JP2005129109A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明の目的は、製造プロセスが微細化、動作電圧が低電圧化された場合においても、安定した書き込み動作を実現できる半導体記憶装置を提供することである。
【解決手段】 書き込み動作時の選択ワード線の電圧を電源電圧よりも高くする。これにより,転送MOSトランジスタの電流駆動能力が増加し,Hレベル側の記憶ノードに書き込まれる電圧がより高くなる。その結果,この電圧を受ける負荷MOSトランジスタの電流駆動能力が減少し,転送MOSトランジスタと負荷MOSトランジスタの電流駆動能力の比が大きくなる。以上により,Lレベル側の記憶ノードの電圧を十分低くすることができ,安定した書き込みを実現できる。
【選択図】 図3
本発明の目的は、製造プロセスが微細化、動作電圧が低電圧化された場合においても、安定した書き込み動作を実現できる半導体記憶装置を提供することである。
【解決手段】 書き込み動作時の選択ワード線の電圧を電源電圧よりも高くする。これにより,転送MOSトランジスタの電流駆動能力が増加し,Hレベル側の記憶ノードに書き込まれる電圧がより高くなる。その結果,この電圧を受ける負荷MOSトランジスタの電流駆動能力が減少し,転送MOSトランジスタと負荷MOSトランジスタの電流駆動能力の比が大きくなる。以上により,Lレベル側の記憶ノードの電圧を十分低くすることができ,安定した書き込みを実現できる。
【選択図】 図3
Description
本発明は半導体記憶装置に関するものである。より特定的には、本発明は、Nチャネル型の2個の転送MOSトランジスタと、Nチャネル型の2個の駆動MOSトランジスタと、Pチャネル型の2個の負荷MOSトランジスタとで構成されるメモリセルを有するスタティク型ランダムアクセスメモリ(Static Randum Access Memory:SRAM)の書き込み動作時の条件を含む半導体記憶装置に関するものである。
メモリセルサイズの小型化を実現する回路技術は、例えば、特開平5−48039号公報に見られる。即ち、2個の転送MOSトランジスタと、2個の駆動MOSトランジスタと、2個の負荷抵抗とで構成されるメモリセルを有するSRAMにおいて、書き込み動作時における選択ワード線の電圧を読み出し動作時におけるそれよりも上記2個の転送MOSトランジスタのしきい値分以上高くする回路技術である(特許文献1)。又、良好な書き込みを実現する回路技術は、例えば、特開平7−211080号公報に見られる。即ち、2個の転送MOSトランジスタと、2個の駆動MOSトランジスタと、2個の負荷抵抗とで構成されるメモリセルを有するSRAMにおいて、書き込み動作時における選択ワード線の電圧を読み出し動作時におけるそれよりも高くすることにより、低電圧でも良好な書き込みを実現する回路技術である(特許文献2)。
又、特開2002−368135号公報は、従来技術でのメモリセルのレイアウトの例を示す(特許文献5)。
特開平5−120882号公報は、本発明のSRAMに供することが出来る昇圧回路の例を(特許文献3)、特開平3−174612号公報は、本発明のSRAMに供することが出来る降圧回路の例を(特許文献4)示す。
尚、一般にSRAMは、いわゆる、転送用の絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ、駆動用の絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ、或いは負荷用の絶縁ゲート型電界効果型トランジスタなどの構成要素を有するが、本願明細書では、用語の煩雑さを避ける為、各々、転送MOSトランジスタ、駆動MOSトランジスタ、負荷MOSトランジスタと略記する。従って、このMOSトランジスタの略称は、一般的な絶縁ゲート型電界効果型トランジスタを意味するものである。
近年、機器の携帯化が進み、LSIの小型化及び低電力化が、ますます重要となっている。その為、製造プロセスの微細化や動作電圧の低電圧化が進んでいる。従って、LSIの重要な構成要素として挙げられるSRAMも低電圧で動作させることが必要となる。
図10に、いわゆる完全CMOS型のメモリセルMCの例を示す。このSRAMのメモリセルMCの例は、2個の転送MOSトランジスタ(MN1、MN2)と、2個の駆動MOSトランジスタ(MN3、MN4)と、2個の負荷MOSトランジスタ(MP1、MP2)とで構成される。
製造プロセスの微細化や低電圧化が進んだ段階で、完全CMOS型のメモリセルMCを検討した結果、データが書き込めなくなるという難点があることがわかった。この難点を、図を用いて詳細に説明する。以下の説明では、図10に示すように、メモリセルMCの記憶ノードNL、NRのうち、NLにはH(High)レベルが、NRにはL(Low)レベルが保持されていると仮定する。尚、図10では、前者をNL(H)、後者をNR(L)と表示される。
メモリセルMCへの反転データの書き込みは、次のように行われる。ワード線WLに、例えば電源電圧VDDを印加し、転送MOSトランジスタMN1、MN2をオンさせる。同時に、ビット線対(BT、BB)のうち、BTは接地電圧VSSに、BBは電源電圧VDDにすることによって、駆動MOSトランジスタMN3、MN4のオン、オフを反転させる。
従って、書き込み動作直後の記憶ノードNLの電圧は、記憶ノードNRの電圧よりも低くする必要がある。
しかしながら、しきい値ばらつきが大きい場合、次のような問題が生じる。すなわち、しきい値ばらつきにより、転送MOSトランジスタMN1のしきい値が大きく、負荷MOSトランジスタMP1のしきい値が小さくなった場合、転送MOSトランジスタMN1と負荷MOSトランジスタMP1の電流駆動能力の比が小さくなるため、記憶ノードNLの電圧が下がらなくなってしまう。さらに、低電圧化に伴い、MOSトランジスタのゲート・ソース間電圧としきい値の差が小さくなるため、MOSトランジスタの電流駆動能力のしきい値依存性が強くなる。このため、転送MOSトランジスタMN1と負荷MOSトランジスタMP1の電流駆動能力の比がさらに小さくなり、 記憶ノードNLの電圧がより下がらなくなってしまう。以上のことから、記憶ノードNLの電圧が記憶ノードNRの電圧よりも下がらなくなり、メモリセルMCにデータが書き込めなくなるという問題が生じる。
図12は、プロセス技術としきい値ばらつきの関係を示した図である。図12からわかるように、プロセス技術が進むほど、しきい値ばらつきが増加することがわかる。このことから、メモリセルMCにデータが書き込めないという問題は、プロセス技術が進むほど深刻になることがわかる。
この問題を解決するためには、例えば次の方法が考えられる。即ち、(1)負荷MOSトランジスタ(MP1、MP2)のしきい値を転送MOSトランジスタ(MN1、MN2)のしきい値よりも大きくする。(2)転送MOSトランジスタ(MN1、MN2)のしきい値を負荷MOSトランジスタ(MP1、MP2)のしきい値よりも低くする。
しかしながら、前記(1)の方法では、書き込み動作直後のHレベルの電圧を電源電圧VDDまで引き上げるのに時間が掛かる為、書き込み時間が長くなる。この為、メモリセルMCの安定性を示すスタティックノイズマージンが劣化する、という難点が新たに発生する。
一方、前記(2)の方法でも、スタティックノイズマージンが劣化する、或いは、非選択メモリセルMCのリーク電流の増加により読み出し電流が減少する、という難点が新たに発生する。
以上のことから、製造プロセスの微細化、動作電圧の低電圧化に伴い、データの書き込み時間が長くなることがわかった。更に、最悪の場合には、データが書き込めないという問題も発生する。
本発明の目的は、製造プロセスの微細化、動作電圧の低電圧化がされた場合においても、安定した書き込み動作を実現できる半導体記憶装置を提供することにある。
本願明細書において開示される発明のうち、代表的なものの骨子を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明の半導体記憶装置は、
Nチャネル型の第1及び第2の転送MOSトランジスタと、
Nチャネル型の第1及び第2の駆動MOSトランジスタと、
Pチャネル型の第1及び第2の負荷MOSトランジスタとで
構成されたスタティック型のメモリセルを有する半導体記憶装置において、書き込み動作時の選択ワード線の電圧を電源電圧よりも高くすることを特徴とする。
Nチャネル型の第1及び第2の転送MOSトランジスタと、
Nチャネル型の第1及び第2の駆動MOSトランジスタと、
Pチャネル型の第1及び第2の負荷MOSトランジスタとで
構成されたスタティック型のメモリセルを有する半導体記憶装置において、書き込み動作時の選択ワード線の電圧を電源電圧よりも高くすることを特徴とする。
より仔細には、 半導体基板と、前記半導体基板上に、Nチャネル型の第1及び第2の転送用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタと、Nチャネル型の第1及び第2の駆動用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタと、Pチャネル型の第1及び第2の負荷用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタとで構成されたスタティック型のメモリセルの複数と、互いに交差するワード線及びビット線の複数と、を少なくとも有し、前記第1及び第2の転送用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタの各々のゲートが、前記複数のワード線の内の、一対をなすワード線の各々に接続され、前記第1及び前記第2の転送用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタの各々のドレインが、前記複数のビット線の内の、一対をなすビット線の各々に接続され、前記第1及び前記第2の負荷用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタの各々のソースに電源電圧の印加が可能であり、且つ、前記複数のワード線の内、書き込み動作時に選択されたワード線の電圧を前記電源電圧よりも高くすることを特徴とした半導体記憶装置である。
尚、特許文献1、2に記載されている抵抗を負荷とするメモリセルを有するSRAMにおいて、書き込み動作時の選択ワード線の電圧を電源電圧よりも高くする回路技術が開示さているが、これらは抵抗負荷型のメモリセルであり、完全CMOSの課題に対する本願とは、扱っている課題が異なる。又、薄膜トランジスタ(TFT)を負荷とするメモリセルを有するSRAMについても同様である。
又、扱っている課題の性質から、書き込み動作時の選択ワード線の電圧は、電源電圧よりも、更に転送MOSトランジスタのしきい値分以上高くする必要がある。一方、本発明の書き込み動作時のワード線の電圧は、転送MOSトランジスタMN1と負荷MOSトランジスタMP1の電流駆動能力の比を十分に大きくできる電圧であればよく、上記の電圧に限定する必要はない。
更に、前記半導体記憶装置において、前記複数のワード線の内、読み出し動作時に選択されたワード線の電圧を、書き込み動作時に選択されたワード線の電圧よりも低くすることは実用上、有用である。
本発明によれば、製造プロセスが微細化、動作電圧が低電圧化された場合においても、安定した書き込み動作が実現できる半導体記憶装置、わけてもSRAMを提供することできる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する回路には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
<実施例1>
図1は本発明を適用したSRAMの一実施例を示す回路構成図である。図1に示すSRAMは、メモリアレイMA、デコーダ回路DEC、プリチャージ・イコライズ回路PE、Yスイッチ回路YS、センスアンプ回路SA、ライトアンプ回路WA、制御回路CONTから構成される。
図1は本発明を適用したSRAMの一実施例を示す回路構成図である。図1に示すSRAMは、メモリアレイMA、デコーダ回路DEC、プリチャージ・イコライズ回路PE、Yスイッチ回路YS、センスアンプ回路SA、ライトアンプ回路WA、制御回路CONTから構成される。
メモリアレイMAは、複数のビット線対(BT、BB)(それらの具体例は、例えば(BT0、BB0)、(BT1、BB1)、・・・などと示される)と、複数のワード線WL(WL0、WL1、…)との交点に配置された複数のメモリセルMCとで構成される。図1ではメモリセルMCの一つの例についてのみ、内部回路を具体的に示した。他のメモリセルMCの回路はこれと同様であり、この部分を点線の矩形で示した。
メモリセルMCは、2個の転送MOSトランジスタMN1、MN2と、2個の駆動MOSトランジスタMN3、MN4と、2個の負荷MOSトランジスタMP1、MP2とで、図の結線のように構成される。転送MOSトランジスタMN1とMN2のそれぞれのゲートはワード線WL(WL0、WL1、…)に接続される。転送MOSトランジスタMN1のドレインはビット線BT(BT0、BT1、…)に接続され、ソースは駆動MOSトランジスタMN3のドレイン、負荷MOSトランジスタMP2のゲート、駆動MOSトランジスタMN4のゲートに接続され、一方の記憶ノードNLを構成する。又、転送MOSトランジスタMN2のドレインはビット線BB(BB0、BB1、…)に接続され、ソースは駆動MOSトランジスタMN4のドレイン、負荷MOSトランジスタMP1のゲート、駆動MOSトランジスタMN3のゲートに接続され、他方の記憶ノードNRを構成する。負荷MOSトランジスタMP1、MP2のソースは電源電圧VDDに、駆動MOSトランジスタMN3、MN4のソースは接地電圧VSSに、接続される。
デコーダDECは、アドレス信号により複数のワード線WLから一本のワード線を選択する回路であり、アドレスデコーダとワードドライバWDとで構成される。
本実施例におけるワードドライバWDの構成例を図2に示す。図2の結線に示されるように、ワードドライバWDは、NMOSトランジスタMN51、MN52、PMOSトランジスタMP51、MP52からなるNAND回路と、NMOSトランジスタMN53、PMOSトランジスタMP53からなるインバータ回路とで構成される。
ワードドライバWDを構成するPMOSトランジスタMP51、MP52、MP53のソースには、電源電圧VDDよりも高い電圧VDDHが印加される。このような回路構成とすることで、選択ワード線WLを電圧VDDHに、非選択ワード線WLの電圧を接地電圧VSSにすることができる。又、アドレスデコーダ出力が接地電圧VSSの場合、ワード線WLは非選択となるが、ワードドライバWDの内部で貫通電流が流れることはない。
以下、図1のSRAMの回路構成図に従って、その構成を順次説明する。
プリチャージ・イコライズ回路PEは、ビット線対(BT、BB)をプリチャージ、イコライズする回路であり、PMOSトランジスタMP11、MP12、MP13で構成される。プリチャージ・イコライズ回路PEはプリチャージ・イコライズ回路制御信号PECにより制御される。
Yスイッチ回路YSは、ビット線対(BT、BB)とセンスアンプ回路SAをつなぐPMOSトランジスタMP21、MP22と、ビット線対(BT、BB)とライトアンプ回路WAをつなぐNMOSトランジスタMN21、MN22とで構成される。Yスイッチ回路YSは読み出し用YS回路制御信号YSRと書き込み用YS回路制御信号YSWにより制御される。
センスアンプ回路SAは、データ読み出し時にビット線対(BT、BB)に発生する微小電圧差を増幅するための回路であり、微小電圧差を増幅するラッチ型センスアンプ回路と増幅したデータを送るインバータ回路INV31、INV32とで構成される。ラッチ型センスアンプ回路は、PMOSトランジスタMP31、MP32とNMOSトランジスタMN31、MN32とで構成されるラッチとセンスアンプの動作状態を切りかえるNMOSトランジスタMN33とで構成される。センスアンプ回路SAはセンスアンプ回路制御信号SACにより制御される。
ライトアンプ回路WAは、書き込みデータDIN(DIN0、DIN1、…)をビット線対(BT、BB)に与える回路であり、インバータ回路INV41、INV42で構成される。
制御回路CONTは、プリチャージ・イコライズ回路PE、Yスイッチ回路YS、センスアンプ回路SAを制御する制御信号PEC、YSR、YSW、SACを発生する回路である。
次に、図3の動作波形を用いて本実施例におけるSRAMの動作を説明する。
読み出し動作も書き込み動作も行っていない場合(NOP)は、プリチャージ・イコライズ回路制御信号PECはLレベル、読み出し用Yスイッチ回路制御信号YSRはHレベル、書き込み用Yスイッチ回路制御信号YSWはLレベル、センスアンプ回路制御信号SACはLレベルとなっている。
読み出し動作は次のように行われる。アドレス信号あるいはクロックが入力されると、デコーダDECによりアドレス信号がデコードされ、一本のワード線WLが選択される。同時にプリチャージ・イコライズ回路制御信号PECはLレベルからHレベルに、読み出し用Yスイッチ回路制御信号YSRはHレベルからLレベルに、それぞれ遷移する。これにより、ビット線対(BT、BB)とセンスアンプSAが接続され、ビット線対(BT、BB)に微小電圧差が発生する。センスアンプ回路制御信号SACがLレベルからHレベルに遷移するとセンスアンプSAが活性化し、ビット線対(BT、BB)に発生した微小電圧差が増幅され、読み出されたデータが外部出力DOUT(DOUT0、DOUT1、…)に現れる。
一方、書き込み動作は次のように行われる。アドレス信号あるいはクロックが入力されると、デコーダDECによりアドレス信号がデコードされ、一本のワード線WLが選択される。同時にプリチャージ・イコライズ回路制御信号PECはLレベルからHレベルに、書き込み用Yスイッチ回路制御信号YSWはLレベルからHレベルに、それぞれ遷移する。これにより、ビット線対(BT、BB)とライトアンプが接続され、外部入力データDIN(DIN0、DIN1、…)がライトアンプWAを介して、ビット線対(BT、BB)に入力される。ビット線対(BT、BB)に入力されたデータが選択されたワード線WLに接続するメモリセルMCに書き込まれる。
次に、本実施例により書き込み動作が安定して行える理由を説明する。書き込み動作時、選択ワード線WLの電圧は、ワードドライバWDにより電圧VDDHとなり、選択ワード線WLに接続するメモリセルMCの転送MOSトランジスタMN1、MN2がオンする。このとき、転送MOSトランジスタMN1のゲート電圧が電圧VDDHになったことで電流駆動能力が上昇する。一方、選択ワード線を電圧VDDHと高くしたことにより、転送MOSトランジスタMN2を介して書き込まれる記憶ノードNRの電圧も高くなるため、負荷MOSトランジスタMP1の電流駆動能力が低下する。この結果、転送MOSトランジスタMN1と負荷MOSトランジスタMP1の電流駆動能力の比が大きくなる。従って、電圧VDDHを適切に設定すれば、安定した書き込み動作を実現することができる。
本実施例の効果を確認するため、しきい値ばらつきがない場合と、しきい値ばらつきがある場合の書き込み時間のシミュレーションを行った。ここで、書き込み時間とは、選択ワード線WLの電圧が変化してから、記憶ノード(NL、NR)の電圧が交差するまでの時間である。又、しきい値ばらつきがある場合とは、転送MOSトランジスタMN1のしきい値が0.1V上昇し、負荷MOSトランジスタMP1のしきい値が0.1V減少した場合を想定している。
電源電圧VDDが1.0Vでしきい値ばらつきがない場合、電圧VDDHを1.1Vとした本発明の書き込み時間は、従来方式の0.94倍であった。一方、しきい値ばらつきがある場合、本発明の書き込み時間は、従来方式の0.81倍となった。
電源電圧VDDが0.6Vでしきい値ばらつきがない場合、電圧VDDHを0.7Vとした本発明の書き込み時間は、従来方式の0.93倍となった。一方、しきい値ばらつきがある場合、本発明の書き込み時間は、従来方式の0.55倍となった。
以上のシミュレーション結果から、本実施例により、高速かつ安定した書き込み動作を実現できることがわかった。又、電源電圧VDDが1.0V以下で、電圧VDDHを「VDD+0.1V」とすることで、書き込み時間を高速化できること、しきい値ばらつきがある場合に特に効果的であること、がわかった。
書き込み動作時に、選択ワード線の電圧を電源電圧VDDよりも高い電圧VDDHにすることが、本発明の骨子である。しかし、電圧VDDHを供給する電源回路の大きさや消費電力、電圧VDDHが印加される転送MOSトランジスタやワードドライバWD、等を構成するMOSトランジスタの耐圧を考慮して、電圧VDDHを選択する必要がある。もし、MOSトランジスタの耐圧を超える電圧VDDHを印加する必要がある場合には、前記した転送MOSトランジスタやワードドライバWD、等を構成するMOSトランジスタのゲート酸化膜を、それ以外のトランジスタのゲート酸化膜よりも厚くする必要がある。
図11は、本実施例の半導体記憶装置の模式的な断面図を例示している。尚、図11は、MOSトランジスタのゲート酸化膜の厚さを変えなければならない場合の例を示している。また、図11のウェル構造はツインウェル構造となっているが、もちろんトリプルウェル構造、等でも良い。10は半導体基板、20はP型ウェル、30はN型ウェル、21はN型拡散層、31はP型拡散層、22、23、及び32はゲート絶縁膜、24、25、及び33はゲート電極層、26、27はNチャネル型MOSトランジスタ、34はPチャネル型MOSトランジスタである。ここで、例えば、Nチャネル型MOSトランジスタである26を転送MOSトランジスタ、Nチャネル型MOSトランジスタである27を駆動MOSトランジスタ、Pチャネル型MOSトランジスタである34を負荷MOSトランジスタであるとする。このとき、転送MOSトランジスタである26のゲート酸化膜22を、駆動MOSトランジスタである27のゲート酸化膜23、及び負荷MOSトランジスタである34のゲート酸化膜32よりも厚くすることで、電源電圧VDDよりも高い電圧VDDHを転送MOSトランジスタである26に印加できるようにしている。また、電圧VDDHが印加されるワードドライバWD等を構成するMOSトランジスタのゲート酸化膜は、転送MOSトランジスタである26のゲート酸化膜22と同じ膜厚にする。
以上説明してきた選択ワード線の電圧VDDHは、電源電圧VDDを昇圧回路で昇圧したり、あるいは入出力回路用の電源電圧VCCを降圧回路で降圧したりすることで生成することができる。昇圧回路としては、例えば特開平5−120882号公報(特許文献3)に記載されている回路等が、降圧回路としては、例えば特開平3−174612号公報(特許文献4)に記載されている回路等が、それぞれ利用できる。
又、電源電圧VDDを電圧VDDHとして、電源電圧VDDを降圧した電圧をVDDとして、それぞれ用いてSRAMを構成しても良い。
更に、本方式により、メモリセルMCを構成するMOSトランジスタのしきい値の大きさを同じにしても、転送MOSトランジスタMN1と負荷MOSトランジスタMP1の電流駆動能力の比を大きくすることができるため、安定した書き込み動作を実現することができる。即ち、メモリセルMCは、デコーダ回路DEC、プリチャージ・イコライズ回路PE、Yスイッチ回路YS、センスアンプ回路SA、ライトアンプ回路WA、制御回路CONTを構成するMOSトランジスタで構成することができる。更には、半導体集積回路に本発明を適用した半導体記憶装置が搭載される場合には、ロジック回路を構成するMOSトランジスタでメモリセルMCを構成することもできる。
<実施例2>
図4にワードドライバWDの別の構成例を示す。ワードドライバWDは、NMOSトランジスタMN51、MN52、PMOSトランジスタMP51、MP52からなるNAND回路と、NMOSトランジスタMN53、PMOSトランジスタMP53からなるインバータ回路とで構成される。ワードドライバWDを構成するPMOSトランジスタMP51、MP52、MP53のソース(ノードN0)の電圧は電圧切り替え回路VSELにより供給される。ノードN0の電圧は、読み出し動作時は電源電圧VDDに、書き込み動作時はVDDHに、それぞれ制御される。このような回路構成とすることで、アドレスデコーダ出力が接地電圧VSSの場合、つまり、ワード線WLが非選択の場合であっても、ワードドライバWDの内部で貫通電流が流れることはない。
図4にワードドライバWDの別の構成例を示す。ワードドライバWDは、NMOSトランジスタMN51、MN52、PMOSトランジスタMP51、MP52からなるNAND回路と、NMOSトランジスタMN53、PMOSトランジスタMP53からなるインバータ回路とで構成される。ワードドライバWDを構成するPMOSトランジスタMP51、MP52、MP53のソース(ノードN0)の電圧は電圧切り替え回路VSELにより供給される。ノードN0の電圧は、読み出し動作時は電源電圧VDDに、書き込み動作時はVDDHに、それぞれ制御される。このような回路構成とすることで、アドレスデコーダ出力が接地電圧VSSの場合、つまり、ワード線WLが非選択の場合であっても、ワードドライバWDの内部で貫通電流が流れることはない。
図5に電圧切り替え回路VSELの構成例を示す。電圧切り替え回路VSELは、レベル変換回路LCとPMOSトランジスタMP56、MP57とで構成される。又、レベル変換回路LCは、NMOSトランジスタMN54、MN55とPMOSトランジスタMP54、MP55とインバータ回路INV51とで構成される。電源電圧VDDはPMOSトランジスタMP56により、電圧VDDHはPMOSトランジスタMP57により、それぞれ供給される。又、PMOSトランジスタMP56のゲートは電圧切り替え回路制御信号VSCで、PMOSトランジスタMP57のゲートはレベル変換回路LCの出力で、それぞれ制御される。
図5の電圧切り替え回路VSELで、PMOSトランジスタMP57により電圧VDDHを供給する場合、PMOSトランジスタMP56を通して貫通電流が流れてしまい、選択ワード線WLを十分に駆動できない場合が考えられる。この場合には、図6に示すように、PMOSトランジスタMP56に直列にダイオード接続したPMOSトランジスタMP58を挿入すればよい。あるいは、図7に示すように、PMOSトランジスタMP57により電圧VDDHが供給されているとき、PMOSトランジスタMP56のゲートに電圧VDDHが印加されるようにしてもよい。
次に、本実施例におけるワードドライバWDの動作を説明する。
読み出し動作も書き込み動作も行っていない場合(NOP)、電圧切り替え回路制御信号VSCはLレベルとする。このため、電圧切り替え回路VSEL内のPMOSトランジスタMP56がオンし、ノードN0の電圧は電源電圧VDDとなる。
読み出し動作、あるいは書き込み動作が開始したら、PMOSトランジスタMP56で選択ワード線WLを駆動する。選択ワード線WLが電源電圧VDD、あるいは電源電圧VDDに近い電圧になったら、電圧切り替え回路制御信号VSCをHレベルとし、PMOSトランジスタMP57で選択ワード線WLを電圧VDDHまで駆動する。読み出し動作、書き込み動作終了後は電圧切り替え回路制御信号VSCをLレベルに戻す。
読み出し動作、あるいは書き込み動作が開始したら、PMOSトランジスタMP56で選択ワード線WLを駆動する。選択ワード線WLが電源電圧VDD、あるいは電源電圧VDDに近い電圧になったら、電圧切り替え回路制御信号VSCをHレベルとし、PMOSトランジスタMP57で選択ワード線WLを電圧VDDHまで駆動する。読み出し動作、書き込み動作終了後は電圧切り替え回路制御信号VSCをLレベルに戻す。
本実施例で述べたようにワードドライバWDを構成し、動作させることで、二つの効果を得ることができる。一つ目は、電圧VDDHを発生する電源回路の電流駆動能力を低くできることである。これは、電源回路だけでワード線WLを電圧VDDHまで駆動しなくてよいからである。この結果、電源回路のサイズを小さくすることができる。二つ目は、ワードドライバWDのリーク電流を低減できることである。これは、ワードドライバWDの印加電圧を電圧VDDHから電源電圧VDDに低減できるからである。
本実施例において、電圧切り替え回路VSELを、すべてのワードドライバWDで共有することで面積の低減を図っている。しかしながら、ワードドライバWDの数が増加した場合には、電圧切り替え回路VSELが駆動しなければならない容量が増加するため、アクセス時間が増加するという問題が発生する。この問題を解決するためには、電圧切り替え回路VSELを複数用意し、電圧切り替え回路VSELが駆動しなければならないワードドライバWDの数を低減すればよい。
<実施例3>
図8にワードドライバWDの別の構成例を示す。ワードドライバWDは、NMOSトランジスタMN61とPMOSトランジスタMP61、MP62とインバータ回路INV61と容量C61とで構成される。
図8にワードドライバWDの別の構成例を示す。ワードドライバWDは、NMOSトランジスタMN61とPMOSトランジスタMP61、MP62とインバータ回路INV61と容量C61とで構成される。
インバータ回路INV61の遅延時間は、アドレスデコーダ出力がHレベルからLレベルに遷移してからPMOSトランジスタMP61がワード線WLと容量C61を電源電圧VDDが駆動されるまでの時間と等しく設定する。このようにするためには、インバータ回路INV61を構成するMOSトランジスタのゲート幅を調整したり、インバータ回路を奇数段接続したり、すればよい。
本実施例におけるワードドライバWDの動作を説明する。読み出し動作も書き込み動作も行っていない場合(NOP)は、アドレスデコーダ出力はHレベルとなっている。従って、NMOSトランジスタMN61によりワード線WLは接地電圧VSSに駆動されている。
読み出し動作、あるいは書き込み動作が開始したら、アドレスデコーダ出力はHレベルからLレベルに遷移する。これにより、PMOSトランジスタMP61により、ワード線WLと容量C61の一方の端子が電源電圧VDDに駆動される。ワード線WLと容量C61の一方の端子が電源電圧VDDになると同時に、インバータ回路INV61により容量C61の他方の端子が、接地電圧VSSから電源電圧VDDに駆動される。この結果、ワード線WLを電圧が電源電圧VDDよりも高い電圧に駆動することができる。
本実施例によれば、降圧回路や昇圧回路を用いなくとも、ワード線WLを電源電圧VDDよりも高い電圧に駆動することができる。
<実施例4>
実施例1、実施例2、実施例3では、読み出し動作時においても転送MOSトランジスタMN1、MN2に電圧VDDHが印加されるため、読み出し動作時の安定性が劣化してしまう。そこで、読み出し動作時の安定性を改善できる実施例を示す。本実施例におけるSRAMの構成は図1と同じであるため、異なる部分のみ説明する。
実施例1、実施例2、実施例3では、読み出し動作時においても転送MOSトランジスタMN1、MN2に電圧VDDHが印加されるため、読み出し動作時の安定性が劣化してしまう。そこで、読み出し動作時の安定性を改善できる実施例を示す。本実施例におけるSRAMの構成は図1と同じであるため、異なる部分のみ説明する。
本実施例におけるワードドライバWDの構成は実施例2と同じであるため、動作のみ説明する。読み出し動作時、電圧切り替え回路制御信号VSCはLレベル、即ち、接地電圧VSSとする。この結果、レベル変換回路LCの出力は電圧VDDHとなり、PMOSトランジスタMP56はオン、PMOSトランジスタMP57はオフとなり、ノードN0の電圧は電源電圧VDDとなる。従って、選択ワード線WLの電圧は電源電圧VDDとする。一方、書き込み動作時、電圧切り替え回路制御信号VSCはHレベル、即ち電源電圧VDDとする。この結果、レベル変換回路LCの出力は接地電圧VSSとなり、PMOSトランジスタMP56はオフ、PMOSトランジスタMP57はオンとなり、ノードN0の電圧は電圧VDDHとなる。従って、選択ワード線WLは電圧VDDHとなる。
以上述べたように、本実施例におけるワードドライバWDは、読み出し動作時の選択ワード線WLを電源電圧VDDに、書き込み動作時の選択ワード線WLを電圧VDDHに、それぞれ制御することができる。
本実施例において、電圧切り替え回路VSELを、すべてのワードドライバWDで共有することで面積の低減を図っている。しかしながら、ワードドライバWDの数が増加した場合には、電圧切り替え回路VSELが駆動しなければならない容量が増加するため、アクセス時間が増加するという難点が発生する。この難点を解決するためには、電圧切り替え回路VSELを複数用意し、電圧切り替え回路VSELが駆動しなければならないワードドライバWDの数を低減すればよい。
読み出し動作も書き込み動作も行っていない場合の電圧切り替え回路制御信号VSCの電圧は、特に規定しないが、Lレベル、即ち接地電圧VSSであることが望ましい。なぜなら、Lレベルにした場合、ワードドライバWDに印加される電圧が減少するため、ワードドライバWDに流れるリーク電流が低減できるからである。
次に、図9の動作波形を用いて本実施例におけるSRAMの動作を説明する。
読み出し動作も書き込み動作も行っていない場合(NOP)は、電圧切り替え回路制御信号VSCはLレベル、プリチャージ・イコライズ回路制御信号PECはLレベル、読み出し用Yスイッチ回路制御信号YSRはHレベル、書き込み用Yスイッチ回路制御信号YSWはLレベル、センスアンプ回路制御信号SACはLレベルとなっている。
読み出し動作は次のように行われる。アドレス信号あるいはクロックが入力されると、デコーダDECによりアドレス信号がデコードされ、一本のワード線WLが選択される。読み出し動作時における電圧切り替え回路制御信号VSCはLレベルなので、選択ワード線WLは電源電圧VDDとなる。ワード線WLが選択されるのと同時にプリチャージ・イコライズ回路制御信号PECはLレベルからHレベルに、読み出し用Yスイッチ回路制御信号YSRはHレベルからLレベルに、それぞれ遷移する。これにより、ビット線対(BT、BB)とセンスアンプSAが接続され、ビット線対(BT、BB)に微小電圧差が発生する。センスアンプ回路制御信号SACがLレベルからHレベルに遷移するとセンスアンプSAが活性化し、ビット線対(BT、BB)に発生した微小電圧差が増幅され、読み出されたデータが外部出力DOUT(DOUT0、DOUT1、…)に現れる。
一方、書き込み動作は次のように行われる。アドレス信号あるいはクロックが入力されると、デコーダDECによりアドレス信号がデコードされ、一本のワード線WLが選択される。同時に電圧切り替え回路制御信号VSCはLレベルからHレベルに、プリチャージ・イコライズ回路制御信号PECはLレベルからHレベルに、書き込み用Yスイッチ回路制御信号YSWはLレベルからHレベルに、それぞれ遷移する。これにより、選択ワード線WLの電圧はVDDHとなる。又、ビット線対(BT、BB)とライトアンプが接続され、外部入力データDIN(DIN0、DIN1、…)がライトアンプWAを介して、ビット線対(BT、BB)に入力される。ビット線対(BT、BB)に入力されたデータが選択されたワード線WLに接続するメモリセルMCに書き込まれる。書き込み動作終了後には電圧切り替え回路制御信号VSCはLレベルに戻される。
書き込み動作時において、選択ワード線WLが電源電圧VDD、あるいは電源電圧VDDに近い電圧になってから、電圧切り替え回路VSCをLレベルからHレベルに遷移させるのが好ましい。なぜなら、実施例2で述べたように電源回路を小さくできるからである。
次に、本実施例により読み出し動作の安定性が改善できる理由を説明する。読み出し動作時の選択ワード線WLの電圧は電源電圧VDDに制御されるため、選択ワード線WLに接続するメモリセルMCの転送MOSトランジスタMN1、MN2のゲート電圧は電源電圧VDDとなる。従って、駆動MOSトランジスタMN3、MN4と転送MOSトランジスタMN1、MN2の電流駆動能力の比は、転送MOSトランジスタMN1、MN2のゲート電圧がVDDHであった場合のそれよりも大きくすることができる。従って、読み出し動作の安定性を改善することができる。
選択ワード線WLの電圧を電源電圧VDDよりも更に低い電圧VDDLとすることにより、転送MOSトランジスタMN1、MN2と駆動MOSトランジスタMN3、MN4のゲート幅を同じにすることができる。この結果、特開2002−368135号公報(特許文献5)に示されている製造ばらつきを抑えることができるメモリセルMCが利用でき、スタティックノイズマージンを更に改善することができる。又、メモリセルMCを構成するすべてのMOSトランジスタのゲート幅を製造プロセスの許す最小サイズで構成することもできる。
上記の電圧VDDLは、電源電圧VDD、あるいは入出力回路用の電源電圧VCCを降圧回路で降圧することで生成することができる。
一方、書き込み動作時は、選択ワード線WLは電圧VDDHに制御されるため、実施例1で説明した理由により、安定した書き込み動作を実現ができる。
<実施例5>
SOI基板上に形成されているSRAMにおいても、本発明が有効である理由を説明する。
SOI基板上に形成されているSRAMにおいても、本発明が有効である理由を説明する。
PD−SOI(Silicon On Insulator)基板上にMOSトランジスタを形成する場合には、チャネル不純物濃度の揺らぎや加工ばらつきにより、FD−SOI基板上にMOSトランジスタを形成する場合には、加工ばらつきにより、しきい値がばらつく。どちらの場合も製造プロセスの微細化とともにしきい値ばらつきは増加する。このため、前述したように製造プロセスの微細化、動作電圧の低電圧化によりデータ書き込みができないという問題は、SOI基板上にSRAMを形成した場合においても発生する。SOI基板上にSRAMを形成した場合には、更に次のような問題が発生する。SOI基板上に形成されたMOSトランジスタは、基板バイアス効果がないという特徴がある。この特徴により、バルク上にSRAMを形成した場合と比べると、SOI基板上にSRAMを形成した場合のスタティックノイズマージンが劣化する。以下、この理由を説明する。
メモリセルMCのデータを読み出す場合、記憶ノードNRに電流が流れ込む。この結果、Lレベルの電圧は接地電圧VSSよりも増加する。これに伴い、転送MOSトランジスタMN2のゲート・ソース間電圧とバルク・ソース間電圧が減少する。バルク上にSRAMを形成した場合には、転送MOSトランジスタMN2のゲート・ソース間電圧、バルク・ソース間電圧が減少することにより、転送MOSトランジスタMN2の電流駆動能力が減少し、Lレベルの電圧増加が抑制される。一方、SOI基板上にSRAMを形成した場合には、バルク・ソース間電圧が減少しても、転送MOSトランジスタMN2の電流駆動能力は変化しない。このため、バルク上にSRAMを形成した場合と比べ、Lレベルの電圧は増加する。従って、SOI基板上にSRAMを形成した場合の方が、スタティックノイズマージンが劣化する。
以上、本発明を諸実施例により詳細に説明した。
本発明によれば、第一の課題である、データ書き込み動作ができないという課題は、書き込み動作時に、選択ワード線の電圧を電源電圧VDDよりも高い電圧VDDHにすることで、解決することができる。又、第二の課題である、スタティックノイズマージンが劣化するという課題は、読み出し動作時に、選択ワード線の電圧を電源電圧VDDよりも低くすることで解決することができる。
又、本発明は、前述した諸課題が発生した加工レベルが、例えば0.13μm或いは90nm以下においても十分課題に対応することが出来る。
BT、BB、BT0、BB0、BT1、BB1……ビット線、C61……容量、
CONT……制御回路、DEC……デコーダ、
DIN、DIN0、DIN1……入力データ、
DOUT、DOUT0、DOUT1……出力データ、
INV31、INV32、INV41、INV42、INV51、
INV52、INV61……インバータ回路、LC……レベル変換回路、
MA……メモリアレイ、MC……メモリセル、
MN1、MN2、MN3、MN4、MN21、
MN22、MN31、MN32、MN33、MN51、
MN52、MN53、MN54、MN55、MN61……NMOSトランジスタ、
MP1、MP2、MP11、MP12、MP13、
MP21、MP22、MP31、MP32、MP51、
MP52、MP53、MP54、MP55、MP56、
MP57、MP58、MP61、MP62……PMOSトランジスタ、
N0……ノード、NL、NR……メモリセルの記憶ノード、
NOP……読み出し動作も書き込み動作も行っていない不活性状態、
PE……プリチャージ・イコライズ回路、
PEC……プリチャージ・イコライズ回路制御信号、
READ……読み出しを行っている状態、SA……センスアンプ回路、
SAC……センスアンプ回路制御信号、VSC……電圧切り替え回路制御信号、
VCC……入出力回路用の電源電圧、VDD……電源電圧、
VDDH……電源電圧VDDよりも高い電圧、
VDDL……電源電圧VDDよりも低い電圧、VSEL……電圧切り替え回路、
VSS……接地電圧、WA……ライトアンプ回路、WD……ワードドライバ、
WL、WL0、WL1……ワード線、WRITE……書き込みを行っている状態、
YS……Yスイッチ回路、YSR……読み出し用Yスイッチ回路制御信号、
YSW……書き込み用Yスイッチ回路制御信号、10……半導体基板、20……P型ウェル、30……N型ウェル、21……N型拡散層、31……P型拡散層、22、23、32……ゲート酸化膜、24、25、33……ゲート電極層、26、27……Nチャネル型MOSトランジスタ、34……Pチャネル型MOSトランジスタである。
CONT……制御回路、DEC……デコーダ、
DIN、DIN0、DIN1……入力データ、
DOUT、DOUT0、DOUT1……出力データ、
INV31、INV32、INV41、INV42、INV51、
INV52、INV61……インバータ回路、LC……レベル変換回路、
MA……メモリアレイ、MC……メモリセル、
MN1、MN2、MN3、MN4、MN21、
MN22、MN31、MN32、MN33、MN51、
MN52、MN53、MN54、MN55、MN61……NMOSトランジスタ、
MP1、MP2、MP11、MP12、MP13、
MP21、MP22、MP31、MP32、MP51、
MP52、MP53、MP54、MP55、MP56、
MP57、MP58、MP61、MP62……PMOSトランジスタ、
N0……ノード、NL、NR……メモリセルの記憶ノード、
NOP……読み出し動作も書き込み動作も行っていない不活性状態、
PE……プリチャージ・イコライズ回路、
PEC……プリチャージ・イコライズ回路制御信号、
READ……読み出しを行っている状態、SA……センスアンプ回路、
SAC……センスアンプ回路制御信号、VSC……電圧切り替え回路制御信号、
VCC……入出力回路用の電源電圧、VDD……電源電圧、
VDDH……電源電圧VDDよりも高い電圧、
VDDL……電源電圧VDDよりも低い電圧、VSEL……電圧切り替え回路、
VSS……接地電圧、WA……ライトアンプ回路、WD……ワードドライバ、
WL、WL0、WL1……ワード線、WRITE……書き込みを行っている状態、
YS……Yスイッチ回路、YSR……読み出し用Yスイッチ回路制御信号、
YSW……書き込み用Yスイッチ回路制御信号、10……半導体基板、20……P型ウェル、30……N型ウェル、21……N型拡散層、31……P型拡散層、22、23、32……ゲート酸化膜、24、25、33……ゲート電極層、26、27……Nチャネル型MOSトランジスタ、34……Pチャネル型MOSトランジスタである。
Claims (8)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に、
Nチャネル型の第1及び第2の転送用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタと、Nチャネル型の第1及び第2の駆動用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタと、Pチャネル型の第1及び第2の負荷用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタとで構成されたスタティック型のメモリセルの複数と、
互いに交差するワード線及びビット線の複数と、を少なくとも有し、
前記第1及び第2の転送用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタの各々のゲートが、前記複数のワード線の内の、一対をなすワード線の各々に接続され、
前記第1及び前記第2の転送用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタの各々のドレインが、前記複数のビット線の内の、一対をなすビット線の各々に接続され、
前記第1及び前記第2の負荷用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタの各々のソースに電源電圧の印加が可能であり、
且つ、前記複数のワード線の内、書き込み動作時に選択されたメモリセルのワード線の電圧を前記電源電圧よりも高くすることを特徴とした半導体記憶装置。 - 前記複数のワード線の内、読み出し動作時に選択されたメモリセルのワード線の電圧を、書き込み動作時に選択されたワード線の電圧よりも低くすることを特徴とした請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1及び前記第2の転送用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタの各ゲート酸化膜の膜厚は、前記第1及び前記第2の駆動用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ及び、前記第1及び前記第2の負荷用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタの各ゲート酸化膜の膜厚よりも厚いことを特徴とした請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1及び前記第2の転送用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタのゲート酸化膜の膜厚は、前記第1及び前記第2の駆動用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ及び、前記第1及び前記第2の負荷用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタのゲート酸化膜の膜厚よりも厚いことを特徴とした請求項2に記載の半導体記憶装置。
- 前記電源電圧は1V以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記電源電圧は1V以下であることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。
- 前記電源電圧は1V以下であることを特徴とする請求項3に記載の半導体記憶装置。
- 前記電源電圧は1V以下であることを特徴とする請求項4に記載の半導体記憶装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003361473A JP2005129109A (ja) | 2003-10-22 | 2003-10-22 | 半導体記憶装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2003361473A JP2005129109A (ja) | 2003-10-22 | 2003-10-22 | 半導体記憶装置 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
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Country | Link |
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JP (1) | JP2005129109A (ja) |
-
2003
- 2003-10-22 JP JP2003361473A patent/JP2005129109A/ja active Pending
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