JP2011044186A - ワード線駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源電圧を低電圧化し且つメモリセルの選択に十分な電圧をワード線に供給することができるワード線駆動装置を提供する。
【解決手段】プルアップトランジスタのソース電位とゲート電位とをカップリングするコンデンサを設け、ワード線選択指令信号の立ち上り時点から所定時間後において当該プルアップトランジスタのソース電位を引き上げる。また、当該プルアップトランジスタのゲート電位を制御するゲート電位制御トランジスタをデプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタとして、そのゲート電位をローレベルに維持する。
【選択図】図1

Description

本発明は、メモリセルアレイのワード線を駆動するワード線駆動装置に関する。
例えば半導体記憶媒体であるDRAMなどのメモリを構成するメモリセルアレイのワード線を駆動するワード線駆動装置が従来から知られている(例えば特許文献1)。ワード線駆動装置は、所望のメモリセルへの書き込み又はメモリセルからの読み出しを行うためにそのメモリセルに接続されるワード線を選択及び駆動するものである。一般に、書き込み又は読み出しを確実に行うために電源電圧を昇圧した昇圧電圧がワード線駆動装置からワード線に供給される。
特開平11−39865号公報
ところで、近年、装置の消費電力低減のために低電圧での動作が求められている。図6は、特許文献1に開示されているワード線駆動回路の原理説明図である。この回路において例えば制御回路203からトランジスタ202のゲートへ供給する電圧をトランジスタ202の閾値電圧程度まで低電圧化した場合には、プルアップトランジスタ200のゲート電圧が低下し、プルアップトランジスタ200が十分なオン状態とならず、昇圧電圧Vppよりも低い電圧しかワード線に供給できなくなる。その結果、メモリセルの書き込み又は読み出しを確実に行うことができなくなってしまうという問題があった。
本発明は上記した如き問題点に鑑みてなされたものであって、電源電圧を低電圧化し且つメモリセルの選択に十分な電圧をワード線に供給することができるワード線駆動装置を提供することを目的とする。
本発明によるワード線駆動装置は、ワード線の選択を指令する選択指令信号を生成する制御部と、前記選択指令信号の不存在の間、自身のゲート電位に応じてオンして、自身のソース電位によってワード線電位をワード線非選択レベルに引き下げるプルダウントランジスタと、自身のゲート電位に応じてオンして、自身のソース電位によって前記ワード線電位をワード線選択レベルに引き上げるプルアップトランジスタと、前記選択指令信号の存在及び不存在に応じて前記プルアップトランジスタのゲート電位を制御するゲート電位制御トランジスタと、を含むワード線駆動装置であって、前記プルアップトランジスタのソース電位とゲート電位とをカップリングするコンデンサを更に含み、前記制御部は、前記選択指令信号の各々の立ち上り時点から所定時間後において前記プルアップトランジスタのソース電位を引き上げることを特徴とする。
本発明によるワード線駆動装置によれば、電源電圧を低電圧化し且つメモリセルの選択に十分な電圧をワード線に供給することができる。
第1の実施例によるワード線駆動装置を表す回路図である。 第1の実施例によるワード線駆動装置の動作波形を表す図である。 デプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタのID−VGS特性の一例を表す図である。 第2の実施例によるワード線駆動装置を表す回路図である。 第2の実施例によるワード線駆動装置の動作波形を表す図である。 従来のワード線駆動回路の原理説明図である。
以下、本発明に係る実施例について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
<第1の実施例>
図1は第1の実施例によるワード線駆動装置100を表す回路図である。ワード線駆動装置100は、例えばDRAMなどのメモリを構成するメモリセルアレイに含まれる複数のワード線のうちの1つを駆動するいわゆるワード線ドライバ回路である。ワード線駆動装置100は、1本のワード線に対して1つ設けられ、通常、LSI(図示せず)の内部に回路として形成される。
ワード線駆動装置100は、プルアップトランジスタ101と、プルダウントランジスタ102と、ゲート電位制御トランジスタ103と、インバータ104と、コンデンサ105と、制御部106と、を含む。
プルアップトランジスタ101は、ワード線選択時にワード線(図示せず)の電位をワード線選択レベルに引き上げるトランジスタである。プルダウントランジスタ102は、ワード線非選択時にワード線の電位をワード線非選択レベルに引き下げるトランジスタである。以下、プルアップトランジスタ101及びプルダウントランジスタ102の各々が例えばNMOSなどのNチャネル電界効果トランジスタである場合について説明する。
プルアップトランジスタ101のソースには制御部106からの電源信号PW(以下、単に信号PWと称する)が入力される。ワード線選択時には、信号PWの信号レベルとほぼ同一の信号レベルの信号がワード線に供給される。プルアップトランジスタ101のゲートは、ノードn1でゲート電位制御トランジスタ103のドレインに接続されている。ワード線選択時には、ノードn1の電位に応じてプルアップトランジスタ101がオン状態又はオフ状態となる。プルアップトランジスタ101のドレインにはワード線(図示せず)が接続されている。ワード線選択時には、信号PWの信号レベルとほぼ同一の信号レベルのワード線信号WL(以下、単に信号WLと称する)が当該ドレインからワード線へ供給される。
プルダウントランジスタ102のソースは接地電位VSSに接続されている。ワード線非選択時には、接地電位VSSとほぼ同一の電位の信号WLがワード線に供給される。プルダウントランジスタ102のゲートは、ノードn2でインバータ104の出力に接続されている。ワード線非選択時には、ノードn2の電位に応じてプルアップトランジスタ101がオン状態となる。プルダウントランジスタ102のドレインは、プルアップトランジスタ101のドレインと接続されており、ワード線(図示せず)とも接続されている。ワード線非選択時には、接地電位VSSとほぼ同一の電位の信号WLがワード線に供給される。
ゲート電位制御トランジスタ103は、プルアップトランジスタ101のゲート電位(ノードn1の電位)を制御するトランジスタである。ゲート電位制御トランジスタ103は、いわゆるデプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタである。ゲート電位制御トランジスタ103のゲートは接地電位に接続されている。ゲート電位制御トランジスタ103のソースには制御部106からのワード線選択制御信号ADD(以下、単に信号ADDと称する)が入力される。信号ADDはワード線を選択又は非選択とするために制御部106から発せられる信号である。ゲート電位制御トランジスタ103のドレインは、プルアップトランジスタ101のゲート(ノードn1)に接続されている。
インバータ104の入力には制御部106からの信号ADDが入力される。インバータ104の出力は、プルダウントランジスタ102のゲート(ノードn2)に接続されている。つまり、インバータ104は、信号ADDの反転レベルをノードn2に与えるものである。それ故、プルアップトランジスタ101及びプルダウントランジスタ102のいずれか一方がオン状態のときには他方はオフ状態となる。
コンデンサ105は、プルアップトランジスタ101のソースとゲートとの間に接続されており、当該ソースの電位と当該ゲートの電位とをカップリングさせる作用を奏する。また、コンデンサ105は、ゲート電位制御トランジスタ103によって制御されたプルアップトランジスタ101のゲートの電位(ノードn1の電位)に応じて充電される。コンデンサ105は、ソース−ゲート間の寄生容量を主とするものでも良いし、独立した素子でも良い。また、コンデンサ105の容量値については特に制限はなく、例えば500pFなどとして適宜設定すれば良い。
制御部106は、信号ADD及び信号PWを制御するいわゆるワード線デコーダ回路であり、例えばCPUなどのマイクロプロセッサにより構成される制御回路である。制御部106は、1つのワード線駆動装置100に1つ設けられても良いし、複数のワード線駆動装置100で共有しても良い。
制御部106は、ワード線を選択又は非選択とするためのワード線選択制御信号である信号ADDを生成及び出力し、ゲート電位制御トランジスタ103のソース及びインバータ104の入力に供給する。以下、信号レベルがハイレベル(VDD)のときの信号ADDを、ワード線の選択を指令する信号である選択指令信号と称し、また、信号レベルがローレベル(VSS)のときの信号ADDを、ワード線の非選択を指令する信号である非選択指令信号と称する。すなわち、制御部106は、選択指令信号と非選択指令信号とを択一的に生成及び出力する。
また、制御部106は、ワード線に供給する信号レベルを定める信号PWをプルアップトランジスタ101のソースに供給する。制御部106は、ワード線の選択、非選択に応じてローレベル(接地電位VSS)、ハイレベル(電源電位VDD)、昇圧レベル(VDD+α)の信号ADD又は信号PWを生成するための電圧生成機構を内蔵し又は外部に設けられた電圧生成機構(図示せず)からこれら各レベルの電圧の供給を受けて各レベルの信号ADD又は信号PWを生成する。
図2はワード線駆動装置100の動作波形を表す図である。横軸は時刻を表し、縦軸は信号ADD、信号PW、ノードn1、ノードn2及び信号WLのそれぞれの信号レベルを表す。以下、図2を参照しつつ、ワード線駆動装置100の動作について説明する。
時刻t0まではワード線非選択期間である。この期間中、制御部106は、信号ADDをローレベル(接地電位VSS。以下、VSSとする)としてすなわち非選択指令信号を生成し出力している。また、制御部106は、信号PWの信号レベルについてもVSSとして生成及び出力している。
ここで、ゲート電位制御トランジスタ103はデプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタであり、そのゲートにはVSSが供給されていることから、ゲート電位制御トランジスタ103はオン状態である。図3は、デプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタのID−VGS特性の一例を表す図である。ゲート−ソース間電圧VGSが0Vの場合にもオン状態となり、ドレイン電流IDが流れる。すなわち、ゲート電位制御トランジスタ103のゲートには高電圧を供給する必要はなく、その閾値電圧Vtdと同程度の電位又はそれ以下の電位である接地電位VSSが供給されていれば、ゲート電位制御トランジスタ103はオン状態となる。
ゲート電位制御トランジスタ103がオン状態であるので、ノードn1はVSSである。ノードn1がVSSであるので、プルアップトランジスタ101はオフ状態である。また、インバータ104によって信号ADDの信号レベルが反転されるので、ノードn2はハイレベル(電源電位VDD。以下、単にVDDとする)である。ノードn2がVDDであるので、プルダウントランジスタ102はオン状態である。したがって、ワード線の電位は、プルダウントランジスタ102によって、ワード線非選択レベル(ここではVSS)に引き下げられている。
時刻t0から時刻t2まではワード線選択期間である。制御部106は、時刻t0において、信号ADDの信号レベルをVSSからVDDへ切り替えて出力する。すなわち、制御部106は、選択指令信号を生成し出力する。ノードn2には信号ADDの反転レベルであるVSSが供給されるので、プルダウントランジスタ102はオフ状態に切り替わる。他方、ノードn1にはゲート電位制御トランジスタ103を介して信号ADDが供給される。時刻t0から時刻tc1の期間に亘ってコンデンサ105が徐々に充電されるのに伴って、ノードn1の信号レベルがVSSから所定の電圧まで上昇する。
詳細には、ノードn1の信号レベルは、ゲート電位制御トランジスタ103のゲート電位から、その閾値電圧Vtdを減算して算出される電位まで上昇する。つまり、ゲート電位がVSS=0Vの場合には、−Vtdまで上昇する。例えば閾値電圧Vtdが−0.7Vの場合、0V−(−0.7V)=0.7Vまで上昇する。デプレッション型Nチャネル電界効果トランジスタの特性上、ゲート電位制御トランジスタ103は、ノードn1の信号レベルが−Vtd(例えば0.7V)まで上昇した時点(時刻tc1)でオフ状態となる。
制御部106は、選択指令信号の立ち上り時点(時刻t0)から所定時間後(時刻t1)において、信号PWの信号レベルをVSSからVDD+αに引き上げる。時刻t1は時刻tc1以降の時刻である。コンデンサ105の容量値などの諸特性を考慮し、時刻t1が時刻tc1以降となるように電圧引き上げタイミングが制御部106に予め設定されている。VDD+αは、ワード線に接続されたメモリセル(図示せず)のデータ読み書きを確実に行うのに要する電圧である。なお、αに制限は無く、適宜設定すれば良い。
時刻t1以降、コンデンサ105のカップリング効果により、信号PWの信号レベルの変化がノードn1の電位に反映される。詳細には、ノードn1の電位が−Vtdから−Vtd+(VDD+α)−βに上昇する。ここで、βは昇圧の非効率による低下分の電圧である。例えばVDDが0.7V、Vtdが−0.7V、αが2V、βが0.1Vの場合、VDD+α=2.7Vであり、−Vtd+(VDD+α)−β=3.3Vである。
プルアップトランジスタ101のソース電位(VDD+α=2.7V)を基準としたときのゲート電位(ノードn1)は、3.3V−2.7V=0.6Vとなる。プルアップトランジスタ101の閾値電圧Vtnが例えば0.5Vの場合、ノードn1の電位(0.6V)の方がVtn(0.5V)よりも大きいので、プルアップトランジスタ101はオン状態となる。なお、ゲート電位制御トランジスタ103はオフ状態であるので、ノードn1の電位は信号ADDの影響を受けない。なお、上記した各信号レベルの値は一例であり、他の値でも良い。
プルアップトランジスタ101がオンするので、ワード線の電位は、プルアップトランジスタ101によって、ワード線選択レベル(ここでは信号PWの信号レベルVDD+α)に引き上げられる。これにより、メモリセルをオンするのに必要な電圧VDD+αが損失なくワード線に供給されるので、メモリセルのデータの読み書きを確実に行うことができる。
時刻t2以降はワード線非選択期間である。制御部106は、時刻t2において信号ADD及び信号PWの各々の信号レベルをVDDからVSSに切り替えて出力する。すなわち、制御部106は、非選択指令信号を生成し出力する。信号PWがVSSとなることからコンデンサ105が放電され、また、VSSの信号ADDがゲート電位制御トランジスタ103を介してノードn1に供給されることから、ノードn1はVSSに低下する。ノードn2には信号ADDの反転レベルであるVDDが供給されるので、プルダウントランジスタ102がオン状態となる。ワード線の電位は、プルダウントランジスタ102によって、ワード線非選択レベル(ここではVSS)に引き下げられる。
上記したように本実施例のワード線駆動装置によれば、コンデンサの充電によりプルアップトランジスタのゲート電位を上昇させた後でそのソースに昇圧電位を供給することにより、メモリセルをオンするのに十分な電圧をワード線に供給することができる。また、プルアップトランジスタのゲート電位を制御するためのトランジスタ(ゲート電位制御トランジスタ)としてデプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタを用いることにより、そのゲートへ供給する電圧を例えば接地電位(VSS)などの低電圧とすることができる。すなわち、ゲート電位制御トランジスタのゲートには高電圧を供給する必要はなく、その閾値電圧(Vtd)と同程度の電位又はそれ以下の電位である接地電位が供給されていれば、ゲート電位制御トランジスタはオン状態となる。それ故、電源電圧を閾値電圧と同程度の電位又は接地電位程度に低電圧化することができるので、低消費電力化することができる。
このように、本実施例のワード線駆動装置によれば、電源電圧を低電圧化し且つメモリセルの選択に十分な電圧をワード線に供給することができる。
<第2の実施例>
図4は本実施例によるワード線駆動装置100を表す回路図である。以下、第1の実施例と異なる部分を主に説明する。ゲート電位制御トランジスタ103のゲートに制御部106から充電制御信号PR(以下、単に信号PRと称する)が供給される点が第1の実施例と異なる。
図5は本実施例によるワード線駆動装置100の動作波形を表す図である。横軸は時刻を表し、縦軸は信号ADD、信号PR、信号PW、ノードn1、ノードn2及び信号WLのそれぞれの信号レベルを表す。以下、図5を参照しつつ、ワード線駆動装置100の動作について説明する。
時刻t0まではワード線非選択期間である。この期間中、制御部106は、信号ADD、信号PW及び信号PRの各々の信号レベルをVSSとして出力している。すなわち、制御部106は、非選択指令信号を生成し出力している。このワード線非選択期間中は、デプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタであるゲート電位制御トランジスタ103はオン状態であり、ノードn1はVSSであるので、プルアップトランジスタ101はオフ状態である。また、ノードn2がVDDであるので、プルダウントランジスタ102はオン状態である。したがって、ワード線の電位は、プルダウントランジスタ102によって、ワード線非選択レベル(VSS)に引き下げられている。
時刻t0から時刻t2まではワード線選択期間である。制御部106は、時刻t0において、信号ADD及び信号PRの各々の信号レベルをVSSからVDDへ切り替えて出力する。すなわち、制御部106は、選択指令信号を生成し出力する。ノードn2の信号レベルはVSSとなるので、プルダウントランジスタ102はオフ状態となる。
ゲートに信号レベルVDDの信号ADDが印加されたゲート電位制御トランジスタ103は引き続きオン状態であるが、接地電位VSSが印加されているときに比較してより大きいドレイン電流が流れる。時刻t0から時刻tc2の期間に亘ってコンデンサ105が徐々に充電されるのに伴って、デプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタの特性上、ノードn1の信号レベルがVDDまで上昇する。ゲート電位制御トランジスタ103に比較的大きいドレイン電流が流れることから、コンデンサ105が比較的短期間に充電される。つまり、第1の実施例における時刻t0から時刻tc1までの充電期間よりも、本実施例における時刻t0から時刻tc2までの充電期間の方が短い。ノードn1の信号レベルがVDDまで上昇した時点(時刻tc2)で、プルアップトランジスタ101はオフ状態となる。
制御部106は、時刻t0から所定時間経過後に信号PRの信号レベルをVDDからVSSへ切り替えて出力する。すなわち、制御部106は、選択指令信号の立ち上り時点つまりワード線選択期間の開始時点(時刻t0)から所定時間経過した時刻tc2までの期間だけゲート電位制御トランジスタ103のゲート電位をハイレベル(VDD)とする。コンデンサ105の容量値などの諸特性を考慮し、時刻t0からの電圧引き上げタイミングが制御部106に予め設定されている。電圧引き上げタイミングは、通常、コンデンサ105の充電が完了する時刻tc2と同時又はほぼ同時期となるように設定される。
制御部106は、選択指令信号の立ち上り時点(時刻t0)から所定時間後(時刻t1)において、信号PWの信号レベルをVSSからVDD+αに引き上げる。時刻t1は時刻tc2以降の時刻である。コンデンサ105の容量値などの諸特性を考慮し、時刻t2が時刻tc1以降となるように、時刻t0からの電圧引き上げタイミングが制御部106に予め設定されている。コンデンサ105の充電期間が比較的短いので、より早いタイミングで信号PWの信号レベルをVDD+αに切り替えることができる。
時刻t1以降、コンデンサ105のカップリング効果により、ノードn1の電位がVDDからVDD+(VDD+α)−βに上昇する。例えばVDDが0.7V、αが2V、βが0.1Vの場合、VDD+α=2.7Vであり、VDD+(VDD+α)−β=3.3Vである。プルアップトランジスタ101のソース電位(VDD+α=2.7V)を基準としたときのゲート電位(ノードn1)は、3.3V−2.7V=0.6Vとなる。プルアップトランジスタ101の閾値電圧Vtnが例えば0.5Vの場合、ノードn1の電位(0.6V)の方がVtn(0.5V)よりも大きいので、プルアップトランジスタ101はオン状態となる。なお、ゲート電位制御トランジスタ103はオフ状態であるので、ノードn1の電位は信号ADDの影響を受けない。なお、上記した各信号レベルの値は一例であり、他の値でも良い。
プルアップトランジスタ101がオンするので、ワード線の電位は、プルアップトランジスタ101によって、ワード線選択レベル(ここでは信号PWの信号レベルVDD+α)に引き上げられる。これにより、メモリセルをオンするのに必要な電圧VDD+αが損失なくワード線に供給されるので、メモリセルのデータの読み書きを確実に行うことができる。時刻t2以降はワード線非選択期間であり、第1の実施例と同様である。
上記したように本実施例のワード線駆動装置によれば、ゲート電位制御トランジスタのゲートへ信号(PW)を供給する手段を更に含み、ワード線選択期間の開始時点から所定時間だけ当該信号の信号レベルをハイレベル(VDD)とする。ゲートに接地電位(VSS)が印加されているときに比較してより大きいドレイン電流が流れることから、比較的短期間でコンデンサを充電することができる。それによって、昇圧電圧(VDD+α)をより短期間でワード線に供給することができ、メモリ動作周波数を高速化できる。
このように、本実施例のワード線駆動装置によれば、電源電圧を低電圧化し且つメモリセルの選択に十分な電圧をワード線に供給することができるのに加えて、ワード線選択を高速化し、メモリ動作周波数を高速化することができる。
100 ワード線駆動装置
101 プルアップトランジスタ
102 プルダウントランジスタ
103 ゲート電位制御トランジスタ
104 インバータ
105 コンデンサ
106 制御部

Claims (5)

  1. ワード線の選択を指令する選択指令信号を生成する制御部と、
    前記選択指令信号の不存在の間、自身のゲート電位に応じてオンして、自身のソース電位によってワード線電位をワード線非選択レベルに引き下げるプルダウントランジスタと、
    自身のゲート電位に応じてオンして、自身のソース電位によって前記ワード線電位をワード線選択レベルに引き上げるプルアップトランジスタと、
    前記選択指令信号の存在及び不存在に応じて前記プルアップトランジスタのゲート電位を制御するゲート電位制御トランジスタと、を含むワード線駆動装置であって、
    前記プルアップトランジスタのソース電位とゲート電位とをカップリングするコンデンサを更に含み、
    前記制御部は、前記選択指令信号の各々の立ち上り時点から所定時間後において前記プルアップトランジスタのソース電位を引き上げることを特徴とするワード線駆動装置。
  2. 前記ゲート電位制御トランジスタは、デプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1に記載のワード線駆動装置。
  3. 前記ゲート電位制御トランジスタのゲート電位がローレベルに維持されていることを特徴とする請求項2に記載のワード線駆動装置。
  4. 前記制御部は、前記選択指令信号の立ち上り時点から所定期間だけ前記ゲート電位制御トランジスタのゲート電位をハイレベルとするゲート電位切替手段を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のワード線駆動装置。
  5. 前記ゲート電位制御トランジスタは、デプレッション型のNチャネル電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項4に記載のワード線駆動装置。
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