JP2011040423A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レプリカセルの配置がチップ面積の増大に与える影響を小さくしたデュアルポートメモリ回路を備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】デュアルポートメモリ回路(1)のメモリセルアレイ(2)は、デュアルポートの一方からのリード動作の指示に応答するために用いる第1レプリカセルアレイ(RBLKA)とデュアルポートの他方からのリード動作の指示に応答するために用いる第2レプリカセルアレイ(RBLKB)とを有し、夫々のレプリカセルアレイは、メモリセルのデータ入出力端子が接続される相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さの並列配線が相互に短絡されて成るレプリカビット線(RBLA,RBLB)と、当該レプリカビット線に接続され前記メモリセルと等価のトランジスタ配置を有するレプリカセル(RC)とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、デュアルポートメモリ回路を有する半導体装置、特にそのデュアルポートメモリ回路におけるレプリカ回路の構成に関し、例えばシステムオンチップ(SOC)のマイクロコンピュータに適用して有効な技術に関する。
メモリ回路において、メモリセルと同じトランジスタ配置を持つレプリカセルを備えたレプリカ回路を用いてその内部タイミングを生成することが行われており、例えば、メモリセルの特性に合わせて相補ビット線からの読み出し信号に対するセンス増幅タイミングを生成することができる。予め固定的に設定する動作マージンを比較的大きくしなくてもプロセスばらつき等に対処できるようになる。特許文献1にはシングルポートのSRAMにおいてレプリカメモリセルを用いた例が示され、アクセスアドレスに従って選択される正規のメモリセルが配置されたアレイに対してレプリカメモリセルのブロックが追加されている。
特開2007−128603号公報
本発明者は、レプリカメモリセルを用いて内部タイミング信号を生成する技術を非同期で並列にリードアクセス可能なデュアルポートメモリに適用する場合について検討した。これによれば、非同期で並列にリードアクセス可能なデュアルポートの夫々に対応させてレプリカメモリセルのブロックを追加することが必要になり、例えばシングルポートにおけるレプリカメモリセルのブロックをそのまま夫々のアクセスポートに対応させて採用する場合には、メモリセルアレイに占めるレプリカメモリセルのブロックの面積が2倍になり、メモリセルアレイにおける複数の相補ビット線の配列方向の寸法が増し、メモリチップが大きくなるだけでなく、更に細長くなって、配線基板への実装やチップへの搭載にも支障を生ずる虞のあることが見出された。
本発明の目的は、レプリカセルの配置がチップ面積の増大に与える影響を小さくしたデュアルポートメモリ回路を備えた半導体装置を提供することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、デュアルポートメモリ回路のメモリセルアレイは、デュアルポートの一方からのリード動作の指示に応答するために用いる第1レプリカセルアレイとデュアルポートの他方からのリード動作の指示に応答するために用いる第2レプリカセルアレイとを有し、夫々のレプリカセルアレイは、メモリセルのデータ入出力端子が接続される相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡して成るレプリカビット線と、当該レプリカビット線に接続され前記メモリセルと等価のトランジスタ配置を有するレプリカセルとを有する。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、デュアルポートメモリ回路におけるレプリカセルの配置がチップ面積の増大に与える影響を小さくすることができる。
図1は本発明に係る半導体装置が備えるデュアルポートメモリ回路の一例としてDPSRAMの構成を例示するブロック図である。 図2はCMOSスタティックラッチ型のメモリセルMCを例示する回路図である。 図3はメモリセルMCのレイアウトと等価なトランジスタ配置によって図2の回路接続を表す回路図である。 図4はメモリセルMCのトランジスタ配置と等価なトランジスタ配置を有するレプリカセルRCの一例を示す回路図である。 図5は第1アクセスポート側のレプリカブロックRBLKAを例示する回路図である。 図6は第2アクセスポート側のレプリカブロックRBLKBを例示する回路図である。 図7は第1アクセスポートからの読み出し動作におけるセンスアンプ起動信号の生成タイミングを例示するタイミングチャートである。 図8はDPSRAMのブロックレイアウトを示す説明図である。 図9は相補ビット線の内の非反転ビット線又は反転ビット線の何れか一方の配線構造だけでレプリカビット線を形成する場合を比較例として示すブロックレイアウトの説明図である。 図10はメモリセルアレイのワード線方向の上下に第1アクセスポートと第2アクセスポートに分けて外部入出力回路及びメモリ制御回路を配置する一方でメモリ制御回路及びワードドライバをメモリセルアレイの両側に配置したブロックレイアウトを比較例として示すブロックレイアウトの説明図である。 図11はメモリセルアレイを左右に分割した比較例に係るブロックレイアウトの説明図である。 図12はメモリセルアレイのワード線方向の上下にメモリ制御回路や外部入出力回路を分割しない比較例を示すブロックレイアウトの説明図である。 図13は本発明に係る半導体装置の一例であるマイクロコンピュータを示すブロック図である。
1.実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
〔1〕本発明の代表的な実施の形態に係る半導体装置はデュアルポートメモリ回路(1)を有する。前記デュアルポートメモリ回路はメモリセルアレイ(2)、一方のアクセスポートを構成する第1周辺回路(3,5,7)、及び他方のアクセスポートを構成する第2周辺回路(4,6,8)を有する。前記メモリセルアレイは、前記第1周辺回路に夫々接続された第1相補ビット線(BLA1,/BLA1〜BLAj,/BLAj)及び第1ワード線(WLA1〜WLAn)と、前記第2周辺回路に夫々接続された第2相補ビット線(BLB1,/BLB1〜BLBj,/BLBj)及び第2ワード線(WLB1〜WLBn)と、前記第1相補ビット線、前記第1ワード線、前記第2相補ビット線及び前記第2ワード線に接続された複数のメモリセル(MC)と、前記第1周辺回路に夫々接続された第1レプリカビット線(RBLA)及び第1レプリカワード線(RWLA)と、前記第2周辺回路に夫々接続された第2レプリカビット線(RBLB)及び第2レプリカワード線(RWLB)と、前記メモリセルのトランジスタ配置と等価なトランジスタ配置を有し前記第1レプリカビット線及び前記第1レプリカワード線に接続された複数のレプリカセル(RC)と、前記メモリセルのトランジスタ配置と等価なトランジスタ配置を有し前記第2レプリカビット線及び前記第2レプリカワード線に接続された複数のレプリカセル(RC)とを有する。前記第1レプリカビット線は前記第1相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡した配線構造を有する。前記第2レプリカビット線は前記第2相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡した配線構造を有する。
上記より、夫々のレプリカビット線は相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さを有し相互に短絡された並列配線構造であるから、レプリカビット線は1本の相補ビット線の配線容量と寄生容量にほぼ等しい容量成分と抵抗成分を持ち、プロセスばらつきによるメモリセルや配線の特性に従った特性をレプリカビット線に得ることができる。さらに、一対の相補ビット線による占有面積に匹敵する領域に第1レプリカビット線及び第2レプリカビット線の双方を配置することができる。したがって、デュアルポートメモリ回路におけるレプリカセルの配置がチップ面積の増大に与える影響を小さくすることができる。
〔2〕項1の半導体装置において、前記第1レプリカワード線及び前記第1レプリカビット線と、前記第2レプリカワード線及び前記第2レプリカビット線とは、例えばメモリセルアレイのワード線延在方向の一端部に揃えて配置されている。レプリカビット線及びレプリカワード線などを制御する回路をメモリセルアレイのワード線延在方向の片側に集約して配置することができる。
〔3〕項2の半導体装置において、例えば、前記第1レプリカワード線は前記第1レプリカビット線に並列に配置され、前記第2レプリカワード線は前記第2レプリカビット線に並列に配置さている。第1レプリカビット線と第2レプリカビット線の領域における空き領域をレプリカワード線の配置領域として有効に利用することができる。
〔4〕項3の半導体装置において前記メモリセルは例えばスタティック型のメモリセルである。
〔5〕項4の半導体装置において、前記メモリセルは、例えば、CMOSスタティックラッチと、前記CMOSスタティックラッチの一対の記憶ノード(Nt,Nb)を前記第1相補ビット線に選択的に接続する一対の第1選択スイッチ(Ac1_a,Ac2_a)と、前記CMOSスタティックラッチの一対の記憶ノードを前記第2相補ビット線に選択的に接続する一対の第2選択スイッチ(Ac1_b,Ac2_b)と、を有し、前記第1選択スイッチの選択端子が前記第1ワード線に接続され、前記第2選択スイッチの選択端子が前記第2ワード線に接続される。前記レプリカセルは、例えば、前記メモリセルのCMOSスタティックラッチ、第1選択スイッチ、及び第2選択スイッチの夫々を構成するトランジスタと同一のトランジスタ配置を有する。第1レプリカビット線に接続されたレプリカセルにおいて、例えば、第1レプリカビット線として構成される短絡された並列配線の一方に接続されるトランジスタ(Ac2_b)の電流経路はカットオフ状態にされ、当該並列配線の他方に結合されるトランジスタ(Ac1_a)のスイッチ状態はトリミング信号によって制御され、前記トリミング信号によってスイッチ状態が制御される一部のトランジスタには第1レプリカワード線によってスイッチ制御されるプルダウントランジスタ(Dr1)が接続され、前記トリミング信号によってスイッチ状態が制御される残りのトランジスタにはカットオフ状態のトランジスタ(Dr1)が接続される。第2レプリカビット線に接続されたレプリカセルにおいて、例えば、第2レプリカビット線として構成される短絡された並列配線の一方に接続されるトランジスタ(Ac1_a)の電流経路はカットオフ状態にされ、当該並列配線の他方に結合されるトランジスタ(Ac2_b)のスイッチ状態はトリミング信号によって制御され、前記トリミング信号によってスイッチ状態が制御される一部のトランジスタには第1レプリカワード線によってスイッチ制御されるプルダウントランジスタ(Dr2)が接続され、前記トリミング信号によってスイッチ状態が制御される残りのトランジスタにはカットオフ状態のトランジスタ(Dr2)が接続される。
これにより、トリミング回路によってオン状態にするトランジスタの数に応じて、レプリカワード線による選択動作からレプリカビット線がレベル変化するタイミングを調整することができる。
〔6〕項1乃至5の何れかの半導体装置において、前記第1周辺回路は、例えば、リード動作が指示されたとき第1ワード線の選択タイミングの前に第1レプリカワード線を選択することによって変化する第1レプリカビット線のレベル変化に基づいて第1内部タイミング信号を生成する。前記第2周辺回路は、例えば、リード動作が指示されたとき第2ワード線の選択タイミングの前に第2レプリカワード線を選択することによって変化する第2レプリカビット線のレベル変化に基づいて第2内部タイミング信号を生成する。
これにより、夫々のアクセスポートについてプロセスばらつきに対処するための動作マージンを予め大きく採ることを要しない。
〔7〕項6の半導体装置において、前記第1内部タイミング信号は例えば第1相補ビット線のセンス増幅動作の開始タイミングを決定する信号である。前記第2内部タイミング信号は例えば第2相補ビット線のセンス増幅動作の開始タイミングを決定する信号である。
〔8〕項1乃至7の何れかの半導体装置は、例えば前記デュアルポートメモリ回路をアクセスする中央処理装置を更に有する。
〔9〕本発明の別の実施の形態に係る半導体装置はデュアルポートメモリ回路を有し、前記デュアルポートメモリ回路はメモリセルアレイ、一方のアクセスポートを構成する第1周辺回路、及び他方のアクセスポートを構成する第2周辺回路を有する。メモリセルアレイは、第1周辺回路から指示されたリード動作に際して内部タイミングを生成するために用いる第1レプリカセルアレイ(RBLKA)と、第2周辺回路から指示されたリード動作に際して内部タイミングを生成するために用いる第2レプリカセルアレイ(RBLKB)とを有する。前記第1レプリカセルアレイと第2レプリカセルアレイの夫々は、前記メモリセルのデータ入出力端子が接続させる相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡して成るレプリカビット線(RBLA,RBLB)と、当該レプリカビット線に接続され前記メモリセルと等価のトランジスタ配置を有するレプリカセル(RC)とを有する。
上記より、夫々のレプリカビット線は相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さを有し相互に短絡された並列配線構造であるから、レプリカビット線は1本の相補ビット線の配線容量と寄生容量にほぼ等しい容量成分と抵抗成分を持ち、プロセスばらつきによるメモリセルや配線の特性に従った特性をレプリカビット線に得ることができる。さらに、一対の相補ビット線による占有面積に匹敵する領域に第1レプリカビット線及び第2レプリカビット線の双方を配置することができる。したがって、デュアルポートメモリ回路におけるレプリカセルの配置がチップ面積の増大に与える影響を小さくすることができる。
〔10〕項9の半導体装置において、前記メモリセルは例えばスタティック型のメモリセルである。
〔11〕項10の半導体装置において、例えば、前記第1内部タイミング信号はメモリセルのセンス増幅動作の開始タイミングを決定する信号であり、前記第2内部タイミング信号はメモリセルのセンス増幅動作の開始タイミングを決定する信号である。
〔12〕項11の半導体装置において前記第1レプリカセルアレイと前記第2レプリカセルアレイとは、例えばメモリセルアレイの長手方法の一端部に揃えて配置されている。レプリカビット線及びレプリカワード線などを制御する回路をメモリセルアレイの長手方向の片側に集約して配置することができ、半導体装置が細長くなるのを抑制することができる。
2.実施の形態の詳細
実施の形態について更に詳述する。
《DPSRAM》
図1には本発明に係る半導体装置が備えるデュアルポートメモリ回路の一例としてDPSRAM(デュアルポート・スタティック・ランダム・アクセス・メモリ)の構成が例示される。
DPSRAM1はメモリセルアレイ(MARY)2と、一方の第1アクセスポートを構成する第1周辺回路として第1メモリ制御部(CONTA)3、第1ワードドライバ(WDRVA)5及び第1入出力回路部(IOIFA)7と、他方の第2アクセスポートを構成する第2周辺回路として第2メモリ制御部(CONTA)4、第2ワードドライバ(WDRVB)6及び第2入出力回路部(IOIFB)8とを有する。
メモリセルアレイ2には、例えば、複数のデュアルポートメモリセルMCがn行j列にマトリクス配置されると共に、複数のレプリカセルRCがn行1列に配置される。その詳細は後述するがレプリカセルRCはタイミングコントローラによる内部タイミング信号の生成に一部利用される。
WLA1〜WLAnは第1アクセスポートのためのワード線であって第1ワードドライバ5によって選択的に駆動される。WLB1〜WLBnは第2アクセスポートのためのワード線であって第2ワードドライバ6によって選択的に駆動される。
BLA1,/BLA1〜BLAj,/BLAjは第1アクセスポートのための非反転ビット線と反転ビット線から成る相補ビット線であり、第1入出力回路部7に接続される。BLB1,/BLB1〜BLBj,/BLBjは第2アクセスポートのための非反転ビット線と反転ビット線から成る相補ビット線であり、第2入出力回路部8に接続される。
RWLAは第1アクセスポートのためのレプリカワード線、RBLAは第1アクセスポートのためのレプリカビット線であって、便宜上それらは第1入出力回路部7に接続される。RWLBは第2アクセスポートのためのレプリカワード線、RBLBは第2アクセスポートのためのレプリカビット線であって、便宜上それらは第2入出力回路部8に接続される。
第1メモリ制御部3は第1アクセスポートへのアクセスを要求するために外部アドレスバスABUSAから入力されるアドレス信号をデコードするアドレスデコーダを備えると共に、外部コントロールバスCBUSAから入力されるストローブ信号(リードライト信号、アクセスイネーブル信号)及び外部クロック信号CLKなどに基づいて内部動作を制御するタイミングコントローラ(図示せず)を有する。アドレス信号に含まれるロウアドレス信号のデコード信号は第1ワードドライバ5に与えられ、第1ワードドライバ5はそのデコード信号に従ってワード線WLA1〜WLAnの内に1本を選択レベルに駆動して当該ワード線に接続するメモリセルMCを選択する。アドレス信号に含まれるカラムアドレス信号のデコード信号は第1入出力回路部7に与えられる。第1入出力回路部7は相補ビット線BLA1,/BLA1〜BLAj,/BLAjの内からデータ入出力ビット数に応ずる数のビット線を選択して夫々コモンデータ線に導通させるカラムスイッチ回路(図示せず)を有し、カラムスイッチ回路はカラムアドレス信号のデコード信号に従ってコモンデータ線(図示せず)に導通させるビット線を選択する。第1入出力回路部7において、夫々のコモンデータ線には読み出しデータをセンス増幅するためのセンスアンプ(図示せず)、そして、書き込みデータに従ってコモンデータ線及びこれに導通される相補ビット線を相補レベルに駆動する書き込みアンプ(図示せず)を有し、書き込みアンプの入力端子に接続されるデータ入力バッファ(図示せず)及びセンスアンプの出力端子に接続される外部出力バッファ(図示せず)を備える。データ入力バッファの入力端子及び外部出力バッファの出力端子は外部データバスDBUSAに接続される。尚、第1入出力回路部7は読み出し開始前に相補ビット線BLA1,/BLA1〜BLAj,/BLAj及びレプリカビット線RBLAを望ましいレベルにプリチャージするプリチャージ回路を有する。
第2メモリ制御部4は第1アクセスポートへのアクセスを要求するために外部アドレスバスABUSBから入力されるアドレス信号をデコードするアドレスデコーダ(図示せず)を備えると共に、外部コントロールバスCBUSBから入力されるストローブ信号(リードライト信号、アクセスイネーブル信号)及び外部クロック信号CLKなどに基づいて内部動作を制御するタイミングコントローラ(図示せず)を有する。アドレス信号に含まれるロウアドレス信号のデコード信号は第2ワードドライバ6に与えられ、第2ワードドライバ6はそのデコード信号に従ってワード線WLB1〜WLBnの内に1本を選択レベルに駆動して当該ワード線に接続するメモリセルMCを選択する。アドレス信号に含まれるカラムアドレス信号のデコード信号は第2入出力回路部8に与えられる。第2入出力回路部8は相補ビット線BLB1,/BLB1〜BLBj,/BLBjの内からデータ入出力ビット数に応ずる数のビット線を選択して夫々コモンデータ線に導通させるカラムスイッチ回路(図示せず)を有し、カラムスイッチ回路はカラムアドレス信号のデコード信号に従ってコモンデータ線(図示せず)に導通させるビット線を選択する。第2入出力回路部8において、夫々のコモンデータ線には読み出しデータをセンス増幅するためのセンスアンプ(図示せず)、そして、書き込みデータに従ってコモンデータ線及びこれに導通される相補ビット線を相補レベルに駆動する書き込みアンプ(図示せず)を有し、書き込みアンプの入力端子に接続されるデータ入力バッファ(図示せず)及びセンスアンプの出力端子に接続される外部出力バッファ(図示せず)を備える。データ入力バッファの入力端子及び外部出力バッファの出力端子は外部データバスDBUSBに接続される。尚、第1入出力回路部7は読み出し開始前に相補ビット線BLB1,/BLB1〜BLBj,/BLBj及びレプリカビット線RBLBを望ましいレベルにプリチャージするプリチャージ回路を有する。
前記レプリカビット線RBLA,RBLBはメモリセルアレイ2の長手方向の片側の端、特に、第1メモリ制御部3及び第2メモリ制御部4の近辺に配置される。即ち、レプリカビット線RBLA(RBLB)の変化を用いるタイミングコントローラを備えた第1制御部3(第2制御部4)の近傍にレプリカビット線RBLA(RBLB)が配置される。
図1に例示されるように、レプリカビット線RBLAは相補ビット線の非反転ビット線とBLAiと反転ビット線/BLAiの夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡した配線構造を有し、レプリカワード線RWLAはレプリカビット線RBLAに並列に配置される。同様に、レプリカビット線RBLBは相補ビット線の非反転ビット線とBLBiと反転ビット線/BLBiの夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡した配線構造を有し、レプリカワード線RWLBは例えばレプリカビット線RBLBに並列に配置される。
例えば、前記レプリカビット線RBLA、RBLBはそれぞれ、デュアルポートメモリを構成する前記レプリカセルRCに対し2方向(セル右方向、左方向)から接続されている。このレプリカビット線の基端側(例えば、第1入出力回路部7および第2入出力回路部8側)は、一方(セル右方向)のレプリカビット線RBLAが、他方(セル左方向)のレプリカビット線RBLAと短絡(接続)されるように構成され、レプリカビット線は、レプリカセルを周回するようにコの字型(U字型)に配置され、さらに、レプリカビット線を駆動する制御回路と接続される。これは、中間部で切断されたレプリカビット線に対し、右方向と左方向のレプリカビット線とを接続することで、デュアルポートの一方(例えばA側)においても、他方(例えばB側)においても、そのレプリカビット線の総延長を、メモリセルMCのビット線の総延長と同様の長さにすることが可能となり、1本の相補ビット線の配線容量と寄生容量にほぼ等しい容量成分と抵抗成分を持ち、プロセスばらつきによるメモリセルや配線の特性に従った特性をレプリカビット線に得ることができる。
《レプリカセル》
レプリカセルの構造を説明する前にメモリセルの構造を説明する。メモリセルMCには例えば図2のCMOS回路構成を採用する。同図に示されるメモリセルMCは、CMOSスタティックラッチとして、pチャンネル型の負荷MOSトランジスタLd1にnチャンネル型の記憶MOSトランジスタDr1を直列接続したCMOSインバーと、同じくpチャンネル型の負荷MOSトランジスタLd2にnチャンネル型の記憶MOSトランジスタDr2を直列接続したCMOSインバーとを有し、相互に一方のCMOSインバータの入力端子が他方のCMOSインバータの出力端子に接続される。Ntが非反転記憶ノード、Nbが反転記憶ノードである。VDDは電源電圧、GNDはグランド電圧である。非反転記憶ノードNtは、nチャンネル型の選択MOSトランジスタAc1_aを介して第1アクセスポート側の対応する非反転ビット線BLAiに接続されると共に、nチャンネル型の選択MOSトランジスタAc1_bを介して第2アクセスポート側の対応する非反転ビット線BLBiに接続される。反転記憶ノードNbは、nチャンネル型の選択MOSトランジスタAc2_aを介して第1アクセスポート側の対応する反転ビット線/BLAiに接続されると共に、nチャンネル型の選択MOSトランジスタAc2_bを介して第2アクセスポート側の対応する反転ビット線/BLBiに接続される。選択MOSトランジスタAc1_a,Ac2_aのゲートは第1アクセスポート側の対応するワード線WLAmに接続される。選択MOSトランジスタAc1_b,Ac2_bのゲートは第2アクセスポート側の対応するワード線WLBmに接続される。
前記メモリセルMCのレイアウトと等価なトランジスタ配置によって図2の回路接続を表すと図3のように記述することができる。
レプリカセルRCは図4に例示されるように図3のメモリセルMCのトランジスタ配置と等価なトランジスタ配置を有する。図4において、レプリカセルRCを構成するMOSトランジスタは図3に示されるメモリセルMCを構成するトランジスタと同じであって対応するもの同士で同じ参照符号を附してある。メモリセルMCとレプリカセルRCの相違点はそれらを構成するMOSトランジスタの接続関係である。
そもそもレプリカセルRCは、プロセスばらつきの影響を受けたメモリセルMCの電流特性を再現するために設けた素子であるから、そのメモリセルの電流を再現する経路として、第1アクセスポート側のレプリカセルRCではトランジスタAc1_a,Dr1、グランド電圧GNDに至る経路を用いる。図4においてトランジスタAc1_aのゲートはトリミング信号TRMGに接続され、トランジスタDr1のゲートはレプリカワード線RWLAに接続される。その他のトランジスタAc2_a,Ld2,Ld1,Ac1_b,Ac2_b,Dr2は、タイミング生成動作時にカットオフ状態になるように、ドレイン・ソース間の短絡などが行われている。
前述の通りレプリカビット線RBLAは相補ビット線の非反転ビット線とBLAiと反転ビット線/BLAiの夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡した構造を有するから、その配線抵抗、配線容量、及びMOSトランジスタによるソース・ドレインの寄生容量は、相補ビット線BLAi,/BLAiのそれに近似され、図4のレプリカビット線RBLAのプリチャージ電荷がMOSトランジスタAc1_a,Dr1を介してグランド電圧GNDに向けてディスチャージされる特性は、図3に非反転ビット線BLAiのプリチャージ電荷がMOSトランジスタAc1_a,Dr1を介してグランド電圧GNDに向けてディスチャージされる特性に近似させることが可能になる。MOSトランジスタAc2_bに関しては図3と図4とを比べると、図4の方がMOSトランジスタAc2_bのソース・ドレインによる寄生容量が倍増している。これは、レプリカビット線RBLAのプリチャージ状態において第2アクセスポート側のワード線WLBmが選択レベルになってもトランジスタAc2_bが不所望にターンオンしないようにMOSトランジスタAc2_bのソース・ドレインを短絡した結果である。これを考慮することによってAc2_bのソース・ドレインによる寄生容量が増えても、それはディスチャージ時間が増える方向、即ち、タイミングコントローラで生成する内部タイミング信号にとって動作マージンが増える方向に作用し、しかもその割合は極めて小さいから、誤動作を惹起することはない。尚、図4において、WLAmが図示されていないが、実際には図示を省略したアルミニウム配線を介して当該ワード線選択信号は遠端のメモリセルまで伝達されることは言うまでもない。
特に図示はしないが、第2アクセスポート側のレプリカセルRCは、図4のMOSトランジスタAc1_a,Dr1による電流引き抜き経路を、MOSトランジスタAc2_b,Dr2の経路で構成する点が相違される。
《レプリカブロック》
図5には第1アクセスポート側のレプリカブロックRBLKAが例示され、図6には第2アクセスポート側のレプリカブロックRBLKBが例示される。
図5では各レプリカセルRCのMOSトランジスタAc1_a,Dr1,Ac2_bが代表的に図示され、n−g個のレプリカセルRCがレプリカビット線RBLAに接続され、それらレプリカセルRCのMOSトランジスタAc1_aのゲートにはトリミング信号TRMAn〜TRMAg+1が与えられる。レプリカワード線RWLAはn−g個のレプリカセルRCのうちレプリカビット線RBLAの基端側よりn−(h−1)個のレプリカセルRCにおけるMOSトランジスタDr1のゲートに接続される。残りのh−g個のレプリカセルRCにおけるMOSトランジスタDr1は例えばゲートがグランド電圧にプルダウンされてカットオフ状態にされる。トリミング信号TRMAn〜TRMAg+1はデバイステストの結果に従ってプログラムされたヒューズプログラム回路で生成され、トリミング信号TRMAn〜TRMAg+1によってオン状態にされるMOSトランジスタAc1_aの数が多いほど、プリチャージされたレプリカビット線RBLAの電荷がMOSトランジスタDr1を介してディスチャージされるまでの時間が短くされる。夫々のトリミング信号TRMAn〜TRMAg+1に対する駆動能力はワードドライバ5による夫々のワード線に対する駆動能力よりも当然小さくされている。複数のレプリカセルRCを並列的に用いてレプリカビット線RBLAをディスチャージすればよいからである。後述するように、そのディスチャージに基づいて生成するタイミング信号のマージン量に応じて、オン状態にするMOSトランジスタAc1_aの数が決定される。図5の例ではレプリカワード線RWLAは図示の如く、トリミング信号TRMAn〜TRMAg+1によるマージンの最大調整代になるトリミング信号RTMAhに対応するMOSトランジスタAc1_aに結合するトランジスタDr1に至るまで延在されればよい。また、レプリカセルのトリミング信号は、ヒューズプログラム回路に生成(格納)されるだけに限らず、電源遮断復帰後もデータを保持可能な不揮発性メモリに格納され、必要に応じて読み出させる構成であってもよい。
図6では各レプリカセルRCのMOSトランジスタAc2_b,Dr1,Ac1_aが代表的に図示され、g個のレプリカセルRCがレプリカビット線RBLBに接続され、それらレプリカセルRCのMOSトランジスタAc2_bのゲートにはトリミング信号TRMB1〜TRMBgが与えられる。レプリカワード線RWLBはg個のレプリカセルRCのうちレプリカビット線RBLBの基端側より例えば7個のレプリカセルRCにおけるMOSトランジスタDr2のゲートに接続される。残りのg−(7−1)個のレプリカセルRCにおけるMOSトランジスタDr2は例えばゲートがグランド電圧にプルダウンされてカットオフ状態にされる。トリミング信号TRMB1〜TRMB7はデバイステストの結果に従ってプログラムされたヒューズプログラム回路で生成され、トリミング信号TRMB1〜TRMB7によってオン状態にされるMOSトランジスタAc2_bの数が多いほど、プリチャージされたレプリカビット線RBLBの電荷がMOSトランジスタDr2を介してディスチャージされるまでの時間が短くされる。夫々のトリミング信号TRMB1〜TRMBgに対する駆動能力はワードドライバ6による夫々のワード線に対する駆動能力よりも当然小さくされている。複数のレプリカセルRCを並列的に用いてレプリカビット線RBLBをディスチャージすればよいからである。後述するように、そのディスチャージに基づいて生成するタイミング信号のマージン量に応じて、オン状態にするMOSトランジスタAc2_bの数が決定される。図6の例ではレプリカワード線RWLBは図示の如く、トリミング信号TRMB1〜TRMBgによるマージンの最大調整代になるトリミング信号RTMB7に対応するMOSトランジスタAc2_bに結合するトランジスタDr2に至るまで延在されればよい。
《レプリカセルを用いた内部タイミングの生成》
前記レプリカビット線RBLAの基端は第1メモリ制御部3のタイミングコントローラに接続され、そのディスチャージタイミングが第1アクセスポート側のメモリアクセス動作における所定の内部タイミング信号の生成に利用される。同様に、前記レプリカビット線RBLBの基端は第2メモリ制御部4のタイミングコントローラに接続され、そのディスチャージタイミングが第2アクセスポート側のメモリアクセス動作における所定の内部タイミング信号の生成に利用される。例えば、読み出し動作において前記センスアンプを活性化するセンスアンプ起動信号の生成に用いられる。
図7には第1アクセスポートからの読み出し動作におけるセンスアンプ起動信号の生成タイミングが例示される。
図7において読み出し動作はクロック信号CLKに同期され、その2サイクルで1リードサイクルが構成される。CKは外部クロック信号CLKに同期する(メモリ用の)内部クロック信号であり、第1メモリ制御回路3の図示を省略するタイミングコントローラは、リード動作が指示されると、クロック信号CKに同期してワード線WLA1〜WLAnの選択タイミングを生成し、ロウアドレスで指定される1本のワード線、例えばワード線WLAmを選択レベルに駆動させる(時刻tw)。これによって、メモリセルMCが選択されると、予め電源電圧にプリチャージされている相補ビット線BLAi,/BLAiの電位がメモリセルMCに記憶情報に従って相補的に電位差を形成しようとする。前記ワード線選択が開始される時刻twの前の時刻trwに第1メモリ制御回路3はレプリカワード線RWLAを選択レベルに駆動し、これに同期して、予め電源電圧にプリチャージされているレプリカビット線RBLAのディスチャージが開始される。そのディスチャージ速度はトリミング信号TRMAn〜TRMAg+1によってオン状態にされているMOSトランジスタAc1_aの数に比例する。前記タイミングコントローラはレプリカビット線RBLAの電圧が所定に閾値電圧に到達したことを検出して内部タイミングパルスφtmを生成し、当該内部タイミングパルスφtmの変化に同期して所定のロジック回路でセンスアンプ起動信号φsaを活性化する(tse)。これに同期して、メモリセル用の相補ビット線BLAi,/BLAiの電位差がセンスアンプによるセンス増幅動作が開始される(tsa)。したがって、プロセスばらつきによるメモリセルMCの電流特性に応じてトリミング信号TRMAn〜TRMAg+1によってオン状態にされているMOSトランジスタAc1_aの数が調整されることにより、相補ビット線BLAi,/BLAiの電位差がセンスアンプの動作点に達した後にセンスアンプを活性化することが可能になり、過大な動作マージンを設定しなくても読み出し動作の誤動作を抑制することができる。
《DPSRAMのチップ占有面積》
図8には上記DPSRAM1のブロックレイアウトが例示される。上述の通り第1ポート側のレプリカブロックRBLKAと第2ポート側のレプリカブロックRBLKBは一対の相補ビット線の配置領域を占有する。
図9は相補ビット線の内の非反転ビット線又は反転ビット線の何れか一方の配線構造だけでレプリカビット線を形成する場合を比較例として示す。この場合には第1アクセスポート側のレプリカブロックRBLKAと第2アクセスポート側のレプリカブロックRBLKBは夫々一対の相補ビット線の配置領域を占有し、図8に比べてレプリカブロックの占有面積が2倍になる。したがって、図9のDPSRAMは図8に比べて横方向(ワード線方向)に長くなって占有面積が増大する。図8のブロックレイアウトはメモリセルアレイのワード線方向の上下に第1アクセスポートと第2アクセスポートに分けて外部入出力回路7,8及びメモリ制御回路3,4を配置し、しかもメモリ制御回路3,4及びワードドライバ5,6をメモリセルアレイ2の片側に寄せて配置することにより、その形状がワード線方向に極力長くならないように考慮されている。図9もこの点については同様であるが、レプリカブロックRBLKA,RBLKBの構成という点において、その効果を最大限に発揮させることができない。さらには、上記それぞれの回路をこのように配置することで、メモリブロックレイアウトが、比較的4辺の差が小さい長方形形状となり、レイアウトがし易いと言う効果も有している。
図10には、メモリセルアレイのワード線方向の上下に第1アクセスポートと第2アクセスポートに分けて外部入出力回路IOIFA,IOIFB及びメモリ制御回路CONTA,CONTBを配置しているが、メモリ制御回路CONTA,CONTB及びワードドライバWDRVA,WDRVBをメモリセルアレイMARYの両側に配置したブロックレイアウトが比較例として示される。この場合には無駄領域(メモリ動作に必要な回路が搭載されていない領域)を生ずる。したがって、図8のように、第1ポート側のレプリカブロックRBLKAと第2ポート側のレプリカブロックRBLKBは夫々一対の相補ビット線の配置領域を占有するような構成を採用しても、面積縮小効果は劣ることになる。
図11の比較例に係るブロックレイアウトはメモリセルアレイを左右に分割した例を示す。図12の比較例に係るブロックレイアウトはメモリセルアレイのワード線方向の上下にメモリ制御回路CONTA,CONTBや外部入出力回路IOIFA,IOIFBを分割しない例を示す。いずれの場合にも、占有面積は更に増大する。
したがって、図8のように、メモリセルアレイ2のワード線方向の上下に第1アクセスポートと第2アクセスポートに分けて外部入出力回路7,8及びメモリ制御回路3,4を配置し、しかもメモリ制御回路3,4及びワードドライバ5,6をメモリセルアレイ2の片側に寄せて配置し、且つ、第1アクセスポート側のレプリカブロックRBLKAと第2アクセスポート側のレプリカブロックRBLKBを併せて一対の相補ビット線の配置領域に配置するブロックレイアウトが、占有面積の低減に最も優れるブロックレイアウト構造になる。特に図示はしないが、図8のブロックレイアウトにおいてレプリカブロックRBLKBだけをメモリセルアレイ2の反対側に配置し、メモリセルアレイに端部においてメモリセルとレプリカブロックを入れ子で配置することも考えられるが、その場合には、当該レプリカブロックRBLKBのレプリカビット線RBLBを反対側のメモリ制御回路4のタイミングコントローラまで引き回さなければならず、これによる面積の増大と、レプリカブロックRBLKBを用いて生成する内部タイミングとレプリカブロックRBLKAを用いて生成する内部タイミングとを揃えるためにはトリミング信号による設定を相違させる考慮などが必要になる。
《半導体集積回路》
上記DPSRAM1は単体の半導体装置として実現することも可能であるが、マイクロコンピュータなどのデータ処理用の半導体装置にオンチップすることも可能である。
図13には半導体装置の一例であるマイクロコンピュータ20が例示される。マイクロコンピュータ20は、特に制限されないが、相補型MOS集積回路製造技術によって、単結晶シリコンのような1個の半導体基板に形成される。マイクロコンピュータ20は中央処理装置(CPU)21及びCPU21の制御対象にされる回路もモジュールとして例えばメモリコントローラ(MCNT)22、前記DPSRAM1、シングルポーロSRAM(SPSRAM)24、及びその他のロジック回路(LOG)23などを有する。DPSRAM1及びSPSRAM24はメモリコントローラ22に接続され、メモリコントローラ22はCPU21やその他のロジック回路23と共に内部バスに25に接続される。メモリコントローラ22は例えばDPSRAM1やSPSRAMをキャッシュメモリとして動作させたりメインメモリとして動作させたりする制御を行う。
マイクロコンピュータ20はシステムオンチップ化すべき機能に応じて各種回路モジュールを搭載することになる。ここではDPSRAM1を1個だけ図示しているが、複数の回路モジュールがDPSRAM1を必要とする場合にはその必要記憶容量を満足するDPSRAMが偏在されることになる。前記DPSRAM1、シングルポートSRAM(SPSRAM)24は必ずしもメモリコントローラを介して内部バスに接続される必要はなく、直接内部バスに接続される構成であってもよい。オンチップSRAMの設計にはメモリコンパイラのような設計支援ツールを用いてその回路設計が行われ、記憶容量に応じてその大きさは異なる。このように、大きさの異なる複数のDPSRAMを1個の半導体チップに偏在させて搭載する場合には、図8のブロックレイアウトに示されるように、1個のDPSRAMにおけるレプリカブロックRBLKA,RBLKBの占有面積低減効果が僅かであっても、チップ全体としては大きな占有面積低減効果を得ることができる。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、以上の説明ではレプリカブロックを用いて生成する内部タイミング信号としてセンスアンプ起動信号を一例としたがこれに限定されず適宜の内部タイミング信号の生成に適用することが可能である。
また、内部タイミングの生成にて機能できるデュアルポートメモリ回路はSRAMに限定されず、他の記憶形式のメモリにも適用可能である。
半導体装置はメモリ単体LSI、マイクロコンピュータLSIに限定されず、その他のシステムオンチップの半導体装置、複数のLSIを1個のパッケージに搭載したモジュールデバイスなどに広く適用することができる。
本発明におけるレプリカビット線はアクセスに際して選択されるビット線単位の配線容量や寄生容量に着目してその長さを決めればよい。レプリカビット線の配線容量や寄生容量は対応するビット線の配線容量や寄生容量と完全に一致することは必要ではない。遅延成分の相違はトリミング信号による選択によって吸収することができる。
1 DPSRAM
2 メモリセルアレイ(MARY)
3 第1メモリ制御部(CONTA)
4 第2メモリ制御部(CONTA)
5 第1ワードドライバ(WDRVA)
6 第2ワードドライバ(WDRVB)
7 第1入出力回路部(IOIFA)
8 第2入出力回路部(IOIFB)
MC メモリセル
RC レプリカセル
WLA1〜WLAn 第1アクセスポートのためのワード線
WLB1〜WLBn 第2アクセスポートのためのワード線
BLA1,/BLA1〜BLAj,/BLAj 第1アクセスポートのための相補ビット線
BLB1,/BLB1〜BLBj,/BLBj 第2アクセスポートのための相補ビット線
RWLA 第1アクセスポートのためのレプリカワード線
RBLA 第1アクセスポートのためのレプリカビット線
RWLB 第2アクセスポートのためのレプリカワード線
RBLB 第2アクセスポートのためのレプリカビット線
Ld1 pチャンネル型の負荷MOSトランジスタ
Dr1 nチャンネル型の記憶MOSトランジスタ
Ld2 pチャンネル型の負荷MOSトランジスタ
Dr2 nチャンネル型の記憶MOSトランジスタ
Nt 非反転記憶ノード
Nb 反転記憶ノード
VDD 電源電圧
GND グランド電圧
Ac1_a nチャンネル型の選択MOSトランジスタ
Ac1_b nチャンネル型の選択MOSトランジスタ
Ac2_a nチャンネル型の選択MOSトランジスタ
Ac2_b nチャンネル型の選択MOSトランジスタ
TRMAn〜TRMAg+1 トリミング信号
TRMB1〜TRMBg トリミング信号
RBLKA 第1レプリカブロック(第1レプリカセルアレイ)
RBLKB 第2レプリカブロック(第2レプリカセルアレイ)

Claims (12)

  1. デュアルポートメモリ回路を有する半導体装置であって、
    前記デュアルポートメモリ回路はメモリセルアレイ、一方のアクセスポートを構成する第1周辺回路、及び他方のアクセスポートを構成する第2周辺回路を有し、
    前記メモリセルアレイは、前記第1周辺回路に夫々接続された第1相補ビット線及び第1ワード線と、
    前記第2周辺回路に夫々接続された第2相補ビット線及び第2ワード線と、
    前記第1相補ビット線、前記第1ワード線、前記第2相補ビット線及び前記第2ワード線に接続された複数のメモリセルと、
    前記第1周辺回路に夫々接続された第1レプリカビット線及び第1レプリカワード線と、
    前記第2周辺回路に夫々接続された第2レプリカビット線及び第2レプリカワード線と、
    前記メモリセルのトランジスタ配置と等価なトランジスタ配置を有し前記第1レプリカビット線及び前記第1レプリカワード線に接続された複数のレプリカセルと、
    前記メモリセルのトランジスタ配置と等価なトランジスタ配置を有し前記第2レプリカビット線及び前記第2レプリカワード線に接続された複数のレプリカセルとを有し、
    前記第1レプリカビット線は前記第1相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡した配線構造を有し、
    前記第2レプリカビット線は前記第2相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さの並列配線を相互に短絡した配線構造を有する、半導体装置。
  2. 前記第1レプリカワード線及び前記第1レプリカビット線と、前記第2レプリカワード線及び前記第2レプリカビット線とは、メモリセルアレイのワード線延在方向の一端部に揃えて配置されている、請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第1レプリカワード線は前記第1レプリカビット線に並列に配置され、
    前記第2レプリカワード線は前記第2レプリカビット線に並列に配置さている、請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記メモリセルはスタティック型のメモリセルである、請求項3記載の半導体装置。
  5. 前記メモリセルは、CMOSスタティックラッチと、前記CMOSスタティックラッチの一対の記憶ノードを前記第1相補ビット線に選択的に接続する一対の第1選択スイッチと、前記CMOSスタティックラッチの一対の記憶ノードを前記第2相補ビット線に選択的に接続する一対の第2選択スイッチと、を有し、前記第1選択スイッチの選択端子が前記第1ワード線に接続され、前記第2選択スイッチの選択端子が前記第2ワード線に接続され、
    前記レプリカセルは、前記メモリセルのCMOSスタティックラッチ、第1選択スイッチ、及び第2選択スイッチの夫々を構成するトランジスタと同一のトランジスタ配置を有し、
    前記第1レプリカビット線に接続された前記レプリカセルにおいて、前記第1レプリカビット線として構成される短絡された並列配線の一方に接続されるトランジスタの電流経路はカットオフ状態にされ、当該並列配線の他方に結合されるトランジスタのスイッチ状態はトリミング信号によって制御され、前記トリミング信号によってスイッチ状態が制御される一部のトランジスタには第1レプリカワード線によってスイッチ制御されるプルダウントランジスタが接続され、前記トリミング信号によってスイッチ状態が制御される残りのトランジスタにはカットオフ状態のトランジスタが接続され、
    前記第2レプリカビット線に接続された前記レプリカセルにおいて、前記第2レプリカビット線として構成される短絡された並列配線の一方に接続されるトランジスタの電流経路はカットオフ状態にされ、当該並列配線の他方に結合されるトランジスタのスイッチ状態はトリミング信号によって制御され、前記トリミング信号によってスイッチ状態が制御される一部のトランジスタには第1レプリカワード線によってスイッチ制御されるプルダウントランジスタが接続され、前記トリミング信号によってスイッチ状態が制御される残りのトランジスタにはカットオフ状態のトランジスタが接続される、請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記第1周辺回路は、リード動作が指示されたとき第1ワード線の選択タイミングの前に第1レプリカワード線を選択することによって変化する第1レプリカビット線のレベル変化に基づいて第1内部タイミング信号を生成し、
    前記第2周辺回路は、リード動作が指示されたとき第2ワード線の選択タイミングの前に第2レプリカワード線を選択することによって変化する第2レプリカビット線のレベル変化に基づいて第2内部タイミング信号を生成する、請求項4記載の半導体装置。
  7. 前記第1内部タイミング信号は第1相補ビット線のセンス増幅動作の開始タイミングを決定する信号であり、
    前記第2内部タイミング信号は第2相補ビット線のセンス増幅動作の開始タイミングを決定する信号である、請求項6記載の半導体装置。
  8. 前記デュアルポートメモリ回路をアクセスする中央処理装置を更に有する、請求項1記載の半導体装置。
  9. デュアルポートメモリ回路を有する半導体装置であって、
    前記デュアルポートメモリ回路はメモリセルアレイ、一方のアクセスポートを構成する第1周辺回路、及び他方のアクセスポートを構成する第2周辺回路を有し、
    メモリセルアレイは、第1周辺回路から指示されたリード動作に際して内部タイミングを生成するために用いる第1レプリカセルアレイと、第2周辺回路から指示されたリード動作に際して内部タイミングを生成するために用いる第2レプリカセルアレイとを有し、
    前記第1レプリカセルアレイと第2レプリカセルアレイの夫々は、前記メモリセルのデータ入出力端子が接続させる相補ビット線の反転ビット線と非反転ビット線の夫々を中間部で切断した長さの並列配線が相互に短絡されて成るレプリカビット線と、当該レプリカビット線に接続され前記メモリセルと等価のトランジスタ配置を有するレプリカセルとを有する、半導体装置。
  10. 前記メモリセルはスタティック型のメモリセルである、請求項9記載の半導体装置。
  11. 前記第1内部タイミング信号はメモリセルのセンス増幅動作の開始タイミングを決定する信号であり、
    前記第2内部タイミング信号はメモリセルのセンス増幅動作の開始タイミングを決定する信号である、請求項10記載の半導体装置。
  12. 前記第1レプリカセルアレイと前記第2レプリカセルアレイとは、メモリセルアレイの長手方法の一端部に揃えて配置されている、請求項11記載の半導体装置。
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