JP2008217926A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ソフトエラーに対する耐性を高めることが可能であり、かつ、レイアウト設計の自由度を高めることが可能な半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】複数のメモリセル群(G0〜G11)は複数の読出対象群(メモリセル群G0〜G6またはメモリセル群G7〜G11)を含む。複数の読出対象群の少なくとも2つは(たとえばメモリセル群G0,G1)は互いに距離を隔てて位置する。隣あう2つのメモリセル群に跨るソフトエラーが発生しても、これらのメモリセル群同士では、データグループと誤り訂正符号とからなるチェックワードが互いに異なる。これにより1つのメモリセル群のカラム数を増やすことなく、多ビットエラーが生じる確率を小さくすることができる。
【選択図】図7
【解決手段】複数のメモリセル群(G0〜G11)は複数の読出対象群(メモリセル群G0〜G6またはメモリセル群G7〜G11)を含む。複数の読出対象群の少なくとも2つは(たとえばメモリセル群G0,G1)は互いに距離を隔てて位置する。隣あう2つのメモリセル群に跨るソフトエラーが発生しても、これらのメモリセル群同士では、データグループと誤り訂正符号とからなるチェックワードが互いに異なる。これにより1つのメモリセル群のカラム数を増やすことなく、多ビットエラーが生じる確率を小さくすることができる。
【選択図】図7
Description
本発明は半導体記憶装置に関し、特に、ソフトエラー耐性を向上しつつレイアウトの自由度の低下を防ぐことを可能する半導体記憶装置に関する。
半導体メモリの内容が意図しないデータに変化する不具合の1つにソフトエラーがある。「ソフトエラー」とは非可逆な回路損傷であるハードエラーと対をなす用語である。ソフトエラーは一時的に発生するエラーである。したがって半導体メモリにデータを再度書込むことによりソフトエラーを修復することができる。しかしながらソフトエラーは異常動作である事には変わりがない。場合によっては、ソフトエラーはシステムに深刻な影響をもたらす。
最近では、素子の微細化およびそれに伴う電源の低電圧化(電源の低電圧化は低消費電力化にも有効である)、ならびにシステムが使用するメモリの大容量化によってメモリの記憶内容が反転する確率が増大している。このため、近年ではソフトエラーが半導体メモリに及ぼす影響は無視できなくなっている。
ソフトエラーの問題が生じ始めた段階では、パッケージに含まれる放射性物質がアルファ粒子を放出する事によりソフトエラーが発生するものと考えられていた。その後、放射性物質から放出されるアルファ粒子だけでなく、高エネルギーの宇宙線が地球の高層大気と反応することにより生じる中性子線と半導体チップ内のSi(シリコン)原子(あるいは不純物原子)との衝突も、ソフトエラーの原因となる事が判明している。
宇宙線により生じるソフトエラーの発生確率は高度に依存する。たとえば地上よりも飛行機内のほうが、この種のソフトエラーの発生確率が高くなる。また、地球磁場が宇宙線と大気との反応による中性子線の発生に影響を及ぼす。この種のソフトエラーの発生確率は緯度にも依存する。
現在では後者(中性子線)によるソフトエラーへの対策が急務になっている。放射性物質からのアルファ粒子の放出に対してはパッケージの品質管理、あるいは放射性物質をメモリセルから遠ざけるといった対策をとることができる。つまり、比較的容易な対策をとることができる。しかし中性子線によるソフトエラーは偶発的な要因が絡みあって生じることが多い。また、中性子線はアルファ線と異なり非常に高い透過力を持つ。つまり中性子線のエネルギーは高いため、中性子線が半導体チップを透過すると半導体チップ内の広い領域に影響が生じる。このため中性子線によるソフトエラーに対して効果的な対策を施すことは容易ではない。
半導体メモリにおけるソフトエラーの問題については、これまでに数多くの文献で取り上げられている。上述したような、近年の微細化プロセスにともなうソフトエラーの問題については、たとえば非特許文献1に開示されている。
゛ソフトエラーが引き起こすシステム信頼性への影響"、[online]、2005年2月、リード・ビジネス・インフォメーション株式会社、[2007年1月29日検索]、インターネット<URL:http://www.ednjapan.com/content/issue/2005/02/feature/feature02.html>
゛ソフトエラーが引き起こすシステム信頼性への影響"、[online]、2005年2月、リード・ビジネス・インフォメーション株式会社、[2007年1月29日検索]、インターネット<URL:http://www.ednjapan.com/content/issue/2005/02/feature/feature02.html>
ECC(Error Check and Correct)機能などの誤り訂正機能が半導体メモリに備わっている場合には、複数のビットデータを含むデータグループの中の1ビットのエラーを訂正することができる。しかし宇宙線によるソフトエラーの場合には、ソフトエラーの原因となるシリコン基板中の電子・正孔対の発生領域が大きくなりやすい。このため、隣接する複数のメモリセルにエラーが同時に発生することが起こる(いわゆる多ビットエラー)。多ビットエラーが生じた場合には、誤り訂正を行なってもエラーが残る可能性が高くなる。
さらに、プロセス世代が進むにつれてメモリセルが微細化される。このためシリコン基板中の電子・正孔対の発生領域の大きさに変化がなくてもソフトエラーが発生するメモリセルの数が増える。つまり、多ビットエラーが生じやすくなる。
多ビットエラーの問題への対応方法として、1ビットのデータの入出力に対応するメモリセルのカラム数を増やすことが考えられる。以下では1ビットのデータの入出力に対応するメモリセルのカラム数を「MUX値」と称することにする。
MUX値を増やすことにより、多ビットエラーが発生する確率を小さくすることができる。その理由は、複数のメモリセルに同時にソフトエラーが発生しても、その複数のメモリセルのいずれもが、ある1ビットのデータの入出力に対応するメモリセルとなる可能性が高くなるからである。データグループ中の1ビットのみに誤りが生じた場合には、ECC機能によってそのエラーを訂正することが可能になる。
ところでSRAM(Static Random Access Memory)のメモリセルでは、各々分離されたウェルがワード線の延在方向に並ぶ横長型セルが採用されることがある。メモリセルの微細化に伴ってソフトエラーは顕在化しやすい。アルファ粒子によるソフトエラーに対する耐性が比較的高いという理由から、メモリセルの微細化に伴って横長型セルが採用される傾向にある。
しかし多ビットエラーを防ぐためにはメモリセルの微細化が進むほどMUX値を大きくしなければならない。メモリセルが横長型セルの場合、MUX値が大きくなるほどメモリセルアレイが横長になる傾向が生じやすい。つまり、メモリセルアレイの形状(縦横のアスペクト比)が制限を受けることになる。このことは半導体記憶装置のレイアウト設計に際して設計面での柔軟性が失われることにつながる。
本発明は、ソフトエラーに対する耐性を高めることが可能であり、かつ、レイアウト設計の自由度を高めることが可能な半導体記憶装置を提供することである。
本発明の1実施例によれば、半導体記憶装置は、メモリセルアレイと、選択回路と、読出回路とを備える。メモリセルアレイは、行列状に配置された複数のメモリセルを含む。メモリセルアレイは、各々がデータ読出の単位となる複数のメモリセル群に分割される。選択回路は、選択信号に応じて、複数のメモリセル群の中から複数の読出対象群を選択する。読出回路は、複数の読出対象群から複数のデータをそれぞれ読出す。複数の読出対象群のうちの少なくとも2つの群は、距離を隔てて位置する。
この実施例によれば、ソフトエラーに対する耐性を高めることが可能であり、かつ、レイアウト設計の自由度を高めることが可能な半導体記憶装置が実現可能になる。
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
[実施の形態1]
<全体構成>
図1は、本実施の形態の半導体記憶装置を備える半導体集積回路の例を示す図である。図1を参照して、半導体集積回路100は、演算部1と、RAM(Random Access Memory)2と、ROM(Read Only Memory)3と、バス4とを含む。
<全体構成>
図1は、本実施の形態の半導体記憶装置を備える半導体集積回路の例を示す図である。図1を参照して、半導体集積回路100は、演算部1と、RAM(Random Access Memory)2と、ROM(Read Only Memory)3と、バス4とを含む。
演算部1はデータバスやアドレスバス等のバス4を介して、RAM2との間でデータ授受を行なうとともにROM3からデータを読出す。RAM2は、本実施の形態の半導体記憶装置に対応する。RAM2はたとえば演算部1がデータ処理を行なう場合の作業領域であり、各種変数等のデータを一時的に記憶する。ROM3は、たとえば演算部1で実行されるプログラムやデータをその内部に格納する。
なお、本発明の半導体記憶装置は、汎用的な半導体記憶装置として単体で用いられてもよい。
図2は、本実施の形態に係る半導体記憶装置の構成の一例を示す概略図である。図1のRAM2は図2に示す構成を有する。以下では本実施の形態に係る半導体記憶装置(図1のRAM2を含む)を「半導体記憶装置2」と称する。
また、本実施の形態では半導体記憶装置2はSRAMである。ただし本発明の半導体記憶装置はメモリセルの記憶内容を書き換えることが可能なメモリであれば特にSRAMに限定されず、たとえばDRAM(Dynamic Random Access Memory)でもよい。
図2を参照して、半導体記憶装置2は、メモリセルアレイ11と、主制御回路12と、行選択回路13と、列選択回路14と、入出力回路15と、ECC回路16とを含む。
メモリセルアレイ11は、行列状に配列される複数のメモリセルと、複数のメモリセルの各行に対応して設けられる複数のワード線と、複数のメモリセルの各列に対応して設けられる複数のビット線対とを含む。ただし図2では、1つのメモリセルMCと、メモリセルMCに対応して設けられるワード線WLと、メモリセルMCに対応して設けられるビット線対BLPとを代表的に示す。ビット線対BLPは、ビット線BL,/BLを含む。
主制御回路12は、外部から入力されるアドレス信号ADを受けて、行アドレス信号RAおよび列アドレス信号CAを生成する。主制御回路12は外部から入力されるコマンド信号CMDに応じて入出力回路15およびECC回路16を制御する。主制御回路12は外部からのクロック信号CLKを受けて、半導体記憶装置2の動作の基準となる内部クロック信号を生成する。
なお、主制御回路12の動作はこれらの動作に限定されるものではない。たとえば主制御回路12が内部クロック信号を生成しなくてもよい。また、行選択回路13および列選択回路14の制御方法も上述の方法に限定されるものではない。
行選択回路13は、行アドレス信号RAに対応するメモリセルアレイ11上のワード線を選択する。列選択回路14は、列アドレス信号CAに対応するメモリセルアレイ11上のビット線対を選択する。
入出力回路15は、データ読出時には行選択回路13および列選択回路14により選択されたメモリセルからデータを読出す。入出力回路15は、データ書込時には行選択回路13および列選択回路14により選択されたメモリセルにデータを書込む。
入出力回路15は、複数の入出力部(図2では「I/O」と示す)151,152〜15Aを含む。各入出力部には、複数のビット線対が接続される。ただし各入出力部は複数のビット線対のいずれか1つに対してデータの入出力を行なう。
半導体記憶装置2には外部からデータDIが入力される。データDIは複数のビットデータを含むデータグループである。本実施の形態では「ビットデータ」とは特に説明がない限り1ビットのデータを意味するものとする。
データ書込時において、データDIはECC回路16を介して入出力回路15に入力される。行選択回路13および列選択回路14は、複数のビットデータのそれぞれに対応する複数のメモリセルを選択する。主制御回路12は複数のビットデータのそれぞれに対応する複数の入出力部を制御して、その複数のメモリセルにビットデータを書込む。
データ読出時には、行選択回路13および列選択回路14は、複数のビットデータのそれぞれに対応する複数のメモリセルを選択する。主制御回路12は複数のメモリセルのそれぞれに対応する複数の入出力部を制御する。複数の入出力部の各々は対応するメモリセルからビットデータを読出す。
メモリセルアレイ11は、その複数のビットデータの誤りの検出および訂正を行なうためのパリティビット(誤り訂正符号)を格納する。パリティビットも複数のビットデータと同様に入出力回路15により読出される。読出された複数のビットデータおよびパリティビットはECC回路16に入力される。
ECC回路16は、入力されたパリティビットを用いて複数のビットデータを検査する。ECC回路16は、複数のビットデータの中の1つが誤っている場合に、そのデータを訂正する。ECC回路16はエラー訂正処理を行なった後にデータDOを出力する。なお、エラー訂正方法については、この方法に限定されず、各種の公知の手法を用いることができる。
図3は、図2のメモリセルアレイ11の構成をより詳細に説明する図である。図3ではメモリセルアレイ11の中の入出力部151に対応する部分の構成を示す。メモリセルアレイ11において入出力部152〜15Aに対応する部分の構成は、図3に示す構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。また、説明の便宜上、図2に示す列選択回路14は図3に示されていない。
図3を参照して、入出力部(I/O)151に対してm行のメモリセル行およびn列のメモリセル列が配置される。ここでm,nは2以上の整数である。
行選択回路13にはm本のワード線WL0〜WLm−1が接続される。図3では一例として第1行目と第m行目のメモリセル行にそれぞれ対応するワード線WL0およびWLm−1を示す。
入出力部(I/O)151に対応して、nのビット線対BLP0〜BLPn−1が設けられる。図3では一例として、第1列目と第n列目のメモリセル列にそれぞれ対応するビット線対BLP0およびBLPn−1を示す。
各ビット線対は、互いに相補の2本のビット線を有する。ビット線対BLP0はビット線BL0,/BL0を含む。ビット線対BLPn−1は、ビット線BLn−1,/BLn−1を含む。
m行n列に配置された(m×n)個のメモリセルMCのうち、行選択回路13および列選択回路(図3に示さず)により選択されたメモリセルに対して、入出力部151はデータDiの入力およびデータDoの出力を行なう。データDi,Doは1ビットのデータである。
図2および図3を参照して本実施の形態の半導体記憶装置の構成を包括的に説明すると以下のとおりとなる。半導体記憶装置2は、行列状に配置される複数のメモリセルMCを含むメモリセルアレイ11を備える。メモリセルアレイ11は、各々がデータ読出の単位となる複数のメモリセル群に分割される。入出力部151に対応して設けられる(m×n)個のメモリセルMCは複数のメモリセル群のうちの1つを構成する。すなわち、実施の形態1では、メモリセルアレイ11は、複数のメモリセルの複数列ごとに複数のメモリセル群に分割される。各メモリセル群は1ビットのデータを出力する。
半導体記憶装置2は、さらに、選択信号(行アドレス信号RAおよび列アドレス信号CA)に応じて、複数のメモリセル群の中から複数の読出対象群を選択する選択回路(行選択回路13および列選択回路14)を備える。より特定的には行選択回路13および列選択回路14は複数の読出対象群の各々に含まれる複数のメモリセルのうちの1つを選択する。
半導体記憶装置2は、さらに、複数の読出対象群から複数のビットデータをそれぞれ読出す入出力回路15を備える。なお、複数のメモリセル群から複数の読出対象群を選択する方法については後述する。複数のビットデータはデータグループとして入出力回路15から出力される。半導体記憶装置2は、さらに、複数のビットデータのうちのいずれか1つの誤りを訂正可能なECC回路16を備える。
<メモリセルの構成>
図4は、図3に示すメモリセルMCの回路図である。図4を参照して、メモリセルMCは、PチャネルMOSトランジスタP1,P2と、NチャネルMOSトランジスタN1〜N4と、ノードNA,NBとを含む。ノードNA,NBは記憶ノードである。
図4は、図3に示すメモリセルMCの回路図である。図4を参照して、メモリセルMCは、PチャネルMOSトランジスタP1,P2と、NチャネルMOSトランジスタN1〜N4と、ノードNA,NBとを含む。ノードNA,NBは記憶ノードである。
PチャネルMOSトランジスタP1は、その一方端が電源線VDLに接続され、他方端がPチャネルMOSトランジスタP2のゲート端子に接続され、そのゲート端子がPチャネルMOSトランジスタP2の他方端に接続される。PチャネルMOSトランジスタP2は、その一方端が電源線VDLに接続され、他方端がPチャネルMOSトランジスタP1のゲート端子に接続され、ゲート端子がPチャネルMOSトランジスタP1の他方端に接続される。電源線VDLは所定の電源電位に設定されたノードVDDに接続される。
NチャネルMOSトランジスタN1は、一方端が接地線VSL1に接続され、他方端がNチャネルMOSトランジスタN3の他方端に接続され、ゲート端子がPチャネルMOSトランジスタP2の他方端に接続される。NチャネルMOSトランジスタN2は、一方端が接地線VSL2に接続され、他方端がNチャネルMOSトランジスタN4の他方端に接続され、ゲート端子がPチャネルMOSトランジスタP1の他方端に接続される。
NチャネルMOSトランジスタN3は、一方端がビット線BLに接続され、他方端がNチャネルMOSトランジスタN1の他方端に接続され、ゲート端子がワード線WLに接続される。NチャネルMOSトランジスタN4は、一方端がビット線/BLに接続され、他方端がNチャネルMOSトランジスタN2の他方端に接続され、ゲート端子がワード線WLに接続される。
PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1,N3の他方端同士を接続することによりノードNAが形成され、PチャネルMOSトランジスタP2およびNチャネルMOSトランジスタN2,N4の他方端同士を接続することによりノードNBが形成される。
PチャネルMOSトランジスタP1は、ノードNBがHレベルになればオフされ、ノードNBがLレベルになればオンされてノードVDDから電源線VDLを介して電源電位を供給してノードNAをHレベルにする。また、PチャネルMOSトランジスタP2は、ノードNAがHレベルになればオフされ、ノードNAがLレベルになればオンされてノードVDDから電源線VDLを介して電源電位を供給してノードNBをHレベルにする。このように、PチャネルMOSトランジスタP1,P2は、ノードNB,NAの電位状態に応じてノードVDDからノードNA,NBへ電源電圧を供給するので、ロードトランジスタと呼ばれる。
NチャネルMOSトランジスタN1は、ノードNBがHレベルになればオンされてノードNA上の電荷を接地線VSL1を介して接地ノードへ供給してノードNAをLレベルにし、ノードNBがLレベルになればオフされてノードNA上の電荷を保持する。また、NチャネルMOSトランジスタN2は、ノードNAがHレベルになればオンされてノードNB上の電荷を接地線VSL2を介して接地ノードへ供給してノードNBをLレベルにし、ノードNAがLレベルになればオフされてノードNB上の電荷を保持する。このように、NチャネルMOSトランジスタN1,N2は、ノードNB,NAの電位状態に応じてノードNA,NB上の電荷を接地ノードへ供給したり、ノードNA,NB上の電荷を保持したりするのでドライバトランジスタと呼ばれる。
NチャネルMOSトランジスタN3は、ワード線WLが選択されればオンされてビット線BL上の電荷をノードNAへ供給し、ワード線WLが非選択になればビット線BLとノードNAとの間で電荷のやり取りを遮断する。また、NチャネルMOSトランジスタN4は、ワード線WLが選択されればオンされてビット線/BL上の電荷をノードNBへ供給し、ワード線WLが非選択になればビット線/BLとノードNBとの間で電荷のやり取りを遮断する。このように、NチャネルMOSトランジスタN3,N4は、ワード線WLによりノードNAとビット線BLとの間での電荷のやり取り、またはノードNBとビット線/BLとの間での電荷のやり取りを行なうので、アクセストランジスタと呼ばれる。
たとえばデータ「1」が書込まれるとき、ノードNA,NBは、それぞれ、HレベルおよびLレベルになり、データ「0」が書込まれるとき、ノードNA,NBは、それぞれ、LレベルおよびHレベルになる。
図5は、図4に示すメモリセルMCの平面図である。メモリセルMCは半導体基板上に形成される。図5および図4を参照して、「Load Tr1」および「Load Tr2」はPチャネルトランジスタP1,P2にそれぞれ対応する。「Driver Tr1」および「Driver Tr2」は、NチャネルMOSトランジスタN1,N2にそれぞれ対応する。「Access Tr1」および「Access Tr2」は、NチャネルMOSトランジスタN3,N4にそれぞれ対応する。
ワード線WLは、X軸方向(横方向)に延在し、ビット線BL,/BLは、ワード線に直交する方向(Y軸方向)に延在する。ここで、メモリセルMCは、ビット線BL,/BLの延在方向の長さよりもワード線WLの延在方向の長さが長くなるように形成される。半導体基板中にはP型(第1導電型)のPウェル領域RG1(第1ウェル領域)、N型(第2導電型)のNウェル領域RG2(第2ウェル領域)およびP型(第1導電型)のPウェル領域RG3(第3ウェル領域)がX軸方向に並んで設けられる。
<ソフトエラーの発生>
再び図4を参照しながら、ソフトエラーについて説明する。メモリセルMCのデータ保持状態の一例として、たとえば、ノードNAがLレベル、ノードNBがHレベルに保たれた状態が考えられる。この状態においては、NチャネルMOSトランジスタN1とPチャネルMOSトランジスタP2とがオンであり、NチャネルMOSトランジスタN2とPチャネルMOSトランジスタP1とがオフである。この結果、ノードNAは接地線VSL1に接続され、ノードNBは電源線VDLに接続される。
再び図4を参照しながら、ソフトエラーについて説明する。メモリセルMCのデータ保持状態の一例として、たとえば、ノードNAがLレベル、ノードNBがHレベルに保たれた状態が考えられる。この状態においては、NチャネルMOSトランジスタN1とPチャネルMOSトランジスタP2とがオンであり、NチャネルMOSトランジスタN2とPチャネルMOSトランジスタP1とがオフである。この結果、ノードNAは接地線VSL1に接続され、ノードNBは電源線VDLに接続される。
ここで、パッケージに含まれる放射性物質から放出されたアルファ線、あるいは高エネルギーの宇宙線が地球の高層大気と反応することにより生じた中性子線が、半導体チップ内のSi(シリコン)原子(あるいは不純物原子)と衝突してノードNBに強い電荷が進入したとする。この場合には、PチャネルMOSトランジスタP2によるVDDレベルへの駆動が追いつかず、ノードNBはLレベルにシフトする。この結果、NチャネルMOSトランジスタN1はオンからオフへ、PチャネルMOSトランジスタP1はオフからオンへとシフトし、ノードNAの電位は電源電位レベルに駆動される。
ノードNAの電位が電源電位レベルに駆動されたことにより、NチャネルMOSトランジスタN2はオフからオンへ、PチャネルMOSトランジスタP2はオンからオフへとシフトする。その結果、ノードNBの電位が接地電位レベルとなる。
以上のステップを経て、ノードNAがHレベル、ノードNBがLレベルに保たれることとなる。すなわち、メモリセルMCは当初記憶するデータと論理が反転したデータを保持する。
図5に示す横長型メモリセルは、アルファ線により生じるソフトエラー耐性が大きいことが一般的に知られている。この理由について図6を参照しながら説明する。
図6は、横長型セルに生じるソフトエラーと縦長型セルに生じるソフトエラーとの対比説明のための図である。図6を参照して、縦長型セルは、分離された3つのウェル領域(Pウェル領域RG1、Nウェル領域RG2、およびPウェル領域RG3)がビット線の延在方向に並ぶセル構造を有する。横長型セルは、分離された3つのウェルがワード線の延在方向に並ぶセル構造を有する。メモリセルMCの縦方向(ビット線の延在方向)の長さおよび横方向(ワード線の延在方向)の長さをそれぞれa,bとする。縦長型セルの場合にはa>bであり、横長型セルの場合にはa<bである。
たとえばソフトエラーが生じ得るようなウェルへの電荷の急激な注入があった場合には、そのウェルを共有する他のメモリセルに次々と電荷が伝播することが起こる。図6は縦長型セル、横長型セルの両方において、電荷elがメモリセルMC中のNウェル領域RG2を伝播する状態を模式的に示す。
縦長型セル構造においては、ワード線の延在方向にソフトエラーが連鎖的に生じる可能性が大きくなる。すなわち縦長型セルの場合には、同一のワード線において多数(たとえば3つ以上)のメモリセルでソフトエラーが生じる可能性が高くなる。これに対し、横長型セルの場合には、ビット線の延在方向にソフトエラーが連鎖的に生じる可能性が大きくなるものの、同一のワード線において多数のメモリセルでソフトエラーが生じる可能性が小さくなる。
ここで、MUX値をたとえば2に設定したとする。縦長型セルの場合には同一のワード線において多数のメモリセルでソフトエラーが生じる可能性が高いため、メモリセルアレイ11から読出された複数のビットデータのうち2つ以上が誤っている可能性(多ビットエラーが生じる可能性)が高くなる。これに対し、横長型セルの場合には並列に読み出されるデータ同士間のウェル共有がない。このため同一のワード線において多数のメモリセルでソフトエラーが生じる可能性が小さくなる。
要するに横長型セルの場合には、複数のビットデータの中にエラーデータが含まれていても、エラーデータの数を1以下に抑えることができる確率が高くなる。エラーデータの数が1以下であれば、誤り訂正回路(本実施の形態ではECC回路16)によって、そのエラーデータを訂正することが可能になる。この結果、半導体記憶装置から読出されたデータグループにおけるエラーの発生確率の点で、横長型セルは縦長型セルに比較して有利となる。
多くの場合にはMUX値は2以上に設計される。メモリセルの微細化が進むに連れてソフトエラーが顕在化しやすくなる。ソフトエラー対策の観点から横長型メモリセルが採用される傾向にある。その理由は、アルファ線が原因で生じるソフトエラーの場合には、メモリセルアレイからのデータ読出時に生じるエラービットの数を、ECC回路により訂正可能な数(1以下)に抑えることができるためである。
しかしながらソフトエラーは、高エネルギーの宇宙線が地球の高層大気と反応することにより生じた中性子線が半導体基板中のシリコン原子(あるいは不純物原子)と衝突することによっても生じる。上述した中性子線のエネルギーは高いため、電子・正孔対の発生領域が広くなる(たとえば直径10数μmの領域)。このため、メモリセルが横長型セルであっても、多ビットエラーが生じる可能性が高くなる。
図3を参照して、MUX値を変えなければ150nm、130nm、90nmとプロセスルールが移行するに従い、1つのI/O(入出力部)のワード線方向の幅、すなわちメモリセル群のワード線方向の幅は小さくなる。つまり、メモリセル群のワード線方向の幅に対して電子・正孔対の発生領域が相対的に大きくなる。この結果、隣り合う2以上のメモリセル群からエラーデータが出力される可能性が高くなる。すなわち多ビットエラーが生じやすくなる。
多ビットエラーに対処する方法としてはMUX値を増やすことが考えられる。MUX値を増やした場合には1つの入出力部に対応するメモリセル群のワード線方向の幅が大きくなる。このため電子・正孔対の発生領域におけるワード線方向の大きさを、1つのメモリセル群のワード線方向の幅以下に抑えることができる可能性が高くなる。すなわち、メモリセルアレイからのデータ読出時に生じるエラービットの数を1以下に抑えることができる。よって、ECC回路16によって誤り訂正を行なうことができる。
しかし、MUX値を大きくするほどメモリセル群のワード線方向の幅が大きくなる。特に横長型セルの場合には、MUX値を大きくするほどメモリセル群が横長の形状になりやすくなる。つまり、MUX値を大きくするほどメモリセル群の縦横の形状(アスペクト比)が制限を受けやすくなる。メモリセル群の形状が制限されることはメモリセルアレイの形状が制限されることにつながる。すなわち半導体記憶装置のレイアウト設計における設計の柔軟性が失われる可能性がある。
本実施の形態では、複数の読出対象のメモリセル群のうち少なくとも2つ(第1および第2の群)は距離を隔てて位置する。これにより第1および第2の群に同時にソフトエラーが発生する確率を低くすることができる。また、第1および第2の群のいずれかにソフトエラーが発生した場合、ECC回路16がそのソフトエラーによるデータの誤りを訂正することができる。
さらに本実施の形態によれば、第1および第2のセル群に同時にソフトエラーが発生する確率が下がることにより、各セル群のカラム数が大幅に大きくなるのを防ぐことができる。これによりメモリセル群の形状の制限が小さくなるので、メモリセルアレイの形状の制限も小さくなる。特に本実施の形態では横長型セルを採用しているため、カラム数が大幅に増えるのを抑制することにより、メモリセル群が極端に横長になるのを抑制することができる。これにより複数のメモリセル群を含むメモリセルアレイの形状に対する制限を小さくすることができるので半導体記憶装置のレイアウト設計における設計の自由度を高めることができる。
以下、複数のメモリセル群の具体的な配置例を示しながら本実施の形態による効果について説明する。なお、以下の説明では、入出力回路15からECC回路16に入力される複数のビットデータ(データグループ)、および、データグループの誤りを訂正するためにECC回路16がデータグループに付加する冗長なデータ(誤り訂正符号)をあわせたものをチェックワードと呼ぶことにする。
(第1の配置例)
図7は、複数のメモリセル群の第1の配置例を示す図である。図7を参照して、メモリセルアレイ11は、12個のメモリセル群G0〜G11を含む。メモリセル群G0〜G11の配置方向はワード線の延在方向に等しい。
図7は、複数のメモリセル群の第1の配置例を示す図である。図7を参照して、メモリセルアレイ11は、12個のメモリセル群G0〜G11を含む。メモリセル群G0〜G11の配置方向はワード線の延在方向に等しい。
メモリセル群G0〜G11の各々のMUX値は、所定の値(たとえば8)である。各メモリセル群を識別しやすくするため、図7に示す複数の四角の各々には対応するメモリセル群を示す番号(0〜12)を付してある。
図7に示す配置例の場合、メモリセル群G0〜G5の各々から入出力部(I/O)を介して出力される1ビットのデータの組(図7中に実線の矢印で示す6ビットのデータ)がデータグループD1を構成する。なお「データグループ」を「1つのチェックワード」と言い換えることもできるため、以下では「データグループ」と「チェックワード」とを併記する。メモリセル群G6〜G11の各々から出力される1ビットのデータの組(図7中に破線の矢印で示す6ビットのデータ)がデータグループD2(1つのチェックワード)を構成する。つまり第1の配置例によれば互いに異なる2つのチェックワードを生成することができる。
ここで隣あう2つのメモリセル群(たとえばメモリセル群G0,G6)に跨るソフトエラーが発生したとする。これらのメモリセル群同士ではチェックワードが互いに異なる。このため2組のチェックワードの各々に対してエラー訂正が有効になる。これにより訂正可能なカラム数はMUX値の2倍、すなわち16になる。
仮に1つのメモリセル群のMUX値を16に設定した場合にはそのメモリセル群のワード線方向の長さが、図7に示すメモリセル群のワード線方向の2倍になる。しかし、この場合には、図7に示すメモリセル群を配置するよりもメモリセルアレイの形状が限定される可能性が高くなる。
これに対し、第1の配置例では、MUX値を16に設定した場合に比較して、メモリセル群の大きさ(ワード線方向の長さ)が小さいため、メモリセルアレイのレイアウト形状の自由度を高めることができる。メモリセルアレイの面積は半導体チップの面積において大きな割合を占める。メモリセルアレイのレイアウト形状の自由度を高めることにより、たとえば半導体チップの面積の縮小化を図ることができる。
図8は、図7に示されるメモリセル群から読出されるデータに対するエラー訂正処理を概念的に示す図である。図8を参照して、半導体記憶装置2の内部では、1組のチェックワードに対応するメモリセル群G0,G1〜G5の各々から入出力部(I/O)を介してビットデータが読出される。各メモリセル群から読出されたビットデータはデータグループD1を構成する。図8ではメモリセル群G0,G1,G5からそれぞれ読出されるビットデータB0,B1,B5のみ示す。ビットデータB0,B1,B5はデータグループD1に含まれる。
図7を参照すれば分かるように、メモリセル群G0,G1は間にメモリセル群G6を挟んで位置する。メモリセル群G0〜G5の各々からビットデータを読出すときには、メモリセル群G6〜G11はメモリセル群G0〜G11のうち複数の読出対象群(メモリセル群G0〜G5)を除いたメモリセル群に該当する。すなわちメモリセル群G6は「複数の読出対象群を除いた他のメモリセル群」に対応する。
ECC回路16はデータグループD1を受けるとともにメモリセルアレイからデータグループD1に付与される誤り訂正符号CDを受ける。ECC回路16は、誤り訂正符号CDを用いてデータグループD1を検査する。たとえばビットデータB1が「1」であり、このデータが誤っているとする。ECC回路16はビットデータB1を「1」から「0」に訂正する。ECC回路16は訂正後のビットデータB1およびビットデータB0,B5を含むデータDOを出力する。
なお、メモリセル群G6〜G11の各々からビットデータを読出す場合にも図8に示す動作と同様の動作が実行される。
(第2の配置例)
図9は、複数のメモリセル群の第2の配置例を示す図である。図9を参照して、メモリセルアレイ11は、12個のメモリセル群G0〜G11を含む。メモリセル群G0〜G11の配置方向はワード線の延在方向に等しい。また、各メモリセル群のMUX値は8である。この点については第1および第2の配置例は同じである。
図9は、複数のメモリセル群の第2の配置例を示す図である。図9を参照して、メモリセルアレイ11は、12個のメモリセル群G0〜G11を含む。メモリセル群G0〜G11の配置方向はワード線の延在方向に等しい。また、各メモリセル群のMUX値は8である。この点については第1および第2の配置例は同じである。
第2の配置例では、互いに異なる3つのチェックワードが生成される点で第1の配置例と異なる。具体的にはメモリセル群G0〜G3の各々から出力される1ビットのデータの組(図9に実線の矢印で示す4ビットのデータ)がデータグループD1(第1のチェックワード)を構成する。メモリセル群G4〜G7の各々から出力される1ビットのデータの組(図9に破線の矢印で示す4ビットのデータ)がデータグループD2(第2のチェックワード)を構成する。メモリセル群G8〜G11の各々から出力される1ビットのデータの組(図9に一点鎖線の矢印で示す4ビットのデータ)がデータグループD3(第3のチェックワード)を構成する。
たとえば「複数の読出対象群」がメモリセル群G0〜G3であるとする。たとえばメモリセル群G0,G1は「複数のメモリセル群のうち複数の読出対象群を除いた他のメモリセル群」に対応するメモリセル群G4,G8を挟んで位置する。「複数の読出対象群」がメモリセル群G4〜G7である場合やメモリセル群G8〜G11である場合も同様である。
第1の配置例と同様に考えると、第2の配置例では、エラー訂正が可能なカラム数はMUX値の3倍、すなわち24になる。第1の配置例と同様に第2の配置例の場合にも、MUX値を必要以上に大きくすることなく、ソフトエラーへの耐性を大きくすることができるとともに、メモリセルアレイのレイアウト形状の自由度を高めることができる。
なお、第1の配置例におけるデータグループのビット数(6)と、第2の配置例におけるデータグループのビット数(4)とは仮の値である。したがって、第1の配置例と第2の配置例とのいずれかが特に優れているというわけではない。
このように実施の形態1によれば、複数の読出対象群(あるデータグループに対応する複数のメモリセル群)の少なくとも2つは、互いに距離を隔てて位置する。より特定的には、これら2つのセル群は、複数のメモリセル群のうち、複数の読出対象群を除く他のメモリセル群を挟んで位置する。
これにより、多ビットエラーが生じ得る状況が発生しても、ECC等のエラー訂正方式により、読出データの訂正が可能になる確率を高めることができるので、半導体記憶装置においてソフトエラーが発生する確率を下げることができる。
また、実施の形態1によれば、メモリセル群のカラム数を大幅に増やすことなく多ビットエラーを防ぐ可能性を高めることができるので、メモリセルアレイのレイアウト設計の自由度を高めることが可能になる。
[実施の形態2]
実施の形態2に係る半導体記憶装置はメモリセルアレイの構成が実施の形態1に係る半導体記憶装置と異なる。実施の形態2に係る半導体記憶装置の他の部分の構成および機能については、実施の形態1に係る半導体記憶装置において対応する部分の構成および機能と同様であるので以後の説明は繰返さない。
実施の形態2に係る半導体記憶装置はメモリセルアレイの構成が実施の形態1に係る半導体記憶装置と異なる。実施の形態2に係る半導体記憶装置の他の部分の構成および機能については、実施の形態1に係る半導体記憶装置において対応する部分の構成および機能と同様であるので以後の説明は繰返さない。
図10は、実施の形態2に係る半導体記憶装置に含まれるメモリセルアレイの構成を説明する図である。図10を参照して、メモリセルアレイ11Aは、複数のメモリセルの行(ワード線の延在方向)に沿って2つのメモリブロックBLK1,BLK2に分割される。メモリブロックBLK1,BLK2は距離を隔てて配置される。
なお、複数のメモリセル群は、メモリブロックBLK1,BLK2が複数のメモリセルの複数の列ごとに分割されることにより形成される。具体的に説明するとメモリブロックBLK1は12個のメモリセル群G0,G2,G4,G6,G8,G10,G12,G14,G16,G18,G20,G22に分割される。メモリブロックBLK2は12個のメモリセル群G1,G3,G5,G7,G9,G11,G13,G15,G17,G19,G21,G23に分割される。なお、各メモリセル群のカラム数は8である。
メモリセル群G0〜G23のそれぞれに対応して24個の入出力部(I/O)が設けられる。これらの入出力部は対応するメモリセル群から1ビットのデータを読出す。実施の形態2では、メモリセル群G0〜G23の各々から出力される1ビットのデータ(合計24ビット)が組となって1つのデータグループ(チェックワード)が構成される。
ここでメモリセル群G0,G1を例に実施の形態2の効果を説明する(メモリセル群G1,G2やメモリセル群G2,G3等についても同様の効果が奏せられる)。メモリセル群G0,G1はメモリブロックBLK1,BLK2にそれぞれ含まれるので、メモリセル群G0,G1とは距離を隔てて位置する。よって、メモリセル群G0,G1の一方にソフトエラーが生じても他方にそのソフトエラーによる影響が生じる可能性は小さくなる。
つまり、メモリセル群G0,G1のいずれか一方からのデータが誤っていても他方からのデータが正常であることが期待できる。その誤りのデータのみ訂正すればメモリセル群G0,G1からそれぞれ出力される2つのビットデータはともに正常になる。つまり、実施の形態2では、エラー訂正可能なカラム数は16(=8×2)となる。
このように実施の形態2によれば、複数の読出対象群のうちの少なくとも2つが2つの行ブロックにそれぞれ属する。これによりMUX値を大きくすることなくエラー訂正可能なカラム数を大きくすることができるので、半導体記憶装置においてソフトエラーが発生する確率を下げることができる。
また、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様に、メモリセル群のMUX値を大きくしなくてもよいので、メモリセルアレイのレイアウト設計の自由度を高めることが可能になる。
[実施の形態3]
実施の形態3に係る半導体記憶装置はメモリセルアレイの構成が実施の形態1に係る半導体記憶装置と異なる。実施の形態3に係る半導体記憶装置の他の部分の構成および機能については、実施の形態1に係る半導体記憶装置において対応する部分の構成および機能と同様であるので以後の説明は繰返さない。
実施の形態3に係る半導体記憶装置はメモリセルアレイの構成が実施の形態1に係る半導体記憶装置と異なる。実施の形態3に係る半導体記憶装置の他の部分の構成および機能については、実施の形態1に係る半導体記憶装置において対応する部分の構成および機能と同様であるので以後の説明は繰返さない。
図11は、実施の形態3に係る半導体記憶装置に含まれるメモリセルアレイの構成を説明する図である。図11を参照して、メモリセルアレイ11Bは実施の形態1,2に係るメモリセルアレイ(図7のメモリセルアレイ11および図10のメモリセルアレイ11A)の構成の組み合わせに相当する。メモリセルアレイ11Bの構成について詳細に説明すると、メモリセルアレイ11Bは、複数のメモリセルの行(ワード線の延在方向)に沿って2つのメモリブロックBLK1,BLK2に分割される。メモリブロックBLK1,BLK2は距離を隔てて配置される。
複数のメモリセル群は、メモリブロックBLK1,BLK2が複数のメモリセルの複数の列ごとに分割されることにより形成される。メモリブロックBLK1は各々が複数のメモリセルを含む12個のメモリセル群G0,G2,G4,G6,G8,G10,G12,G14,G16,G18,G20,G22に分割される。メモリブロックBLK2は12個のメモリセル群G1,G3,G5,G7,G9,G11,G13,G15,G17,G19,G21,G23に分割される。なお、各メモリセル群のカラム数は8である。
実施の形態3では、メモリセル群G0〜G7の各々から出力される1ビットのデータの組(合計8ビットのデータ)がデータグループD1(1つのチェックワード)を構成する。同様に、メモリセル群G8〜G15の各々から出力される1ビットのデータの組がデータグループD2(1つのチェックワード)を構成し、メモリセル群G16〜G23のそれぞれから出力される1ビットのデータの組がデータグループD3(1つのチェックワード)を構成する。つまり、実施の形態3によれば互いに異なる3つのチェックワードが生成される。
各チェックワードを構成するための複数のメモリセル群は、2つのメモリブロックに分かれて配置される。たとえば「複数の読出対象群」がメモリセル群G0〜G7であるとする。メモリセル群G0,G1はメモリブロックBLK1,BLK2にそれぞれ含まれる。つまり、複数の読出対象群のうちの少なくとも2つが2つの行ブロックにそれぞれ属する。この点では実施の形態3は実施の形態2と同様である。
また、各メモリブロックでは、複数の読出対象群の2つのメモリセル群(たとえばメモリセル群G0,G2)は、その複数の読出対象群と異なる複数のメモリセル群(非読出対象群)の少なくとも1つ(たとえばメモリセル群G8,G16)を挟んで位置する。この点では実施の形態3は実施の形態1と同様である。
実施の形態3によれば、実施の形態1,2と同様に、MUX値を大きくすることなく半導体記憶装置においてソフトエラーが発生する確率を下げることができる。また、実施の形態3によれば、実施の形態1,2と同様に、メモリセル群のMUX値を大きくしなくてもよいので、メモリセルアレイのレイアウト設計の自由度を高めることが可能になる。
なお、実施の形態3の場合には、たとえばメモリセル群G0〜G7のうち、メモリセル群G0〜G3をメモリブロックBLK1に配置し、メモリセル群G4〜G7をメモリブロックBLK2に配置してもよい。この場合、メモリセル群G0〜G7のうちの2つのメモリセル群(たとえばメモリセル群G0,G1)は、メモリブロックBLK1において他のチェックデータを構成するメモリセル群(たとえばメモリセル群G8)を挟むように位置する。
また、実施の形態1,3では、複数の読出対象のメモリセル群同士(たとえばメモリセル群G0〜G7)が互いに距離を隔てて位置する。これにより、MUX値を大きくすることなく半導体記憶装置においてソフトエラーが発生する確率をより下げることが可能になる。
また、各実施の形態ではECC回路は半導体記憶装置の内部に設けられるものとしたが、半導体記憶装置の外部に設けられていてもよい。さらに、チェックワードを構成するビットデータの数は特に限定されるものではない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 演算部、2 半導体記憶装置、3 ROM、4 バス、11,11A,11B メモリセルアレイ、12 主制御回路、13 行選択回路、14 列選択回路、15 入出力回路、16 ECC回路、100 半導体集積回路、151,152〜15A 入出力部、BL,/BL,BL0,/BL0,BLn−1,/BLn−1 ビット線、BLK1,BLK2 メモリブロック、BLP,BLP0〜BLPn−1 ビット線対、D1〜D3 データグループ、el 電荷、G0〜G23 メモリセル群、MC メモリセル、N1〜N4 NチャネルMOSトランジスタ、NA,NB ノード、P1,P2 PチャネルMOSトランジスタ、RG1,RG3 Pウェル領域、RG2 Nウェル領域、VDD ノード、VDL 電源線、VSL1,VSL2 接地線、WL,WL0〜WLm ワード線。
Claims (8)
- 行列状に配置された複数のメモリセルを含み、かつ、各々がデータ読出の単位となる複数のメモリセル群に分割されたメモリセルアレイと、
選択信号に応じて、前記複数のメモリセル群の中から複数の読出対象群を選択する選択回路と、
前記複数の読出対象群から複数のデータをそれぞれ読出す読出回路とを備え、
前記複数の読出対象群のうちの少なくとも2つの群は、距離を隔てて位置する、半導体記憶装置。 - 前記半導体記憶装置は、
前記複数のメモリセルの行ごとに配置される複数のワード線と、
前記複数のメモリセルの列ごとに配置される複数のビット線とをさらに備え、
前記複数のメモリセルの各々は、対応するワード線方向の長さが対応するビット線方向の長さよりも長くなるよう形成され、かつ、前記対応するワード線の延在方向に並ぶ第1導電型の第1ウェル領域、第2導電型の第2ウェル領域および前記第1導電型の第3ウェル領域を含む、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記複数のメモリセルの各々は、
前記第1ウェル領域上に形成された第1のドライバトランジスタおよび第1のアクセストランジスタと、
前記第2ウェル領域上に形成された第1および第2のロードトランジスタと、
前記第3ウェル領域上に形成された第2のドライバトランジスタおよび第2のアクセストランジスタとをさらに含む、請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイは、前記複数のメモリセルの複数の列ごとに前記複数のメモリセル群に分割され、
前記少なくとも2つの群は、前記複数のメモリセル群のうち前記複数の読出対象群を除いた他のメモリセル群を挟んで位置する、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイは、互いに距離を隔てて位置する複数の行ブロックに分割され、
前記複数のメモリセル群は、前記複数の行ブロックが前記複数のメモリセルの複数の列ごとに分割されることにより形成され、
前記少なくとも2つの群は、前記複数の行ブロックのうちの2つの行ブロックにそれぞれ属する第1および第2の群である、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイは、互いに距離を隔てて位置する複数の行ブロックに分割され、
前記複数のメモリセル群は、前記複数の行ブロックが前記複数のメモリセルの複数の列ごとに分割されることにより形成され、
前記少なくとも2つの群は、前記複数の行ブロックのうちの2つの行ブロックにそれぞれ属する第1および第2の群であり、
前記読出対象群は、
前記第1の群と同じ行ブロックに属し、かつ、前記複数のメモリセル群のうち前記複数の読出対象群を除く複数の非読出対象群の少なくとも1つを前記第1の群と挟むように位置する第3の群と、
前記第2の群と同じ行ブロックに属し、かつ、前記複数の非読出対象群の少なくとも1つを前記第2の群と挟むように位置する第4の群とをさらに含む、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記複数のデータの各々は、1ビットのデータであり、
前記半導体記憶装置は、
前記複数のデータのうちのいずれか1つの誤りを訂正可能な誤り訂正回路をさらに備える、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記複数の読出対象群同士は、互いに距離を隔てて位置する、請求項1に記載の半導体記憶装置。
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