JP2006120301A - 半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置 - Google Patents

半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】プリチャージ又はスタンバイ区間の間コア電圧/2の電圧レベルに昇圧されているビットライン対を接地電圧レベルに制御し、ワードラインに流れる不要な漏洩電流を取り除くことができるようにする。
【解決手段】ブロック選択信号の活性化の可否に従い駆動制御信号を制御する制御信号生成部と、プリチャージ区間の間、前記駆動制御信号にターンオンされてビットラインの電圧レベルを接地電圧レベルに遷移させ、前記ビットラインからワードラインに形成される電流経路を遮断する複数個の電流遮断駆動素子とを備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置に関し、特にゲートレジデュー(Gate Residue)による工程欠陥の発生時に漏洩電流を効果的に取り除くことができるようにする技術である。
半導体を利用した大部分のDRAM工程(Plannar Process)ではゲートレジデュー工程欠陥が生じることになるが、このような欠陥により互いに異なるメタルをショートさせるブリッジ(Bridge)現象が発生することになる。
結局、このようなメタル間のブリッジ現象により不要な電流経路が生成されメモリの電力消耗を増加させることにより製品の性能を劣化させることになるという問題点がある。図1及び図2は、このようなゲートレジデュー工程欠陥による漏洩電流の経路を説明するための図である。半導体メモリ素子は、ゲートレジデュー現象によりワードラインWLとビットラインBLが抵抗RとキャパシタCに連結される。そして、半導体メモリ素子がプリチャージされる区間の間ワードラインWLは接地電圧レベルに遷移し、ビットラインBLはコア電圧/2(ビットラインプリチャージ電圧VBLP)レベルの状態を維持する。
ところが、このような状態が長時間続く場合ビットラインBLからワードラインWLに電流経路が形成され不要な電流が消耗されるという問題点がある。このような工程欠陥は、半導体メモリ素子の線幅がさらに微細化されるに伴い純粋な工程上の補完だけで解決するのが困難になる。
特に、低電力メモリ製品のスタンバイモード時には最大限少ない電力消耗のためデータを維持するための最小限のリフレッシュ動作を行なわなければならない。ところが、このような低電力メモリ製品のスタンバイモード時ゲートレジデュー現象による漏洩電流が生じる場合、不要な電流が消耗されるという問題点がある。
米国特許公開第20050018520A1号明細書号公報 日本特開平07−272483号公報 日本特開平06−044800号公報 日本特開2003−188351号公報 日本特開平10−335583号公報
本発明は前記のような問題点を解決するため案出されたもので、特に、プリチャージ又はスタンバイ区間の間コア電圧/2の電圧レベルに昇圧されているビットライン対を接地電圧レベルに制御し、ワードラインに流れる不要な漏洩電流を取り除くことができるようにするのにその目的がある。
本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置は、ブロック選択信号の活性化の可否に従い駆動制御信号を制御する制御信号生成部と、プリチャージ区間の間駆動制御信号にターンオンされてビットラインの電圧レベルを接地電圧レベルに遷移させ、ビットラインからワードラインに形成される電流経路を遮断する複数個の電流遮断駆動素子とを備えることを特徴とする。
そして、本発明はブロック選択信号の組合せにより生成された駆動制御信号に応じリフレッシュが行なわれるブロックを検出するリフレッシュブロック検出部と、スタンバイモード時にリフレッシュブロック検出部の出力を一定時間ラッチして出力する制御信号入力部と、制御信号入力部の出力状態に従いリフレッシュ動作時にビットラインにビットラインプリチャージ電圧を供給し、スタンバイモード時に前記ビットラインに接地電圧を供給する電圧制御部とを備えることを特徴とする。
さらに、本発明はブロック選択信号を感知して選択されたセルアレイブロックの活性化の可否を制御するブロック検出部と、ブロック検出部の出力と特定のロジック信号を組み合わせて当該セルアレイブロックを活性化させるための制御信号を出力するロジック部とロジック部の出力状態に従いリフレッシュ動作時にセルアレイブロックのビットラインにビットラインプリチャージ電圧を供給し、スタンバイモード時に前記ビットラインに接地電圧を供給する電圧制御部とを備えることを特徴とする。
本発明は半導体を利用した全ての製品に適用され、メモリコアの構造的な変更なくゲートレジデュー現象によるメモリの性能劣化を改善し、スタンバイモード時に不要な電流及び電力の消耗を低減することにより製品の性能を向上させるようにする。
以下、図を参照して本発明の実施の形態に対し詳しく説明する。
図3は、本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置に関する回路図である。本発明は制御信号生成部10、サブワードライン駆動部20、センスアンプSA及び複数個の電流遮断駆動素子30〜35を備える。
その詳細な構成を検討してみれば、制御信号生成部10はNANDゲートND1、ND2とインバータIV1〜IV3を備える。
ここで、NANDゲートND1はロジックハイの信号とブロック選択信号BSSのNAND演算を行なって駆動制御信号GTRSDを出力する。インバータIV1、IV2は駆動制御信号GTRSDを反転する。そして、NANDゲートND2はロジックハイの信号とブッロク選択信号BSSのNAND演算を行なって駆動制御信号GTRSDを出力する。インバータIV3は駆動制御信号GTRSDを反転する。
そして、複数個の電流遮断駆動素子30〜35はビットライン対BL、BLBと接地電圧端との間にそれぞれ連結され、ゲート端子を介しインバータIV1〜IV3の出力が印加される複数個のNMOSトランジスタを備える。
このような構造を有する本発明の動作過程を図4の波形図及び図5のシミュレーション図を参照して説明する。
先ず、ビットライン対BL、BLBはワードラインWLがアクティブされる前にビットラインプリチャージ電圧(コア電圧VCORE/2)レベルにプリチャージされる。
そして、該当するワードラインWLがアクティブされる場合ワードラインWLがデコーディングされるより相対的に速いブロック選択信号BSSがローとなる。これに伴い、NANDゲートND1、ND2の出力である駆動制御信号GTRSDがセンスアンプSAの有効区間のあいだハイとなる。
従って、インバータIV1〜IV3の出力がローとなり全ての電流遮断駆動素子30〜35がターンオフ状態を維持する。これに伴い、アクティブ区間のあいだビットライン対BL,BLBがビットラインプリチャージ電圧VBLP(コア電圧/2)レベルにプリチャージされて一般のメモリ動作をそのまま行なう。
即ち、ブロック選択信号BSSにより選択された一つの当該ワードラインWLを中心に上/下に存在するセンスアンプSAは、コンベンショナル信号CS(Conventional Signal)により駆動される。
その反面、該当するワードラインWLのアクティブ動作が終了すればブロック選択信号BSSがハイとなる。そして、NANDゲートND1、ND2の出力である駆動制御信号GTRSDがローに遷移される。
従って、インバータIV1〜IV3の出力がハイとなり全ての電流遮断駆動素子30〜35がターンオンされる。これに伴い、ゲートレジデュー現像が発生したセルアレイのビットライン対BL、BLBが接地電圧レベルになり不要な電流の漏洩経路を遮断する。
結局、本発明はアクティブ区間の間コアと連結されているビットラインBLにビットラインプリチャージ電圧VBLP(コア電圧/2)を供給し、プリチャージ区間のあいだビットラインBLに接地電圧を供給するようにする。これに伴い、セルCからワードラインWLを介しサブホール(Subhole)に位置したサブワードライン駆動部20に流れる漏洩電流の経路を遮断することができるようにする。
一方、図6は、本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置に関する他の実施の形態を示す図である。
本発明は、リフレッシュカウンタ40、リフレッシュブロック検出部50、制御信号入力部60、ラッチ部70、ロジック部80及び電圧制御部90を備える。
ここで、リフレッシュカウンタ40はリフレッシュカウンティングを行いワードライン、ブロック選択及びバンク選択信号を組み合わせた駆動制御信号GTRSDをリフレッシュブロック検出部50に出力する。このとき、駆動制御信号GTRSDはワードラインWLを発生させる信号等がデコーディングされる時間より相対的に速いため、この信号を利用して電圧制御部90の駆動を制御することになる。そして、リフレッシュブロック検出部50は駆動制御信号GTRSDに応じリフレッシュが行なわれるブロックを検出してnビットの制御信号を出力する。
制御信号入力部60は複数個のインバータIV4〜IV8、複数個のNANDゲートND3〜ND8及び複数個のラッチR1〜R6を備える。
ここで、複数個のインバータIV4〜IV8はリフレッシュブロック検出部50から印加されるnビットの制御信号を反転する。そして、複数個のNANDゲートND3〜ND8は複数個のインバータIV4〜IV8の出力とスタンバイ信号STBYのNAND演算を行なう。さらに、複数個のランチR1〜R6はアクティブ信号ACTに応じ複数個のNANDゲートND3〜ND8の出力を一定時間の間ラッチする。
このような制御信号入力部60はアクティブ信号ACTが「0」で、スタンバイ信号STBYが「0」である場合その動作がオフとなる。そして、アクティブ信号ACTが「0」で、スタンバイ信号STBYが「1」である場合その動作が活性化される。さらに、アクティブ信号ACTが「1」で、スタンバイ信号STBYが「ドンケア(Don’t Care)」である場合その動作がオフとなる。
さらに、ラッチ部70は複数個のラッチR7〜R12を備え、制御信号の入力部60の出力を一定時間の間ラッチする。そして、ロジック部80はラッチ部70の出力とロジックハイ信号のNAND演算を行なう。
さらに、電圧制御部90は複数個のビットライン電圧制御部91〜96を備え、ロジック部80の出力に従いビットラインプリチャージ電圧VBLPを制御してセルアレイF0〜F4に選択的に出力する。
図7は、図6のビットライン電圧制御部91〜96に関する詳細な回路図である。ここで、複数個のビットライン電圧制御部91〜96はその構成が全部同一なので、本発明ではビットライン電圧制御部91をその実施の形態として説明する。
ビットライン電圧制御部91は、インバータIV9〜IV12とNMOSトランジスタN1、N2を備える。
ここで、インバータIV9はNANDゲートND9の出力を反転し、インバータIV10はインバータIV9の出力を反転する。そして、インバータIV11、IV12はインバータIV9の出力を非反転・遅延する。
さらに、NMOSトランジスタN1はビットラインプリチャージ電圧VBLP印加端と出力ノードNODEとの間に連結され、ゲート端子を介しインバータIV10の出力が印加される。NMOSトランジスタN2は、接地電圧VSS印加端と出力ノードNODEとの間に連結されてゲート端子を介しインバータIV12の出力が印加される。
このようなビットライン電圧制御部91の出力ノードNODEは、センスアンプSAのビットラインプリチャージ部100に連結され、スタンバイモード時プリチャージ区間のあいだビットライン対BL、BLBを接地電圧VSSレベルに制御する。そして、ビットライン電圧制御部91の出力ノードNODEはプリチャージ部101に連結され、スタンバイモード時プリチャージ区間のあいだビットライン対BL、BLBを接地電圧VSSレベルに制御する。
このような構造を有する本発明の動作過程を説明する。
先ず、リフレッシュカウンタ40はリフレッシュモード時リフレッシュ動作をカウンティングし、ブロック選択信号を組み合わせて生成された駆動制御信号GTRSDをセンスアンプSAの有効区間の間ハイで出力する。
そして、リフレッシュカウンタ40はリフレッシュモード時に生成されたアドレスを利用して該当するブロックが順次アクセスされるようにし、ビットラインプリチャージ電圧VBLPに昇圧させるブロックを予め設定する。このとき、リフレッシュカウンタ40によりカウンティングされたリフレッシュブロックがN番目の場合、N+1番目のブロックに予めビットラインプリチャージ電圧(コア電圧VCORE/2)を供給するようにする。
即ち、該当するワードラインWLがアクティブされる場合アクティブ信号ACTが「1」となり、スタンバイ信号STBYが「ドンケア(Don’t Care)」状態となり制御信号入力部60の動作がオフ状態となる。これに伴い、メモリがノーマル動作モードに切り換えられる変換される場合、ビットラインプリチャージ電圧VBLPの供給を中止し一般のメモリ動作をそのまま行なう。
その反面、ワードラインWLがアクティブされる以前にプリチャージ区間のあいだ駆動制御信号GTRSDはローに遷移する。そして、該当するワードラインWLのアクティブ動作が終了すればアクティブ信号ACTが「0」となり、スタンバイ信号STBYにより制御信号入力部60の動作が制御される。即ち、スタンバイ信号STBYが「0」である場合その動作がオフとなり、スタンバイ信号STBYが「1」である場合その動作が活性化される。
従って、スタンバイモード時スタンバイ信号STBYが「1」となればラッチ部70はロジック部80にハイ信号を出力することになり、ロジック部80は電圧制御部90にロー信号を出力する。
次に、ビットライン電圧制御部91はインバータIV9、IV11、IV12の出力によりNMOSトランジスタN2がターンオンされる。これに伴い、ビットラインプリチャージ部100のNMOSトランジスタN4、N5の共通連結ノードに接地電圧VSSを供給する。そして、プリチャージ部101NMOSトランジスタN7、N8の共通連結ノードに接地電圧を供給する。
次に、ビットラインイコライジング信号BLEQがハイとなればNMOSトランジスタN3〜N8がターンオンされ、ビットライン対BL、BLBは接地電圧レベルとなる。これに伴い、ゲートレジデュー現象が発生したセルアレイのビットライン対BL、BLBが接地電圧レベルとなり不要な電流の漏洩経路を遮断する。
一方、アクティブ信号ACTが「0」の状態でスタンバイ信号STBYが「0」である場合、制御信号動作部60の動作がオフとなる。これに伴い、ラッチ部70はロジック部80にロー信号を出力することになり、ロジック部80は電圧制御部90にハイ信号を出力する。
次に、ビットライン電圧制御部91はインバータIV9、IV10の出力によりNMOSトランジスタN1がターンオンされる。これに伴い、ビットラインプリチャージ部100のNMOSトランジスタN4、N5の共通連結ノードにビットラインプリチャージ電圧(コア電圧VCORE/2)を供給する。そして、プリチャージ部101のNMOSトランジスタN7、N8の共通連結ノードにビットラインプリチャージ電圧(コア電圧VCORE/2)を供給する。
次に、ビットラインイコライジング信号BLEQがハイとなればNMOSトランジスタN3〜N8がターンオンされ、ビットライン対BL、BLBはプリチャージ電圧(コア電圧VCORE/2)レベルにプリチャージされる。
結局 、第2実施形態ではスタンバイモード時リフレッシュが行なわれるブロックと次のリフレッシュが行なわれるブロックにのみ、ビットラインコアと連結されたビットラインBLにビットラインプリチャージ電圧VBLP(コア電圧/2)を供給する。そして、プリチャージ区間の間、残りのブロック等のビットラインBLに接地電圧を供給するようにする。
これに伴い、リフレッシュが行なわれない残りのブロック等がビットラインプリチャージ電圧VBLPにより影響を受けないようにする。
一方、図8は本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置に関するさらに他の実施の形態を示す図である。
本発明は、ブロック検出部110、ロジック部120及び電圧制御部130を備える。
ここで、ブロック検出部110は複数個のブロック選択信号感知部111〜114を備えてブロック選択信号BSSにより選択されたブロックの活性化の可否を制御する。そして、ロジック部120は複数個のNANDゲートND16〜ND20を備え、ブロック検出部110の出力の論理演算を行なう。さらに、電圧制御部130は複数個のビットライン電圧制御部131〜135を備えるが、その詳細な構成は図7と同一なのでその詳細な構成の説明は省略する。
このような構成を有する図8に示した実施の形態は該当するワードラインWLがアクティブされる場合、ワードラインWLがデコーディングされるより相対的に速いブロック選択信号BSSを利用してビットライン電圧制御部130の動作を制御する。
これに伴い、アクティブ区間の間、ビットライン対BL、BLBがビットラインプリチャージ電圧VBLP(コア電圧/2)レベルにプリチャージされ、一般のメモリ動作をそのまま行なう。
即ち、ブロック選択信号BSSにより選択された一つの当該ワードラインWLを中心に、上/下に存在するセンスアンプSAはコンベンショナル信号CSにより駆動される。
その反面、該当するワードラインWLのアクティブ動作が終了すればブロック選択信号BSSがハイとなり、ビットラインBLに接地電圧を供給するようにする。これに伴い、ゲートレジデュー現象が発生したセルアレイのビットライン対BL、BLBが接地電圧レベルとなり不要な電流の漏洩経路を遮断する。
なお、本発明について、好ましい実施の形態を基に説明したが、これらの実施の形態は、例を示すことを目的として開示したものであり、当業者であれば、本発明に係る技術思想の範囲内で、多様な改良、変更、付加等が可能である。このような改良、変更等も、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。
従来の半導体メモリ素子において漏洩電流の経路を説明するための図である。 従来の半導体メモリ素子において漏洩電流の経路を説明するための図である。 本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置に関する回路図である。 本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置の各制御信号に関する波形図である。 本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置に関するシミュレーション図である。 本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置に関する他の実施の形態を示す図である。 図6のビットライン電圧制御部に関する詳細な回路図である。 本発明に係る半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置に関するさらに他の実施の形態を示す図である。
符号の説明
10 制御信号生成部
20 サブワードライン駆動部
30、31、32、33、34、35 電流遮断駆動素子
40 リフレッシュカウンタ
50 リフレッシュブロック検出部
60 制御信号入力部
70 ラッチ部
80 ロジック部
90 電圧制御部
91、92、93、94、95、96 ビットライン電圧制御部
100 ビットラインプリチャージ部
101 プリチャージ部

Claims (17)

  1. ブロック選択信号の活性化の可否に従い駆動制御信号を制御する制御信号生成部と、
    プリチャージ区間の間、前記駆動制御信号にターンオンされてビットラインの電圧レベルを接地電圧レベルに遷移させ、前記ビットラインからワードラインに形成される電流経路を遮断する複数個の電流遮断駆動素子と、
    を備えることを特徴とする半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  2. アクティブモード時、前記駆動制御信号が活性化されてセンスアンプの動作有効区間の間、前記ビットラインをビットラインプリチャージ電圧レベルに制御することを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  3. 前記制御信号生成部は、前記ブロック選択信号の活性化時に前記駆動制御信号をローで出力する駆動素子と、
    前記駆動素子の出力を反転するインバータと、
    を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  4. 前記駆動素子は、ロジックハイ信号と前記ブロック選択信号のNAND演算を行なうNANDゲートであることを特徴とする請求項3に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  5. 前記複数個の電流遮断駆動素子のそれぞれは、接地電圧端と前記ビットラインとの間に連結され、ゲート端子を介して反転された前記駆動制御信号が印加されるNMOSトランジスタを備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  6. 前記ブロック選択信号に応じ選択された一つの当該ワードラインを基準に上/下に備えられた複数個のセンスアンプが駆動されることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  7. ブロック選択信号の組合せにより生成された駆動制御信号に応じリフレッシュが行なわれるブロックを検出するリフレッシュブロック検出部と、
    スタンバイモード時に前記リフレッシュブロック検出部の出力を一定時間ラッチして出力する制御信号入力部と、
    前記制御信号入力部の出力状態に従いリフレッシュ動作時にビットラインにビットラインプリチャージ電圧を供給し、前記スタンバイモード時前記ビットラインに接地電圧を供給する電圧制御部と、
    を備えることを特徴とする半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  8. リフレッシュ動作をカウンティングし特定のリフレッシュ区間で前記駆動制御信号を出力するリフレッシュカウンタと、
    前記制御信号入力部の出力を一定時間ラッチしてN個の制御信号を出力するラッチ部と、
    前記N個の制御信号と特定のロジック信号の論理演算を行い、N+1個の制御信号を前記電圧制御部に出力するロジック部と、を更に備えることを特徴とする請求項7に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  9. 前記N+1個の制御信号に応じリフレッシュが行なわれるセルアレイブロックと、次のリフレッシュが行なわれるセルアレイブロックが活性化されることを特徴とする請求項8に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  10. 前記ロジック部は、前記特定のロジック信号と前記ラッチ部の出力のNAND演算を行なう複数個のNANDゲートを備えることを特徴とする請求項8に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  11. 前記電圧制御部は複数個のビットライン電圧制御部を備え、前記複数個のビットライン電圧制御部のそれぞれは、
    前記ロジック部の出力を非反転・遅延する第2のインバータ部と、
    前記ロジック部の出力を反転・遅延する第3のインバータ部と、
    前記第2のインバータ部の出力状態に従い前記ビットラインにビットラインプリチャージ電圧を供給する第1の駆動素子と、
    前記第3のインバータ部の出力状態に従い前記ビットラインに接地電圧を供給する第2の駆動素子とを備えることを特徴とする請求項8に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  12. 前記制御信号入力部は、
    前記リフレッシュブロック検出部から印加されるNビットの出力信号を反転する第1のインバータ部と、
    前記インバータ部の出力と特定レベルの信号と、前記スタンバイモード時に活性化されるスタンバイ信号の論理演算を行なう論理部と、
    アクティブ信号の活性化時、前記論理部の出力を一定時間ラッチする第1のラッチ部と、
    を備えることを特徴とする請求項7に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  13. 前記第1の駆動素子と前記第2の駆動素子の共通連結ノードと連結され、ビットラインイコライジング信号の活性化時に前記ビットラインに前記プリチャージ電圧又は前記接地電圧を選択的に供給するビットラインプリチャージ部をさらに備えることを特徴とする請求項7に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  14. ブロック選択信号を感知し選択されたセルアレイブロックの活性化の可否を制御するブロック検出部と、
    前記ブロック検出部の出力と特定のロジック信号を組み合わせて当該セルアレイブロックを活性化させるための制御信号を出力するロジック部と、
    前記ロジック部の出力状態に従いリフレッシュ動作時に前記セルアレイブロックのビットラインにビットラインプリチャージ電圧を供給し、前記スタンバイモード時に前記ビットラインに接地電圧を供給する電圧制御部と、
    を備えることを特徴とする半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  15. 前記ロジック部は、前記ブロック検出部から印加されるN個の制御信号と前記特定のロジック信号の論理演算を行い、N+1個の制御信号を前記電圧制御部に出力することを特徴とする請求項14に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  16. 前記ロジック部は、前記特定のロジック信号と前記N個の制御信号のNAND演算を行なう複数個のNANDゲートを備えることを特徴とする請求項15に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
  17. 前記電圧制御部は複数個のビットライン電圧制御部を備え、前記複数個のビットライン電圧制御部のそれぞれは、
    前記ロジック部の出力を非反転・遅延する第1のインバータ部と、
    前記ロジック部の出力を反転・遅延する第2のインバータ部と、
    前記第1のインバータ部の出力状態に従い前記ビットラインにビットラインプリチャージ電圧を供給する第1の駆動素子と、
    前記第2のインバータ部の出力状態に従い前記ビットラインに接地電圧を供給する第2の駆動素子と、
    を備えることを特徴とする請求項14に記載の半導体メモリ素子の漏洩電流制御装置。
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