JP2009272023A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ビット線分割数を抑え、メモリセル占有率を向上させた半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】半導体記憶装置は、ワード線WWL及びRWLと、ビット線WBLt、WBLc、RBLt及びRBLcと、アレイ状に配置された複数のメモリセルMCとを有するメモリセルアレイを備え、MCは、インバータIV1及びIV2の入出力端が相互に接続されたフリップフロップ回路と、IV1の出力端及びWBLt間に接続され、WWLにゲートが接続されたNMOSトランジスタN3と、IV2の出力端及びWBLc間に接続され、WWLにゲートが接続されたNMOSトランジスタN4と、RWL及びRBLt間に接続され、IV2の出力端にゲートが接続されたNMOSトランジスタN5と、RWL及びRBLc間に接続され、IV1の出力端にゲートが接続されたNMOSトランジスタN6とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】半導体記憶装置は、ワード線WWL及びRWLと、ビット線WBLt、WBLc、RBLt及びRBLcと、アレイ状に配置された複数のメモリセルMCとを有するメモリセルアレイを備え、MCは、インバータIV1及びIV2の入出力端が相互に接続されたフリップフロップ回路と、IV1の出力端及びWBLt間に接続され、WWLにゲートが接続されたNMOSトランジスタN3と、IV2の出力端及びWBLc間に接続され、WWLにゲートが接続されたNMOSトランジスタN4と、RWL及びRBLt間に接続され、IV2の出力端にゲートが接続されたNMOSトランジスタN5と、RWL及びRBLc間に接続され、IV1の出力端にゲートが接続されたNMOSトランジスタN6とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体記憶装置に関し、特に8トランジスタ型メモリセルを備えたSRAM等に関する。
LSIの低消費電力化のために、電源電圧を低くすることが要求されている。LSIの電源電圧の下限はLSI中のSRAMで決定される場合が多い。これはメモリセルのディスターブの問題に起因する。すなわち、従来の6トランジスタ型メモリセルでは、読み出し動作のためにワード線が選択された際に、プリチャージされたビット線がトランスファトランジスタを介してフリップフロップ回路を構成する内部ノードと接続されて、内部ノードが僅かにプルアップされる。このため、フリップフロップ回路のデータが不安定となり、電源電圧が低下するとデータ破壊が起こる。このようなディスターブの問題の対策として、読み出しポートを分離した8トランジスタ型メモリセルを使用することが提案されている(非特許文献1)。8トランジスタ型メモリセルでは、6トランジスタ型メモリセルに、新たに読み出し用ビット線及び読み出し用ワード線と、読み出し用ビット線を駆動するドライバ用トランジスタと、読み出し用ビット線とドライバ用トランジスタとを接続するトランスファゲート用トランジスタとが設けられる。トランスファゲート用トランジスタのゲートは読み出し用ワード線によって制御され、ドライバ用トランジスタのゲートは内部ノードに接続される。この構成によれば、内部ノードが直接読み出し用ビット線に接続されることがないので、読み出し時に内部ノードがプルアップされることが無く、ディスターブの問題を防ぐことができる。なお、書き込み時の動作は6トランジスタ型メモリセルと同様である。
このような従来の8トランジスタ型メモリセルを備えたSRAMでは、6トランジスタ型メモリセルの1つのノードに対して、ドライバ用とトランスファゲート用の2つのトランジスタが追加されるため、素子数の増加を防ぐ意味から単相のシングルエンド読み出しにならざるを得ない。このため、読み出し動作は、インバータ等のロジック回路でビット線の“H”レベル/“L”レベルを判定することにより行われ、読み出し速度及び精度を確保するためには、ビット線を速やかにフルスイングさせる必要がある。このようなビット線の高速ドライブを行うためには、ビット線に接続されるセル数を8〜32セル程度に少なくする必要があり、そのため、セル占有率が著しく低下するという問題が生じる。
L Chang, et al., Symposium on VLSI Technology 2004, p128
L Chang, et al., Symposium on VLSI Technology 2004, p128
本発明は、ビット線分割数を抑え、メモリセル占有率を向上させた半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明の一つの態様に係る半導体記憶装置は、複数の第1及び第2のワード線と複数の第1乃至第4のビット線とアレイ状に配置された複数のメモリセルとを有するメモリセルアレイを備え、前記メモリセルは、第1のNMOSトランジスタ及び第1のPMOSトランジスタからなる第1のインバータと第2のNMOSトランジスタ及び第2のPMOSトランジスタからなる第2のインバータを有し、前記第1のインバータの出力端及び前記第2のインバータの入力端が接続され、前記第1のインバータの入力端及び前記第2のインバータの出力端が接続されたフリップフロップ回路と、前記第1のインバータの出力端及び第1のビット線間に接続され、前記第1のワード線にゲートが接続された第3のNMOSトランジスタと、前記第2のインバータの出力端及び前記第2のビット線間に接続され、前記第1のワード線にゲートが接続された第4のNMOSトランジスタと、前記第2のワード線及び前記第3のビット線間に接続され、前記第2のインバータの出力端にゲートが接続された第5のNMOSトランジスタと、前記第2のワード線及び前記第4のビット線間に接続され、前記第1のインバータの出力端にゲートが接続された第6のNMOSトランジスタとを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、ビット線分割数を抑え、メモリセル占有率を向上させた半導体記憶装置を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体記憶装置の実施の形態について詳細に説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置であるSRAMにおける8トランジスタ型メモリセルの回路図である。また、図3には、比較のために従来の8トランジスタ型メモリセルの回路図を示している。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置であるSRAMにおける8トランジスタ型メモリセルの回路図である。また、図3には、比較のために従来の8トランジスタ型メモリセルの回路図を示している。
本実施形態に係る8トランジスタ型メモリセルが、図3に示す従来例と異なる点は、従来例のトランスファゲート用トランジスタN7を省略し、フリップフロップ回路の1つのノード(n又はnb)につき1つの読み出し用のドライバ用トランジスタ(N5又はN6)のみを使用することで、素子数を抑えつつ相補対型の読み出しを可能にしている点である。
すなわち、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置は、第1及び第2のワード線である複数の書き込み用ワード線WWL及び読み出し用ワード線RWLと、これらワード線WWL及びRWLに交差する2組の書き込み用ビット線対WBL及び読み出し用ビット線対RBLとを有する。ここで、書き込み用ビット線対WBLと読み出し用ビット線対RBLは、それぞれ第1及び第2のビット線である書き込み用ビット線WBLt及びWBLcと第3及び第4のビット線である読み出し用ビット線RBLt及びRBLcからなる相補のビット線対である。また、書き込み用ワード線WWL及び読み出し用ワード線RWLと書き込み用ビット線対WBL及び読み出し用ビット線対RBLの各交差部に複数のメモリセルMCが接続されている。
メモリセルMCは、ソースが電源線VDD及び接地線VSSにそれぞれ接続され相補対接続されたPMOSトランジスタP1及びN MOSトランジスタN1を備えた第1のインバータIV1と、ソースが電源線VDD及び接地線VSSにそれぞれ接続され相補対接続されたPMOSトランジスタP2及びNMOSトランジスタN2を備えた第2のインバータIV2とを有する。これらインバータIV 1、IV2の入力と出力は相互に接続されている。書き込み用ビット線WBLtと第1のインバータIV1の出力端との間には、第3のNMOSトランジスタN3が接続され、書き込み用ビット線WBLcと第2のインバータIV2の出力端との間には、第4のNMOSトランジスタN4が接続されている。第3及び第4のNMOSトランジスタN3、N4のゲートは、書き込み用ワード線WWLに接続されている。また、読み出し用ビット線RBLtと読み出し用ワード線RWLの間には、ゲートが第1のインバータIV1の入力端に接続された第5のNMOSトランジスタN5が接続されており、読み出し用ビット線RBLcと読み出し用ワード線RWLの間には、ゲートが第2のインバータIV2の入力端に接続された第6のNMOSトランジスタN6が接続されている。
図2は、図1に示すメモリセルMCのレイアウトである。
図2の点線で囲まれた部分がメモリセルMC1セル分のレイアウトであり、カラム方向に隣接するメモリセルMC間でメモリセルMCと読み出し用ワード線RWLのコンタクトを共有し、ロウ方向に隣接するメモリセルMC間でメモリセルMCとビット線RBLt、RBLc、WBLt及びWBLcのコンタクトを共有する形となっている。また、図4は、図3に示す従来技術に係るシングルエンド読み出しの8トランジスタ型メモリセルのレイアウトであるが、図2及び図4から明らかなように、第1及び第2のPMOSトランジスタP1及びP2、第1乃至第4のNMOSトランジスタN1乃至N4についてレイアウトを共通にすることができる。また、従来技術は、非対称パターンになっているが、本実施形態では、点対称パターンとなっているので、製造が容易で特性も揃い易いという利点がある。
次に、本実施形態に係る半導体記憶装置の動作について説明する。
ここでは、セルノードn、nbに“L”、“H”が保持されたメモリセルMCのデータを読み出すものとし、メモリセルMCに接続された読み出し用ワード線をRWL、読み出し用ビット線をRBLt及びRBLcとする。また、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcを共有する複数の他のメモリセルをMC´とし、メモリセルMC´に接続された読み出し用ワード線をRWL´とする。
図5は、本実施形態のメモリセルMCの読み出し時の各部の電圧を示している。
読み出し用ワード線RWL及びRWL´は、非選択時に“H”、選択時に“L”になるように制御される。また、予め、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcは、“H”にプリチャージされている。
まず、読み出し用ワード線RWLが選択され“L”になると、メモリセルMCの第5のNMOSトランジスタN5は、ゲート―ソース間電圧が閾値電圧Vthn以上になりオンされる。これにより、読み出し用ビット線RBLtから読み出し用ワード線RWLに向けて放電が開始される。
そして、読み出し用ビット線RBLtの電圧がVDD−Vthn(但し、VthnはNMOSトランジスタの閾値)程度まで下がると、複数ある非選択のメモリセルMC´のうちセルノードnbが“H”であるメモリセルMC´の第5のNMOSトランジスタN5がオンされ、“H”にある読み出し用ワード線RWL´と読み出し用ビット線RBLtが電気的に接続される。このため、読み出し用ワード線RWL´から読み出し用ビット線RBLtに向けて放電が開始される。よって、読み出し用ビット線RBLtのレベルはVDD−Vthn程度でクランプされる。
また、読み出し用ビット線RBLt、RBLcに接続された全てのメモリセルMC´のセルノードn、nbが“H”、“L”であった場合、読み出し用ワード線RWL´から読み出し用ビット線RBLtに向けた放電がなされないため、読み出し用ビット線RBLtの電圧は接地電位VSSにまで下がることになる。
いずれの場合でも、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcには、NMOSトランジスタの閾値Vthn以上の電位差が生じることになり、この電位差が図示されない差動型センスアンプにより増幅され読み出されることになる。なお、差動型センスアンプとしては、例えば、従来と同様のラッチ型センスアンプ、電流センス型センスアンプなどを用いることができる。
以上のように、本実施形態によれば、読み出し用ビット線RBLt,RBLcと読み出し用ワード線RWLの間にドライバ用のNMOSトランジスタN5,N6を接続し、ワード線RWLを電荷放電経路とすることにより、従来回路のトランスファゲート用トランジスタN7を省略することができるので、素子数を変えずに相補対型の8トランジスタ型メモリセルを実現することができる。この結果、読み出し用ビット線RBLを差動型センスアンプにより駆動することができるので、ビット線につながるメモリセル数を向上させてビット線分割数を抑えることができる。これによりメモリセル占有率を向上させることができる。
さらに、図5から明らかなように、従来技術と比べ、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcの振幅がより小さいため、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcの充放電電流を減少させることが可能である。これにより、半導体記憶装置の低消費電力化を図ることができる。
[第2の実施形態]
図6は、本発明の第2の実施形態に係る半導体記憶装置を示す図である。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る半導体記憶装置を示す図である。
この半導体記憶装置は、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し用ビット線RBLt及びRBLcそれぞれに、ソースに読み出し用ビット線RBLt又はRBLc、ドレイン及びゲートに電源線VDDが接続された第1、第2のビット線クランプ用NMOSトランジスタN11、N12が設けられた構成となっている。
第1の実施形態では、非選択のメモリセルMCのセルノードn及びnbの状態により、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcの振幅が異なっていた。そのため、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcに対するプリチャージ時間を調整する必要があった。
その点、本実施形態によれば、非選択のメモリセルMCのセルノードn及びnbの状態に関わらず、ビット線クランプ用NMOSトランジスタN11、N12の作用によりビット線RBLt、RBLcの振幅をVDD−Vthn程度にすることができる。よって、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcに対するプリチャージ時間を均一にすることができる。
なお、ビット線クランプ用NMOSトランジスタN11及びN12と第5及び第6のNMOSトランジスタN5及びN6の閾値電圧Vthnをより近づけることで、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcの振幅をより均一にすることができる。そのため、ビット線クランプ用NMOSトランジスタN11及びN12のチャネルインプラ条件や、レイアウト形状をできるだけ第5及び第6のNMOSトランジスタN5及びN6と同一にすることが望ましい。
[第3の実施形態]
図7は、本発明の第3の実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し系の構成図であり、書き込み用ビット線WBLについては省略されている。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し系の構成図であり、書き込み用ビット線WBLについては省略されている。
本実施形態に係る半導体記憶装置は、ロウ方向に延びる複数のワード線WL、読み出し用ワード線RWL及び書き込み用ワード線WWLと、カラム方向に延びる読み出し用ビット線RBLt及びRBLcからなる読み出し用ビット線対RBLとを有する。読み出し用ワード線RWL及び書き込み用ワード線WWLと読み出し用ビット線対RBLの各交差部には複数の図1に示すメモリセルMCが接続されている。また、各読み出し用ビット線対RBLの一端には、プリチャージ信号prebにより制御され、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcを“H”にプリチャージするプリチャージ回路と、読み出し用ビット線RBLt及びRBLcに現れた電位差を検知・増幅する差動型センスアンプS/Aが設けられている。ここで、読み出し用ワード線RWL及び書き込み用ワード線WWLはいくつかに分割されており、例えばバイト単位で書き込みを行う一般的なSRAMの場合、分割された読み出し用ワード線RWL1区分ごとに8個のメモリセルMCが接続される。また、分割された読み出し用ワード線RWL及び書き込み用ワード線WWLの一端とワード線WLの間には、読み出し用ワード線RWL及び書き込み用ワード線WWLを駆動するワード線ドライバWL_Drが設けられており、同一カラムにあるワード線ドライバWL_Drに共有される正論理及び負論理の書き込み制御信号bwe及びbwebにより制御される。
ワード線ドライバWL_Drは、入力端にワード線WL、出力端に読み出し用ワード線RWLが接続されたインバータIV3と、このインバータIV3の出力と書き込み制御信号bwe及びbwebとを入力とし、出力端に書き込み用ワード線WWLが接続されたNORゲートG1とから構成される。
次に、本実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
ここで、ワード線WL及び書き込み用ワード線WWLは、非選択時に“L”、選択時に“H”に制御される。一方、読み出し用ワード線RWLは非選択時に“H”、選択時に“L”に制御される。また、書き込み制御信号bwe、bwebは、書き込み時に“H”、“L”、読み出し時に“L”、“H”に制御される。
まず、ワード線WLが選択され“H”になると、ワード線ドライバWL_DrのインバータIV3を介して、読み出し用ワード線RWLは“L”になる。よって、メモリセルMCのNMOSトランジスタN5及びN6のソースが“L”となり、“H”にあるセンスノードn又はnbに接続された読み出し用ビット線RBLc又はRBLtから読み出し用ワード線RWLに向けて放電が開始される。1つのワード線ドライバWL_Drは、8個のメモリセルMCしか駆動しないので、十分な駆動力をもって放電が終了する。
一方、読み出し動作時、書き込み制御信号bwe、bwebは“L”、“H”にあるため、書き込み用ワード線WWLは“L”となり、NMOSトランジスタN3及びN4はオフのままである。よって、メモリセルMCのセルノードn及びnbが保持するデータは書き込み用ビット線WBLt及びWBLcの影響を受けない。
その後のメモリセルMCから差動型センスアンプS/Aを介したデータの読み出し動作については第1の実施形態の場合と同様である。
次に、本実施形態に係る半導体記憶装置の書き込み動作について説明する。
まず、ワード線WLが選択され“H”になると、ワード線ドライバWL_DrのインバータIV3を介して、読み出し用ワード線RWLは“L”になる。
一方、書き込み動作時、選択バイトでは、書き込み制御信号bwe、bwebは“H”、“L”にあるため、書き込み用ワード線WWLは“H”となり、NMOSトランジスタN3及びN4はオンされる。これにより、書き込み用ビット線WBLt及びWBLcのデータがメモリセルMCのセルノードn及びnbに流入し、保持されることとなる。また、非選択バイトでは、書き込み制御信号bwe、bwebは“L”、“H”にあるため、書き込みワード線WWLは“L”となり、NMOSトランジスタN3及びN4はオフのままである。これにより、書き込み時の非選択バイトにおけるディスターブの問題は生じない。
図1に示すメモリセルMCを備えた半導体記憶装置の読み出し動作時においては、読み出し用ワード線RWLを介してワード線ドライバWL_Drにより全ての読み出し用ビット線RBLt及びRBLcの放電が行われる。このため、読み出し用ワード線RWLの配線抵抗及びワード線ドライバWL_Drの駆動力が読み出し速度に大きく影響する。
その点、本実施形態によれば、図7に示すような分割されたワード線構造にすることで、読み出し用ワード線RWLの配線抵抗の影響を低減することが可能となる。
[第4の実施形態]
図8は、本発明の第4の実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し系の構成図である。
図8は、本発明の第4の実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し系の構成図である。
本実施形態は、第3の実施形態のワード線WLの電圧を電源電圧VDDよりも高い電圧VWLにしている。
第3の実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し速度をさらに向上させるためには、ワード線ドライバWL_Drの駆動力を向上させる必要がある。この対策として、ワード線ドライバWL_DrのNMOSトランジスタのサイズを大きくすることが考えられる。しかし、この場合チップ面積の増大は避けられない。
その点、本実施形態によれば、チップ面積の増大を招くことなく、ワード線ドライバWL_Drの駆動力を上げることができ、読み出し速度をさらに向上させることができる。
bwe、bweb・・・書き込み制御信号、n、nb・・・セルノード、preb・・・プリチャージ信号、G1・・・NORゲート、IV1、IV2、IV3・・・インバータ、MC・・・メモリセル、N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N11、N12・・・NMOSトランジスタ、P1、P2・・・PMOSトランジスタ、RBL、RBLc、RBLt・・・読み出し用ビット線、RWL・・・読み出し用ワード線、S/A・・・差動型センスアンプ、WBLc、WBLt・・・書き込み用ビット線、WL_Dr・・・ワード線ドライバ、WWL・・・書き込み用ワード線。
Claims (5)
- 複数の第1及び第2のワード線と複数の第1乃至第4のビット線とアレイ状に配置された複数のメモリセルとを有するメモリセルアレイ
を備え、
前記メモリセルは、第1のNMOSトランジスタ及び第1のPMOSトランジスタからなる第1のインバータと第2のNMOSトランジスタ及び第2のPMOSトランジスタからなる第2のインバータを有し、前記第1のインバータの出力端及び前記第2のインバータの入力端が接続され、前記第1のインバータの入力端及び前記第2のインバータの出力端が接続されたフリップフロップ回路と、前記第1のインバータの出力端及び前記第1のビット線間に接続され、前記第1のワード線にゲートが接続された第3のNMOSトランジスタと、前記第2のインバータの出力端及び前記第2のビット線間に接続され、前記第1のワード線にゲートが接続された第4のNMOSトランジスタと、前記第2のワード線及び前記第3のビット線間に接続され、前記第2のインバータの出力端にゲートが接続された第5のNMOSトランジスタと、前記第2のワード線及び前記第4のビット線間に接続され、前記第1のインバータの出力端にゲートが接続された第6のNMOSトランジスタとを備えた
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイは、前記第2のワード線方向に隣接する2つの前記メモリセルが前記第2のワード線へのコンタクトを共有し、前記第3及び第4のビット線方向に隣接する2つの前記メモリセルが前記第3及び第4のビット線へのコンタクトを共有している
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記第2のワード線は、それに接続されているメモリセルが選択されている場合に接地電位であり、
前記第3及び第4のビット線は、前記メモリセルからのデータ読み出しの前に電源電位にプリチャージされる
ことを特徴とする請求項1及び2のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第3及び第4のビット線のデータが入力され、前記メモリセルのデータを増幅する差動型センスアンプと、
ソースが前記第3のビット線に接続され、ゲート及びドレインが電源線に接続された第1のビット線クランプ用NMOSトランジスタ並びにソースが前記第4のビット線に接続され、ゲート及びドレインが電源線に接続された第2のビット線クランプ用NMOSトランジスタの少なくとも一方と
を備えた
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第2のワード線は、書き込み単位ごとに分割されており、
前記分割された第2のワード線ごとにワード線ドライバを備えた
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
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