JP2006331620A - 半導体集積回路 - Google Patents

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川 清 春 笈
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Abstract

【課題】消費電力削減とメモリへの誤書き込み防止を実現可能な半導体集積回路を提供する。
【解決手段】半導体集積回路内の各メモリセル2のゲートにはワード線WL0〜WLnが接続され、ドレインにはビット線bit0〜bit7が接続されている。ワード線は、ロウデコーダ7より供給される。ビット線上には、4つのトランジスタQ1〜Q4が縦続接続されている。スタンバイ状態の解除後所定期間内は、ビット線の電流経路上のトランジスタQ3と基準ビット線の電流経路上のトランジスタQ8をともにオフするため、両電流経路がともに遮断され、電源電圧からビット線および基準ビット線を介して接地電圧に貫通電流が流れなくなり、消費電力の削減が図れる。
【選択図】図1

Description

本発明は、消費電力の削減のためにスタンバイ状態に設定可能な半導体集積回路に関する。
集積回路技術の進展により、同一の半導体チップ内にメモリとそれ以外の各種回路を混載したメモリ混載型システムLSIが普及している。特に、最近では、電気的に書き換え可能なフラッシュメモリを内蔵したシステムLSIが多い。
システムLSIの内部には、メモリの他に、メモリ内のデータを読み出すセンスアンプが設けられている。センスアンプは、ビット線の電位と基準ビット線の電位との電位差をセンスする。
この種のメモリ混載型システムLSIの中に、スタンバイ状態に設定可能なものがある(非特許文献1参照)。スタンバイ状態に設定されると、システムLSI内部の動作が休止状態になり、消費電力の削減を図ることができる。
しかしながら、この種のスタンバイ状態を持つ従来のシステムLSIでは、スタンバイ状態が解除された直後に、電源電圧からビット線および基準ビット線を介して接地電圧にかけて貫通電流が流れ、消費電力が増大するという問題がある。
フラッシュメモリを内蔵したシステムLSIでは、このような貫通電流が流れると、ビット線の電位が変動し、フラッシュメモリの浮遊ゲートに誤ったデータが書き込まれるソフトエラーが発生するおそれがある。
「半導体MOSメモリとその使い方」、鈴木八十二著、日刊工業新聞社刊、1990年8月30日初版1刷発行
本発明は、消費電力削減とメモリへの誤書き込み防止を実現可能な半導体集積回路を提供するものである。
本発明の一態様によれば、ワード線およびビット線に接続されるメモリセルから読み出したデータをセンスして出力するセンスアンプと、必要最小限の電力を消費するスタンバイ状態と、前記メモリセルの読み出しを行うリード状態とを持ち、前記メモリセルの読み出しを制御する読出制御回路と、を備え、前記読出制御回路は、ビット線上の電位を前記センスアンプの入力端子に伝達するか否かを切り替えるビット線切替回路と、前記スタンバイ状態の期間内と前記スタンバイ状態を解除してから所定期間内とに、ビット線上の電位が前記センスアンプの入力端子に伝達されないように前記ビット線切替回路を制御する第1の切替制御回路と、を有することを特徴とする半導体集積回路が提供される。
本発明によれば、消費電力削減とメモリへの誤書き込みを防止できる。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る半導体集積回路のブロック図である。図1の半導体集積回路は、フラッシュメモリを内蔵するメモリ混載マイクロコンピュータシステム(以下、マイコンシステム)の内部構成の一部を示しており、具体的にはフラッシュメモリの読出制御回路のブロック構成を示している。
図1のマイコンシステムは、フラッシュメモリを構成するメモリセル群1と、メモリセル群1内の各メモリセル2から読み出したデータをセンスして出力するセンスアンプ(S/A)3と、メモリセル2の読み出しを制御する読出制御回路4とを備えている。なお、図1では、書き込み制御回路などの本発明に直接関連のない他の回路を省略している。
センスアンプ3は、メモリセル2から読み出したデータを供給するビット線と、基準電位を供給する基準ビット線との電位差をセンスする。センスアンプ3の出力には、RSフリップフロップ5(RS-F/F)が接続され、その後段にはさらにバッファ6が接続されている。
次に、読出制御回路4の構成について説明する。各メモリセル2のゲートにはワード線WL0〜WLnが接続され、ドレインにはビット線bit0〜bit7が接続されている。ワード線は、ロウデコーダ7(ROWDEC)より供給される。ビット線上には、4つのトランジスタQ1〜Q4が縦続接続されている。
これらトランジスタのうち、トランジスタQ1は、プリチャージ制御回路8(CNTROL1)からの信号によりオン・オフ制御される。トランジスタQ2は、ビット線のバイアス用のトランジスタであり、バイアス発生回路9(LVLGEN)によりオン・オフ制御される。バイアス発生回路9は、読み出し時にビット線が所定の電位(例えば1V)になるように、トランジスタQ2を制御する。
トランジスタQ3は、下位アドレスA3,A2をデコードするカラムデコーダ10(RDCOLDEC)のデコード出力SR(0:3)によりオン・オフ制御される。トランジスタQ4は、中位アドレスA6〜A4をデコードするカラムデコーダ11(COLDEC)のデコード出力S(0:7)によりオン・オフ制御される。
ビット線と基準ビット線との間には、イコライズ用のトランジスタQ5が接続されている。このトランジスタQ5は、プリチャージ制御回路8からの信号PREによりオン・オフ制御される。このトランジスタQ5がオンすると、ビット線と基準ビット線が同電位になる。信号PREは、システムクロックPRCVINに同期してオン・オフする。
一方、基準ビット線上には、トランジスタQ6〜Q9が縦続接続されている。トランジスタQ6は、トランジスタQ1と同様に、プリチャージ制御回路8の出力信号によりオン・オフされる。トランジスタQ7は、トランジスタQ2と同様に、バイアス発生回路9の出力信号によりオン・オフされる。トランジスタQ8は、後述するようにスタンバイ解除後の貫通電流を防止するためのものであり、信号BGRRSTBによりオン・オフ制御される。
この信号BGRRSTBは、リセット信号発生回路12(RSTGEN)で生成された信号BGRONRSTをインバータ19で反転させた信号である。
基準ビット線REF上のトランジスタQ9のソースには、比較用キャパシタ回路20と、縦続接続された2つのトランジスタQ10,Q11と、同じく縦続接続された2つのトランジスタQ12,Q13とが接続されている。比較用キャパシタ回路20は、ビット線と同じ容量を基準ビット線REFに与えるために設けられている。トランジスタQ10,Q11は通常の読み出し時にオンし、トランジスタQ12,Q13は消去時にオンする。トランジスタQ13は過消去を監視するために設けられている。
メモリセル2のソースには、ソース電位制御回路13(CNTROL2)からの信号が供給される。メモリセル2の読み出し時には、ドレイン電圧(ビット0)は1V程度に設定される。
図2はセンスアンプ3の周辺の等価回路図である。図示のように、センスアンプ3は、ビット線の電流経路と基準ビット線の電流経路とに接続されている。ビット線の電流経路上には、トランジスタQ1〜Q4,Q14が縦続接続されている。また、基準ビット線の電流経路上には、トランジスタQ6〜Q13が縦続接続されている。
本実施形態は、スタンバイ状態の解除後所定期間が経過するまでは、ビット線の電流経路上のトランジスタQ3と、基準ビット線の電流経路上のトランジスタQ8とを、オンしないようにする。これにより、スタンバイ状態の解除後に両電流経路に貫通電流が流れなくなる、消費電力を削減できる。また、同所定期間内は、ビット線の電位を低く抑えるため、メモリセルへの誤書き込みを防止でき、ソフトエラーの発生を抑制できる。
図1に示す各ブロック内の具体的な回路構成は特に問わない。以下、各ブロック内の回路構成の一例を説明する。
図3はセンスアンプ3の内部構成の一例を示す回路図である。図3のセンスアンプ3は、電源電圧源とNMOSトランジスタQ21のドレインとの間に縦続接続されるPMOSトランジスタQ22およびNMOSトランジスタQ23と、電源電圧源とNMOSトランジスタQ21のドレインとの間に縦続接続されるPMOSトランジスタQ24およびNMOSトランジスタQ25とを有する。PMOSトランジスタQ22とNMOSトランジスタQ23の両ゲートは、PMOSトランジスタQ24、NMOSトランジスタQ25およびPMOSトランジスタQ26の各ドレインに接続される。PMOSトランジスタQ24とNMOSトランジスタQ25の両ゲートは、PMOSトランジスタQ22、NMOSトランジスタQ23およびPMOSトランジスタQ27のドレインに接続される。トランジスタQ21,Q26,Q27のゲートには信号ENが入力されている。トランジスタQ1のソースは接地電圧源に接続されている。
図3のセンスアンプ3は、ビット線側の電圧VINと基準ビット線側の電圧VREFとの電位差に応じた差動電圧Q,QNを出力する。
図4はセンスアンプ3に接続されるRS-F/F5の内部構成の一例を示す回路図である。図4のRS-F/F5は、2つのNAND回路21,22を有し、一方のNAND回路21は、セット信号SNと他方のNAND回路22の出力信号との論理積の反転信号を出力する。他方のNAND回路22は、リセット信号RNと一方のNAND回路21の出力信号との論理積の反転信号を出力する。
図5はプリチャージ制御回路8の内部構成の一例を示す回路図である。図5のプリチャージ制御回路8は、RS-F/F5の後段に接続されたドライバのイネーブル信号CSRDを生成するバッファ23と、トランジスタのオン・オフを制御する信号PRCVを生成するバッファ24と、プリチャージトランジスタのオン・オフを制御する信号PREを生成するバッファ25と、センスアンプ3のイネーブル信号SEN1を生成するバッファ26とを有する。
図6はバイアス発生回路9の内部構成の一例を示す回路図である。図6のバイアス発生回路9は、電源電圧源と接地電圧源との間に縦続接続されるPMOSトランジスタQ28,Q29およびNMOSトランジスタQ30,Q31と、電源電圧源と接地電圧源との間に縦続接続されるPMOSトランジスタQ32,Q33およびNMOSトランジスタQ34,Q35,Q36と、トランジスタQ29のゲートと接地電圧源との間に接続されるトランジスタQ37とを有する。トランジスタQ28のゲートには、リセット信号発生回路12の出力信号PONRSTの反転信号PSVをインバータ27で反転した信号が入力される。トランジスタQ36のゲートには、インバータ27をインバータ28で反転した信号が供給される。トランジスタQ33のドレインから信号BIASが出力される。この信号BIASには、バイアス発生回路9の接合寄生容量とトランジスタQ2,Q7のゲート寄生容量とバイアス配線自体の寄生容量との合計寄生キャパシタC1が接続されている。
図6のバイアス発生回路9は、信号PSVがハイ(通常の読み出し)のときは、トランジスタQ36がオンして、信号BIASが2V程度になるように制御する。一方、信号PSVがロウ(スタンバイ)のときは、トランジスタQ37,Q33がオンして、電源電圧源レベルを出力する。
図7はカラムデコーダ10の内部構成の一例を示す回路図である。図7のカラムデコーダ10は、下位アドレスA2,A3をデコードする2入力デコーダ31と、読出信号RDと入力信号INとの論理積信号を出力するANDゲート32と、2入力デコーダ31の各出力信号とANDゲートとの論理積信号を出力するANDゲート33とを有する。
下位アドレスA2,A3の論理に応じて、4つの出力信号SR(0:3)のうちいずれか一つのみがハイになる。
図8はカラムデコーダ11の内部構成の一例を示す回路図である。図8のカラムデコーダ11は、中位アドレスA6〜A4をデコードする3入力デコーダ34と、この3入力デコーダ34の8つの出力信号それぞれをレベルシフトするレベルシフタ35とを有する。
レベルシフタ35からは、信号S(0:7)が出力される。
図9はロウデコーダ7の内部構成の一例を示す回路図である。図9のロウデコーダ7は、最上位アドレスA18〜A10をデコードする第1ロウデコーダ36(ROWMAINDEC)と、上位アドレスA9〜A7をデコードする第2ロウデコーダ37(ROWSUBDEC)と、これら2つのデコーダに接続されるサブデコーダ(SUBDEC)38とを有する。サブデコーダ38からはワード線WL0〜WLnが出力される。
図10はソース電位制御回路13の内部構成の一例を示す回路図である。図10のソース電位制御回路13は、NMOSトランジスタQ14と、このトランジスタQ14のゲートに接続されるインバータ39とを有する。信号CNTがロウのときにトランジスタQ14がオンする。
図11はリセット信号発生回路12の内部構成の一例を示す回路図である。図11のリセット信号発生回路12は、電源電圧源と接地電圧源の間に直列接続されるトランジスタQ41および抵抗R1,R2,R3と、抵抗R1,R2間の接続ノードn1と接地電圧源との間に直列接続されるトランジスタQ42および抵抗R4と、接続ノードn1と接地電圧源間に並列接続されるトランジスタQ43およびキャパシタC2と、トランジスタQ42と抵抗R4の接続ノードn2に直列接続されるインバータ41,42、抵抗R5、インバータ43と、トランジスタQ44、抵抗R6およびトランジスタQ45からなる遅延回路と、インバータ44とを有する。インバータ44の入力端子と接地端子との間にはキャパシタC3が接続され、インバータ44からは信号PONRSTが出力される。ノードn2と接地端子との間にはトランジスタQ46が接続される。抵抗R5とインバータ43の接続ノードには、トランジスタQ47とキャパシタC4とが並列接続されている。信号PONRSTはインバータ45に入力される。このインバータ45の後段には、トランジスタQ48、抵抗R7およびトランジスタQ49からなる遅延回路が接続されている。この遅延回路の後段には、キャパシタC5、インバータ46,47、NOR回路48およびインバータ49が接続されている。
図11の回路は、信号PWRDOWNの立ち上がりに合わせて、信号PONRSTと信号BGRONRSTを立ち上げる。また、信号PWRDOWNが立ち下がると、しばらく遅れて信号PONRSTを立ち下げ、それから所定期間後に信号BGRONRSTを立ち下げる。
図12は比較用キャパシタ回路20の内部構成の一例を示す回路図である。図12の比較用キャパシタ回路20は、ドレイン接合部の寄生キャパシタC6〜C9と、これらキャパシタ間に接続されるNMOSトランジスタQ51〜Q53とを有する。この比較用キャパシタ回路20は、ビット線の容量と略等しい容量を基準ビット線に付加するために設けられる。
図13は本実施形態の動作タイミング図である。以下、この動作タイミング図を参照して、本実施形態の動作を説明する。図13の動作タイミング図は、通常読出状態からスタンバイ状態になり、その後に通常読出状態に復帰する例を示している。また、ワード線WL0を選択するものとする。
信号PRCVINはシステムクロックであり、このクロックに同期してビット線と基準ビット線のプリチャージ、およびメモリセル2の読み出しが行われる。
時刻t1で信号PWRDWNがハイになると、スタンバイ状態が始まる。この信号PWRDWNは図11に詳細構成を示すリセット信号発生回路12に入力される。リセット信号発生回路12は、信号PWRDWNの立ち上がりに同期して、信号PONRSTと信号BGRONRSTをともにハイにする。また、信号PSVがロウになり、図6に詳細構成を示すバイアス発生回路9の出力信号BIASの電位が上昇する。これにより、バイアス発生回路9は、トランジスタQ2のドレイン電圧が電源電圧源レベルと同電位になるようなバイアスをトランジスタQ2に与える。
また、信号BGRONRSTがハイになることから、図7に詳細構成を示すカラムデコーダ10の出力信号SR(0:3)はロウになる。
図13の例では、時刻t1〜t2の間、スタンバイ状態が続くが、この期間内は読出信号RDはロウになる。また、スタンバイ期間中は、センスアンプ3の両入力電圧VIN,VREFはともに電源電圧源レベルになる。
時刻t2で、信号PWRDWNがロウになって、スタンバイ状態が解除されると、図11に詳細構成を示すリセット信号発生回路12は、信号PONRSTをロウにする。一方、信号BGRONRSTは、図11の回路内のインバータ45や遅延回路Q48,R7,Q49等により遅延されて、信号RWRDWNがロウになってから所定時間が経過した後の時刻t3でロウになる。この時刻t2〜t3の間が、スタンバイ解除後の安定化期間である。
このように、時刻t2〜t3の間は、信号BGRONRSTがまだハイであるため、信号BGRONSTBはロウになり、図7に詳細構成を示すカラムデコーダ10の出力信号SR(0:3)はロウで、トランジスタQ3はオフである。同様に、基準ビット線の電流経路上のトランジスタQ8もオフである。このため、時刻t2〜t3の間は、電源電圧源からビット線を介して接地電圧源に流れる電流経路が遮断され、かつ電源電圧源から基準ビット線を介して接地電圧源に流れる電流経路も遮断される。したがって、消費電力の削減が図れる。
時刻t2〜t3の間は、図6に詳細構成を示すバイアス発生回路9の出力信号BIASの電位が徐々に下がり、時刻t3の直前で電位が安定する。このため、信号BGRONRSTがロウになる時刻t3は、信号BIASの電位が安定化する時刻に合わせて設定するのが望ましい。
このように、時刻t2〜t3の間は、ビット線の電流経路上のトランジスタQ3と基準ビット線の電流経路上のトランジスタQ8とがいずれもオフであるため、センスアンプ3の入力電圧VIN,VREFはいずれも電源電圧源レベルである。
時刻t3以降は、カラムデコーダ10に接続されたトランジスタQ3がオンし、メモリセル2から読み出されたデータがビット線を通って、センスアンプ3の入力端子INに供給される。同様に、基準ビット線上のトランジスタQ8もオンし、センスアンプ3の入力端子REFは基準電位に設定される。これにより、センスアンプ3はメモリセル2の記憶データに応じてセンス動作を行い、記憶データが外部に読み出される。
図13のタイミング図に示すように、本実施形態は、スタンバイ状態の解除時に、4つの状態変化が生じる。図14はこれら状態変化を示すシーケンス図である。ステップS1のスタンバイモードが解除されると(ステップS2)、ビット線の電位を設定するための信号BIASが安定化した後にバイアスレベルが確定し(ステップS3)、その後、メモリセルのドレインに読み出し時の電圧である1Vが印加される(ステップS4)。
図15は図1のブロック構成を含むマイコンシステム全体の概略構成を示すブロック図である。図15のマイコンシステムは、32ビットのCPU(Central Processing Unit)51と、RAM52と、図1に示したフラッシュメモリ53と、マスクROM54と、8ビットのタイマ回路55と、16ビットのタイマ回路56と、SIO(Serial Interface)回路57と、SEI(Serial Expansion Interface)回路58と、SBI(Serial Bus Interface)回路59と、通信制御用のCAN(Can Controller)回路60と、ADC(10ビットA/Dコンバータ)61と、暴走検知用のウオッチドッグタイマ回路62と、割込コントローラ63と、I/Oポート64と、内部クロック発生回路(OSC)65と、モードコントローラ回路66とを備えている。
マイコンシステムの具体的な内部構成は図15に示したものに限定されない。また、本発明は、必ずしもマイコンシステム内で用いる必要はなく、メモリコントローラや他の各種のシステムLSIに適用可能である。
このように、本実施形態では、スタンバイ状態の解除後所定期間内は、ビット線の電流経路上のトランジスタQ3と基準ビット線の電流経路上のトランジスタQ8をともにオフするため、両電流経路がともに遮断され、電源電圧源からビット線および基準ビット線を介して接地電圧源に貫通電流が流れなくなり、消費電力の削減が図れる。
また、スタンバイ状態の解除後所定期間内は、ビット線の電位を低く抑えられるため、メモリセル2への誤書き込み(いわゆるソフトエラー)を回避できる。
上述した実施形態では、フラッシュメモリの読出制御を行う例を説明したが、本発明は、フラッシュメモリ以外の各種のメモリ(例えば、EPROMやマスクROM等)にも適用可能である。
本発明の一実施形態に係る半導体集積回路のブロック図。 センスアンプ3の周辺の等価回路図。 センスアンプ3の内部構成の一例を示す回路図。 センスアンプ3に接続されるRS-F/F5の内部構成の一例を示す回路図。 プリチャージ制御回路8の内部構成の一例を示す回路図。 バイアス発生回路9の内部構成の一例を示す回路図。 カラムデコーダ10の内部構成の一例を示す回路図。 カラムデコーダ11の内部構成の一例を示す回路図。 ロウデコーダ7の内部構成の一例を示す回路図。 ソース電位制御回路13の内部構成の一例を示す回路図。 リセット信号発生回路12の内部構成の一例を示す回路図。 比較用キャパシタ回路20の内部構成の一例を示す回路図。 本実施形態の動作タイミング図。 状態変化を示すシーケンス図。 図1のブロック構成を含むマイコンシステム全体の概略構成を示すブロック図。
符号の説明
1 メモリセル群
2 メモリセル
3 センスアンプ
4 読出制御回路
6 バッファ
7 ロウデコーダ(ROWDEC)
8 プリチャージ制御回路(CNTROL1)
9 バイアス発生回路(LVLGEN)
10 カラムデコーダ(RDCOLDEC)
11 カラムデコーダ(COLDEC)
12 リセット信号発生回路(RSTGEN)
13 ソース電位制御制御回路(CONTROL2)
20 比較用キャパシタ回路

Claims (5)

  1. ワード線およびビット線に接続されるメモリセルから読み出したデータをセンスして出力するセンスアンプと、
    必要最小限の電力を消費するスタンバイ状態と、前記メモリセルの読み出しを行うリード状態とを持ち、前記メモリセルの読み出しを制御する読出制御回路と、を備え、
    前記読出制御回路は、
    ビット線上の電位を前記センスアンプの入力端子に伝達するか否かを切り替えるビット線切替回路と、
    前記スタンバイ状態の期間内と前記スタンバイ状態を解除してから所定期間内とに、ビット線上の電位が前記センスアンプの入力端子に伝達されないように前記ビット線切替回路を制御する第1の切替制御回路と、を有することを特徴とする半導体集積回路。
  2. 前記センスアンプは、ビット線上の電位と基準ビット線上の電位との電位差に応じたデータを出力し、
    前記スタンバイ状態の期間内と前記スタンバイ状態を解除してから所定期間内とに、基準ビット線上の電位が前記センスアンプの対応する入力端子に伝達されないように前記ビット線切替回路を制御する第2の切替制御回路を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
  3. 前記第1の切替制御回路は、前記スタンバイ状態が解除してから所定期間後に論理が反転するビット線電位制御信号に基づいて、ビット線上の電位を前記センスアンプの対応する入力端子に伝達するか否かを切り替え、
    前記第2の切替制御回路は、前記ビット線電位制御信号に基づいて、基準ビット線上の電位を前記センスアンプの対応する入力端子に伝達するか否かを切り替えることを特徴とする請求項2に記載の半導体集積回路。
  4. 前記読出制御回路は、
    前記メモリセルの読み出し時にビット線を所定の電位に設定するバイアス用トランジスタと、
    前記バイアス用トランジスタのゲート電圧を制御するバイアス制御回路と、を有し、
    前記第1および第2の切替制御回路は、前記スタンバイ状態を解除した後に前記バイアス用トランジスタのゲート電圧が安定化する時間に合わせて、前記所定期間を決定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体集積回路。
  5. 前記メモリセルは、フラッシュメモリのメモリセルであり、
    前記第1の切替制御回路は、前記フラッシュメモリのアドレスの一部をデコードするデコーダであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体集積回路。
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