメモリセルのトランジスタのウエル電位を可変させるための回路や、可変抵抗を形成するためのプロセスを必要とせず、簡単な構成でメモリセルのリーク電流の低減化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の要部を示す回路図である。
【図2】本発明の第1実施形態におけるメモリセルのリーク電流低減原理を説明するための回路図である。
【図3】本発明の第2実施形態の要部を示す回路図である。
【図4】本発明の第3実施形態の要部を示す回路図である。
【図5】従来のSRAMの一例の要部を示す回路図である。
【図6】図5に示す従来のSRAMが有する問題点を説明するための回路図である。
【符号の説明】
WL・・・ワード線
BL、/BL・・・ビット線
VDD・・・電源電位
VSS・・・接地電位
8、9・・・記憶ノード
21、22・・・記憶ノード
34、35・・・記憶ノード
Claims (5)
- 第1、第2のCMOSインバータをクロス接続し、該第1、第2のCMOSインバータの出力ノードをそれぞれ第1、第2の記憶ノードとする記憶媒体を有する半導体記憶装置であって、
前記第1、第2のCMOSインバータは、直列接続してゲート同士を接続してなる2個のPMOSトランジスタを負荷素子としていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 第1、第2のCMOSインバータをクロス接続し、該第1、第2のCMOSインバータの出力ノードをそれぞれ第1、第2の記憶ノードとする記憶媒体を有する半導体記憶装置であって、
前記第1のCMOSインバータは、直列接続してゲート同士を接続してなる2個のPMOSトランジスタを負荷素子としていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 複数ビット単位でデータの入出力を行うことができるように前記記憶媒体を配列してなるメモリセルアレイと、
書き込みデータ中の論理0と論理1の個数の多少に応じ、前記第1のCMOSインバータの2個のPMOSトランジスタがオフ状態となる記憶媒体が半数以上となるように前記書き込みデータ又は前記書き込みデータを反転してなるデータのいずれかの書き込みを行う書き込み回路を備え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。 - 前記書き込みデータ又は前記書き込みデータを反転してなるデータのいずれを前記メモリセルアレイに書き込んだかを読み出し可能に記憶する記憶回路を備えていることを特徴とする請求項3記載の半導体記憶装置。
- 前記記憶回路の記憶データを参照して、前記メモリセルアレイから読み出したデータ又は前記メモリセルアレイから読み出したデータを反転してなるデータのいずれかを出力する読み出し回路を備えていることを特徴とする請求項4記載の半導体記憶装置。
Priority Applications (1)
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JP2003071392A JP2004280956A (ja) | 2003-03-17 | 2003-03-17 | 半導体記憶装置 |
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JP2003071392A JP2004280956A (ja) | 2003-03-17 | 2003-03-17 | 半導体記憶装置 |
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Family Applications (1)
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JP2003071392A Withdrawn JP2004280956A (ja) | 2003-03-17 | 2003-03-17 | 半導体記憶装置 |
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Country | Link |
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-
2003
- 2003-03-17 JP JP2003071392A patent/JP2004280956A/ja not_active Withdrawn
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