JP2011233190A - 半導体装置及び選択方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】アクセスロスや電力損失を増加させることなく、半導体装置に記憶されたデータの消失を回避する。
【解決手段】複数のメモリセルのそれぞれに対応する複数のワード線を有し、オートリフレッシュの実行を指示する外部リフレッシュコマンドが外部から発行される度に、複数のワード線を所定の本数ずつ順次選択し、選択されたワード線に対応するメモリセルをリフレッシュする半導体装置であって、温度を検出する温度検出部と、検出された温度が所定の温度以下である場合、外部リフレッシュコマンドが発行される度に、複数のワード線を所定の本数ずつ順次選択し、検出された温度が所定の温度よりも高い場合、外部リフレッシュコマンドが発行される度に、複数のワード線を、所定の本数よりも多い本数ずつ順次選択するワード線選択制御部と、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、記憶されたデータの消失を回避するためのオートリフレッシュを実行する半導体装置及び選択方法に関する。
近年、半導体装置であるLSI(Large Scale Integration)メモリは、高速化の一途を辿っている。例えば、電池や小型バッテリーで動作させる製品に搭載され、低消費電力が求められるモバイル用途向けのDRAM(Dynamic Random Access Memory)でさえも、400Mbps(bit per second)、667Mbps、800Mbpsというような高速な転送データレートを要求されるようになってきている。なお、電池や小型バッテリーで動作させる製品とは例えば、携帯電話やデジタルスチルカメラ等である。
このような要求に応えるため、モバイル用途向けのDRAMは、転送データレートが133MbpsまでのモバイルSDR(Single Data Rate)、同400MbpsまでのモバイルDDR(Double Data Rate)というように転送データレートの高速化が進んできた。そして、転送データレートが400Mbps以上のものとして、低消費電力かつ高速化に対応したLPDDR2(Low−Power DDR2)がJEDECにて規格化されている。
LPDDR2の規格は、実用環境における温度も考慮された規格となっている。具体的には、LPDDR2の規格には、CPU(Central Proccessing Unit)等のコントローラパッケージの上にLSIメモリパッケージを直接実装するPoP(Package on Package)において、外部コントローラからの熱の煽りや、LSIメモリの自己発熱によって高温になりやすいことへの対策が盛り込まれている。
DRAMの場合、温度が高ければ高いほど、記憶されたデータを保持できる時間が短くなっていく。つまり、温度が高ければ高いほど、リフレッシュの周期を短くする必要がある。特に、85℃よりも高い温度では、さらに短い周期でリフレッシュする必要がある。
なお、「リフレッシュ」には2つの種類がある。1つは、外部コントローラからの指示に応じてリフレッシュする「オートリフレッシュ」である。オートリフレッシュは、外部コントローラが発行する外部リフレッシュコマンドに応じて実行される。もう1つは、LSIメモリの内部タイマーの周期に応じてリフレッシュする「セルフリフレッシュ」である。
LPDDR2の規格は、温度を検出する機能を有する温度センサが搭載されていることが前提となっており、その温度センサにて検出された温度が外部コントローラへ通知される。具体的には、外部コントローラから所定のコマンド(MR4コマンド)がLPDDR2へ発行されると、LPDDR2は、温度センサにて検出された温度を外部コントローラへ通知する。
そして、LPDDR2から通知された温度が所定の温度(例えば85℃)よりも高い場合、外部コントローラは、外部リフレッシュコマンドの発行間隔を短くする。
これにより、LPDDR2の温度が所定の温度よりも高い場合でも、LPDDR2に記憶されたデータの消失を回避することが可能となる。今後は、MR4コマンドに未対応の外部コントローラを用いると、LSIメモリを使用する上での制限事項が多くなり、ビジネスの機会を失う可能性がある。
なお、半導体メモリ装置において、上述したセルフリフレッシュの周期を温度に応じて制御するための技術が例えば、特許文献1に開示されている。
特開2005−235362号公報
ここで、メモリセルからのデータの読み出し中、または、メモリセルへのデータの書き込み中に、オートリフレッシュを実行する場合、メモリセルへのアクセスが一旦中断される。
メモリセルからのデータの読み出し中、または、メモリセルへのデータの書き込み中に、オートリフレッシュを実行する場合、コマンドの推移は、プリチャージ(Precharge)→オートリフレッシュ(Auto Refresh)→アクティベート(Activate)→読み出し(Read)または書き込み(Write)となる。これにより、1回の外部リフレッシュコマンドの発行で、約200nsecのアクセスロス(損失)が生じる。
特に、1Gbitのような高容量のLPDDR2では、リフレッシュを7800nsec間隔で実行する必要があり、200nsecのアクセスロスが生じたとすると、2.56%もののアクセスロスとなる。
また、LPDDR2の温度が所定の温度(例えば85℃)よりも高い場合には、さらに短い間隔、例えば所定の温度以下の場合と比べて1/4の間隔でリフレッシュをする必要がある。この場合、アクセスロスがさらに7.68%増加し、10.24%ものアクセスロスとなってしまう。
このようなLSIメモリを搭載したシステムは、高温時にはソフトウェアの処理速度が遅くなり、アクセスパフォーマンスが低下する。従って、ユーザにとって取り扱いにくいシステムとなる。
そこで、1回の外部リフレッシュコマンドの発行で選択されるワード線の本数を多くするようにLSIメモリを設計すれば、アクセスロスを増加させることなく、オートリフレッシュを実行することも可能ではある。
しかし、1回の外部リフレッシュコマンドの発行で選択されるワード線の数を常時多くするように設計すると、LSIメモリの温度が高くない場合にも多くのワード線を選択することになり、電力損失が増加してしまう。
このようなLSIメモリを搭載したシステムも、ユーザにとって取り扱いにくいシステムとなる。
本発明の半導体装置は、複数のメモリセルのそれぞれに対応する複数のワード線を有し、オートリフレッシュの実行を指示する外部リフレッシュコマンドが外部から発行される度に、前記複数のワード線を所定の本数ずつ順次選択し、該選択されたワード線に対応するメモリセルをリフレッシュする半導体装置であって、
温度を検出する温度検出部と、
前記検出された温度が所定の温度以下である場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記複数のワード線を前記所定の本数ずつ順次選択し、前記検出された温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記複数のワード線を、前記所定の本数よりも多い本数ずつ順次選択するワード線選択制御部と、を有する。
また、本発明の選択方法は、複数のメモリセルのそれぞれに対応する複数のワード線を有し、オートリフレッシュの実行を指示する外部リフレッシュコマンドが外部から発行される度に、前記複数のワード線を所定の本数ずつ順次選択し、該選択されたワード線に対応するメモリセルをリフレッシュする半導体装置における選択方法であって、
当該半導体装置の温度を検出する処理と、
前記検出された温度が所定の温度以下である場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記複数のワード線を前記所定の本数ずつ順次選択し、前記検出された温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記複数のワード線を、前記所定の本数よりも多い本数ずつ順次選択する選択制御処理と、を有する。
本発明によれば、半導体装置の温度が検出され、検出された温度が所定の温度以下である場合、外部リフレッシュコマンドが発行される度に、複数のワード線が所定の本数ずつ順次選択される。一方、検出された温度が所定の温度よりも高い場合には、外部リフレッシュコマンドが発行される度に、複数のワード線が、所定の本数よりも多い本数ずつ順次選択される。
これにより、半導体装置の温度が所定の温度よりも高い場合でも、外部リフレッシュコマンドの発行間隔を短くする必要がない。また、1回の外部リフレッシュコマンドの発行に対し、半導体装置の温度が所定の温度よりも高い場合にだけ、それ以外の場合よりも多くのワード線を選択することが可能となる。
従って、アクセスロスや電力損失を増加させることなく、半導体装置に記憶されたデータの消失を回避することができる。
本発明の半導体装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。 LPDDR2において、温度識別信号が示すレベルと、温度通知信号の出力値との対応関係の一例を示す図である。 LPDDR2のMR4コマンド(MRR)による出力値とリフレッシュコマンドの割付との一例を示す図であり、(a)はMRRとリフレッシュコマンドに対するCA0〜9の割付を示す図であり、(b)はMR4のOP0〜7の割付を示す図である。 LPDDR2が備えるメモリアレイの構成の一例を示す図である。 図4に示したメモリアレイにおいてオートリフレッシュ時に選択されるワード線を説明するための図である。 図1に示したメモリアレイの構成の一例を示す図である。 図6に示したメモリアレイにおいてオートリフレッシュ時に選択されるワード線を説明するための図である。 図1に示したアドレスカウンタの動作原理を説明するための回路図である。 図8に示したアドレスカウンタ回路の詳細を説明するための図であり、(a)はアドレスカウンタ回路として用いることが可能なマスタースレーブJKフリップフロップ回路を示す図、(b)は(a)に示したマスタースレーブJKフリップフロップ回路の等価ブロックを示す図、(c)は(a)に示すNode1の初期条件ごとの各信号状態の初期条件を示す図、(d)は(b)に示す等価ブロックを利用した2n進数カウンタを示す図、(e)は(d)に示す2n進数カウンタのタイミングチャートである。 図9に示したマスタースレーブJKフリップフロップ回路をアドレスカウンタ回路として構成したアドレスカウンタの一例を示す回路図である。 図1に示したワード線選択部の動作原理を説明するための回路図である。 図1に示した半導体装置において温度識別信号がLowレベルを示す場合のタイミングチャートである。 図1に示した半導体装置において温度識別信号がHighレベルを示す場合のタイミングチャートである。
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の半導体装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。
本実施形態の半導体装置1は図1に示すように、コマンドレジスタ及びモードレジスタを有するレジスタ回路11と、ワード線選択制御部を構成するアドレスカウンタ12と、リフレッシュ動作発生回路13と、温度検出部である温度センサ14とを備えている。また、半導体装置1は、温度センサ15,16と、アドレスラッチ回路18と、メモリ部19と、リードアンプ23と、ライトアンプ24と、データラッチ回路25と、入出力バッファ回路26と、入出力回路27とを備えている。なお、メモリ部19は、複数のメモリセルが設けられたメモリアレイ20と、ワード線選択制御部を構成するワード線選択部21と、Yスイッチ22とを備えている。
レジスタ回路11は、外部コントローラ(不図示)から出力されたコマンド信号(CK、CKE、CS#等)や、コマンドアドレス信号(CA0〜CA9)を受け付け、半導体装置1の内部の状態を決定する回路である。レジスタ回路11のコマンドレジスタは、外部コントローラから発行された外部リフレッシュコマンドに応じ、オートリフレッシュコマンド信号(REF)を出力する。また、レジスタ回路11のコマンドレジスタは、セルフリフレッシュの実行を指示するセルフリフレッシュコマンド信号も発生させる。また、レジスタ回路11のモードレジスタは、半導体装置1の動作モード状態を決定する機能を有し、外部コントローラから発行されたMR4コマンドに応じ、状態信号(MR4)を出力する。
リフレッシュ動作発生回路13は、レジスタ回路11から出力されたオートリフレッシュコマンド信号(REF)を受け付け、ワード線選択部21、Yスイッチ22等を動作させるためのリフレッシュ動作信号(RefOPGEN)を出力する回路である。
アドレスカウンタ12は、リフレッシュ動作発生回路13から出力されたリフレッシュ動作信号(RefOPGEN)を受け付けると、所定の桁数のビット値をカウントアップする。このカウントアップは、アドレスカウンタ回路(不図示)を用いて行われる。そして、アドレスカウンタ12は、アドレスカウンタ回路からの出力値であり、オートリフレッシュ時に選択されるワード線のアドレスを示すリフレッシュアドレス信号(RefXadd(k):k=0,1,2,・・・,L−1,L)を出力する。アドレスカウンタ12は、温度センサ14から出力された温度識別信号(TSEN1)を受け付け、受け付けた温度識別信号(TSEN1)が示すレベルに応じ、上述した所定の桁数の桁のうちカウントアップの際に最下位となる桁を決定する。なお、アドレスカウンタ12がカウントアップの際に最下位となる桁を決定する動作の詳細については後述する。
温度センサ14は、温度を検出し、検出した温度に応じ、第1のレベルであるLowレベル、または、第2のレベルであるHighレベルを示す温度識別信号(TSEN1)を出力する回路である。なお、本実施形態では、検出された温度が85℃以下である場合、温度識別信号(TSEN1)はLowレベルを示し、検出された温度が85℃よりも高い場合、温度識別信号(TSEN1)はHighレベルを示すものとする。
アドレスラッチ回路18は、外部コマンドアドレス信号(CA0〜CA9)を受け付け、半導体装置1の内部へアドレス情報を出力する回路である。
メモリ部19は、メモリアレイ20上のメモリセルへのデータの書込み(WRT)と、メモリアレイ20上のメモリセルからのデータの読出し(RED)とを行う。
ワード線選択部21は、アドレスラッチ回路18から出力されたアドレス情報とは別に、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)と、リフレッシュアドレス信号(RefXadd(k))と、温度識別信号(TSEN1)とを受け付け、これらの信号が示すレベルに応じてワード線を選択する。なお、ワード線選択部21がワード線を選択する動作の詳細については後述する。
リードアンプ23は、SW1を経由してデータラッチ回路25へリードデータを出力する回路である。
ライトアンプ24は、メモリ部19へライトデータを出力する回路である。
ここで、本実施形態の半導体装置1は、LPDDR2と同様に、温度センサにて検出された温度を外部コントローラへ通知する機能を有しており、温度センサ14〜16はそれぞれ、温度識別信号(TSEN1〜3)を温度範囲レジスタ17へ出力する。
そして、温度範囲レジスタ17は、温度センサ14〜16にて検出された温度を外部コントローラへ通知するための温度通知信号(TSENOUT)を出力する。
図2は、LPDDR2において、温度識別信号(TSEN1〜3)が示すレベルと、温度通知信号(TSENOUT)の出力値との対応関係の一例を示す図である。なお、図中“H”はHighレベルを示し、“L”はLowレベルを示している。
外部コントローラからMR4コマンドが発行されると、レジスタ回路11のモードレジスタから状態信号(MR4)が出力される。そして、温度範囲レジスタ17は、モードレジスタから出力された状態信号(MR4)を受け付ける。
温度範囲レジスタ17は、例えば図2に示した対応関係を用い、温度識別信号(TSEN1〜3)が示すレベルに応じた温度通知信号(TSENOUT)を出力する。
状態信号(MR4)が出力された場合、図1に示したSW1がSW1a側に切り替わる。そのため、温度通知信号(TSENOUT)は、SW1、データラッチ回路25、入出力バッファ回路26を経由し、入出力回路27(DQ0〜DQz,z:自然数)及びパッドから外部コントローラへ出力される。
図3は、LPDDR2のMR4コマンド(MRR)による出力値とリフレッシュコマンドの割付との一例を示す図であり、(a)はMRRとリフレッシュコマンドに対するCA0〜9の割付を示す図であり、(b)はMR4のOP0〜7の割付を示す図である。
図3(b)に示す"tREFI"は、外部リフレッシュコマンドの基本発行間隔である。外部リフレッシュコマンドの発行間隔は、図2に示した温度通知信号(TSENOUT)の出力値に応じて決められる。例えば、85℃よりも高い温度では、tREFIの1/4の間隔で外部リフレッシュコマンドが発行される。但し、本実施形態において外部コントローラは、温度通知信号(TSENOUT)の出力値に関わらず、常にtREFIで外部リフレッシュコマンドを発行する。これの詳細については後述する。
次に、LPDDR2におけるオートリフレッシュ時の動作について説明する。
図4は、LPDDR2が備えるメモリアレイの構成の一例を示す図である。
図4に示すメモリアレイは、行方向に区切られた8つのBankから構成されている。ここで、オートリフレッシュ時にセンスアンプ(SA)が互いに干渉しない単位をSegmentとすると、8つのSegmentで1つのBankが構成されている。なお、ここでは、8つのSegmentのそれぞれが1024本のワード線(WRD)を有しており、それぞれのワード線が複数のメモリセルのそれぞれに対応している。また、それぞれのBank内において行方向の破線は、ビット線を表している。
図4においては、8つのSegmentのそれぞれをSegment−s(s=0,1,2,・・・,7)と表記している。同様に、8つのBankのそれぞれをBank−t(t=0,1,2,・・・,7)と表記している。
また、図4においては、8つのSegment−sをBank−tに応じて分割し、Bank−t及びSegment−sにあたるSegmentを“BktSgs”と表記している。
そして、複数の“BktSgs”を4つずつグルーピングする。具体的には図4に示すように、Bk0Sg0〜Bk0Sg3を“a1"とし、Bk0Sg4〜〜Bk0Sg7を“a2"とし、Bk1Sg0〜Bk1Sg3を“b1"とし、Bk1Sg4〜Bk1Sg7を“b2"としている。以下同様に、複数の“BktSgs”を4つずつ“c1“〜”h2“にグルーピングする。
図5は、図4に示したメモリアレイにおいてオートリフレッシュ時に選択されるワード線を説明するための図である。なお、図5においては上述した“a1”における場合を一例として説明するが、“a2”〜“h2”の場合でも同様である。また、“a1”において複数のワード線のそれぞれを識別するアドレスを(xm(k):m=0〜3)と表記する。
上述したように、8つのSegmentのそれぞれは、1024本のワード線を有している。従って、“a1”においては、4096本のワード線が存在することとなる。なお、1回のリフレッシュの実行で4096本のワード線のうち1本のワード線が選択され、4096回のリフレッシュによって全てのワード線が選択されるように構成されていることをリフレッシュ周期が4096Cycleであるという。
図5に示す“a1”において、オートリフレッシュ時にワード線が選択される順番は、外部リフレッシュコマンドが発行される度に、Bk0Sg0内のx0(k)→Bk0Sg1内のx1(k)→Bk0Sg2内のx2(k)→Bk0Sg3内のx3(k)→Bk0Sg0内のx0(k+1)→Bk0Sg1内のx1(k+1)→Bk0Sg2内のx2(k+1)→Bk0Sg3内のx3(k+1)となる。このように、1回の外部リフレッシュコマンドの発行により、1本のワード線が選択され、リフレッシュアドレスがカウントアップされていく。
すなわち、Ref1→Ref2→Ref3→Ref4→Ref5→Ref6→Ref7→Ref8と、外部リフレッシュコマンドが8回発行されることにより、8本のワード線が選択され、選択されたワード線に対応するメモリセルがリフレッシュされることとなる。
これと同様に、“a2”〜“h2”においても、外部リフレッシュコマンドが発行される度に、4096本のワード線の中から1本のワード線が順次に選択される。
従って、図4に示したメモリアレイ全体として見ると、1回の外部リフレッシュコマンドの発行により、図4の図中太線で示した16本のワード線が選択される。
この場合、例えば32ms以内に全てのメモリセルのオートリフレッシュを実行しなくてはならないとすると、オートリフレッシュを4096回実行する必要があるため、外部リフレッシュコマンドが約7.81μs間隔で発行されることとなる。
ここで、例えば半導体装置1の温度が所定の温度(例えば85℃)よりも高い場合には、所定の温度以下である場合と比べて短い時間内に、全てのメモリセルのオートリフレッシュを実行しなくてはならない。例えば8ms以内に全てのメモリセルのオートリフレッシュを実行しなくてはならないとすると、外部リフレッシコマンドが約1.95μs間隔で発行されることとなる。
以上説明したように、LPDDR2では、外部リフレッシュコマンドの発行間隔を短くすることができるが、外部リフレッシコマンドの発行間隔を短くすると、アクセスロスが増加する。
本実施形態の半導体装置1では、外部リフレッシュコマンドの発行間隔を短くすることなく、外部リフレッシュコマンドの発行間隔を短くするのと同等の制御を行うことができる。
以下に、図1に示した半導体装置1におけるオートリフレッシュ時の動作について説明する。
図6は、図1に示したメモリアレイ20の構成の一例を示す図である。図6に示すメモリアレイ20のSegmentやBankの構成は、図4に示したメモリアレイのものと全く同じである。
図7は、図6に示したメモリアレイ20においてオートリフレッシュ時に選択されるワード線を説明するための図である。なお、図7においては上述した“a1”の場合を一例として説明するが、“a2”〜“h2”の場合でも同様である。
上述したように、アドレスカウンタ12及びワード線選択部21は、温度センサ14から出力された温度識別信号(TSEN1)を受け付ける。
そして、アドレスカウンタ12及びワード線選択部21の動作により、温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合とHighレベルを示す場合とで、1回の外部リフレッシコマンド信号の発行で選択されるワード線の本数を異なる本数にすることができる。
具体的には、温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合、図5に示した場合と同様に、Ref1→Ref2→Ref3→Ref4→Ref5→Ref6→Ref7→Ref8と、外部リフレッシコマンドが8回発行されることにより、8本のワード線が選択される。
従って、32ms以内に全てのメモリセルのオートリフレッシュを実行するためには、図5を用いて説明した場合と同様に、外部リフレッシュコマンドが約7.81μs間隔で発行される。
一方、温度識別信号(TSEN1)がHighレベルを示す場合には、Ref1で、x0(k)、x1(k)、x2(k)、x3(k)のアドレスで識別される4本のワード線が選択され、Ref2で、x0(k+1)、x1(k+1)、x2(k+1)、x3(k+1)のアドレスで識別される4本のワード線が選択されるように論理を追加する。なお、この論理の詳細については後述する。
つまり、温度識別信号(TSEN1)がHighレベルを示す場合、1回の外部リフレッシュコマンドの発行に対し、温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合と比べて4倍のワード線が選択される。
従って、図6に示したメモリアレイ20全体として見ると、1回の外部リフレッシュコマンドの発行で、図6の図中、太線と太い破線とで示した64本のワード線が選択される。
この場合、外部リフレッシュコマンドを約7.81μs間隔で発行すれば、8ms以内で全てのメモリセルのオートリフレッシュを実行することができる。
このように、温度識別信号(TSEN1)がHighレベルを示す場合、1回の外部リフレッシュコマンドで選択されるワード線の本数を、温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合に比べて増やすことができる。これは、温度識別信号(TSEN1)を受け付け、受け付けた温度識別信号(TSEN1)が示すレベルに応じて動作するアドレスカウンタ12及びワード線選択部21の動作によって実現される。
そこで、次に、図1に示したアドレスカウンタ12及びワード線選択部21の動作の詳細について説明する。
まず、図1に示したアドレスカウンタ12の動作の詳細について説明する。
図8は、図1に示したアドレスカウンタ12の動作原理を説明するための回路図である。
図8に示すように、アドレスカウンタ12は12個のアドレスカウンタ回路(RAC00〜11)を備えている。
12個のアドレスカウンタ回路(RAC00〜11)のそれぞれは、12桁のビット値のそれぞれと対応している。つまり、ここでは、上述した所定の桁数が12桁であるものとする。
そして、RAC00〜11からの出力値RA00〜11がリフレッシュアドレス信号(RefXadd(k))としてワード線選択部21へ出力される。
図8に示すアドレスカウンタ12においては、アドレスカウンタ12が受け付けた温度識別信号(TSEN1)が示すレベルに応じ、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)が通過するパスが切り替えられる。このパスの切り替えは、スイッチ12−1,12−2によって行われる。
受け付けた温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合、スイッチ12−1,12−2は、図8の図中下側に切り替えられる。そのため、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)は、RAC00及びRAC01を通過する。従って、12桁のビット値は、RAC00に対応する第1の桁である最下位桁を最下位としてカウントアップされる。以降、RAC00及びRAC01を通過するパスのことをパスAという。
一方、受け付けた温度識別信号(TSEN1)がHighレベルを示す場合には、スイッチ12−1,12−2は、図8の図中上側に切り替えられる。そのため、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)は、RAC00及びRAC01を通過しない。従って、12桁のビット値は、最下位桁よりも上位の第2の桁であるRAC02に対応する桁を最下位としてカウントアップされる。以降、RAC00及びRAC01を通過しないパスのことをパスBという。
ここで例えば、RAC00〜11からの出力値が、RA11=1、RA10=0、RA09=0、RA08=1、RA07=0、RA06=1、RA05=1、RA04=0、RA03=1、RA02=1、RA01=0、RA00=0である場合、リフレッシュアドレス信号(RefXadd(k))は、100101101100b(16進数表記で96C)となる。
このとき、受け付けた温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)は、パスAを通過する。従って、上述した100101101100b(16進数表記で96C)の次のリフレッシュアドレス信号(RefXadd(k))は、100101101101b(16進数表記で96D)となる。
一方、受け付けた温度識別信号(TSEN1)がHighレベルである場合には、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)は、パスBを通過する。従って、上述した100101101100b(16進数表記で96C)の次のリフレッシュアドレス信号(RefXadd(k))は、100101110000b(16進数表記で970)となる。
次に、図8に示したアドレスカウンタ回路(RAC00〜RAC11)について詳細に説明する。
図9は、図8に示したアドレスカウンタ回路の詳細を説明するための図であり、(a)はアドレスカウンタ回路として用いることが可能なマスタースレーブJKフリップフロップ回路を示す図、(b)は(a)に示したマスタースレーブJKフリップフロップ回路の等価ブロックを示す図、(c)は(a)に示すNode1の初期条件ごとの各信号状態の初期条件を示す図、(d)は(b)に示す等価ブロックを利用した2n進数カウンタを示す図、(e)は(d)に示す2n進数カウンタのタイミングチャートである。
図9(a)に示すマスタースレーブJKフリップフロップ回路は、J0、PLS、K0を入力とし、Q0、/Q0を出力としている。以降、このマスタースレーブJKフリップフロップ回路をMTSL−JK−FF0と表記する。
0と/Q0とは、補完信号となっており、常に互いに逆の論理データを出力している。さらに、初期値を安定させるためにINITFF1のインバータを2つ使用したフリップフロップをNode1とNode2との間に接続している。
図9(d)に示すように、3つのマスタースレーブJKフリップフロップ回路(MTSL−JK−FF0〜2)を接続し、MTSL−JK−FF1のPLS信号入力部にはQ0を入力し、MTSL−JK−FF2のPLS信号入力部にはQ1を入力する。
この場合、PLS信号の立ち上がり度に、すなわち1回のPLS信号が終わる度に、それぞれのQ0、Q1、Q2信号が2進数で1つずつカウントアップされる。具体的には図9(e)に示すように、(Q2,Q1,Q0)=(0,0,0)→(0,0,1)→(0,1,0)→(0,1,1)→(1,0,0)のように変化していく。
これを利用し、12個のアドレスカウンタ回路(RAC00〜RAC11)を接続することにより、アドレスカウンタ12が構成される。
図10は、図9に示したマスタースレーブJKフリップフロップ回路をアドレスカウンタ回路として構成したアドレスカウンタ12の一例を示す回路図である。
上述したように、アドレスカウンタ12は、RAC00に対応する最下位桁を最下位として12桁のビット値をカウントアップするのか、RAC02に対応する桁を最下位として12桁のビット値をカウントアップするのかを決定する。
これを実現するためには、上述したように、温度識別信号(TSEN1)が示すレベルに応じ、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)を通過させるパスを、図8に示したパスA,Bのいずれかに切り替える必要がある。
アドレスカウンタ12においては図10に示すように、RAC00の入力前段にスイッチ12−1が接続され、RAC01の出力後段にスイッチ12−2が接続されている。そして、温度識別信号(TSEN1)が示すレベルに応じ、スイッチ12−1とスイッチ12−2のトランスファーゲートを操作することにより、パスAとパスBとを切り替えることができるようになっている。
なお、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)は、リフレッシュ時以外には常にLowレベルを示す。そのため、RAC01の出力信号Q1がHighレベルを示す場合には誤動作を起こしてしまう。これを防止するために、温度識別信号(TSEN1)は、直接トランスファーゲートに入力されず、AND素子AD90によって/Q1信号と論理が取られる。
次に、図1に示したワード線選択部21の動作の詳細について説明する。
図11は、図1に示したワード線選択部21の動作原理を説明するための回路図である。
図1に示したワード線選択部21は図11に示すように、リフレッシュ用のアドレスデコーダ回路であり、図中に示すアドレスx0(k)〜x3(k)及びx0(k+1)〜x3(k+1)によって識別されるワード線が選択可能となるように構成されている。なお、アドレスx0(k)〜x3(k)及びx0(k+1)〜x3(k+1)は、図7を参照しながら説明したアドレスと同じである。
上述したように、ワード線選択部21は、アドレスカウンタ12から出力されたリフレッシュアドレス信号(RefXadd(k))を受け付ける。
そして、図11に示すように、受け付けたリフレッシュアドレス信号(RefXadd(k))のうちRA00,R01は、AND素子AD70〜77に入力される。また、RA02は、AND素子AD78〜7Fに入力される。
そして、AND素子AD70〜77の出力は、OR素子A(A=0〜7)に入力され、OR素子Aの出力は、上述したAND素子AD78〜7Fに入力される。
また、上述したように、ワード線選択部21は、温度識別信号(TSEN1)及びリフレッシュ動作信号(RefOPGEN)を受け付ける。受け付けた温度識別信号(TSEN1)及びリフレッシュ動作信号(RefOPGEN)は、AND素子Bに入力される。
従って、AND素子Bの出力は、オートリフレッシュ時には、受け付けた温度識別信号(TSEN1)がHighレベルを示す場合、Highレベルとなる。一方、AND素子Bの出力は、受け付けた温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合には、Lowレベルとなる。このAND素子Bの出力が、上述したOR素子Aに入力される。
このように構成することにより、温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合、図11に示すように、Ref1,Ref2,・・・,Ref8と、外部リフレッシュコマンドが8回発行されることにより、図中に示すアドレスによって識別される全てのワード線が選択される。
一方、温度識別信号(TSEN1)がHighレベルを示す場合には、オートリフレッシュ時には、OR素子Aの出力が常にHighレベルとなり、RA02の論理に応じて選択されるワード線のアドレスが決まる。
従って、Ref1で、x0(k)〜x3(k)のアドレスによって識別されるワード線が選択される。また、Ref2で、x0(k+1)〜x3(k+1)のアドレスによって識別されるワード線が選択される。つまり、外部リフレッシュコマンドが2回発行されることにより、図中に示すアドレスによって識別される全てのワード線が選択される。
以上の説明を踏まえ、温度識別信号(TSEN1)が示すレベルに応じて半導体装置1内で入出力される信号について説明する。
まず、温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合について説明する。
図12は、図1に示した半導体装置1において温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合のタイミングチャートである。
外部のクロック信号“外部CLK”tclにて1回目のオートリフレッシュコマンド信号(REF)が発行されるとRef1パルスが発生する。このRef1パルスの立ち上がりエッジ"E1L1"を受け、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)が発生する。
そして、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)の立ち上がりエッジ"E2L1"と、温度識別信号(TSEN1)が示すレベル"STL"と、RACから出力された信号のレベルSTL1(16進数表記で00)との論理を取る。これにより、"x0(k)"のアドレスによって識別されるワード線が選択される。なお、図12では、RAC05〜11の記載を省略している。
リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)は、リフレッシュ時間を過ぎると、リフレッシュを終了する合図として立ち下がりエッジ"E3L1"を発生させる。この立下りエッジE3L1で、12桁のビット値がカウントアップされる。
Ref2パルスの発生により、上述したのと同様のことが繰り返され、Ref2パルスでx1(k)のアドレスによって識別されるワード線が選択され、Ref3パルスでx2(k)のアドレスによって識別されるワード線が選択される。そして、Ref4パルスでx3(k)のアドレスによって識別されるワード線が選択され、Ref5パルスでx0(k+1)のアドレスによって識別されるワード線が選択される。
このように、RAC00に対応する最下位桁を最下位として12桁のビット値がカウントアップされるため、ワード線が1本ずつ選択される。
次に、温度識別信号(TSEN1)がHighレベルを示す場合について説明する。
図13は、図1に示した半導体装置1において温度識別信号(TSEN1)がHighレベルを示す場合のタイミングチャートである。
外部のクロック信号“外部CLK”tclにて1回目のオートリフレッシュコマンド信号(REF)が発行されるとRef1パルスが発生する。図12に示した場合と同様に、このRef1パルスの立ち上がりエッジ"E1H1"を受け、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)が発生する。
そして、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)の立ち上がりエッジ"E2H1"と、温度識別信号(TSEN1)が示すレベル"STH"と、RACから出力された信号のレベルSTH1(16進数表記で00)との論理を取る。これにより、選択するワード線のアドレスが決定される。なお、図13では、図12と同様にRAC05〜11の記載を省略している。
ここで、図8を参照しながら説明したように、温度識別信号(TSEN1)がHighレベルである場合に、強制的に選択するOR素子Aが接続されている。そのため、RAC02〜11に対応する桁のビット値が一致するアドレス、すなわち、x0(k)〜x3(k)のアドレスによって識別される4本のワード線が選択される。
図12を参照しながら説明した場合と異なるのは、選択されるワード線が4倍になったところだけである。従って、後は同様に、リフレッシュ動作信号(RefOPGEN)の立下りエッジE3H1で、上述したパスBを通過したリフレッシュ動作信号(RefOPGEN)がRAC02に入力され、12桁のビット値がカウントアップされる。
そして、Ref2で、x0(k+1)〜x3(k+1)のアドレスによって識別される4本のワード線が選択される。
ここで、x0(k+1)は、温度識別信号(TSEN1)がLowレベルを示す場合であれば、5回目(Ref5)にて選択されるアドレスである。つまり、温度識別信号(TSEN1)がHighレベルである場合には、1/4の周期でオートリフレッシュを実行することを要求されても、外部リフレッシュコマンドを4倍の間隔で発行する必要がない。
その後も、図13に示すように、Ref3〜Ref5でワード線が4本ずつ順次選択される。
このように本実施形態においては、半導体装置1の温度が検出され、検出された温度が所定の温度以下である場合、外部リフレッシュコマンドが発行される度に、複数のワード線が所定の本数ずつ順次選択される。一方、検出された温度が所定の温度よりも高い場合には、外部リフレッシュコマンドが発行される度に、複数のワード線が、所定の本数よりも多い本数ずつ順次選択される。
これにより、半導体装置1の温度が所定の温度よりも高い場合でも、外部リフレッシュコマンドの発行間隔を短くする必要がない。また、1回の外部リフレッシュコマンドの発行に対し、半導体装置1の温度が所定の温度よりも高い場合にだけ、それ以外の場合よりも多くのワード線を選択することが可能となる。
従って、アクセスロスや電力損失を増加させることなく、半導体装置1に記憶されたデータの消失を回避することができる。
また、本実施形態において外部コントローラは、半導体装置1の温度を監視する必要がない。これにより、半導体装置1をシステムに搭載した場合に、そのシステムの負荷を軽減するこが可能となり、システムパフォーマンスの向上が実現できる。
なお、本実施形態においては、温度センサ14にて検出された温度が所定の温度よりも高い場合に、所定の温度以下である場合と比べて4分の1の時間内に、全てのメモリセルがリフレッシュされる場合について説明した。しかし、本発明は、所定の温度以下である場合と比べて4分の1の時間内に全てのメモリセルがリフレッシュされる場合に限定されることはない。温度センサ14にて検出された温度が所定の温度よりも高い場合に、選択されるワード線の本数を増やすことにより、所定の温度以下である場合と比べてn分の1(n:実数)の時間内に、全てのメモリセルがリフレッシュされるようにすることが可能である。
また、本実施形態においては、クロックを用いた同期型インターフェースのLSIメモリの場合を想定して図12及び図13のタイミングチャートを説明したが、本発明は、非同期型インターフェースのLSIメモリにも適用することができる。
1 半導体装置
11 レジスタ回路
12 アドレスカウンタ
12−1,12−2 スイッチ
13 リフレッシュ動作発生回路
14〜16 温度センサ
17 温度範囲レジスタ
18 アドレスラッチ回路
19 メモリ部
20 メモリアレイ
21 ワード線選択部
22 Yスイッチ
23 リードアンプ
24 ライトアンプ
25 データラッチ回路
26 入出力バッファ回路
27 入出力回路

Claims (4)

  1. 複数のメモリセルのそれぞれに対応する複数のワード線を有し、オートリフレッシュの実行を指示する外部リフレッシュコマンドが外部から発行される度に、前記複数のワード線を所定の本数ずつ順次選択し、該選択されたワード線に対応するメモリセルをリフレッシュする半導体装置であって、
    温度を検出する温度検出部と、
    前記検出された温度が所定の温度以下である場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記複数のワード線を前記所定の本数ずつ順次選択し、前記検出された温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記複数のワード線を、前記所定の本数よりも多い本数ずつ順次選択するワード線選択制御部と、を有する半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記複数のワード線のそれぞれは、所定の桁数のビット値で表されたアドレスによって識別され、
    前記温度検出部は、前記検出された温度が前記所定の温度以下である場合、第1のレベルを示し、前記検出された温度が前記所定の温度よりも高い場合、第2のレベルを示す信号を出力し、
    前記ワード線選択制御部は、
    前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記所定の桁数のビット値をカウントアップしてリフレッシュアドレスとして出力するアドレスカウンタと、
    前記アドレスカウンタから出力されたリフレッシュアドレスを受け付け、該受け付けたリフレッシュアドレスに応じて前記ワード線を選択するワード線選択部と、から構成され、
    前記アドレスカウンタは、前記温度検出部から出力された信号を受け付け、該受け付けた信号が前記第1のレベルを示す場合、前記所定の桁数のビット値を、第1の桁を最下位としてカウントアップし、前記受け付けた信号が前記第2のレベルを示す場合、前記所定の桁数のビット値を、前記第1の桁よりも上位の第2の桁を最下位としてカウントアップし、
    前記ワード線選択部は、前記温度検出部から出力された信号を受け付け、該受け付けた信号が前記第1のレベルを示す場合、前記複数のワード線のうち、前記アドレスの前記第1の桁以上の桁のビット値が、前記受け付けたリフレッシュアドレスの前記第1の桁以上の桁のビット値と一致するワード線を選択し、前記受け付けた信号が前記第2のレベルを示す場合、前記複数のワード線のうち、前記アドレスの前記第2の桁以上の桁のビット値が、前記受け付けたリフレッシュアドレスの前記第2の桁以上の桁のビット値と一致するワード線を選択する半導体装置。
  3. 複数のメモリセルのそれぞれに対応する複数のワード線を有し、オートリフレッシュの実行を指示する外部リフレッシュコマンドが外部から発行される度に、前記複数のワード線を所定の本数ずつ順次選択し、該選択されたワード線に対応するメモリセルをリフレッシュする半導体装置における選択方法であって、
    当該半導体装置の温度を検出する処理と、
    前記検出された温度が所定の温度以下である場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記複数のワード線を前記所定の本数ずつ順次選択し、前記検出された温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記複数のワード線を、前記所定の本数よりも多い本数ずつ順次選択する選択制御処理と、を有する選択方法。
  4. 請求項3に記載の選択方法において、
    前記複数のワード線のそれぞれは、所定の桁数のビット値で表されたアドレスによって識別され、
    前記選択制御処理は、
    前記検出された温度が前記所定の温度以下である場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記所定の桁数のビット値を、第1の桁を最下位としてカウントアップしてリフレッシュアドレスとし、前記検出された温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記外部リフレッシュコマンドが発行される度に、前記所定の桁数のビット値を、前記第1の桁よりも上位の第2の桁を最下位としてカウントアップして前記リフレッシュアドレスとする処理と、
    前記検出された温度が前記所定の温度以下である場合、前記複数のワード線のうち、前記アドレスの前記第1の桁以上の桁のビット値が、前記リフレッシュアドレスの前記第1の桁以上の桁のビット値と一致するワード線を選択し、前記検出された温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記複数のワード線のうち、前記アドレスの前記第2の桁以上の桁のビット値が、前記リフレッシュアドレスの前記第2の桁以上の桁のビット値と一致するワード線を選択する処理と、を含む選択方法。
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