JP2010123237A - 8トランジスタ型低リークsramセル - Google Patents

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Abstract

【課題】低い動作電圧と、大量のセルアレイがある場合でも、安定動作が得られるSRAMセルが必要となる。
【解決手段】本発明はSRAM(static random access memory)セルを開示するものであり、第1のストレージノードを有する一対のクロス結合インバータと、ゲート極を有し、第1および第2のソース/ドレイン極がそれぞれ第1のストレージノードに接続されており、読取りワードライン(read word−line、RWL)および第1の読取りビットライン(read bit−line、RBL)に互いに接続されており、読取りワードラインおよび第1の読取りビットラインが読取り動作を行うときに起動される一方で、書込み動作を行うときには起動されないN型MOSトランジスタと、を備えている。
【選択図】図2

Description

本発明はSRAM(static random access memory)セルに関し、しかも超低電圧で動作可能なSRAMセルに関する。
半導体記憶装置には、例えば、SRAM(static random access memory)およびDRAM(dynamic random access memory)が含まれる。SRAMセルはトランジスタとコンデンサとを備えるのみなので、高い整合性を提供することができる。しかしDRAMは常にリフレッシュしなければならないので、電力を消費するうえ、速度が遅いといった制限があることから、DRAMはコンピュータのメインメモリ中に用いられることになる。一方、SRAMは双安定型、つまり適正な電源供給があれば、SRAMの状態を常に維持することができる。SRAMは高速で、低電力で動作できるため、コンピュータにおけるフラッシュメモリはいずれもSRAMを使用している。その他応用では、組み込み型メモリおよびネットワーク機器のメモリがある。
広く周知されているSRAMの従来の構造は、6つのMOS(metal−oxide−semiconductor)トランジスタを含む6トランジスタ型(6−transistor、6T)セルである。簡単に言えば、図1に示すように、一つの6トランジスタ型SRAMセル100は、同型の二つのクロス結合インバータ102および104を備え、この二つのクロス結合インバータ102および104はラッチ回路(latch circuit)を形成しており、つまりこのうちの一方のインバータの出力が、他方のインバータの入力に接続されている。このラッチ回路は電源とアースとの間に接続されている。クロス結合インバータ102または104のいずれかはプルダウンN型MOSトランジスタ115または125と、プルアップP型MOSトランジスタ110または120とを備えている。これらクロス結合インバータの出力は二つのストレージノードCおよびDとなり、このうち一方のストレージノードが低電圧にプルダウンされたとき、他方のストレージノードが高電圧にプルアップされる。一対の相補形ビットライン150および155はそれぞれ一対の伝達ゲートトランジスタ130および135を経由しており、この一対のストレージノードCおよびDに対応している。この一対の伝達ゲートトランジスタ130および135のゲート極は通常ワードライン140に接続されている。ビットラインがシステム高電圧(Vcc)に切換えられたとき、伝達ゲートトランジスタ130および135が起動となり、一対の相補形ビットライン150および155がストレージノードCおよびDを介してデータを取得できるように許可される。ビットラインがシステム低電圧(Vss)に切換えられたとき、伝達ゲートトランジスタ130および135がオフとなり、いくらかのリーク電流があるものの、ストレージノードCおよびDは一対の相補形ビットライン150および155とは基本的に分けられている。しかれども、Vccがある閾値以上に維持されていれば、ストレージノードCおよびDの状態は引き続き維持されていく。
しかしながら、製造工程がディープサブミクロン(deep submicron)技術に徐々に向かっている中で、従来の6トランジスタ型SRAMセル100はさまざまな課題に直面している。課題の一つとして、トランジスタの小型化に応じて低い動作電圧を使用するということがある。この動作電圧は読取り動作の不安定を招く。なぜならば、トランジスタの臨界電圧がこの低い動作電圧に比べて余りにも大きく、スイッチングマージン(switching margin)がとても小さくなってしまうからである。もう一つの課題は、読取り動作時に、ストレージノードCおよびDはそれぞれビットライン150および155に直接接続されているので、電荷共有現象(charge sharing effect)の影響を受けてしまう。電荷共有現象は、特にビットライン150および155に数多くのセルが接続されている場合には、読取り動作の不安定を招く。
したがって、低い動作電圧と、大量のセルアレイがある場合でも、安定動作が得られるSRAMセルが必要となってくる。
したがって、本発明では、第1のストレージノードを有する一対のクロス結合インバータと、ゲート極を有し、第1および第2のソース/ドレイン極がそれぞれ第1のストレージノードに接続されており、読取りワードライン(read word−line、RWL)および第1の読取りビットライン(read bit−line、RBL)に互いに接続されており、読取りワードラインおよび第1の読取りビットラインが読取り動作を行うときに起動される一方で、書込み動作を行うときには起動されないN型MOSトランジスタと、を備えている。
本発明の明細書に添付されている図面およびその他の部分は、いずれも本発明の異なる態様を説明するために用いられる。複数の異なる実施例を参照する。本発明にて提供するシステムの構成要素および動作によれば、本発明についてより明確な概念が得られる。本発明にて提供する各種異なる観点および実施例において、近似する構成要素の符号は、近似する構成要素(もしこれら構成要素の符号の記載が一回に留まらない場合)を表わすものである。添付の図面および本発明の明細書を参照することで、本発明はより理解しやすくなる。添付の図面の説明を下記のとおり行う。
従来の6トランジスタ型SRAMセルを示す図である。 本発明の一実施例に係る8トランジスタ型SRAMセルを示す図である。 図2の8トランジスタ型SRAMセル中に使用される書込み選択回路を示す図である。 図2の8トランジスタ型SRAMセル中に使用される、本発明の他の実施例に係る書込み選択回路を示す図である。
本発明では8トランジスタ型SRAMセルを開示するものであり、書込みと読取りとのパスを分けることで、書込み/読取りの干渉を減らすことができるので、8トランジスタ型SRAMセルは低い電圧でも動作可能である。
本発明の一実施例に係る8トランジスタ型SRAMセル200を示す図2を参照されたい。この8トランジスタ型SRAMセル200では、従来の6トランジスタ型SRAMセル100(図1に示す)に二つのトランジスタ205および215を追加して構成されている。N型MOSトランジスタ205のゲート極、ソース極およびドレイン極はそれぞれSRAMのストレージノードD、読取りビットライン(read−bit−line、RBL)250および読取りワードライン(read−word−line、RWL)220に接続されている。N型MOSトランジスタ215のゲート極、ソース極およびドレイン極はそれぞれSRAMのストレージノードC、相補形読取りビットライン(complementary read bit−line、RBLB)255および読取りワードライン220に接続されている。読取りワードライン220、読取りビットライン250および相補形読取りビットライン255が読取り動作を行うときには起動とされる一方で、書込み動作を行うときには起動されない。ワードライン140は書込みワードライン(write word−line、WWL)となる。この一対のビットライン150および155は一対の書込みビットライン(write bit−line、WBL)となる。書込みワードラインおよび書込みビットラインは書込み動作を行うときには起動となり、読取り動作が行われるときには起動とされない。明らかなように、8トランジスタ型SRAMセル200の機能性素子、例えば、データ格納は、8トランジスタ型SRAMセル200におけるSRAMセル100により実行される。
書込み動作を行うとき、書込みワードライン140(write word−line、WWL)は起動とされるか、または高電圧(VDD)に切換えられて、ひいては伝達ゲートトランジスタ130および135を起動する。書込みビットライン150および155の駆動電圧はそれぞれストレージノードCおよびDに伝達されるとともに、ストレージノードの初期状態を変更する。ストレージノードの初期状態はクロス結合インバータ102および104により維持される。この書込み動作は、従来の6トランジスタ型SRAMセルの書込み動作とまったく変わらない。
読取り動作を行う前に、読取りワードライン220は高電圧状態にプルアップされる一方で、読取りビットライン250および相補形読取りビットライン255は、通常高電圧とされる所定電圧に調整される。読取り動作を行う前に、読取りワードライン220は低電圧(VSS)に変更されるとともに、所定電圧である読取りビットライン250および相補形読取りビットライン255に調整される。再度この調整は必要としない。もしストレージノードCが高電圧であり、N型MOSトランジスタ215はオフ状態に維持されると、相補形読取りビットライン255は読取り動作時に高電圧状態が保持される。この場合、ストレージノードDは低電圧を記憶する一方で、N型MOSトランジスタ205は起動されるとともに、読取りビットライン250は低電圧状態にプルダウンされる。そして読取りビットライン250と相補形読取りビットライン255との間の電圧差はセンスアンプ(図示しない)により感知される。一方、もしストレージノードCおよびDがそれぞれ低電圧および高電圧を記憶した場合、読取りビットライン250は高電圧状態に保持される一方で、相補形読取りビットライン255は低電圧状態にプルダウンされる。したがって、反対のデータが読取られることになる。
図2を参照されたい。8トランジスタ型SRAMセル200と図1における6トランジスタ型SRAMセル100とを比較したときの長所の一つとして、このN型MOSトランジスタ205および215のゲート極はそれぞれストレージノードDおよびCに接続されており、ストレージノードDおよびCの負荷は大幅に減少していることが挙げられる。事実、読取りビットライン250および相補形読取りビットライン255はストレージノードDおよびCにより個別に駆動されるものではなく、ストレージノードDおよびCの駆動能力はN型MOSトランジスタ205および215により増幅されるものである。したがって、8トランジスタ型SRAMセル200の読取り感知速度はより速くなる。同一の読取りビットライン250および相補形読取りビットライン255はより多くの数の8トランジスタ型SRAMセル200を含まれることができる。読取りビットライン250および相補形読取りビットライン255を駆動するとき、ストレージノードDおよびCは伝達ゲートトランジスタのソース極とドレイン極との間で電圧が降下することはない。したがって、この8トランジスタ型SRAMセル200は図1における6トランジスタ型SRAMセル100と比べてより低い電圧供給のもとで動作可能となる。
図3は図2の8トランジスタ型SRAMセル200中に使用される書込み選択回路302を示す図である。書込み選択回路302はP型MOSトランジスタ310と、N型MOSトランジスタ315とを備えて、一つのインバータを構成している。このP型MOSトランジスタ310のソース極はy選択線(y select line、YL)に接続されている。典型的には、y選択線は一行の方式ですべての8トランジスタ型SRAMセル200に接続されている。この書込み選択回路302の入力はx選択線(x select line、XL)に接続されており、この書込み選択回路302の出力は書込みワードライン140に接続されている。予め設定されている8トランジスタ型SRAMセル200は一つの書込み選択回路302を備えるのみである。このx選択線の動作は、グローバルワードライン(global word-line)、書込みワードライン140はローカルワードライン(local word-line)のようになる。x選択線およびy選択線が起動される状況でのみ、書込みワードライン140が起動される。書込み選択回路302は8トランジスタ型SRAMセル200への干渉を低減するためのものである。明らかなことは、x選択線およびy選択線は、例えば、x選択線は列方向で動作し、y選択線は行方向で動作するという具合に、列または行の方向で任意に動作することができる。
図4は図2の8トランジスタ型SRAMセル200中に使用される書込み選択回路を示す図である。この書込み選択回路は、別途二つの伝達ゲートトランジスタ410および415を8トランジスタ型SRAMセル200に付加したものである。したがって、この新たな10トランジスタ型SRAMセル400は10個のトランジスタ(10−T)を備えている。この伝達ゲートトランジスタ410はストレージノードCと書込みビットライン150との間に配設されており、N型MOSの伝達ゲートトランジスタ130に直列接続されている。伝達ゲートトランジスタ415はストレージノードDと相補形書込みビットライン155との間に配設されており、N型MOSの伝達ゲートトランジスタ135に直列接続されている。伝達ゲートトランジスタ410および伝達ゲートトランジスタ415は書込み選択回路402に接続されている。10トランジスタ型SRAMセル400の一方のブロックは同じ書込み選択回路402に接続され、10トランジスタ型SRAMセル400の他方のブロックは自身の書込み選択線を備えてもよい。この設計では、書込み動作を行うとき、この中の一つの10トランジスタ型SRAMセル400のみが起動されるので、干渉を最低限に減らすことができる。
上記説明は複数の異なる実施例を提供するか、または本発明の複数の異なる特徴を応用するための実施例である。本発明をより明確に説明するために、特定の成分または製造工程の実施例を記述する。当然、これら実施例は本発明の範囲を限定するためのものではない。
本発明では実施例を上記のように開示したが、これは本発明の保護範囲を限定するためのものではなく、当業者であれば、本発明の技術的思想および範囲を逸脱することなく、一部の変更および付加を行うことができるので、本発明の保護範囲は特許請求の範囲により限定されるものを基準とすべきである。
100 6トランジスタ型SRAMセル
102 クロス結合インバータ
104 クロス結合インバータ
110 プルアップP型MOSトランジスタ
115 プルダウンN型MOSトランジスタ
120 プルアップP型MOSトランジスタ
125 プルダウンN型MOSトランジスタ
130 伝達ゲートトランジスタ
135 伝達ゲートトランジスタ
140 書込みワードライン
150 書込みビットライン
155 書込みビットライン
200 8トランジスタ型SRAMセル
205 N型MOSトランジスタ
215 N型MOSトランジスタ
220 読取りワードライン
250 読取りビットライン
255 読取りビットライン
300 8トランジスタ型SRAMセル
302 書込み選択回路
310 P型MOSトランジスタ
315 N型MOSトランジスタ
400 10トランジスタ型SRAMセル
402 書込み選択回路
410 伝達ゲートトランジスタ
415 伝達ゲートトランジスタ
C ストレージノード
D ストレージノード

Claims (21)

  1. SRAM(static random access memory)セルであって、
    第1のストレージノードを有する一対のクロス結合インバータと、
    前記第1のストレージノードと接続するゲート極、読取りワードライン(read word−line、RWL)と接続する第1のソース/ドレイン極、および第1の読取りビットライン(read bit−line、RBL)と接続する第2のソース/ドレイン極を有し、前記読取りワードラインおよび前記第1の読取りビットラインが読取り動作を行うときに起動される一方で、いずれかの書込み動作を行うときには起動されないN型MOSトランジスタと、を備えていることを特徴とするSRAMセル。
  2. 前記読取りワードラインの起動にはデータ維持状態からデータアクセス状態までの電圧変更を含まれることを特徴とする請求項1に記載のSRAMセル。
  3. 前記一対のクロス結合インバータに属しており、前記第1のストレージノードを相補する第2のストレージノードと、
    前記第2のストレージノードに接続されるゲート極、前記読取りワードラインに接続される第3のソース/ドレイン極、および第2の読取りビットラインに接続される第4のソース/ドレイン極を有し、前記第1の読取りビットラインおよび前記第2の読取りビットラインが同期して起動される第2のN型MOSトランジスタと、を更に備えることを特徴とする請求項1または2に記載のSRAMセル。
  4. 書込みワードライン(write word−line、WWL)に接続されるゲート極、前記第1のストレージノードに接続される第5のソース/ドレイン極、および書込みビットライン(write bit−line、WBL)に接続される第6のソース/ドレイン極を有し、前記書込みワードラインおよび前記書込みビットラインが書込み動作を行うときに起動される一方で、いずれかの読取り動作を行うときには起動されない第3のN型MOSトランジスタと、を更に備えていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のSRAMセル。
  5. 前記書込みワードラインの起動にはデータ維持状態からデータアクセス状態までの電圧変更を含まれることを特徴とする請求項4に記載のSRAMセル。
  6. それぞれ第1の選択線、第2の選択線および前記書込みワードラインに接続されている電源を有するインバータを更に備えていることを特徴とする請求項4または5に記載のSRAMセル。
  7. 前記第1のストレージノードと前記書込みビットラインとの間に配設されており、前記第3のN型MOSトランジスタと対応して直列接続されている第4のN型MOSトランジスタを更に備えていることを特徴とする請求項4から6の何れか1項に記載のSRAMセル。
  8. 書込みワードラインに接続されるゲート極、前記第1のストレージノードに接続される第7のソース/ドレイン極および第1の書込みビットラインに接続される第8のソース/ドレイン極を有する第4のN型MOSトランジスタと、
    書込みワードラインに接続されるゲート極、前記第2のストレージノードに接続される第9および第10のソース/ドレイン極、および第2の書込みビットラインに接続される第9および第10のソース/ドレイン極を有する第5のN型MOSトランジスタと、を備え、
    前記書込みワードライン、前記第1および前記第2の書込みビットラインは、書込み動作を行うときに起動される一方で、いずれかの読取り動作を行うときには起動されず、しかも前記第1と前記第2の書込みビットラインが相補的に起動されることを特徴とする請求項3に記載のSRAMセル。
  9. 前記SRAMセルのN型MOSトランジスタと、隣接するSRAMセルのN型MOSトランジスタとが有効領域およびソース/ドレイン極接触点を共有することを特徴とする請求項3に記載のSRAMセル。
  10. SRAM(static random access memory)セルであって、
    相補形である第1および第2のストレージノードを有する一対のクロス結合インバータと、
    前記第1のストレージノードに接続されるゲート極、読取りワードライン(read word−line、RWL)に接続される第1のソース/ドレイン極、および第1の読取りビットライン(read bit−line、RBL)に接続される第2のソース/ドレイン極を有する第1のN型MOSトランジスタと、
    前記第1のストレージノードに接続されるゲート極、前記読取りワードラインに接続される第3のソース/ドレイン極、および第2の読取りビットライン(read bit−line、RBL)に接続される第4のソース/ドレイン極を有する第2のN型MOSトランジスタと、を備えており、
    前記読取りワードライン、第1および前記第2の読取りビットラインは、読取り動作を行うときに起動される一方で、いずれかの書込み動作を行うときには起動されず、しかも前記第1および第2の読取りビットラインが同期して起動されることを特徴とするSRAMセル。
  11. 前記読取りワードラインの起動にはデータ維持状態からデータアクセス状態までの電圧変更を含まれることを特徴とする請求項10に記載のSRAMセル。
  12. 書込みワードラインに接続されるゲート極、前記第1のストレージノードに接続される第5のソース/ドレイン極、および第1の書込みビットラインに接続される第6のソース/ドレイン極を有する第3のN型MOSトランジスタと、
    前記書込みワードラインに接続されるゲート極、前記第2のストレージノードに接続される第7のソース/ドレイン極、および第2の書込みビットラインに接続される第8のソース/ドレイン極を有する第4のN型MOSトランジスタと、
    前記書込みワードライン、前記第1と前記第2の書込みビットラインは、書込み動作を行うときに起動される一方で、いずれかの読取り動作を行うときには起動されず、しかも前記第1と前記第2の書込みビットラインが同期して起動されることを特徴とする請求項10または11に記載のSRAMセル。
  13. 前記書込みワードラインの起動にはデータ維持状態からデータアクセス状態までの電圧変更を含まれることを特徴とする請求項12に記載のSRAMセル。
  14. それぞれ第1の選択線、第2の選択線および前記書込みワードラインに接続されている電源を有するインバータを更に備えていることを特徴とする請求項12または13に記載のSRAMセル。
  15. 前記第1のストレージノードと前記第1の書込みビットラインとの間に配設されており、前記第3のN型MOSトランジスタと対応して直列接続されている第5のN型MOSトランジスタと、
    前記第2のストレージノードと前記第2の書込みビットラインとの間に配設されており、前記第4のN型MOSトランジスタと対応して直列接続されている第6のN型MOSトランジスタと、を更に備えていることを特徴とする請求項12から14の何れか1項に記載のSRAMセル。
  16. SRAM(static random access memory)セルであって、
    第1のストレージノードを有する一対のクロス結合インバータと、
    前記第1のストレージノードに接続されるゲート極、読取りワードライン(read word−line、RWL)に接続される第1および第2のソース/ドレイン極、および第1の読取りビットライン(read bit−line、RBL)に接続される第1および第2のソース/ドレイン極を有し、前記読取りワードラインおよび前記第1の読取りビットラインが読取り動作を行うときに起動される一方で、いずれかの書込み動作を行うときには起動されない第1のN型MOSトランジスタと
    書込みワードライン(write word−line、WWL)に接続されるゲート極、前記第1のストレージノードに接続される第3のソース/ドレイン極、および第1の書込みビットライン(write bit−line、WBL)に接続される第4のソース/ドレイン極を有し、前記書込みワードラインおよび前記第1の書込みビットラインが書込み動作を行うときに起動される一方で、いずれかの読取り動作を行うときには起動されない第2のN型MOSトランジスタと、を備えたことを特徴とするSRAMセル。
  17. 前記読取りワードラインおよび前記書込みワードラインの起動にはデータ維持状態からデータアクセス状態までの電圧変更を含まれることを特徴とする請求項16に記載のSRAMセル。
  18. それぞれ第1の選択線、第2の選択線および前記書込みワードラインに接続されている電源を有するインバータを更に備えていることを特徴とする請求項16または17に記載のSRAMセル。
  19. 前記第1のストレージノードと前記第1の書込みビットラインとの間に配設されており、前記第2のN型MOSトランジスタと対応して直列接続されている第3のN型MOSトランジスタを更に備えていることを特徴とする請求項16から18の何れか1項に記載のSRAMセル。
  20. 前記一対のクロス結合インバータに属しており、前記第1のストレージノードを相補する第2のストレージノードと、
    前記第2のストレージノードに接続されるゲート極、前記読取りワードラインに接続される第5のソース/ドレイン極、および第2の読取りビットラインに接続される第6のソース/ドレイン極を有し、前記第1および前記第2の読取りビットラインが同期して起動される第4のN型MOSトランジスタと、
    前記書込みワードラインに接続されるゲート極、前記第2のストレージノードに接続される第7のソース/ドレイン極、および第2の書込みビットラインに接続される第8のソース/ドレイン極を有し、前記第1および前記第2の書込みビットラインが同期して起動される第5のN型MOSトランジスタと、を備えることを特徴とする請求項16に記載のSRAMセル。
  21. 前記第1のストレージノードと前記第1の書込みビットラインとの間に配設されており、前記第2のN型MOSトランジスタと対応して直列接続されている第6のN型MOSトランジスタと、
    前記第2のストレージノードと前記第2の書込みビットラインとの間に配設されており、前記第5のN型MOSトランジスタと対応して直列接続されている第7のN型MOSトランジスタと、を更に備えていることを特徴とする請求項20に記載のSRAMセル。
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