JP2010198724A - センス増幅器回路、およびセンス増幅器回路を有するメモリ - Google Patents

センス増幅器回路、およびセンス増幅器回路を有するメモリ Download PDF

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Abstract

【課題】低電圧SRAMおよびレジスタファイルのためのセンス増幅器スキームを提供する。
【解決手段】SRAMのためのセンス増幅器スキームが開示される。本願の実施例のうちの一つによると、センス増幅器回路は、ビット線と、センス増幅器出力と、電源供給電圧を有する電源供給ノードと、NMOSトランジスタを含むキーパ回路と、ノイズ閾値制御回路とを含む。キーパ回路は、十分な電流を供給してビット線のリーク電流を補償する大きさであり、ビット線の電圧レベルを維持し、ノイズ閾値制御回路は、センス増幅器出力のトリップ点を低くする。
【選択図】図2

Description

関連出願との相互参照
本願は、2009年2月26日に出願された米国仮出願61/155,801の優先権を主張し、米国仮出願61/155,801は全文が引用によって本明細書に援用される。
技術分野
本願は、一般に半導体装置に関するものであって、特にメモリアレイに関し、さらに詳細には、シングルエンド感知を用いてビットセル中のデータを感知するスタティックランダムアクセスメモリ(static random access memory)(SRAM)アレイおよび/またはレジスタファイルの設計および動作に関するものである。
背景
スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)は、通常、集積回路に用いられる。SRAMセルの長所は、リフレッシュの必要なしに、データを保持できることである。SRAMセルは異なる数のトランジスタを含んでいてもよく、よって、トランジスタの数によって、例えば、6−トランジスタ(6T) SRAM、8−トランジスタ(8T) SRAMなどといわれることが多い。トランジスタは、一般に、データビットを保存するデータラッチを形成する。追加のトランジスタが加えられて、トランジスタへのアクセスを制御してもよい。SRAMセルは、通常、ロウおよびカラムを有するアレイとして配列される。一般に、SRAMセルの各ロウはワード線に接続され、使用中のSRAMセルが選択されるか否かを判断する。SRAMセルの各カラムはビット線(または、一対のビット線)に接続され、データビットを選択されたSRAMセルに保存するか、または、選択されたSRAMセルから保存されたデータビットを読み取るのに用いられる。
レジスタファイルは、中央処理ユニット(central processing unit)(CPU)中のプロセッサレジスタのアレイである。集積回路ベースのレジスタファイルは、通常、複数のポートを有する高速SRAMにより実行される。このようなSRAMは、専用の読み取りおよび書き込みポートを有することにより識別されるのに対して、普通のマルチポートSRAMは、通常、同一ポートにより、書き込みおよび読み取りを実行する。
集積回路のスケールが減少するにつれて、集積回路の動作電圧が減少し、同様にメモリ回路の動作電圧も減少する。よって、SRAMセルのデータビットをそれぞれいかに確実に読み取り、書き込むことができるかを評価するために用いられるSRAMセルの読み取りおよび書き込みマージンは減少する。スタティックノイズの存在により、縮小した読み取りおよび書き込みマージンは、読み取りおよび書き込みのそれぞれの動作時のエラーの可能性を増加させ得る。
メモリセルのシングルエンド感知では、プリチャージされたローカルビット線は、ビットセルに保存されるデータに応じて、プリチャージレベルで留まるか、接地レベルに放電される。セルがローカルビット線を放電するデータ値を有しない場合にローカルビット線が浮動状態に維持されているとき、パスゲート(あるカラム中の全セル)からの漏れが、低周波数動作中にローカルビット線をゼロまで放電し、これにより、誤認感知を生じる。この誤認感知問題を回避するため、弱い(小電流)プリチャージャ装置(つまり、「キーパ」回路)によりローカルビット線をVddで維持する。
図1は、従来のセンス増幅器回路100を示す図であり、センス増幅器回路100は、SRAMアレイまたはレジスタファイルの一部となることができ、キーパ回路102を含む。ビットセルの電圧がキーパ102を超過して、正常な読み取り動作ができるように確保するため、キーパ102の素子の大きさは非常に重要である。回路100は、ビット線、つまり、トップビット線108aおよびボトムビット線108bに接続される。読み取り動作がない時、プリチャージャ110は、制御信号114に従って、ローカルビット線108aおよび108bを高状態に充電する。図1に開示されるメモリの製造中は、パフォーマンスパラメータの許容可能な変動がある。プロセスコーナー(Process corner)とは、望ましい最低のおよび/または最高のパフォーマンスパラメータを有する集積回路のことである。スキューコーナー(Skew corner)とは、それらのサブ回路中の、望ましい最低のパフォーマンスパラメータおよび望ましい最高のパフォーマンスパラメータを両方とも有する集積回路のことである。低電圧、かつ、スキューコーナー(例えば、ビット線108aまたは108b中の遅いアレイトランジスタおよびキーパ102中の高速周辺トランジスタ)では、ビット線108aまたは108bに接続されるビットセルは、このキーパ102を圧倒することができない。したがって、エラーなく動作させるための回路の望ましい最低の電源供給電圧、つまりVdd_minには制約がある。
低電圧下でこの回路100を正常に作動させる一つの方法は、キーパ102の抵抗を増加させることであり、キーパトランジスタ104のチャンネル長さを増加させるか、または、幅を減少させることなどである。これは、キーパ102の電圧を、さらに容易に、ビット線108aまたは108bに接続されるビットセルより小さくすることができる。しかし、この方法には、キーパトランジスタ104が占める面積のせいで、また、パスゲートからのリーク電流を提供して動作可能にするためにキーパ102に必要な電流レベルのせいで、限界がある。
低電圧下で回路100を動作可能にするもう一つの方法は、NANDゲート106のトリップ点(trip point)電圧を高くすることであり、トリップ点は、センス増幅器出力が高レベルから低レベルに切り換わる最高電圧である。上述の目的を達成するため、例えば、NANDゲート106がNMOSおよびPMOSを備える時、NANDゲート106の値βを増加させることができ、ここで、βはWp/Wnの比率であり、WpおよびWnは、それぞれ、PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタのゲート幅である。この比率βはCMOS回路のトリップ点を決定する。しかし、トリップ点が高くなるので、これは回路100が高状態電圧に近いノイズの影響を受けやすくなるようにする。例えば、ビット線108aまたは108bに、高状態に近いノイズがある場合、出力電圧は、NANDゲート106のトリップ点より低いノイズによって低下する可能性があり、誤動作を導く。
したがって、SRAMおよび/またはレジスタファイルの低電圧下でのローカルビット線の誤認感知を回避する方法が望まれている。
本発明は、シングルエンド感知を用いてビットセル中のデータを感知するスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)アレイおよび/またはレジスタファイルの設計および動作を提供し、上述の問題を改善することを目的とする。
概要
SRAMのためのセンス増幅器スキームが開示される。本発明の一局面によると、センス増幅器回路は、ビット線と、センス増幅器出力と、電源供給電圧を有する電源供給ノードと、NMOSトランジスタを含むキーパ回路と、ノイズ閾値制御回路(または、センス増幅器レシーバ)とを含む。キーパ回路は、十分な電流を供給してビット線のリーク電流を補償する大きさであり、ビット線の電圧レベルを維持し、ノイズ閾値制御回路は、センス増幅器出力のトリップ点を低くする。トリップ点は、センス増幅器出力が高レベルから低レベルに切り換わる最高電圧である。
一実施例中、キーパ回路中のNMOSトランジスタのゲートノードは電源供給ノードに接続され、そのソースノードはビット線に接続される。NMOSトランジスタのドレインノードは、フィードバックPMOSトランジスタを介して電源供給ノードに接続されることができる。別の実施例中、NMOSトランジスタのゲートおよびドレインノードは電源供給ノードに接続され、そのソースノードは、PMOSトランジスタを介してビット線に接続される。さらに別の実施例中、NMOSトランジスタのゲートノードとドレインノードとを接続することによりダイオードとして構成されるNMOSトランジスタのドレインノードは、PMOSトランジスタを介して電源供給ノードに接続される。NMOSトランジスタのソースノードは、ビット線に接続されることができる。
別の実施例中、NMOSトランジスタのソースノードは、PMOSトランジスタを介して電源供給ノードに接続され、そのドレインノードはビット線に接続される。NMOSトランジスタのゲートノードは、NMOSトランジスタの電源供給ノードまたはソースノードに接続されることができる。
一実施例中、ノイズ閾値制御回路(または、センス増幅器レシーバ)は、ハーフシュミットトリガ回路またはシュミットトリガ回路であることができる。しかし、記述される特定の実施例は、単に、本発明を実現する特定の方法を示すものであって、本発明の範囲を限定するものではない。当業者は他の代替的実現方法を理解する。
本発明の別の局面によると、メモリ回路はSRAMアレイを含み、本明細書で説明するセンス増幅器回路を含む。メモリ回路は、レジスタファイル、または別の回路、装置および/またはシステムの一部となることもできる。
本発明およびその利点をさらに完全に理解するために、添付の図面に関連してなされる以下の説明をここで参照する。
本発明は、低トリップ点を配置することにより、低い電源電圧下で、ビット線読み取り動作の実行時の誤認感知を回避することができる。
従来のセンス増幅器回路の概略図である。 本発明の一実施例に係るセンス増幅器回路の概略図である。 図2中の例示的なノイズ閾値制御回路206として用いられるハーフシュミットトリガ回路の概略図である。 (1)β=3.3の先行技術の回路、(2)β=16.7の先行技術の回路、および、(3)β=3.3の本発明の一実施例に係る本発明の回路に対して同じビット線勾配でセンス増幅器レシーバが切り換わるトリップ点または電圧を示すビット線読み取り/センス増幅器/読み取りの出力のグラフである。 (1)β=3.3の先行技術の回路、(2)β=16.7の先行技術の回路、および、(3)β=3.3の本発明の一実施例に係る本発明の回路に対するビット線勾配を示すビット線読み取り/センス増幅器/読み取りの出力のグラフであり、先行技術の回路と本発明の回路とはビット線電圧線が異なる。 本発明の一局面に係るセンス増幅器回路の別の実施例の概略図である。 本発明に係るセンス増幅器回路のさらに別の実施例の概略図である。 図7Aに示された実施例に係るセンス増幅器回路の変化例の概略図である。 本発明に係るセンス増幅器回路のさらに別の実施例の概略図である。
詳細な説明
現時点で好ましい実施例の回路を以下で詳細に説明する。しかし、本発明が幅広い種類の特定の文脈で実施できる多くの適用可能な概念を提供することが理解されよう。記載される特定の実施例は、単に例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。当業者は、代替的な実現例を理解する。
図2は、本発明の一実施例に係るセンス増幅器回路200の概略図である。センス増幅器回路200は、キーパ回路202を有する。回路200は、ビット線、つまり、トップビット線208aおよびボトムビット線208bに接続される。読み取り動作がない時、プリチャージャ210は制御信号214に従って、ローカルビット線208aおよび208bを高状態に充電する。
さらに、キーパ回路202は、NMOSトランジスタ204と、ノイズ抵抗NANDゲート206とを有する。この特定の例中、キーパ回路202中のNMOSトランジスタ204のゲートノードは、電源供給ノードに接続され、そのソースノードはビット線に接続される。NMOSトランジスタ204のドレインノードは、PMOSトランジスタを介して電源供給ノードに接続される。NMOSトランジスタ204は、ビット線読み取り電圧がVdd-VT(VTはトランジスタの閾値電圧)に達するまで、サブ閾値にあるのみであり、よって、効果的にキーパ回路202のレベルを弱くし、つまり、電圧が減少するにつれて、キーパ回路202は、さらに容易に、ビット線のレベルより低くできる。一実施例中、ノイズ抵抗NANDゲート206(または、ノイズ閾値制御回路)はハーフシュミットトリガであり、別の実施例中、ノイズ抵抗NANDゲート206は、図2に示されるようなシュミットトリガである。しかし、代替の実施例中、β比率が減少するかまたはトリップ点が低下するように装置を再配置することにより、代替の回路が形成されてもよい。
図3は、ハーフシュミットトリガ回路を用いる、図2ではNANDゲートの記号で示されたノイズ閾値制御回路206の一例の概略図である。
センス増幅器回路のトリップ点を低下させることにより、ビット線上で低いプリチャージ電圧レベルを用い、ビット線読み取りの誤認感知を回避することができる。トリップ点は、センス増幅器出力が高レベルから低レベルに切り換わる最高電圧である。新たな回路設計のビット線勾配が改善されたため、ビット線の出力に対する応答時間は減少する。センス増幅器出力の応答時間は、新しいスキームのために速くなる。さらに、少なくともいくつかの実施例中、ローカルビット線は、Vddではなく、Vdd-VTにプリチャージされる。
図2に示されるようにNMOSトランジスタを用いたキーパ回路204は、キーパ回路202のレベルを効果的に弱くし、つまり、さらに容易に、ビット線より低くする。しかし、これにより、先行技術の回路が、ビット線108aまたは108b上で電圧変動がある時に、ノイズの影響を受けやすくなる可能性がある。このノイズ感受性を回避するため、ノイズ閾値制御回路206、例えば、ハーフシュミットトリガまたはシュミットトリガ回路が先行技術のNANDゲート106の代わりに用いられる。このスキームは、低いトリップ点を有することにより、低い電源電圧下で誤認感知を引起すことなくビット線読み取り動作を実行することができるようにする。
図4は、(1)β=3.3の先行技術の回路、(2)β=16.7の先行技術の回路、および、(3)β=3.3の本発明の回路に対して同じビット線勾配でセンス増幅器レシーバが切り換わるトリップ点または電圧のグラフである。ビット線読み取り図は、図1に示された先行技術の回路100に基づく。図4中、β=3.3の先行技術の回路100は点(1)がトリップ点である。β=16.7の先行技術の回路100は点(2)がトリップ点である。β値増加の目的は、キーパ回路102のレベルを弱くして、ビット線読み取りが、低電源供給電圧で、キーパ回路102のレベルを克服することができるようにすることである。図4に示されるように、トリップ点(2)の電圧はトリップ点(1)より高い。実施例のうちの一つに係る、電源供給電圧が0.7Vのある回路シミュレーションでは、電圧差は約34mVである。しかし、トリップ点を増加させることにより、センス増幅器出力は、ノイズにより生じるビット線読み取り電圧の変動に対し敏感になる。これは、先行技術の回路の低電圧下での動作を困難にする。相対して、実施例のうちの一つに係るβ=3.3の本発明の回路200は点(3)がトリップ点である。トリップ点(3)は、(1)または(2)より低い。電源供給電圧が0.7Vであるシミュレーションでは、トリップ点(3)と(1)との間の電圧差は約77mVであり、トリップ点(3)と(2)との間の電圧差は約111mVである。これは、本発明の回路の低電圧下での動作を容易にする。同様に、電源供給電圧が0.6Vの別のシミュレーションでは、先行技術に係るセンス増幅器回路は両方とも作動せず、つまり、ビット線電圧が下落するとセンス増幅器出力は切り換わらないが、本発明の回路は正常に動作する。
図5は、(1)β=3.3の先行技術の回路、(2)β=16.7の先行技術の回路、および、(3)β=3.3の本発明の回路に対するビット線勾配を示すビット線読み取り/センス増幅器/読み取りの出力のグラフであり、先行技術の回路と本発明の回路とはビット線電圧線が異なる。図5は、実施例のうちの一つに係る回路200について別個のビット線読み取り電圧図を示す。図1に示された先行技術の回路100に基づくビット線読み取り電圧は、理解を容易にするために示されている。示されるように、β=3.3の先行技術の回路100のトリップ点(1)の応答時間と比較して、β=16.7の先行技術の回路は、短い応答時間(トリップ点(2)が位置する時間)を有する。しかし、本発明の回路の応答時間(トリップ点(3)が位置する時間)は、β=16.7の先行技術の回路の応答時間(トリップ点(2)が位置する時間)よりさらに短い。電源供給電圧が0.7Vのあるシミュレーションでは、トリップ点(3)と(1)との応答時間差は約0.9nsであり、トリップ点(3)と(2)との応答時間差は約0.2nsである。
図6は、本発明に係るセンス増幅器回路600の別の実施例の概略図である。この実施例中、キーパ回路602中のNMOSトランジスタ604は、NMOSトランジスタ604のゲートノードとドレインノードとを接続することにより、ダイオードとして構成される。NMOSトランジスタ604のドレインノードは、PMOSトランジスタ606を介して電源供給ノードVddに接続される。NMOSトランジスタ604のソースノードはビット線208aおよび/または208bに接続される。
図7Aは、本発明に係るセンス増幅器回路700のさらに別の実施例の概略図である。この実施例中、キーパ回路702中のNMOSトランジスタ704のゲートおよびドレインノードは電源供給ノードVddに接続され、そのソースノードはPMOSトランジスタ706を介してビット線208aおよび/または208bに接続される。
図7Bは、図7Aに示されたセンス増幅器回路の変化例の概略図である。この実施例中、キーパ回路712中のNMOSトランジスタ714のゲートおよびドレインノードは電源供給ノードVddに接続され、そのソースノードはPMOSトランジスタ716を介してビット線108aおよび/または108bに接続される。
図8は、本発明に係るセンス増幅器回路800のさらに別の実施例の概略図である。この実施例中、キーパ回路802中のNMOSトランジスタ804のソースノードは、PMOSトランジスタ806を介して電源供給ノードに接続され、そのドレインノードはビット線208aおよび/または208bに接続される。NMOSトランジスタ804のゲートノードは電源供給ノードVddに接続される。この実施例によると、強いNMOSトランジスタ810を含むノイズ閾値制御回路808は従来のNANDゲート206に並列接続されて、効果的にNANDゲート206のβ値を低下させることにより、センス増幅器出力212のトリップ点を低下させる。
本発明およびその長所について詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく各種の変化、置換および変更を加えることができることが理解されよう。例えば、図2、図3、図6〜図9に示される一対のビット線回路に代わる単一のビット線回路は、二入力端を有するNANDゲートの代わりに、単一入力端および出力端を有するインバータを使用することができる。さらに、本願の範囲は、本明細書に記載された本発明の特定の実施例に限定されるように意図されるものではない。当業者が本発明の開示から容易に理解するので、本明細書に記載された対応する実施例と実質的に同じ機能を実行する、または本明細書に記載された対応する実施例と実質的に同じ結果を達成するいかなる開発の成果、現在既存の成果または後に開発される成果も、本発明に従って利用されてもよい。よって、添付の特許請求の範囲は、このような開発の成果をその範囲内に含むように意図される。
100 従来のセンス増幅器回路
102 キーパ回路
104 キーパトランジスタ
106 NANDゲート
108a、108b ビット線
110 プリチャージャ
114 制御信号
200 センス増幅器回路
202 キーパ回路
204 NMOSトランジスタ
206 ノイズ抵抗NANDゲート
600 センス増幅器回路
602 キーパ回路
604 NMOSトランジスタ
606 PMOSトランジスタ
700 センス増幅器回路
702 キーパ回路
704 NMOSトランジスタ
706 PMOSトランジスタ
712 キーパ回路
714 NMOSトランジスタ
716 PMOSトランジスタ
800 センス増幅器回路
802 キーパ回路
804 NMOSトランジスタ
806 PMOSトランジスタ
808 ノイズ閾値制御回路
810 強いNMOSトランジスタ

Claims (16)

  1. センス増幅器回路であって、
    ビット線と、
    センス増幅器出力と、
    NMOSトランジスタを含み、前記ビット線に接続されるキーパ回路とを備え、前記キーパ回路は、十分な電流を供給して前記ビット線のリーク電流を補償する大きさであり、前記ビット線の電圧レベルを維持し、前記センス増幅器回路は、
    前記センス増幅器出力および前記ビット線に接続されるノイズ閾値制御回路を備え、前記ノイズ閾値制御回路は、前記センス増幅器出力のトリップ点を低くし、前記トリップ点は、前記センス増幅器出力が高レベルから低レベルに切り換わる最高電圧である、センス増幅器回路。
  2. 前記NMOSトランジスタのゲートノードは電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのソースノードは前記ビット線に接続される、請求項1に記載のセンス増幅器回路。
  3. 前記NMOSトランジスタのドレインノードは、PMOSトランジスタを介して、前記電源供給ノードに接続される、請求項2に記載のセンス増幅器回路。
  4. 前記NMOSトランジスタのゲートノードおよびドレインノードは電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのソースノードは、PMOSトランジスタを介して、前記ビット線に接続される、請求項1に記載のセンス増幅器回路。
  5. 前記NMOSトランジスタのゲートノードとドレインノードとを接続することによりダイオードとして構成される前記NMOSトランジスタのドレインノードは、PMOSトランジスタを介して電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのソースノードは前記ビット線に接続される、請求項1に記載のセンス増幅器回路。
  6. 前記NMOSトランジスタのソースノードは、PMOSトランジスタを介して、電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのドレインノードは前記ビット線に接続され、前記NMOSトランジスタのゲートノードは前記電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのゲートノードは前記NMOSトランジスタの前記ソースノードに接続される、請求項1に記載のセンス増幅器回路。
  7. 前記ノイズ閾値制御回路は、ハーフシュミットトリガ回路またはシュミットトリガ回路である、請求項1に記載のセンス増幅器回路。
  8. センス増幅器回路を有するメモリであって、前記センス増幅器回路は、
    ビット線と、
    センス増幅器出力と、
    NMOSトランジスタを含み、前記ビット線に接続されるキーパ回路とを備え、前記キーパ回路は、十分な電流を供給して前記ビット線のリーク電流を補償する大きさであり、前記ビット線の電圧レベルを維持し、前記センス増幅器回路は、
    前記センス増幅器出力に接続されるノイズ閾値制御回路を備え、前記ノイズ閾値制御回路は、前記センス増幅器出力のトリップ点を制御し、前記トリップ点は、前記センス増幅器出力が高レベルから低レベルに切り換わる最高電圧である、メモリ。
  9. 前記NMOSトランジスタのゲートノードは電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのソースノードは前記ビット線に接続される、請求項8に記載のメモリ。
  10. 前記NMOSトランジスタのゲートノードおよびドレインノードは電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのソースノードは、PMOSトランジスタを介して、前記ビット線に接続される、請求項8に記載のメモリ。
  11. 前記NMOSトランジスタのゲートノードとドレインノードとを接続することによりダイオードとして構成される前記NMOSトランジスタのドレインノードは、PMOSトランジスタを介して電源供給ノードに接続される、請求項8に記載のメモリ
  12. 前記NMOSトランジスタのソースノードは、PMOSトランジスタを介して、電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのドレインノードは前記ビット線に接続される、請求項8に記載のメモリ。
  13. 前記ノイズ閾値制御回路は、ハーフシュミットトリガ回路またはシュミットトリガ回路である、請求項8に記載のメモリ。
  14. センス増幅器回路であって、
    ビット線と、
    センス増幅器出力と、
    電源供給電圧を有する電源供給ノードと、
    NMOSトランジスタを含むキーパ回路とを備え、前記キーパ回路は、前記ビット線の電圧レベルを維持するために、十分な電流を供給して前記ビット線のリーク電流を補償する大きさであり、前記NMOSトランジスタのゲートノードは前記電源供給ノードに接続され、前記NMOSトランジスタのソースノードは前記ビット線に接続され、前記センス増幅器回路は、
    ノイズ閾値制御回路を備え、前記ノイズ閾値制御回路は、前記センス増幅器出力のトリップ点を低くし、前記トリップ点は、前記センス増幅器出力が高レベルから低レベルに切り換わる最高電圧である、センス増幅器回路。
  15. 前記NMOSトランジスタのドレインノードは、PMOSトランジスタを介して前記電源供給ノードに接続される、請求項14に記載のセンス増幅器回路。
  16. 前記ノイズ閾値制御回路は、ハーフシュミットトリガ回路またはシュミットトリガ回路である、請求項14に記載のセンス増幅器回路。
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