JP2011165225A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】回路構成をほとんど複雑化することなく、データバスをより高速に駆動する。
【解決手段】複数のメモリセルアレイ10と、複数のメモリセルアレイ10に夫々対応して設けられる複数の双方向データバス11と、複数のメモリセルアレイ10に夫々対応して設けられ、双方向データバス11におけるデータを中継するように隣接する双方向データバス11間を直列に接続可能とする複数の双方向バッファ回路12a、12bと、双方向バッファ回路12a、12bの活性化を制御する制御回路13と、を備える。双方向バッファ回路12bは、論理反転するように構成し、双方向バッファ回路12aは、論理反転しないように構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体記憶装置に関し、特に半導体記憶装置内のデータバスの駆動技術に関する。
近年、半導体メモリの高機能化、大容量化が進み、チップサイズも大きくなっている。これに伴ってチップ内のデータバスが長くなり、データバスを駆動する負荷が大きくなる傾向にある。また、データバスの配線容量や配線抵抗が増えてIR−DROPが大きく、また遅延が大きくなる。このためデータバスに対して何らかの対策をしないと電源電圧の落ち込み等の電源ノイズによる高速動作における阻害の原因となる。
そこで、データバスによる電源への影響を低減するための技術が特許文献1において開示されている。特許文献1の入出力装置は、内部データ線及び内部出力回路をn種類のグループに分け、mビットのデータから各グループ内で全内部データを反転或いは反転しないを決める機能を持たせる。これにより、出力回路駆動時の、電源線の寄生インダクタンス起因の電源ノイズを減らし、データ転送レートを高めることができる。
また、特許文献2には、データバスに中継バッファを挿入することにより、データバスの配線幅や配線ピッチを広げることなくデータ転送を高速化することが出来ると共に、ブロック活性化のためのブロック選択信号をそのまま利用して、中継バッファ回路の活性/非活性を制御する半導体記憶装置が開示されている。このような半導体記憶装置によれば、チップ面積及び動作電流に関して効率的なバッファ駆動制御が可能となる。
特開平09−251336号公報 特開2004−79077号公報
以下の分析は本発明において与えられる。
ところで、特許文献1に記載の入出力装置では、データの組み合わせを判定するための判定回路が存在し、チップ中に判定回路を配置するための面積が必要になる。また、データの位相を維持するため、通信相手側においても、データ反転機能を持つ必要があり、回路構成が複雑化してしまう。一方、特許文献2に記載の半導体記憶装置では、全ての中継バッファが同相で駆動されるため、電源電圧の落ち込みが大きくなり、より高速動作を行う場合の障害となる。
本発明の1つのアスペクト(側面)に係る半導体記憶装置は、複数のメモリセルアレイと、複数のメモリセルアレイに夫々対応して設けられる複数の双方向データバスと、複数のメモリセルアレイに夫々対応して設けられ、双方向データバスにおけるデータを中継するように隣接する双方向データバス間を直列に接続可能とする複数の双方向バッファ回路と、所望のメモリセルアレイにアクセスする場合、所望のメモリセルアレイに対応して設けられた双方向データバスからアクセス源に至る経路に含まれる全ての双方向バッファ回路をアクセス方向に応じて一方向に活性化するように制御する制御回路と、を備え、複数の双方向バッファ回路は、一部を論理反転するように構成し、他を論理反転しないように構成する。
本発明によれば、回路構成をほとんど複雑化することなく、データバスをより高速に駆動することができる。
本発明の第1の実施例に係る半導体記憶装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施例に係る半導体記憶装置のレイアウトを模式的に示す図である。 メモリセルアレイが2つである場合のチップの構造を表す図およびデータバスの詳細を示す回路図である。 メモリセルアレイが2つである場合のチップへのアクセス時における制御信号のレベルチャートを示す。 図2においてチップ下側のメモリセルアレイにアクセスする場合における活性化の範囲を示す図である。 チップ下側のメモリセルアレイアクセスする場合におけるタイミングチャートである。 図2においてチップ上側のメモリセルアレイにアクセスする場合における活性化の範囲を示す図である。 チップ上側のメモリセルアレイアクセスする場合におけるタイミングチャートである。
本発明の実施形態に係る半導体記憶装置は、複数のメモリセルアレイ(図1の10)と、複数のメモリセルアレイに夫々対応して設けられる複数の双方向データバス(図1の11)と、複数のメモリセルアレイに夫々対応して設けられ、双方向データバスにおけるデータを中継するように隣接する双方向データバス間を直列に接続可能とする複数の双方向バッファ回路(図1の12a、12b)と、所望のメモリセルアレイにアクセスする場合、所望のメモリセルアレイに対応して設けられた双方向データバスからアクセス源に至る経路に含まれる全ての双方向バッファ回路をアクセス方向に応じて一方向に活性化するように制御する制御回路(図1の13)と、を備える。複数の双方向バッファ回路は、一部(図1の12b)を論理反転するように構成し、他(図1の12a)を論理反転しないように構成する。
半導体記憶装置において、複数の双方向バッファ回路は、論理反転による回路構成(図1の12bに対応)と論理非反転による回路構成(図1の12aに対応)とを経路上で交互に配置されるように構成するようにしてもよい。
半導体記憶装置において、制御回路は、複数の双方向バッファ回路の内、経路に含まれない双方向バッファ回路を非活性化するように制御することが好ましい。
半導体記憶装置において、制御回路は、所望のメモリセルアレイに書き込みを行う場合、経路に含まれる全ての双方向バッファ回路をアクセス源から所望のメモリセルアレイに至る方向に活性化させ、所望のメモリセルアレイから読み出しを行う場合、経路に含まれる全ての双方向バッファ回路を所望のメモリセルアレイからアクセス源に至る方向に活性化させるように制御することが好ましい。
半導体記憶装置において、双方向バッファ回路は、互いの入出力を接続する第1および第2のバッファ回路を備え、制御回路は、双方向バッファ回路を非活性化する場合、第1および第2のバッファ回路を共に非活性とし、双方向バッファ回路を活性化する場合、第1および第2のバッファ回路のいずれか一方のみをアクセス方向に応じて活性化することが好ましい。
以上のような半導体記憶装置によれば、データバスに双方向バッファ回路を設けてデータバスを分割して駆動することで、ドライバに対する負荷を減らし、より高速に動作させることができる。この場合、双方向バッファ回路の活性化制御にアドレス空間選択論理を用いることで、データバスの駆動範囲を必要最小限に制限する。
また、一部の双方向バッファ回路でデータを反転させることによって、一連のデータバスにおける充放電電流を減らしてIR−DROPを低減することができる。すなわち、あるタイミングにおいて、全ての双方向バッファ回路でデータを反転させない場合、データバスにおける充電および放電のどちらか一方のみが生じる。これに対し、一部の双方向バッファ回路でデータを反転させるように構成すると、データバスにおける充電および放電が組み合わされて、消費電流が減少する。このためIR−DROPが減少し、より高速な動作が可能となる。
なお、データバスは双方向バスであり、データの読み出し時も同様にデータ反転してバッファリングし、メモリセルへ書き込みするデータを特にデータの反転の有無を気にすることなく読み出すことが可能である。このような効果は、チップ内部の回路構成において特に発揮される。
以下、実施例に即し、図面を参照して詳しく説明する。
図1は、本発明の第1の実施例に係る半導体記憶装置の構成を示すブロック図である。図1において、半導体記憶装置は、複数のメモリセルアレイ10と、複数のメモリセルアレイ10に夫々対応して設けられる複数の双方向データバス11と、複数のメモリセルアレイ10に夫々対応して設けられ、双方向データバス11におけるデータを中継するように隣接する双方向データバス11間を直列に接続可能とする複数の双方向バッファ回路12a、12bと、双方向バッファ回路12a、12bの活性化を制御する制御回路13と、を備える。
制御回路13は、所望のメモリセルアレイ10にアクセスする場合、所望のメモリセルアレイ10に対応して設けられた双方向データバス11からアクセス源に至る経路に含まれる全ての双方向バッファ回路12a、12bをアクセス方向に応じて一方向に活性化するように制御する。例えば、所望のメモリセルアレイに書き込みを行う場合、経路に含まれる全ての双方向バッファ回路をアクセス源から所望のメモリセルアレイに至る方向に活性化させる。また、所望のメモリセルアレイから読み出しを行う場合、経路に含まれる全ての双方向バッファ回路を所望のメモリセルアレイからアクセス源に至る方向に活性化させるように制御する。この場合、制御回路13は、複数の双方向バッファ回路の内、上記の経路に含まれない双方向バッファ回路を非活性化するように制御することが好ましい。
より具体的に、制御回路13は、メモリセルアレイ10に対するアドレス信号AD、書き込み許可信号WE、読み出し許可信号RE、クロック信号CLKを入力する。書き込み許可信号WEまたは読み出し許可信号REがアクティブである場合、アドレス信号ADで指定されたメモリセルアレイ10に接続される双方向データバス11からアクセス源に至る経路に含まれる全ての双方向バッファ回路12a、12bを一方向に活性化するようにクロック信号CLKに同期して制御する。書き込み許可信号WEがアクティブの場合、アクセス源からアドレス信号ADで指定されたメモリセルアレイ10に至る方向に双方向バッファ回路12a、12bを活性化し、データ信号DIOを所望のメモリセルアレイ10に書き込むように制御する。読み出し許可信号REがアクティブの場合、アドレス信号ADで指定されたメモリセルアレイ10からアクセス源に至る方向に双方向バッファ回路12a、12bを活性化し、所望のメモリセルアレイ10から読み出した信号をデータ信号DIOとして外部に出力可能とする。
複数の双方向バッファ回路12a、12bは、一部の双方向バッファ回路12bを論理反転するように構成し、他の双方向バッファ回路12aを論理反転しないように構成する。この場合、例えば双方向バッファ回路12aと双方向バッファ回路12bとを経路上で交互に配置されるように構成するようにしてもよい。
図2は、本発明の第1の実施例に係る半導体記憶装置のレイアウトを模式的に示す図である。図2において、20は、メモリセルアレイ10、センスアンプ、Yスイッチの配置領域である。21は、双方向バッファ回路12a、12bの配置領域である。22は、ROWデコーダ、アドレス・コマンドコントローラ、制御回路13の配置領域である。23は、COLデコーダ、ライトアンプ(後述の書き込みアンプAw1、Aw2に相当)、データアンプ(後述の読み出しアンプAd1、Ad2に相当)の配置領域である。27は、外部とのインタフェースとなるデータI/Oの配置領域である。
なお、メモリセルアレイ10におけるコラムアドレスやロウアドレスの与え方、センスアンプ、Yスイッチ、COLデコーダ、データI/O、タイミング制御などは、本発明に関わらないので、その説明を省略する。
以上のように、本実施例に係る半導体記憶装置は、下記の3つの手段によって特徴づけられる。
(1)データバスの途中に双方向バッファ回路を設けて、データバスを分割して駆動する。
(2)アドレス空間選択論理を基に、必要な双方向バッファ回路の活性化を制御して、データバスを駆動する範囲を選択可能とする。
(3)一部の双方向バッファ回路においてデータを反転させる。
この3つの手段によってデータバスを駆動するドライバの負荷とIR−DROPを低減させる。すなわち、(1)によれば、ドライバの駆動する配線が短くなり、ドライバの負荷が減少する。(2)によれば、データバスを駆動する範囲を限定して、消費電流を削減することができる。(3)によれば、データバスにおける充電および放電が組み合わされて、消費電流が減少し、IR−DROPが減少する。
次に、説明の簡単化のためにメモリセルアレイが2つである場合を例とし詳細に説明する。
図3(A)は、メモリセルアレイが2つである場合のチップの構造を模式的に示す図である。図3(B)は、図3(A)におけるデータバスの詳細を示す回路図である。
図3(A)において、チップの右側の中央から下方および上方にそれぞれメモリセルアレイ10a、10bが配置され、双方向データバス11に係る回路が配置される。チップの右側の下方には、メモリセルアレイ10a、10bに係る双方向バッファ回路12aとメモリセルアレイ10aに係る書き込みアンプAw1、読み出しアンプ(データアンプ)Ad1が配置される。チップの右側の上方には、メモリセルアレイ10bに係る双方向バッファ回路12bとメモリセルアレイ10bに係る書き込みアンプAw2、読み出しアンプ(データアンプ)Ad2が配置される。
図3(B)において、双方向データバス11に係る回路は、双方向バッファ回路12a、12b、書き込みアンプAw1、Aw2、読み出しアンプAd1、Ad2を備え、双方向データバス11は、2個の双方向データバス11a、11bに分割されて存在する。
双方向バッファ回路12aは、バッファ回路Bfw1、Bfr1、ラッチ回路La1を備える。バッファ回路Bfw1は、ライト許可信号WE1によって活性化され、ライト許可信号WE1がアクティブである場合にデータ信号DIOをバッファリングして双方向データバス11aを駆動する。書き込みアンプAw1は、アクティブとされる場合に双方向データバス11a上の信号をメモリセルアレイ10aに書き込む。読み出しアンプAd1は、アクティブとされる場合にメモリセルアレイ10aから読み出した信号で双方向データバス11aを駆動する。バッファ回路Bfr1は、リード許可信号RE1がアクティブである場合に双方向データバス11a上の信号をバッファリングしてデータ信号DIOとして外部に出力する。ラッチ回路La1は、バッファ回路Bfw1、Bfr2、読み出しアンプAd1がアクティブでない場合に双方向データバス11aがフローティング状態とならないように、双方向データバス11a上の信号レベルをバッファ回路Bfw1、Bfr2、読み出しアンプAd1がアクティブであった場合における双方向データバス11a上の信号レベルまたはメモリセルアレイ10aからのデータを保持するように機能する。
なお、ライト許可信号WE1は、図1の制御回路13において書き込み許可信号WEとクロック信号CLKから生成され、書き込み許可信号WEがアクティブとなる場合にクロック信号CLKのタイミングに基づきアクティブとされる。リード許可信号RE1は、図1の制御回路13において読み出し許可信号REとクロック信号CLKから生成され、読み出し許可信号REがアクティブとなる場合にクロック信号CLKのタイミングに基づきアクティブとされる。
双方向バッファ回路12bは、バッファ回路Bfw2、Bfr2、インバータ回路INV1、INV2、ラッチ回路La2を備える。バッファ回路Bfw2は、ライト許可信号WE2によって活性化され、ライト許可信号WE2がアクティブである場合に双方向データバス11a上の信号をインバータ回路INV2で論理反転した上でバッファリングして双方向データバス11bを駆動する。書き込みアンプAw2は、アクティブである場合に双方向データバス11b上の信号をメモリセルアレイ10bに書き込む。読み出しアンプAd2は、アクティブである場合にメモリセルアレイ10bから読み出した信号で双方向データバス11bを駆動する。バッファ回路Bfr2は、リード許可信号RE2がアクティブである場合に双方向データバス11b上の信号をインバータ回路INV1で論理反転した上でバッファリングして双方向データバス11a上の信号として出力する。ラッチ回路La2は、バッファ回路Bfw2、読み出しアンプAd2がアクティブでない場合に双方向データバス11bがフローティング状態とならないように、双方向データバス11b上の信号レベルをバッファ回路Bfw2がアクティブであった場合における双方向データバス11a上の信号レベルまたはメモリセルアレイ10bからのデータを保持するように機能する。
なお、ライト許可信号WE2は、図1の制御回路13において書き込み許可信号WEとアドレス信号ADとクロック信号CLKから生成され、書き込み許可信号WEがアクティブとなると共にアドレス信号ADがメモリセルアレイ10bを指し示す場合にクロック信号CLKのタイミングに基づきアクティブとされる。リード許可信号RE2は、図1の制御回路13において読み出し許可信号REとアドレス信号ADとクロック信号CLKから生成され、読み出し許可信号REがアクティブとなると共にアドレス信号ADがメモリセルアレイ10bを指し示す場合にクロック信号CLKのタイミングに基づきアクティブとされる。
次に、メモリセルアレイに対するリードライト時の動作について説明する。図4は、メモリセルアレイが2つである場合のチップへのアクセス時における制御信号のレベルチャートを示す。
図4において、チップ下側のメモリセルアレイ10aにアクセスする場合、ライト動作であれば、ライト許可信号WE1をHレベル(活性状態、選択状態)とし、リード許可信号RE1をLレベル(不活性状態、非選択状態)とする。また、書き込みアンプAw1をHレベルとし、読み出しアンプ(データアンプ)Ad1をLレベルとする。さらに、チップ上側のメモリセルアレイ10bに係るライト許可信号WE2、リード許可信号RE2、書き込みアンプAw2、読み出しアンプ(データアンプ)Ad2を全て不活性状態(非選択状態)とする。
また、リード動作であれば、ライト許可信号WE1をLレベル(不活性状態、非選択状態)とし、リード許可信号RE1をHレベル(活性状態、選択状態)とする。また、書き込みアンプAw1をLレベルとし、読み出しアンプ(データアンプ)Ad1をHレベルとする。さらに、チップ上側のメモリセルアレイ10bに係るライト許可信号WE2、リード許可信号RE2、書き込みアンプAw2、読み出しアンプ(データアンプ)Ad2を全て不活性状態(非選択状態)とする。
一方、チップ上側のメモリセルアレイ10bにアクセスする場合、ライト動作であれば、ライト許可信号WE1、WE2をHレベル(活性状態、選択状態)とし、リード許可信号RE1、RE2をLレベル(不活性状態、非選択状態)とする。また、書き込みアンプAw2をHレベルとし、書き込みアンプAw1、読み出しアンプAd1、Ad2をLレベルとする。
また、リード動作であれば、ライト許可信号WE1、WE2をLレベル(不活性状態、非選択状態)とし、リード許可信号RE1、RE2をHレベル(活性状態、選択状態)とする。また、読み出しアンプAd2をHレベルとし、書き込みアンプAw1、Aw2、読み出しアンプAd1をLレベルとする。
図5は、図3においてチップ下側のメモリセルアレイ10aにアクセスする場合における活性化の範囲を示す図である。
チップ下側のメモリセルアレイ10aにデータを書き込む場合、もしくは読み出す場合、アドレス空間選択論理によって双方向バッファ回路12bから先を不活性(点線で示す)にして、動作不要な双方向データバス11bの駆動を止める。これによって、消費電流が削減される。また、データ伝達の高速化も見込める。
図6は、チップ下側のメモリセルアレイ10aにアクセスする場合におけるタイミングチャートである。書き込み時には、ラッチ回路La1を解除して書き込み許可信号WE1を活性化し、双方向データバス11aにデータを伝達する。アドレス信号により選択された書き込みアンプAw1を活性化し、メモリセルアレイ10aにデータを書き込む。
読み出し時には、ラッチ回路La1を解除後、アドレス信号により選択されたリードアンプAd1を活性化し、双方向データバス11aにデータを伝達する。次に読み出し許可信号RE1によりデータを外部へ出力する。
これに対し、メモリセルアレイ10aの書き込み時および読み出し時において、ラッチ回路La2は保持され、書き込み許可信号WE2、書き込みアンプAw2、読み出し許可信号RE2、リードアンプAd2は、全て活性化されることはない。
図7は、図3においてチップ上側のメモリセルアレイ10bにアクセスする場合における活性化の範囲を示す図である。図7において、書き込みアンプAw1、読み出しアンプAd1を除き全てが活性化される。この場合、図5の場合と比べてデータバスが双方向データバス11a、11bと実質的に長くなるため、IR−DROPの増大が懸念される。そこで、データ反転機能を有する双方向バッファ回路12bを活性化することで、IR−DROPの増大を抑制する。
図8は、チップ上側のメモリセルアレイ10bにアクセスする場合におけるタイミングチャートである。書き込み時には、ラッチ回路La1を解除後、書き込み許可信号WE1を活性化して双方向データバス11aにデータを伝達する。次に、ラッチ回路La2を解除し、書き込み許可信号WE2を活性化して、上側の双方向データバス11bにデータを伝達する。アドレス信号により選択された書き込みアンプAw2を活性化してデータを所望のメモリセルアレイ10bに書き込む。
読み出し時には、ラッチ回路La2を解除後、アドレス信号により選択された読み出しアンプAd2を活性化して双方向データバス11bを駆動する。続いてラッチ回路La1を解除し、読み出し許可信号RE2を活性化して下側の双方向データバス11aにデータを伝達する。さらに読み出し許可信号RE1を活性化してデータを外部へ出力する。
以上のように、メモリ内に配置されたデータバスを分割するよう双方向バッファ回路を配置し、読み出しアンプ制御、書き込みアンプ制御にあわせて双方向バッファ回路を一方向に活性化する制御を行う。また、アドレス信号ADによって必要最小限のデータバスを選択的に駆動するように双方向バッファ回路を制御する。このような制御を行うことで負荷を軽減し高速化を実現することができる。
さらに、一部の双方向バッファ回路においてデータを反転することで、信号伝達のための電流の充放電を減らしIR−DROPの増大を抑制する。この場合、従来のようなデータを反転するための判断を行う判定回路が不要であり、通信相手への仕様の整合も必要ない。
なお、前述の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
10、10a、10b メモリセルアレイ
11、11a、11b 双方向データバス
12a、12b 双方向バッファ回路
13 制御回路
20 メモリセルアレイ、センスアンプ、Yスイッチの配置領域
21 双方向バッファ回路の配置領域
22 ROWデコーダ、アドレス・コマンドコントローラ、制御回路の配置領域
23 COLデコーダ、ライトアンプ、データアンプの配置領域
27 データI/Oの配置領域
Aw1、Aw2 書き込みアンプ
Ad1、Ad2 読み出しアンプ(データアンプ)
Bfr1、Bfw1、Bfr2、Bfw2 バッファ回路
INV1、INV2 インバータ回路
La1、La2 ラッチ回路

Claims (5)

  1. 複数のメモリセルアレイと、
    前記複数のメモリセルアレイに夫々対応して設けられる複数の双方向データバスと、
    前記複数のメモリセルアレイに夫々対応して設けられ、前記双方向データバスにおけるデータを中継するように隣接する前記双方向データバス間を直列に接続可能とする複数の双方向バッファ回路と、
    所望の前記メモリセルアレイにアクセスする場合、所望の前記メモリセルアレイに対応して設けられた前記双方向データバスからアクセス源に至る経路に含まれる全ての前記双方向バッファ回路をアクセス方向に応じて一方向に活性化するように制御する制御回路と、
    を備え、
    複数の前記双方向バッファ回路は、一部を論理反転するように構成し、他を論理反転しないように構成することを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 複数の前記双方向バッファ回路は、論理反転による回路構成と論理非反転による回路構成とを前記経路上で交互に配置されるように構成することを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
  3. 前記制御回路は、複数の前記双方向バッファ回路の内、前記経路に含まれない前記双方向バッファ回路を非活性化するように制御することを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
  4. 前記制御回路は、所望の前記メモリセルアレイに書き込みを行う場合、前記経路に含まれる全ての前記双方向バッファ回路を前記アクセス源から所望の前記メモリセルアレイに至る方向に活性化させ、所望の前記メモリセルアレイから読み出しを行う場合、前記経路に含まれる全ての前記双方向バッファ回路を所望の前記メモリセルアレイから前記アクセス源に至る方向に活性化させるように制御することを特徴とする請求項1または3記載の半導体記憶装置。
  5. 前記双方向バッファ回路は、互いの入出力を接続する第1および第2のバッファ回路を備え、
    前記制御回路は、前記双方向バッファ回路を非活性化する場合、前記第1および第2のバッファ回路を共に非活性とし、前記双方向バッファ回路を活性化する場合、前記第1および第2のバッファ回路のいずれか一方のみを前記アクセス方向に応じて活性化することを特徴とする請求項1、3、4のいずれか一に記載の半導体記憶装置。
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