JP2013246858A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that suppresses current flowing when the device is not operated and is operated to reduce battery power consumption of a product such as a mobile product, and that eliminates malfunction and stopping of a system due to thermal runaway.SOLUTION: The semiconductor device comprises an SRAM including second conductivity-type driver transistors M3, M4, second conductivity-type access transistors M5, M6, first conductivity-type load transistors M1, M2 and a leakage suppression transistor M10. The leakage suppression transistor M10 is a second conductivity type, and has: a gate connected to a source of the access transistor M6; a drain connected to a common source of the driver transistors M3, M4; and a source connected to a power supply VSS. The access transistor M5 has a drain connected to a bit line RBL, and a gate connected to a word line RWL. The access transistor M6 has a drain connected to a bit line WBL, and a gate connected to a word line WWL.

Description

本発明は、半導体装置に関し、例えばSRAM(Static Random Access Memory)を内蔵した半導体装置に好適に利用できるものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and can be suitably used for, for example, a semiconductor device incorporating an SRAM (Static Random Access Memory).

近年、LSI(Large Scale Integration)では、消費電力の増加やトランジスタの耐圧劣化に対して、電源電圧を低下させる対策が施されてきた。しかし、この電源電圧を低下させる対策は、前記の課題を解決する反面で、トランジスタから取得できる電流を低下させ、搭載された回路の動作速度を遅延させるという問題を生じさせた。そこで一般的には、トランジスタの閾値電圧を低くする手段を講じ、トランジスタから取得できる電流を増大させる手法が取られた。たが、閾値電圧を低下させたことによりトランジスタのオフ時に流れるリーク電流(サブスレッショルド電流)は増大するという問題が生じた。   In recent years, in LSI (Large Scale Integration), measures have been taken to reduce the power supply voltage with respect to an increase in power consumption and a breakdown voltage deterioration of a transistor. However, while this measure to reduce the power supply voltage solves the above-described problem, it causes a problem that the current that can be obtained from the transistor is reduced and the operation speed of the mounted circuit is delayed. Therefore, in general, a method of increasing the current that can be obtained from the transistor by taking a means for lowering the threshold voltage of the transistor has been taken. However, there is a problem that the leakage current (subthreshold current) that flows when the transistor is turned off increases due to the lowered threshold voltage.

例えば、SRAMマクロでは、メモリセルに流れる読み出し電流を、ドライバトランジスタのゲートに掛かる十分なバイアス電圧と共に大きく取ることで、SRAMマクロの読み出し性能を良好にし、アクセスを高速にすることができる。しかし、読み出し速度の高速化に反し、スタンバイ時には、メモリセルに流れるリーク電流が、メモリセル内のバイアス電圧の高さと共に増大するという問題が生じる。   For example, in the SRAM macro, the readout current of the SRAM macro can be improved and the access speed can be increased by taking a large read current flowing through the memory cell together with a sufficient bias voltage applied to the gate of the driver transistor. However, contrary to the increase in reading speed, there arises a problem that the leakage current flowing through the memory cell increases with the bias voltage in the memory cell during standby.

このように、メモリセルにおける性能向上(読み出し電流の増加)と問題発生(リーク電流の増加)とは互いにトレードオフの関係にあり、両者を同時に改善する技術は困難である。また、SRAMを搭載する多様なLSIはトランジスタの微細化が進展し、両者を同時に解決する技術が望まれている。   Thus, performance improvement (increase in read current) and problem occurrence (increase in leakage current) are in a trade-off relationship with each other in the memory cell, and it is difficult to improve both simultaneously. In addition, various LSIs equipped with SRAMs have advanced transistor miniaturization, and a technique for solving both of these simultaneously is desired.

上記の課題として関連する技術は、特開2004−206745号公報(日本特許第4388274号:米国公開US20040125681(A1))に半導体記憶装置が開示されている。この特開2004−206745号公報に開示されたSRAMのメモリセルのリーク電流を低減する方式は以下のとおりである。メモリアレイに配列された各メモリセルのソースノード(例示:メモリセル内のドライバMOSトランジスタの接地ノード)を共通にする。共通ノードには抵抗及びダイオードとスイッチMOSトランジスタを介し接地電位に接続する。メモリアレイがスタンドバイ時に、スイッチMOSトランジスタをオフにし、各メモリセルの共通ソースノードが接地電位よりも高くなることで、メモリセル及びメモリアレイのリーク電流を低減することができる。   As a technique related to the above problem, a semiconductor memory device is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-206745 (Japanese Patent No. 4388274: US Publication US20040125681 (A1)). The method of reducing the leakage current of the SRAM memory cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-206745 is as follows. The source nodes (eg, ground nodes of driver MOS transistors in the memory cells) of the memory cells arranged in the memory array are made common. The common node is connected to the ground potential via a resistor, a diode, and a switch MOS transistor. When the memory array is in the standby state, the switch MOS transistor is turned off, and the common source node of each memory cell becomes higher than the ground potential, so that the leakage current of the memory cell and the memory array can be reduced.

特開2003−249078号公報に半導体装置が開示されている。この特開2003−249078号公報に開示された方式は、SRAMのメモリセルのドライバトランジスタの共通ソースと、接地電源VSSとの間にNMOSトランジスタQ7を設ける。スタンバイ時にはNMOSトランジスタQ7をオフにして共通ソースの電位VSSMCが上昇し、リーク電流が低減される。一方、読み出し時及び書き込み時には、NMOSトランジスタQ7をオンにすることで、共通ソースの電位VSSMCをほぼ接地電位VSSにすることで、動作速度の低下を抑制する。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2003-249078 discloses a semiconductor device. In the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-249078, an NMOS transistor Q7 is provided between a common source of driver transistors of an SRAM memory cell and a ground power supply VSS. During standby, the NMOS transistor Q7 is turned off, the common source potential VSSMC rises, and the leakage current is reduced. On the other hand, at the time of reading and writing, by turning on the NMOS transistor Q7, the potential VSSMC of the common source is substantially set to the ground potential VSS, thereby suppressing a decrease in operating speed.

特開2005−293629号公報にSRAM装置が開示されている。この特開2005−293629号公報に開示された方式は、SRAMのメモリセルのドライバトランジスタの共通ソースと、接地電源との間にNMOSトランジスタMN3を設ける。また、NMOSトランジスタMN3のゲートはワード線信号に同期した信号を入力する。データ保持状態(スタンバイ時)では、NMOSトランジスタMN3をオフにし、こ、共通ソースの電位を上昇させて、メモリセル内のリーク電流が低減する。一方、ワード線が活性化された時(読み出し時及び書き込み時)には、NMOSトランジスタMN3はワード線信号に同期してオン状態になる。そのため、共通ソースの電位はほぼ接地電位となり、データ読み出し時の動作速度の低下は抑制される。また別の方式としては、SRAMのメモリセルのロードトランジスタの共通ソースと、電源VDDとの間にPMOSトランジスタMP3を設け、ゲートにはワード線信号と同期した信号を入力する。データ保持状態(スタンバイ時)では、PMOSトランジスタMP3をオフ状態にする。そのため、共通ソースの電位は高電位側の電源電圧より低下し、メモリセル内に流れるリーク電流を低減する。一方、ワード線が活性化された時(読み出し時及び書き込み時)には、PMOSトランジスタMP3をオンにし、共通ソースの電位をほぼ電源電位VDDにすることにより、データ読み出し時の動作速度の低下を抑制する。   Japanese Patent Laid-Open No. 2005-293629 discloses an SRAM device. In the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-293629, an NMOS transistor MN3 is provided between a common source of driver transistors of an SRAM memory cell and a ground power supply. The gate of the NMOS transistor MN3 inputs a signal synchronized with the word line signal. In the data holding state (standby mode), the NMOS transistor MN3 is turned off, and the potential of the common source is raised to reduce the leakage current in the memory cell. On the other hand, when the word line is activated (during reading and writing), the NMOS transistor MN3 is turned on in synchronization with the word line signal. For this reason, the potential of the common source is almost the ground potential, and a decrease in operation speed during data reading is suppressed. As another method, a PMOS transistor MP3 is provided between the common source of the load transistors of the SRAM memory cell and the power supply VDD, and a signal synchronized with the word line signal is input to the gate. In the data holding state (during standby), the PMOS transistor MP3 is turned off. Therefore, the potential of the common source is lower than the power supply voltage on the high potential side, and leakage current flowing in the memory cell is reduced. On the other hand, when the word line is activated (during reading and writing), the PMOS transistor MP3 is turned on, and the common source potential is set to the power supply potential VDD, thereby reducing the operation speed during data reading. Suppress.

特開2009−026461号公報(米国特許US5668770(A))に半導体装置が開示されている。この特開2009−026461号公報に開示された方式は、SRAMのメモリセルを構成するトランジスタの閾値電圧を上げることによりメモリセル内に流れるリーク電流を低減する方式である。本方式ではメモリセル内のラッチ回路を動作させるためメモリセルに接続する電源電圧(VCH)をデータ線の電圧(VCC)よりも高くすることで記憶データを保持する。しかし、この方式では、データ線から書き込むデータの電圧(VCC)がメモリセルの電源電圧(VCH)よりも低いため、メモリセルが保持するデータを書き換えることができない。この対策として、メモリセルのロードトランジスタの共通ソースと、電源VCHとの間にPMOSトランジスタQpを設け、データ書き込み時には、PMOSトランジスタQpをオフ状態にし、メモリセル内のラッチ回路から電源(VCH)を一旦切り離すことで、データの書き換えを可能にする。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-026461 (US Pat. No. 5,668,770 (A)) discloses a semiconductor device. The method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-026461 is a method for reducing a leak current flowing in a memory cell by increasing a threshold voltage of a transistor constituting the SRAM memory cell. In this method, in order to operate the latch circuit in the memory cell, the stored data is held by making the power supply voltage (VCH) connected to the memory cell higher than the voltage (VCC) of the data line. However, in this method, since the voltage (VCC) of data written from the data line is lower than the power supply voltage (VCH) of the memory cell, the data held in the memory cell cannot be rewritten. As a countermeasure, a PMOS transistor Qp is provided between the common source of the load transistor of the memory cell and the power supply VCH. When writing data, the PMOS transistor Qp is turned off, and the power supply (VCH) is supplied from the latch circuit in the memory cell. Once disconnected, data can be rewritten.

A.Teman,et al.,“A 250 mV 8kb 40nm Ultra−Low Power 9T Supply Feedback SRAM (SF−SRAM)”。IEEE Journal of Solid−State Circuits,Vol.46,2011にSRAMの構成と、8個のトランジスタで構成するメモリセルに1個のトランジスタを追加したメモリセルが開示されている。PMOSトランジスタM9は、ソースを電源VDDに、ドレインをメモリセルの給電ノードに、ゲートをアクセスNMOSトランジスタM2のソースにそれぞれ接続している。この構成により、メモリセルの供給電位を降下させ書き込み特性を改善させている。更に、従来の8個のトランジスタの場合と比較して、PMOSトランジスタM9によりメモリセル内のリーク電流を低減する効果があると、述べられている。   A. Teman, et al. , “A 250 mV 8 kb 40 nm Ultra-Low Power 9T Supply Feedback SRAM (SF-SRAM)”. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. Nos. 46 and 2011 disclose an SRAM configuration and a memory cell in which one transistor is added to a memory cell constituted by eight transistors. The PMOS transistor M9 has a source connected to the power supply VDD, a drain connected to the power feeding node of the memory cell, and a gate connected to the source of the access NMOS transistor M2. With this configuration, the supply potential of the memory cell is lowered to improve the write characteristics. Further, it is stated that the PMOS transistor M9 has an effect of reducing the leakage current in the memory cell as compared with the conventional eight transistors.

特開2004−206745号公報JP 2004-206745 A 特開2003−249078号公報JP 2003-249078 A 特開2005−293629号公報JP 2005-293629 A 特開2009−026461号公報JP 2009-026461 A

A.Teman,et al.,“A 250 mV 8kb 40nm Ultra−Low Power 9T Supply Feedback SRAM (SF−SRAM)”,IEEE Journal of Solid−State Circuits,Vol.46,2011.A. Teman, et al. "A 250 mV 8 kb 40 nm Ultra-Low Power 9T Supply Feedback SRAM (SF-SRAM)", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 46, 2011.

システムLSIでは、動作時に流れる電流を極力抑制して、熱暴走によるシステムの誤動作や停止を無くすことが重要な課題である。例えば、大規模なシステムLSIに搭載されるSRAMマクロでは数十メガバイトの大容量メモリアレイが搭載されるため、スタンバイ時だけでなくアクセス時でも、非選択メモリセルに流れるリーク電流を抑制することが重要な技術課題となりつつある。また、読み出し動作中のメモリアレイではビット線に流れる充放電電流が支配的な電力となるため、前記ビット線の充放電電流を低減することも克服すべき技術課題である。これらの技術課題を鑑みて、上述された各文献の方式では、以下に示す理由から、この問題に十分に対応できない。   In the system LSI, it is an important issue to suppress the current flowing during operation as much as possible to eliminate the malfunction and stop of the system due to thermal runaway. For example, an SRAM macro mounted on a large-scale system LSI has a large-capacity memory array of several tens of megabytes, so that leakage current flowing through unselected memory cells can be suppressed not only during standby but also during access. It is becoming an important technical issue. In addition, since the charge / discharge current flowing through the bit line becomes the dominant power in the memory array during the read operation, reducing the charge / discharge current of the bit line is also a technical problem to be overcome. In view of these technical problems, the above-described literature methods cannot sufficiently cope with this problem for the following reasons.

特開2004−206745号公報(日本特許第4388274号)に開示された方式は、メモリアレイがイネーブル時に、スイッチMOSトランジスタをオンにすることで、選択及び非選択の区別なく全メモリセルで共通ソースノードを接地状態にする。従って、イネーブル時のメモリアレイ又は、アクセス中のメモリアレイではメモリセル内を流れるリーク電流を低減することができない。   In the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-206745 (Japanese Patent No. 4388274), when a memory array is enabled, a switch MOS transistor is turned on, so that a common source is used in all memory cells regardless of selection or non-selection. Make the node grounded. Therefore, the leak current flowing in the memory cell cannot be reduced in the memory array when enabled or the memory array being accessed.

特開2003−249078号公報に開示された方式は、ワード線の選択信号(又はそれに準ずる信号)の活性/非活性に応答してメモリセルの低電位側の電源電位VSSMCを低く/高くする方式である。従って、ワード線の選択信号に同期して電源電位VSSMCが変化する。その結果、ワード線信号が立ち上がり以降において、電源電位VSSMCが安定するまでの猶予時間が必要となり、アクセス時間を遅延させる原因となる。また、電源電位VSSMCを切り替える制御回路がワード線ごとに必要であり、チップ面積と電力を増大させる。   The method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-249078 is a method for lowering / increasing the power supply potential VSSMC on the low potential side of the memory cell in response to the activation / inactivation of a word line selection signal (or a signal equivalent thereto). It is. Accordingly, the power supply potential VSSMC changes in synchronization with the word line selection signal. As a result, after the word line signal rises, a grace time is required until the power supply potential VSSMC is stabilized, which causes a delay in access time. In addition, a control circuit for switching the power supply potential VSSMC is required for each word line, which increases the chip area and power.

特開2005−293629号公報に開示された方式には、以下の課題がある。この方式は、ワード線の選択信号(又はそれに準ずる信号)の活性/非活性に応答してメモリセルの低電位側の電源電位を低く/高くする方式、又は、メモリセルの高電位側の電源電位を高く/低くする方式である。従って、メモリセルへのアクセス時に、ワード線の選択信号が出力された以降において、前述のメモリセルの電源電位が変化する。この結果、メモリセルでは電源電位が安定するまでの猶予時間が必要であり、アクセス時間を遅延させる原因となる。また、電源電位を切り替える制御回路がワード線ごとに必要であり、チップ面積と電力を増大させる。   The method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-293629 has the following problems. In this method, the power supply potential on the low potential side of the memory cell is lowered / increased in response to the activation / inactivation of the word line selection signal (or a signal equivalent thereto), or the power supply on the high potential side of the memory cell. In this method, the potential is increased / decreased. Accordingly, when the memory cell is accessed, the power supply potential of the memory cell changes after the word line selection signal is output. As a result, the memory cell requires a grace time until the power supply potential is stabilized, which causes the access time to be delayed. In addition, a control circuit for switching the power supply potential is required for each word line, which increases the chip area and power.

特開2009−026461号公報に開示された方式には、以下の課題がある。この方式は、メモリセルのアクセス時ではメモリセルへの供給電圧を切り離し、スタンバイ時では供給電圧をメモリセルへ接続する。このため、供給電圧の切り替え以降において電源電圧が安定するまでの猶予時間が必要であり、この猶予時間がアクセス時間を遅延させる原因となる。また、切り替え信号は、ワード線選択信号またはワード線選択信号より遅れた信号としているため、これもアクセスを遅らせる原因となる。さらに、電源電圧を切り替える制御回路が必要であり、チップ面積と電力を増大させる。   The method disclosed in JP 2009-026461 has the following problems. In this system, the supply voltage to the memory cell is disconnected when the memory cell is accessed, and the supply voltage is connected to the memory cell during standby. For this reason, a grace time is required until the power supply voltage is stabilized after the supply voltage is switched, and this grace time causes the access time to be delayed. Further, since the switching signal is a word line selection signal or a signal delayed from the word line selection signal, this also causes a delay in access. Furthermore, a control circuit for switching the power supply voltage is required, which increases the chip area and power.

IEEE Journal of Solid−State Circuits,Vol.46,2011に開示された方式には、以下の課題がある。この方式は、メモリセルに9個のMOSトランジスタを用いて構成しているため、従来の6トランジスタ・メモリセルよりもメモリアレイの面積を1.5倍以上に増大させる。また、本メモリセルのVDD側の給電ノードは、アクセス以降において安定的な電位にすぐにならないため、書き込みアクセス以降の数サイクルに掛けて、従来の8個のトランジスタを用いるメモリセルよりもリーク電流を増加させる欠点がある。   IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. The methods disclosed in 46 and 2011 have the following problems. Since this system is configured by using nine MOS transistors in the memory cell, the area of the memory array is increased by 1.5 times or more than the conventional six-transistor memory cell. In addition, since the power supply node on the VDD side of the memory cell does not immediately reach a stable potential after the access, the leakage current is larger than that of the conventional memory cell using eight transistors over several cycles after the write access. Has the disadvantage of increasing.

その他の課題と新規な特徴は、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。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

一実施の形態によれば、SRAMを備える半導体装置において、ドライバトランジスタの共通ソースと電源との間にNMOSトランジスタを接続し、ゲートを記憶ノードに接続する。又は/及び、ロードトラジスタの共通ソースと電源との間にPMOSトランジスタを接続し、ゲートを記憶ノードに接続する。   According to one embodiment, in a semiconductor device including an SRAM, an NMOS transistor is connected between a common source of a driver transistor and a power supply, and a gate is connected to a storage node. Alternatively, a PMOS transistor is connected between the common source of the load transistor and the power supply, and the gate is connected to the storage node.

前記一実施の形態によれば、半導体装置において、読み出し動作電流及びスタンバイ時に流れるリーク電流を極力低減して、熱暴走によるシステムの誤動作や停止を抑制することができる。   According to the embodiment, in the semiconductor device, the read operation current and the leak current flowing during standby can be reduced as much as possible, and the malfunction and stop of the system due to thermal runaway can be suppressed.

図1Aは第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1A is a block diagram showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 図1Bは第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を示すSRAMマクロのブロック図である。FIG. 1B is a block diagram of the SRAM macro showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 図2は第1の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the memory cell of the semiconductor device according to the first embodiment. 図3Aは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す回路図である。FIG. 3A is a circuit diagram showing a memory cell storing data “1” in storage node SNT. 図3Bは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す等価回路である。FIG. 3B is an equivalent circuit showing a memory cell storing data “1” in the storage node SNT. 図3Cは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す等価回路である。FIG. 3C is an equivalent circuit showing a memory cell storing data “1” in the storage node SNT. 図4は記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルの平均リーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the retention cycle dependence of the average leakage current of the memory cell storing data “1” in the storage node SNT. 図5はデータ“1”の分布率とメモリセルアレイ内の全メモリセルのリーク電流との相関を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the correlation between the distribution ratio of data “1” and the leakage current of all the memory cells in the memory cell array. 図6はデータ“1”の分布率とメモリセルアレイ内の全メモリセルのリーク電流との相関を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the correlation between the distribution ratio of data “1” and the leakage current of all the memory cells in the memory cell array. 図7はデータ“1”の分布率とメモリセルアレイ内の全メモリセルのリーク電流との相関を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the correlation between the distribution ratio of data “1” and the leakage current of all the memory cells in the memory cell array. 図8はデータ“1”の分布率とメモリセルアレイ内の全メモリセルのリーク電流との相関を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the correlation between the distribution ratio of data “1” and the leakage current of all the memory cells in the memory cell array. 図9はデータ“1”の分布率とメモリセルアレイ内の全メモリセルのリーク電流との相関を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the correlation between the distribution ratio of data “1” and the leakage current of all the memory cells in the memory cell array. 図10はメモリセルアレイの合計リーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the retention cycle dependency of the total leakage current of the memory cell array. 図11Aは保持期間でのメモリセルのリーク電流を低減する方法を説明する図である。FIG. 11A is a diagram for explaining a method of reducing the leakage current of the memory cell in the holding period. 図11Bは保持期間でのメモリセルのリーク電流を低減する方法を説明する図である。FIG. 11B is a diagram illustrating a method for reducing the leakage current of the memory cell in the holding period. 図11Cは保持期間でのメモリセルのリーク電流を低減する方法を説明する図である。FIG. 11C is a diagram illustrating a method for reducing the leakage current of the memory cell in the holding period. 図12は保持期間でのメモリセルのリーク電流を低減する他の方法を説明する図である。FIG. 12 is a diagram for explaining another method for reducing the leakage current of the memory cell during the holding period. 図13は第1の実施の形態に係るメモリセルのレイアウトの例を示す概略平面図である。FIG. 13 is a schematic plan view showing an example of the layout of the memory cell according to the first embodiment. 図14は第2の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a memory cell of the semiconductor device according to the second embodiment. 図15は読み出し動作時にビット線からメモリセルに流れ込むビット線電流の抑制効果を説明する図である。FIG. 15 is a diagram for explaining the effect of suppressing the bit line current flowing from the bit line into the memory cell during the read operation. 図16は各デバイス条件でのビット線電流の抑制効果の一例を示す表である。FIG. 16 is a table showing an example of the effect of suppressing the bit line current under each device condition. 図17は第3の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 17 is a circuit diagram showing the configuration of the memory cell of the semiconductor device according to the third embodiment. 図18Aは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す回路図である。FIG. 18A is a circuit diagram showing a memory cell storing data “1” in storage node SNT. 図18Bは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す等価回路である。FIG. 18B is an equivalent circuit showing a memory cell storing data “1” in the storage node SNT. 図18Cは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す等価回路である。FIG. 18C is an equivalent circuit showing a memory cell storing data “1” in the storage node SNT. 図19は記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルの平均リーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the retention cycle dependence of the average leakage current of the memory cell storing data “1” in the storage node SNT. 図20は第4の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 20 is a circuit diagram showing the configuration of the memory cell of the semiconductor device according to the fourth embodiment. 図21Aは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す回路図である。FIG. 21A is a circuit diagram showing a memory cell storing data “1” in storage node SNT. 図21Bは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す等価回路である。FIG. 21B is an equivalent circuit showing a memory cell storing data “1” in the storage node SNT. 図21Cは記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルを示す等価回路である。FIG. 21C is an equivalent circuit showing a memory cell storing data “1” in the storage node SNT. 図22は記憶ノードSNTにデータ“1”を格納したメモリセルに、流れる平均リーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである。FIG. 22 is a graph showing the dependency of the average leakage current flowing in the memory cell storing data “1” in the storage node SNT on the retention cycle. 図23は第5の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 23 is a circuit diagram showing the configuration of the memory cell of the semiconductor device according to the fifth embodiment. 図24はデバイスと電源電圧のコーナー条件でビット線電流の抑制効果を示した一例である。FIG. 24 shows an example of the effect of suppressing the bit line current under the corner conditions of the device and the power supply voltage. 図25は各制御方式でのリーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである。FIG. 25 is a graph showing the retention cycle dependency of the leakage current in each control method. 図26は各制御方式でのリーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである。FIG. 26 is a graph showing the retention cycle dependency of the leakage current in each control method. 図27は各制御方式でのリーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである。FIG. 27 is a graph showing the retention cycle dependency of the leakage current in each control method. 図28は各制御方式でのリーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである。FIG. 28 is a graph showing the retention cycle dependency of the leakage current in each control method. 図29は各デバイス条件でのビット線電流の抑制効果の温度依存性を示すグラフである。FIG. 29 is a graph showing the temperature dependence of the suppression effect of the bit line current under each device condition. 図30は各デバイス条件でのビット線電流の抑制効果の温度依存性を示すグラフである。FIG. 30 is a graph showing the temperature dependence of the bit line current suppression effect under each device condition. 図31は各デバイス条件でのビット線電流の抑制効果の温度依存性を示すグラフである。FIG. 31 is a graph showing the temperature dependence of the bit line current suppression effect under each device condition. 図32はデバイスと電源電圧の各コーナー条件でのビット線電流について従来セルを基準にするWBL線放電電流の低減率の温度依存性を示すグラフである。FIG. 32 is a graph showing the temperature dependence of the reduction rate of the WBL line discharge current based on the conventional cell with respect to the bit line current under each corner condition of the device and the power supply voltage. 図33はワード線の立ち上がりから読み出し信号が出力されるまでの読み出し信号の遅延時間を示す表である。FIG. 33 is a table showing the delay time of the read signal from the rise of the word line until the read signal is output. 図34は図33の結果に関して、従来セルの遅延時間を基準とした各制御方法での遅延時間の増加率を示すグラフである。FIG. 34 is a graph showing the increase rate of the delay time in each control method based on the delay time of the conventional cell with respect to the result of FIG. 図35は、図33の結果に関して、従来セルの遅延時間を基準とした各制御方法での遅延時間の増加率を示すグラフである。FIG. 35 is a graph showing the increase rate of the delay time in each control method based on the delay time of the conventional cell with respect to the result of FIG.

以下、半導体装置の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a semiconductor device will be described with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係る半導体装置の構成について説明する。
図1A及び図1Bは、第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。図1Aは、半導体装置1としてメモリ混載のLSI(半導体チップ)の一例を示している。図1Bは、半導体装置1に搭載されるSRAMマクロ2の一例を示している。半導体装置1は、図1Aに示すように、SRAMマクロ2を含む演算処理回路3と、SRAMマクロ2を含む周辺回路4と、その他のSRAMマクロ2を備えている。SRAMマクロ2は、図1Bに示すように、読み出し動作時にビット線をシングルエンドで構成するメモリセルMCを有している。
(First embodiment)
A configuration of the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
1A and 1B are block diagrams showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1A shows an example of an LSI (semiconductor chip) mixed with a memory as the semiconductor device 1. FIG. 1B shows an example of the SRAM macro 2 mounted on the semiconductor device 1. As illustrated in FIG. 1A, the semiconductor device 1 includes an arithmetic processing circuit 3 including an SRAM macro 2, a peripheral circuit 4 including the SRAM macro 2, and other SRAM macros 2. As shown in FIG. 1B, the SRAM macro 2 has a memory cell MC in which a bit line is configured as a single end during a read operation.

SRAMマクロ2は、メモリセルアレイMCAと、アドレスバッファABと、ロウデコーダRDと、ワードドライバ(図示せず)と、カラムデコーダCDと、カラムセレクタCSと、センスアンプ/データ出力バッファSABFと、入力バッファDIBを具備している。メモリセルアレイMCAは、複数のメモリセルMCと、複数のワード線WWL、RWLと、複数のビット線RBL、WBLとを備えている。複数のワード線WWL、RWLは、X方向に延在している。複数のビット線RBL、WBLは、Y方向に延在している。複数のメモリセルMCは、複数のワード線WWL、RWLと複数のビット線RBL、WBLとの複数の交点に対応して、マトリクス状に配置されている。メモリセルMCの詳細は後述される。アドレスバッファABは、外部からのアドレス信号Addressを取り込み、プリデコード信号RA、CAに変換する。プリデコード信号RA、CAはロウデコーダRDとカラムデコーダCDへ出力する。   The SRAM macro 2 includes a memory cell array MCA, an address buffer AB, a row decoder RD, a word driver (not shown), a column decoder CD, a column selector CS, a sense amplifier / data output buffer SABF, and an input buffer. It has DIB. The memory cell array MCA includes a plurality of memory cells MC, a plurality of word lines WWL and RWL, and a plurality of bit lines RBL and WBL. The plurality of word lines WWL and RWL extend in the X direction. The plurality of bit lines RBL and WBL extend in the Y direction. The plurality of memory cells MC are arranged in a matrix corresponding to a plurality of intersections between the plurality of word lines WWL, RWL and the plurality of bit lines RBL, WBL. Details of the memory cell MC will be described later. The address buffer AB takes in an external address signal Address and converts it into predecode signals RA and CA. Predecode signals RA and CA are output to row decoder RD and column decoder CD.

メモリセルMCのデータ読み出し動作を説明する。ロウデコーダRDは、プリデコード信号RAに基づいて、所望のワード線RWLを選択し、非選択のワード線RWLをLow電位に固定する。カラムデコーダCDは、プリデコード信号CAに基づいて、所望のビット線RBLを選択する。選択されたワード線RWLとビット線RBLの交点に接続されたメモリセルMCはビット線RBLに読み出し信号を出力する。前記ビット線RBLはカラムセレクタCSのスイッチを介して読み出し信号をセンスアンプ/データ出力バッファSABFに伝送する。センスアンプはメモリセルMCの読み出し信号を増幅し、データ出力バッファを介してチップの外部にデータDoutを出力する。ここで、図2のセンスアンプ/データ出力バッファSABFは、センスアンプと出力バッファをそれぞれ備えた回路ブロックを示している。   A data read operation of the memory cell MC will be described. The row decoder RD selects a desired word line RWL based on the predecode signal RA and fixes a non-selected word line RWL to a low potential. The column decoder CD selects a desired bit line RBL based on the predecode signal CA. The memory cell MC connected to the intersection of the selected word line RWL and bit line RBL outputs a read signal to the bit line RBL. The bit line RBL transmits a read signal to the sense amplifier / data output buffer SABF via a switch of the column selector CS. The sense amplifier amplifies the read signal of the memory cell MC and outputs data Dout to the outside of the chip via the data output buffer. Here, the sense amplifier / data output buffer SABF in FIG. 2 is a circuit block provided with a sense amplifier and an output buffer.

メモリセルMCへのデータ書き込み動作を説明する。ロウデコーダRDは、プリデコード信号RAに基づいて所望のワード線RWLを選択し、非選択のワード線RWLをLow電位に固定する。入力バッファDIBは、外部から入力されたデータ信号Dinを受信し、カラムセレクタCSに出力する。また、カラムデコーダCDは、プリデコード信号CAに基づく所望のビット線RBL、WBLを、カラムセレクタCSを介して選択する。選択されたビット線RBL、WBLには入力データに基づく書き込みデータ信号が伝送され、メモリセルMCに入力データを書き込む。なお、外部信号チップイネーブルChip−EnableはSRAMマクロ2をアクセスできる状態に活性化する信号であり、スタンバイ時には各ブロックを非活性状態にして不要な電流を流さないようにする。本実施の形態では、図1Bに例示されるSRAMマクロ2内のメモリセルアレイMCAを構成するメモリセルMCに関してリーク電流を削減する方式を示すものである。   A data write operation to the memory cell MC will be described. The row decoder RD selects a desired word line RWL based on the predecode signal RA and fixes a non-selected word line RWL to a low potential. The input buffer DIB receives the data signal Din input from the outside and outputs it to the column selector CS. Further, the column decoder CD selects desired bit lines RBL and WBL based on the predecode signal CA via the column selector CS. A write data signal based on the input data is transmitted to the selected bit lines RBL and WBL, and the input data is written to the memory cell MC. The external signal chip enable Chip-Enable is a signal that activates the SRAM macro 2 so that it can be accessed. During standby, each block is deactivated so that unnecessary current does not flow. In the present embodiment, there is shown a method for reducing leakage current with respect to the memory cells MC constituting the memory cell array MCA in the SRAM macro 2 illustrated in FIG. 1B.

図2は、第1の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルMCの構成を示す回路図である。メモリセルMCは、第2導電型(N)のドライバトランジスタM3、M4と、第2導電型(N)のアクセストランジスタM5、M6と、第1導電型(P)のロードトランジスタM1、M2と、第2導電型(N)のリーク抑制トランジスタM10により構成している。リーク抑制トランジスタM10は、ゲートをアクセストランジスタM6のソース(記憶ノードSNB)に、ドレインをドライバトランジスタM3、M4の共通ソースに、ソースを電源Vssにそれぞれ接続されている。アクセストランジスタM5は、ドレインに読出しビット線RBLを、ゲートに読出しワード線RWLをそれぞれ接続されている。アクセストランジスタM6は、ドレインに書込みビット線WBLを、ゲートに書込みワード線WWLをそれぞれ接続されている。   FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the memory cell MC of the semiconductor device according to the first embodiment. The memory cell MC includes second conductivity type (N) driver transistors M3 and M4, second conductivity type (N) access transistors M5 and M6, first conductivity type (P) load transistors M1 and M2, The second conductivity type (N) leak suppression transistor M10 is used. The leak suppression transistor M10 has a gate connected to the source of the access transistor M6 (storage node SNB), a drain connected to the common source of the driver transistors M3 and M4, and a source connected to the power supply Vss. The access transistor M5 has a drain connected to the read bit line RBL and a gate connected to the read word line RWL. Access transistor M6 has a drain connected to write bit line WBL and a gate connected to write word line WWL.

本実施の形態では、記憶ノードSNTのデータが“1”の場合、リーク抑制トランジスタM10によりメモリセルMC内に印加される低電位側の電位(ノードNSの電位)を高くし、メモリセルMCを流れるリーク電流を低減する。この低電位側の電位(ノードNSの電位)は、制御信号を介さず、メモリセルMCの書き込みデータに対応してメモリセルMC内で自律的に行われる。従って、従来技術で示されるようなリーク抑制トランジスタM10の制御が不要であり、アクセス時間は制御信号に律速されず、かつ制御信号を生成する制御回路も不要となる。このリーク電流の低減効果は、非選択のメモリセルMCだけでなく、選択されたメモリセルMCにおいても同様に得ることができる。更にワード線は読み出し用と書き込み用のワード線を用いているため、読み出し動作時には、対となる一方のアクセストランジスタM6がオフ状態を維持し、ビット線WBLからメモリセルMCを介して放電する電流が流れず、メモリセルアレイ全体の読み出し動作電流は低減される。   In the present embodiment, when the data of the storage node SNT is “1”, the potential on the low potential side (potential of the node NS) applied to the memory cell MC by the leak suppression transistor M10 is increased, and the memory cell MC is Reduce the flowing leakage current. This potential on the low potential side (the potential of the node NS) is autonomously performed in the memory cell MC in response to the write data of the memory cell MC without passing through the control signal. Therefore, the control of the leak suppression transistor M10 as shown in the prior art is unnecessary, the access time is not limited by the control signal, and the control circuit for generating the control signal is also unnecessary. The effect of reducing the leakage current can be obtained not only in non-selected memory cells MC but also in selected memory cells MC. Further, since the word lines for reading and writing are used as the word lines, at the time of the reading operation, one of the paired access transistors M6 maintains the OFF state, and the current discharged from the bit line WBL via the memory cell MC. Does not flow, and the read operation current of the entire memory cell array is reduced.

具体的には、メモリセルMCは、6トランジスタで構成する従来のSRAMメモリセルにおいて、読み出し時のビット線RBLをシングルエンドで構成する例に置き換え、更にリーク抑制トランジスタM10を加えたものである。ロードトランジスタM1、M2は、PMOSトランジスタである。それ以外のドライバトランジスタM3、M4、アクセストランジスタM5、M6、及びリーク抑制トランジスタM10は、NMOSトランジスタである。ロードトランジスタM1とドライバトランジスタM3はドレインを共通にして接続されたインバータIVtを構成している。ロードトランジスタM2とドライバトランジスタM4もドレインを共通にして接続されたインバータIVbを構成している。インバータIVtとインバータIVbの入力と出力はそれぞれ互いにクロスカップル接続したラッチ回路を構成し、各出力において相補の関係にある。インバータIVtの記憶ノードSNTにはアクセストランジスタM5のソースが接続されている。アクセストランジスタM5のゲートには読み出しと書き込み兼用のワード線RWLが接続され、ドレインには読み出しと書き込み兼用のビット線RBLが接続されている。同様に、インバータIVbの記憶ノードSNBにはアクセストランジスタM6のソースが接続されている。アクセストランジスタM6のゲートには書き込み用のワード線WWLが接続され、ドレインには書き込み用のビット線WBLが接続されている。ロードトランジスタM1、M2の共通ソースには電源Vddが接続されている。ドライバトランジスタM3、M4の共通ソース(ノードNS)にはリーク抑制トランジスタM10のドレインが接続されている。リーク抑制トランジスタM10のソースには電源Vssが接続され、ゲートには記憶ノードSNB(アクセストランジスタM6のソース)が接続されている。以上の構成は、上述の本実施の形態の効果を得るための具体的な構成として好ましい。   Specifically, the memory cell MC is a conventional SRAM memory cell constituted by 6 transistors, which is replaced with an example in which the bit line RBL at the time of reading is constituted by a single end, and further a leakage suppression transistor M10 is added. The load transistors M1 and M2 are PMOS transistors. The other driver transistors M3 and M4, access transistors M5 and M6, and leak suppression transistor M10 are NMOS transistors. The load transistor M1 and the driver transistor M3 constitute an inverter IVt connected with a common drain. The load transistor M2 and the driver transistor M4 also constitute an inverter IVb connected with a common drain. The inputs and outputs of the inverters IVt and IVb form a latch circuit that is cross-coupled to each other, and each output has a complementary relationship. The source of the access transistor M5 is connected to the storage node SNT of the inverter IVt. A read and write word line RWL is connected to the gate of the access transistor M5, and a read and write bit line RBL is connected to the drain. Similarly, the source of access transistor M6 is connected to storage node SNB of inverter IVb. A write word line WWL is connected to the gate of the access transistor M6, and a write bit line WBL is connected to the drain. A power source Vdd is connected to a common source of the load transistors M1 and M2. The drain of the leak suppression transistor M10 is connected to the common source (node NS) of the driver transistors M3 and M4. The power source Vss is connected to the source of the leak suppression transistor M10, and the storage node SNB (source of the access transistor M6) is connected to the gate. The above configuration is preferable as a specific configuration for obtaining the effects of the present embodiment described above.

次に、第1の実施の形態に係る半導体装置の動作について説明する。ここでは、メモリセルMCの書き込み動作、保持状態、及び読み出し動作について図2を参照して説明する。これ以降の説明では、記憶ノードSNTがデータ“1”を記憶しているとき、メモリセルMCに流れるリーク電流を抑制する回路が機能することから、この状態のモードをSuppression−Modeと呼ぶことにする。また、記憶ノードSNTがデータ“0”を記憶しているとき、読み出しアクセス時にビット線からメモリセルMCを介して読み出し電流が流れることから、この状態のモードをRead−Modeと呼ぶことにする。   Next, the operation of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. Here, a writing operation, a holding state, and a reading operation of the memory cell MC will be described with reference to FIG. In the following description, when the storage node SNT stores data “1”, the circuit that suppresses the leakage current flowing through the memory cell MC functions. Therefore, this mode is called “suppression-mode”. To do. In addition, when the storage node SNT stores data “0”, a read current flows from the bit line through the memory cell MC at the time of read access. Therefore, the mode in this state is referred to as Read-Mode.

まず、メモリセルMC内の記憶ノードSNTにおいて、データ“0”の状態からデータ“1”を書き換える場合(Suppression−Modeに状態を変える場合)について説明する。ビット線RBL、WBLに接続されたプリチャージ回路(図示せず)は、アクセス動作開始以前にビット線RBL、WBLを、電源電圧Vddにプリチャージする。次に、ロウデコーダRDは、ワードドライバ(図示せず)を介して、選択ワード線RWL、WWLを立ち上げ、アクセストランジスタM5、M6をオンにする。また、書き込みバッファは入力データに応じて書き込みデータをビット線RBL、WBLに出力する。カラムデコーダCDは、カラムセレクタCSの選択ビット線のスイッチを活性化し、書き込みバッファから送られたデータを、選択ビット線RBL、WBLに伝送する。書き込みデータが“1”の場合、ビット線RBLの電位をHighにし、ビット線WBLの電位をLowにする。その結果、メモリセルMC内の記憶ノードSNTの電位はLowからHighになり、記憶ノードSNBの電位はHighからLowになる。すなわち、記憶ノードSNT及び記憶ノードSNBの電位は、ビット線RBL、WBLを介して、入力データに応じた電位に書き換えられる。   First, the case where data “1” is rewritten from the state of data “0” in the storage node SNT in the memory cell MC (when the state is changed to Suppression-Mode) will be described. A precharge circuit (not shown) connected to the bit lines RBL and WBL precharges the bit lines RBL and WBL to the power supply voltage Vdd before the access operation starts. Next, the row decoder RD raises the selected word lines RWL and WWL via a word driver (not shown), and turns on the access transistors M5 and M6. The write buffer outputs write data to the bit lines RBL and WBL according to the input data. The column decoder CD activates the switch of the selected bit line of the column selector CS, and transmits the data sent from the write buffer to the selected bit lines RBL and WBL. When the write data is “1”, the potential of the bit line RBL is set high and the potential of the bit line WBL is set low. As a result, the potential of the storage node SNT in the memory cell MC changes from Low to High, and the potential of the storage node SNB changes from High to Low. That is, the potentials of the storage node SNT and the storage node SNB are rewritten to the potential according to the input data via the bit lines RBL and WBL.

以降、選択ワード線電位をロウ電位(Vss電位)にすることでメモリセルの記憶データの書き換えが終了する。メモリセルMCにおいて、記憶ノードSNTのデータが“1”の状態を保持することは、記憶ノードSNBの記憶状態を“0”に保持することになる。リーク抑制トランジスタM10のゲートは記憶ノードSNBと共通なノードであり、リーク抑制トランジスタM10はオフ状態になる。この状態のメモリセルに流れるリーク電流を考慮してメモリセルの等価回路を図3Bと図3Cに示す。ドライバトランジスタM3、M4の共通ソースをノードNSとすれば、ノードNS(及び記憶ノードSNB)の電位は、図3Cに示す等価素子を用いて、Vdd・R10/(Rmc+R10)と表すことができる(詳細は後述する)。ここで、等価抵抗R10はリーク抑制トランジスタM10がオフしたときの等価素子、等価抵抗RmcはインバータIVtの等価抵抗とインバータIVbの等価抵抗の合成抵抗である。すなわち、このノードNSの電位Vdd・R10/(Rmc+R10)は、メモリセルMC内を流れるリーク電流に関して、等価抵抗の分割比で表すことができる。本メモリセルMCにおいて、記憶ノードSNTにデータ“1”が保持された状態では、低電位側の電位(ノードNSの電位)はVssよりも高くなり、メモリセルに供給する電源電圧差(Vdd−ノードNSの電位)はVdd−Vssよりも低くなるため、メモリセルMC内を流れるリーク電流を低減することができる。   Thereafter, the rewriting of data stored in the memory cell is completed by setting the selected word line potential to the low potential (Vss potential). In the memory cell MC, when the data of the storage node SNT is kept at “1”, the storage state of the storage node SNB is held at “0”. The gate of leak suppression transistor M10 is a common node with storage node SNB, and leak suppression transistor M10 is turned off. An equivalent circuit of the memory cell is shown in FIGS. 3B and 3C in consideration of a leakage current flowing through the memory cell in this state. If the common source of the driver transistors M3 and M4 is the node NS, the potential of the node NS (and the storage node SNB) can be expressed as Vdd · R10 / (Rmc + R10) using the equivalent element shown in FIG. 3C ( Details will be described later). Here, the equivalent resistance R10 is an equivalent element when the leak suppression transistor M10 is turned off, and the equivalent resistance Rmc is a combined resistance of the equivalent resistance of the inverter IVt and the equivalent resistance of the inverter IVb. That is, the potential Vdd · R10 / (Rmc + R10) of the node NS can be expressed by the equivalent resistance division ratio with respect to the leakage current flowing in the memory cell MC. In this memory cell MC, when data “1” is held in the storage node SNT, the potential on the low potential side (the potential of the node NS) is higher than Vss, and the power supply voltage difference (Vdd−) supplied to the memory cell is increased. Since the potential of the node NS becomes lower than Vdd−Vss, the leakage current flowing in the memory cell MC can be reduced.

ただし、データの書き込み動作直後のノードNS(及び記憶ノードSNB)の電位はVssよりも低い電位となる。これは書き込み終了時のワード線電位の降下を受けて記憶ノードSNBにカップリングノイズが乗るためである。従って、リーク抑制トランジスタM10のオフ時の等価抵抗R10(ノードNSとVss間のインピーダンス)が一時的に高くなるためメモリセル内のリーク電流はその期間でさらに低減される。保持期間(保持状態の期間)が長くなると、ノードNSの電位が上昇して、上記の式の値になる。ノードNSの電位変化はメモリセルに流れるリーク電流を左右させるため、リーク電流の保持期間依存性については後述する。   Note that the potential of the node NS (and the storage node SNB) immediately after the data writing operation is lower than Vss. This is because coupling noise is applied to the storage node SNB in response to a drop in the word line potential at the end of writing. Accordingly, since the equivalent resistance R10 (impedance between the node NS and Vss) when the leakage suppression transistor M10 is turned off temporarily increases, the leakage current in the memory cell is further reduced during that period. When the holding period (holding period) becomes longer, the potential of the node NS rises and becomes the value of the above formula. Since the potential change of the node NS affects the leakage current flowing through the memory cell, the dependency of the leakage current on the holding period will be described later.

次に、データ“1”の読み出し動作について説明する。ビット線RBL、WBLに接続されたプリチャージ回路(図示せず)は、アクセス動作開始以前にビット線RBL、WBLを電源電圧Vddにプリチャージする。ロウデコーダRDは、ワードドライバ(ロウでコーダ内に配置)を介して、選択するワード線RWLのみを立ち上げ(Vddに上昇)、ワード線RWLに接続する全てのメモリセルMCのアクセストランジスタM5をオンにする。ビット線RBLの電位はHighであり、記憶ノードSNTにデータ“1”を記憶するメモリセルでは、ビット線RBLの電位と記憶ノードSNTの電位がVddであるため、ワード線RWLの電位がVddに立ち上がっても、アクセストランジスタM5は非活性状態である。そのため、ビット線RBLの電位はプリチャージ電位Vddを維持する。その後、ビット線RBLの電位は、カラムデコーダCDにより選択されたカラムセレクタCS内のスイッチを介してセンスアンプSABFにより読み出し信号を増幅して出力バッファによりSRAMマクロ外にデータを出力する。   Next, a read operation of data “1” will be described. A precharge circuit (not shown) connected to the bit lines RBL and WBL precharges the bit lines RBL and WBL to the power supply voltage Vdd before the access operation starts. The row decoder RD raises only the selected word line RWL (increases to Vdd) via a word driver (arranged in the coder in a row), and sets the access transistors M5 of all the memory cells MC connected to the word line RWL. turn on. The potential of the bit line RBL is High, and in the memory cell storing data “1” in the storage node SNT, the potential of the bit line RBL and the potential of the storage node SNT are Vdd, so that the potential of the word line RWL is Vdd. Even when it rises, access transistor M5 is inactive. Therefore, the potential of the bit line RBL maintains the precharge potential Vdd. Thereafter, the potential of the bit line RBL is amplified by the sense amplifier SABF via the switch in the column selector CS selected by the column decoder CD, and the data is output outside the SRAM macro by the output buffer.

メモリセルMCにおいて、データ“1”の状態からデータ“0”を書き換える場合(Read−Modeに状態を変える場合)について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げ後、書き込みバッファから送られたデータを、選択ビット線RBL、WBLに伝送するまでは、上記の書き込み動作と同じである。選択ビット線RBL、WBLの書き込みデータにより、記憶ノードSNTの電位はHighからLowになり、記憶ノードSNBの電位はLowからHighになる。すなわち、記憶ノードSNT及び記憶ノードSNBの電位は、ビット線RBL、WBLを介して、入力データに応じた電位に書き換えられる。その後、ワード線RWLとWWLの電位をロウ電位(Vss電位)にすることでメモリセルの記憶データの書き換えが終了する。   A case where data “0” is rewritten from the state of data “1” in the memory cell MC (when the state is changed to Read-Mode) will be described. The above-described write operation is the same until the data sent from the write buffer is transmitted to the selected bit lines RBL and WBL after the word line rises from the precharge of the bit line. Due to the write data of the selected bit lines RBL and WBL, the potential of the storage node SNT changes from High to Low, and the potential of the storage node SNB changes from Low to High. That is, the potentials of the storage node SNT and the storage node SNB are rewritten to the potential according to the input data via the bit lines RBL and WBL. After that, the potential of the word lines RWL and WWL is set to the low potential (Vss potential), so that the rewriting of the storage data in the memory cell is completed.

メモリセルMCにおいて、記憶ノードSNT、SNBのデータがそれぞれ“0”、“1”のとき、記憶ノードSNBの電位はVdd電位であり、リーク抑制トランジスタM10及びドライバトランジスタM3はオン状態である。記憶ノードSNTとノードNSの電位はドライバトランジスタM3とリーク抑制トランジスタM10を介してVss電位となる。   In the memory cell MC, when the data of the storage nodes SNT and SNB are “0” and “1”, respectively, the potential of the storage node SNB is the Vdd potential, and the leak suppression transistor M10 and the driver transistor M3 are on. The potentials of the storage node SNT and the node NS become the Vss potential via the driver transistor M3 and the leak suppression transistor M10.

次に、データ“0”の読み出し動作について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、上記の読み出し動作と同じである。ビット線RBLの充電電荷は、ワード線の立ち上げによりメモリセルMC内のドライバトランジスタM3とリーク抑制トランジスタM10を介してVssに放電される。従って、ビット線RBLの電位は降下し、このときの降下電位が読み出し信号となる。以降の動作は、上記の読み出し動作と同じであり、ここでは説明を省略する。   Next, a read operation of data “0” will be described. The operation from the precharge of the bit line to the rise of the word line is the same as the above read operation. The charge of the bit line RBL is discharged to Vss through the driver transistor M3 and the leak suppression transistor M10 in the memory cell MC when the word line rises. Accordingly, the potential of the bit line RBL drops, and the drop potential at this time becomes a read signal. The subsequent operation is the same as the above read operation, and the description thereof is omitted here.

前記の読み出し信号の放電速度は、従来の6トランジスタを用いたメモリセルと比較して遅くなる。この放電速度は、読み出し動作のアクセス時間に関与し、放電速度が遅い場合には、センスアンプを起動するタイミングを遅らせる必要があり、アクセス時間を遅らせる要因となる。これは、センスアンプの感度の点から、メモリセルMCの読み出し信号を大きく取る必要があるためである。このように、読み出し信号であるビット線の放電速度はSRAMマクロの特性として重要な値であり、HSPICEを用いた計算機シミュレーションにより検討した結果を後述する。   The discharge speed of the read signal is slower than that of a conventional memory cell using six transistors. This discharge speed is related to the access time of the read operation. When the discharge speed is slow, it is necessary to delay the timing for starting the sense amplifier, which causes the access time to be delayed. This is because it is necessary to take a large read signal from the memory cell MC in terms of sensitivity of the sense amplifier. As described above, the discharge rate of the bit line as a read signal is an important value as a characteristic of the SRAM macro, and the results of examination by computer simulation using HSPICE will be described later.

本実施の形態に係るメモリセルのメカニズム及び効果について説明する。
ビット線RBLに現れる読み出し信号は、記憶ノードSNTに格納されたデータが“0”(Low)のとき、ビット線RBLの充電電荷がドライバトランジスタM3とリーク抑制トランジスタM10を介してVssに放電することで生じる。記憶ノードSNTに格納されたデータが“1”(High)のとき、ビット線RBLの電位と記憶ノードSNTがHigh電位であり、アクセストランジスタM5のゲートがHigh電位に立ち上がったとしてもアクセストランジスタM5はオフ状態(非活性状態)を保持する。この二つの動作状態を鑑みると、記憶ノードSNTが“0”のときのみにビット線には電圧の変化が起こることが分かる。従って、記憶ノードSNTがデータ“0”を保持しているときには、ビット線RBLの充電電荷を放電する速度が要求されるため、ドライバトランジスタM3のゲートとソース間には十分なバイアス電圧を印加する必要がある。言い換えれば、ノードNSの電位は接地電位であるVssに十分に近い電位に設定される必要があると言える。また、記憶ノードSNTが“1”のときは、ドライバトランジスタM3のゲートとソースが同電位であれば、記憶ノードSNTの電位をHigh電位に維持できる。このことは、ノードNSの電位に関係がなく、記憶ノードSNTの電位をHigh電位に維持できることを意味している。一方で、読み出し時のビット線の放電速度を速くする(読み出し電流を増加する)ことと、メモリセルMC内のリーク電流を抑制することは互いにトレードオフの関係にあることが知られている。具体的には、読み出しの放電電流を増やすためにドライバトランジスタM3、M4のゲート幅を大きくすると、その反面ではリーク電流が増加することが知られている。このことは、ドライバトランジスタM3、M4のサイズを単純に増減する方法では、読み出し電流の増加(または維持)とリーク電流の抑制の両方を同時に解決することはできない。
The mechanism and effect of the memory cell according to this embodiment will be described.
The read signal appearing on the bit line RBL is such that when the data stored in the storage node SNT is “0” (Low), the charge on the bit line RBL is discharged to Vss via the driver transistor M3 and the leak suppression transistor M10. It occurs in. When the data stored in the storage node SNT is “1” (High), even if the potential of the bit line RBL and the storage node SNT are High and the gate of the access transistor M5 rises to High, the access transistor M5 The off state (inactive state) is maintained. Considering these two operating states, it can be seen that the voltage change occurs only on the bit line when the storage node SNT is “0”. Therefore, when the storage node SNT holds data “0”, a speed for discharging the charged charge of the bit line RBL is required, so that a sufficient bias voltage is applied between the gate and the source of the driver transistor M3. There is a need. In other words, it can be said that the potential of the node NS needs to be set to a potential sufficiently close to the ground potential Vss. When the storage node SNT is “1”, if the gate and the source of the driver transistor M3 are at the same potential, the potential of the storage node SNT can be maintained at the high potential. This means that the potential of the storage node SNT can be maintained at a high potential regardless of the potential of the node NS. On the other hand, it is known that increasing the discharge speed of the bit line at the time of reading (increasing the read current) and suppressing the leakage current in the memory cell MC are in a trade-off relationship. Specifically, it is known that when the gate widths of the driver transistors M3 and M4 are increased in order to increase the readout discharge current, the leakage current increases on the other hand. This is because the method of simply increasing or decreasing the sizes of the driver transistors M3 and M4 cannot solve both the increase (or maintenance) of the read current and the suppression of the leakage current at the same time.

図2に示すメモリセルMCに、記憶ノードSNTにデータ“0”が格納され、記憶ノードSNBにデータ“1”が格納されている場合(Read−Mode)を想定する。記憶ノードSNBにはバイアス電位Vddが掛かり、リーク抑制トランジスタM10のゲートとソースとの間には(Vdd−Vss)の電位差が印加されている。リーク抑制トランジスタM10はオン状態であり、ノードNSの電位はVssである。ドライバトランジスタM3のゲートとソースと間には(Vdd−Vss)の電位差が印加されていることになる。記憶ノードSNTの電位はドライバトランジスタM3とリーク抑制トランジスタM10を介してVssに保持される。   Assume that data “0” is stored in storage node SNT and data “1” is stored in storage node SNB (Read-Mode) in memory cell MC shown in FIG. A bias potential Vdd is applied to the storage node SNB, and a potential difference of (Vdd−Vss) is applied between the gate and the source of the leak suppression transistor M10. The leak suppression transistor M10 is in an on state, and the potential of the node NS is Vss. A potential difference of (Vdd−Vss) is applied between the gate and source of the driver transistor M3. The potential of the storage node SNT is held at Vss through the driver transistor M3 and the leak suppression transistor M10.

記憶ノードSNTにデータ“1”が格納され、記憶ノードSNBにデータ“0”が格納されている場合(Suppression Mode)を想定する。記憶ノードSNTに掛かるバイアス電位はVddである。また、記憶ノードSNBに掛かるバイアス電位は、リーク抑制トランジスタM10がオフ状態にあるため、メモリセルMC内を流れるリーク電流を等価抵抗で示した分割比で表される。図3A〜図3Cは、このときの電位状態を説明する図である。図3AはメモリセルMCを示す回路であり、図3B及び図3CはSuppression Mode時のメモリセルMCを等価回路で示したものである。   It is assumed that data “1” is stored in storage node SNT and data “0” is stored in storage node SNB (suppression mode). The bias potential applied to storage node SNT is Vdd. Further, the bias potential applied to the storage node SNB is represented by a division ratio in which the leak current flowing in the memory cell MC is represented by an equivalent resistance because the leak suppression transistor M10 is in the off state. 3A to 3C are diagrams for explaining the potential state at this time. 3A is a circuit showing the memory cell MC, and FIGS. 3B and 3C show the memory cell MC in the suppression mode by an equivalent circuit.

図3Aに示すように、記憶ノードSNTはHigh(Vdd電位)を保持し、ドライバトランジスタM4はオン状態(活性状態)である。従って、ノードNSと記憶ノードSNBは共通となるため、リーク抑制トランジスタM10がダイオード接続を構成する。また、ドライバトランジスタM3とロードトランジスタM2はオフ状態である。インバータIVt、IVbは前記トランジスタM3とM2を介してVddからVssに向かってリーク電流が流れる。このリーク電流の状態をメモリセルMCでは、抵抗素子に置き換えた等価回路で表すことができる。図3Bに示すように、抵抗Rivt、RivbはインバータIVt、IVbをそれぞれ等価抵抗に置き換えたものである。また、抵抗R10はリーク抑制トランジスタM10を等価抵抗に置き換えたものである。ダイオードD10はリーク抑制トランジスタM10がダイオード接続を構成していることを示し、等価素子に置き換えたものである。図3Cは、図3Bの等価抵抗Rivt、Rivbを合成抵抗Rmcに置き換えたものである。図3Cに基づいて、Suppression Mode時のノードNSの電位Vnsは、Vdd・R10/(Rmc+R10)で表すことができる。ノードNSの電位Vnsは、VssよりもΔVns=Vdd・R10/(Rmc+R10)だけ高くなる。ただし、このときのノードNSの電位Vnsは、リーク抑制トランジスタM10の閾値電圧Vth10よりも低い場合で成立する。ノードNSの電位Vnsが、リーク抑制トランジスタM10の閾値電圧Vth10よりも高い場合には、ノードNSの電位Vnsは、ダイオードD10でクランプされ、リーク抑制トランジスタM10の閾値電圧Vth10となる。   As shown in FIG. 3A, the storage node SNT holds High (Vdd potential), and the driver transistor M4 is in an on state (active state). Therefore, since the node NS and the storage node SNB are common, the leak suppression transistor M10 forms a diode connection. The driver transistor M3 and the load transistor M2 are in an off state. In the inverters IVt and IVb, a leakage current flows from Vdd to Vss through the transistors M3 and M2. In the memory cell MC, the state of the leakage current can be represented by an equivalent circuit replaced with a resistance element. As shown in FIG. 3B, resistors Rivt and Rivb are obtained by replacing inverters IVt and IVb with equivalent resistors, respectively. The resistor R10 is obtained by replacing the leak suppression transistor M10 with an equivalent resistor. The diode D10 indicates that the leak suppression transistor M10 forms a diode connection, and is replaced with an equivalent element. FIG. 3C is obtained by replacing the equivalent resistances Rivt and Rivb of FIG. 3B with a combined resistance Rmc. Based on FIG. 3C, the potential Vns of the node NS in the suppression mode can be expressed by Vdd · R10 / (Rmc + R10). The potential Vns of the node NS is higher than Vss by ΔVns = Vdd · R10 / (Rmc + R10). However, the potential Vns of the node NS at this time is established when it is lower than the threshold voltage Vth10 of the leak suppression transistor M10. When the potential Vns of the node NS is higher than the threshold voltage Vth10 of the leak suppression transistor M10, the potential Vns of the node NS is clamped by the diode D10 and becomes the threshold voltage Vth10 of the leak suppression transistor M10.

このように、記憶ノードSNTの電位がHigh(Vdd)、記憶ノードSNBの電位がLow(ノードNSの電位)のとき(Suppression Modeのとき)、ノードNSの電位VnsはVssよりも上記ΔVnsだけ高くバイアスされる。この結果、メモリセルMC内を流れるリーク電流imcは、imc=Vdd/(Rmc+R10)となる。ここで、リーク抑制トランジスタM10を用いない従来のメモリセルでは、リーク電流iconは、icon=Vdd/Rmcとなる。従って、メモリセルMC内を流れるリーク電流(imc)は、従来のリーク電流(icon)と比較して低減される。   As described above, when the potential of the storage node SNT is High (Vdd) and the potential of the storage node SNB is Low (potential of the node NS) (in the suppression mode), the potential Vns of the node NS is higher than the Vss by the above ΔVns. Biased. As a result, the leakage current imc flowing through the memory cell MC is imc = Vdd / (Rmc + R10). Here, in the conventional memory cell that does not use the leakage suppression transistor M10, the leakage current icon is icon = Vdd / Rmc. Therefore, the leak current (imc) flowing through the memory cell MC is reduced as compared with the conventional leak current (icon).

ここで、リーク抑制トランジスタM10の閾値電圧の絶対値は、ロードトランジスタM1、M2の閾値電圧の絶対値よりも低いことが、より好ましい。上記に示したように、ノードNSの電位Vnsが、ダイオードD10でクランプされ、リーク抑制トランジスタM10の閾値電圧Vth10となる場合を考慮し、ロードトランジスタM1のゲートとソース間に掛かるバイアス電圧を十分に高くし、ロードトランジスタM1のオン抵抗を小さくするためである。これにより、記憶ノードSNTにおけるノイズに対する耐性を高くすることができる。   Here, it is more preferable that the absolute value of the threshold voltage of the leak suppression transistor M10 is lower than the absolute value of the threshold voltage of the load transistors M1 and M2. As described above, considering the case where the potential Vns of the node NS is clamped by the diode D10 and becomes the threshold voltage Vth10 of the leak suppression transistor M10, the bias voltage applied between the gate and the source of the load transistor M1 is sufficiently set. This is because the ON resistance of the load transistor M1 is reduced by increasing the resistance. Thereby, the tolerance with respect to the noise in the storage node SNT can be made high.

ただし、ノードNSの電位は、ビット線WBLからアクセストランジスタM6を介して流れ込むリーク電流が殆ど無く、無視できる値として示している。このアクセストランジスタM6を介するリーク電流の低減方法は後述される。なお、アクセストランジスタM6などのアクセストランジスタを介するリーク電流は、他の実施の形態においても同様に無視して取り扱う。   However, the potential of the node NS is shown as a negligible value with almost no leakage current flowing from the bit line WBL via the access transistor M6. A method for reducing the leakage current through the access transistor M6 will be described later. Note that the leakage current through the access transistor such as the access transistor M6 is also ignored in the other embodiments.

図4は、メモリセルの記憶ノードSNTにデータ“1”(Vdd)を書き込み、保持状態(ワード線RWL、WWLの電位をVss)にしたときのメモリセル内を流れる平均リーク電流Iddmcの保持サイクル依存性を示すグラフである。この図は、HSPICEを用いて計算機シミュレーションにより算出した値を用いている。横軸はデータ書き込み後の保持状態のサイクル数を示し、縦軸は平均リーク電流Iddmc(nA)を対数で示している。この図において、白抜き三角は、本実施の形態のメモリセルMCを構成するトランジスタのデバイス特性の条件を、NMOSトランジスタ:Fast/PMOSトランジスタ:Fast(以下、「FF条件」という)とし、Vdd=1.2V(以下、「1.2V条件」という)とした場合の結果である。黒三角は、従来の6トランジスタのメモリセル(以下、「従来セル」という)において、FF条件とし、1.2V条件とした場合の結果である。白抜き丸は、メモリセルMCを構成するトランジスタのデバイス特性の条件を、NMOSトランジスタ:Center/PMOSトランジスタ:Center(以下、「CC条件」という)とし、Vdd=1.1V(以下、「1.1V条件」という)とした場合の結果である。黒丸は、従来セルにおいて、CC条件とし、1.1V条件とした場合の結果である。白抜き四角は、メモリセルMCを構成するトランジスタのデバイス特性の条件をNMOSトランジスタ:Slow/PMOSトランジスタ:Slow(以下、「SS条件」という)とし、Vdd=1.0V(以下、「1.0V条件」という)とした場合の結果である。黒四角は、従来セルにおいて、SS条件とし、1.0V条件とした場合の結果である。   FIG. 4 shows the retention cycle of the average leakage current Iddmc flowing in the memory cell when data “1” (Vdd) is written to the storage node SNT of the memory cell and the storage state (the potentials of the word lines RWL and WWL is Vss). It is a graph which shows dependence. This figure uses values calculated by computer simulation using HSPICE. The horizontal axis indicates the number of cycles in the holding state after data writing, and the vertical axis indicates the average leakage current Iddmc (nA) in logarithm. In this figure, white triangles indicate that the device characteristic conditions of the transistors constituting the memory cell MC of the present embodiment are NMOS transistor: Fast / PMOS transistor: Fast (hereinafter referred to as “FF condition”), and Vdd = The result is 1.2 V (hereinafter referred to as “1.2 V condition”). The black triangle is the result when a conventional 6-transistor memory cell (hereinafter referred to as a “conventional cell”) has an FF condition and a 1.2 V condition. Open circles indicate that the device characteristic conditions of the transistors constituting the memory cell MC are NMOS transistor: Center / PMOS transistor: Center (hereinafter referred to as “CC condition”), and Vdd = 1.1 V (hereinafter referred to as “1. 1V condition ”). A black circle is a result in the case where the CC condition is set to 1.1 V in the conventional cell. In the white squares, the conditions of the device characteristics of the transistors constituting the memory cell MC are NMOS transistor: Slow / PMOS transistor: Slow (hereinafter referred to as “SS condition”), and Vdd = 1.0 V (hereinafter referred to as “1.0 V”). It is a result when it is referred to as “condition”. The black squares are the results when the SS condition is used and the 1.0 V condition is used in the conventional cell.

図4に示すように、Suppression−Modeでは、SS条件、CC条件、FF条件の順でリーク電流(Iddmc)が増加する。また、本実施の形態のメモリセルMC(図2)は、従来セル(6トランジスタ)のリーク電流と比較して、FF条件で29.7%の低減、CC条件で38.9%の低減、SS条件で31.5%の低減を図ることができる。ただし、これらの値はデータの書き込み動作後に保持状態を維持し50サイクル目のリーク電流値を比較している。このように、本実施の形態のメモリセルMCは、Suppression−Modeにおいて従来セルよりもリーク電流を低減する効果がある。   As shown in FIG. 4, in the suppression-mode, the leak current (Idddmc) increases in the order of the SS condition, the CC condition, and the FF condition. In addition, the memory cell MC (FIG. 2) of the present embodiment has a 29.7% reduction under the FF condition and a 38.9% reduction under the CC condition, compared with the leakage current of the conventional cell (6 transistors). A reduction of 31.5% can be achieved under SS conditions. However, these values are maintained in the retained state after the data write operation, and the leak current values at the 50th cycle are compared. As described above, the memory cell MC of the present embodiment has an effect of reducing the leakage current in the suppression-mode compared to the conventional cell.

上述したように、Suppression−Modeでは、メモリセルMCのリーク電流は、従来セルのリーク電流と比較して低減される。しかし、Read−Mode時では、メモリセルMCのリーク電流は、従来セルのリーク電流とほぼ同等であり、リーク電流を低減する効果はない。言い換えれば、本実施の形態において、メモリセルMCに流れるリーク電流は、メモリセル内に記憶するデータに依存する。メモリセルアレイMCA内を構成する複数のメモリセルMCのうち、データ“1”を格納したメモリセルMCが多数個ある場合には、リーク電流を低減する効果は大きくなる。一方、データ“0”を格納したメモリセルが多数個ある場合には、リーク電流を低減する効果は小さくなる。   As described above, in the suppression-mode, the leakage current of the memory cell MC is reduced as compared with the leakage current of the conventional cell. However, during read-mode, the leak current of the memory cell MC is almost the same as the leak current of the conventional cell, and there is no effect of reducing the leak current. In other words, in the present embodiment, the leakage current flowing through the memory cell MC depends on the data stored in the memory cell. In the case where there are a large number of memory cells MC storing data “1” among the plurality of memory cells MC configuring the memory cell array MCA, the effect of reducing the leakage current is increased. On the other hand, when there are a large number of memory cells storing data “0”, the effect of reducing the leakage current is reduced.

図5〜図9は、メモリセルアレイ内の全メモリセルのリーク電流とデータ“1”の分布率との相関を示すグラフである。これらの図は、HSPICEを用いた計算機シミュレーションにより算出している。各グラフは、100ビットのメモリセルMCを有するメモリセルアレイMCAについて、データ“1”を格納するメモリセル数の割合(残りはデータ“0”を格納するメモリセルMC)と、メモリセルアレイMCA内のリーク電流との相関を示したものである。ここで、縦軸は全メモリセルのリーク電流(nA)の合計を示し、横軸はメモリセルアレイMCA内のデータ“1”の分布率(%)(データ“1”が格納されているメモリセル数の割合)を示している。図5は1.2V条件でFF条件での場合を示している。図6は1.1V条件でCC条件での場合を示している。図7は1.0V条件でSS条件での場合を示している。図8は1.2V条件でFS条件での場合を示している。図9は1.2V条件でSF条件での場合を示している。また、各図において、白抜き丸は温度125℃(以下、「125℃条件」という)での本実施の形態のメモリセルMCを示し、点線は125℃条件での従来セルを示す。また、白抜き三角は温度75℃(以下、「75℃条件」という)での本実施の形態のメモリセルMCを示し、破線(短)は75℃条件での従来セルを示す。また、白抜き四角は温度40℃(以下、「40℃条件」という)での本実施の形態のメモリセルMCを示し、破線(長)は40℃条件での従来セルを示す。また、白抜き菱形は温度25℃(以下、「25℃条件」という)での本実施の形態のメモリセルMCを示し、実践は25℃条件での従来セルを示す。   5 to 9 are graphs showing the correlation between the leakage current of all the memory cells in the memory cell array and the distribution ratio of data “1”. These figures are calculated by computer simulation using HSPICE. Each graph shows the ratio of the number of memory cells that store data “1” (the remaining memory cells MC that store data “0”) and the memory cell array MCA having 100-bit memory cells MC. The correlation with the leakage current is shown. Here, the vertical axis indicates the total leakage current (nA) of all memory cells, and the horizontal axis indicates the distribution ratio (%) of data “1” in the memory cell array MCA (memory cells storing data “1”). Number ratio). FIG. 5 shows a case of 1.2V condition and FF condition. FIG. 6 shows a case of 1.1V condition and CC condition. FIG. 7 shows the case of the SS condition under the 1.0V condition. FIG. 8 shows a case of 1.2V condition and FS condition. FIG. 9 shows the case of the SF condition under the 1.2V condition. In each figure, a white circle indicates the memory cell MC of the present embodiment at a temperature of 125 ° C. (hereinafter referred to as “125 ° C. condition”), and a dotted line indicates a conventional cell under the condition of 125 ° C. A white triangle indicates the memory cell MC of the present embodiment at a temperature of 75 ° C. (hereinafter referred to as “75 ° C. condition”), and a broken line (short) indicates a conventional cell under the 75 ° C. condition. A white square indicates the memory cell MC of the present embodiment at a temperature of 40 ° C. (hereinafter referred to as “40 ° C. condition”), and a broken line (long) indicates a conventional cell under the 40 ° C. condition. A white diamond indicates the memory cell MC of the present embodiment at a temperature of 25 ° C. (hereinafter referred to as “25 ° C. condition”), and practice indicates a conventional cell under a 25 ° C. condition.

本実施の形態のメモリセルMCと従来セルを同じ条件で比較した場合、以下のことが分かる。
図5に示すように、FF条件では、125℃条件、75℃条件、40℃条件、25℃条件において、データ“1”を格納するメモリセルMCがそれぞれ6%以上、16%以上、32%以上、40%以上あれば、従来セルと比較して、リーク電流を低減することができる。また、図6に示すように、CC条件では、125℃条件、75℃条件、40℃条件、25℃条件において、データ“1”を格納するメモリセルMCがそれぞれ23%以上、45%以上、61%以上、61%以上あれば、従来セルと比較して、リーク電流を低減することができる。また、図7に示すように、SS条件では、125℃条件、75℃条件、40℃条件、25℃条件において、データ“1”を格納するメモリセルMCがそれぞれ45%以上、70%以上、77%以上、77%以上あれば、従来セルと比較して、リーク電流を低減することができる。また、図8に示すように、FS条件では、125℃条件、75℃条件、40℃条件、25℃条件において、データ“1”を格納するメモリセルMCがそれぞれ13%以上、33%以上、52%以上、52%以上あれば、従来セルと比較して、リーク電流を低減することができる。また、図9に示すように、SF条件では、125℃条件、75℃条件、40℃条件、25℃条件において、データ“1”を格納するメモリセルMCがそれぞれ4%以上、10%以上、19%以上、19%以上あれば、従来セルと比較して、リーク電流を低減することができる。
When the memory cell MC of the present embodiment and the conventional cell are compared under the same conditions, the following can be understood.
As shown in FIG. 5, under the FF condition, the memory cells MC storing data “1” are 6% or more, 16% or more, and 32% under the 125 ° C. condition, 75 ° C. condition, 40 ° C. condition, or 25 ° C. condition, respectively. As described above, if it is 40% or more, the leakage current can be reduced as compared with the conventional cell. Further, as shown in FIG. 6, in the CC condition, the memory cells MC storing the data “1” in the 125 ° C., 75 ° C., 40 ° C., and 25 ° C. conditions are 23% or more and 45% or more, respectively. If it is 61% or more and 61% or more, the leakage current can be reduced as compared with the conventional cell. Further, as shown in FIG. 7, under the SS condition, the memory cells MC storing data “1” are 45% or more, 70% or more under the 125 ° C., 75 ° C., 40 ° C. or 25 ° C. condition, respectively. If it is 77% or more and 77% or more, the leakage current can be reduced as compared with the conventional cell. Further, as shown in FIG. 8, in the FS condition, the memory cells MC storing data “1” are 13% or more, 33% or more, respectively, in the 125 ° C., 75 ° C., 40 ° C., or 25 ° C. conditions. If it is 52% or more and 52% or more, the leakage current can be reduced as compared with the conventional cell. Further, as shown in FIG. 9, in the SF condition, the memory cells MC storing data “1” are 4% or more, 10% or more in the 125 ° C. condition, 75 ° C. condition, 40 ° C. condition, or 25 ° C. condition, respectively. If it is 19% or more and 19% or more, the leakage current can be reduced as compared with the conventional cell.

ここで、リーク電流の温度依存性を検討すると、以下のことが分かる。
図5〜図9に示すように、リーク電流は温度に対して依存性があり、図5に示すように、1.2V条件、FF条件の場合、温度が125℃(125℃条件)において、全体のリーク電流が最大となる。温度が75℃、40℃、25℃(それぞれ、75℃条件、40℃条件、25℃条件)と低くなるに連れて、全体のリーク電流も低下することがわかる。
Here, when the temperature dependence of the leakage current is examined, the following can be understood.
As shown in FIG. 5 to FIG. 9, the leakage current is dependent on temperature. As shown in FIG. 5, in the case of 1.2 V condition and FF condition, the temperature is 125 ° C. (125 ° C. condition). Overall leakage current is maximized. It can be seen that as the temperature decreases to 75 ° C., 40 ° C., and 25 ° C. (75 ° C., 40 ° C., and 25 ° C., respectively), the overall leakage current also decreases.

また、メモリセルアレイMCA内のデータ“1”の分布率とリーク電流の相関では、温度が低くなるほど、データ“1”の分布率の依存度が下がることがわかる。図5に示すように、1.2V条件でFF条件での場合、125℃条件において、データ“1”(Suppression−Mode)のメモリセルMCが全体の6%以上あれば、従来セルに比べてリーク電流を抑制することができる。従来セルに比べてリーク電流を低減するためには、125℃条件、75℃条件、40℃条件、25℃条件と温度が低くなるに連れて、記憶データ“1”のメモリセルMCの割合を、16%以上、32%以上、40%以上と高くする必要がある。デバイスモデルのバラツキを考慮すると、FF条件以外のデバイス条件についても参照する必要があるが、リーク電流が最大となるFF条件(図5)を基準に比較するとCC条件(図6)、FS条件(図8)、SF条件(図9)ではリーク電流が一桁低く、SS条件(図7)では二桁低い値である(いずれも125℃条件で比較)。これらのFF条件以外のデバイスについてはデータ“1”の分布率を考慮しなくてもリーク電流は十分に低いことは明白である。その内でもリーク電流が多く流れる条件は、125℃条件でSF条件の約720nA、125℃条件でFS条件の約460nAである。しかし、前記のSF条件では記憶データ“1”の分布率が4%以上あれば従来セルよりもリーク電流を低減できる。また、前記のFS条件でも記憶データ“1”の分布率が13%以上あれば従来セルよりもリーク電流を低減できる。   Further, in the correlation between the distribution ratio of the data “1” in the memory cell array MCA and the leakage current, it can be seen that the dependency of the distribution ratio of the data “1” decreases as the temperature decreases. As shown in FIG. 5, in the case of 1.2V condition and FF condition, if the memory cell MC of data “1” (suppression-mode) is 6% or more in the 125 ° C. condition, it is compared with the conventional cell. Leakage current can be suppressed. In order to reduce the leakage current as compared with the conventional cell, the ratio of the memory cell MC of the storage data “1” is reduced as the temperature decreases to 125 ° C., 75 ° C., 40 ° C., 25 ° C. 16% or more, 32% or more, or 40% or more. Considering the variation in device models, it is necessary to refer to device conditions other than the FF condition, but when compared with the FF condition (FIG. 5) where the leakage current is maximum, the CC condition (FIG. 6) and the FS condition ( 8) and SF condition (FIG. 9), the leakage current is one order lower, and SS condition (FIG. 7) is two orders of magnitude lower (both compared under 125 ° C. condition). For devices other than these FF conditions, it is clear that the leakage current is sufficiently low without considering the distribution ratio of data “1”. Among them, the conditions under which a large leakage current flows are about 720 nA of the SF condition at 125 ° C. and about 460 nA of the FS condition at 125 ° C. However, if the distribution ratio of the storage data “1” is 4% or more under the SF condition, the leakage current can be reduced as compared with the conventional cell. Further, even if the distribution ratio of the stored data “1” is 13% or more even under the FS condition, the leakage current can be reduced as compared with the conventional cell.

メモリセルアレイ内に格納されるデータ“0”、“1”はランダムなデータとして仮定される場合、1ビットのデータを2値で表現する記憶データでは、メモリセルに“1”が書き込まれる確率は50%と予測される。また、SoC(System On Chip)の半導体チップに搭載するSRAMマクロのメモリ容量は数キロ〜数十メガビットのメモリマクロであり、1チップに搭載するSRAMマクロの個数は数百から数千個である。従って、メモリマクロごとに格納されるデータに偏りがある場合でも記憶データの偏りはチップ全体で平準化され、記憶データ“1”に書き込まれるメモリセルの確率は50%に近くなる。従って、上記図5〜図9におけるほとんどの場合において、リーク電流低減の効果を得ることができる。また、リーク電流を最大にするFF条件では、いずれの場合でも従来セルに比べてリーク電流を低減する効果がある。   If the data “0” and “1” stored in the memory cell array are assumed to be random data, the probability that “1” will be written to the memory cell in the storage data in which 1-bit data is expressed in binary is Expected to be 50%. The memory capacity of an SRAM macro mounted on a semiconductor chip of SoC (System On Chip) is a memory macro of several kilos to several tens of megabits, and the number of SRAM macros mounted on one chip is several hundred to several thousand. . Therefore, even if the data stored for each memory macro is biased, the bias of the stored data is leveled over the entire chip, and the probability of the memory cell written to the stored data “1” is close to 50%. Therefore, in most cases in FIGS. 5 to 9, the effect of reducing the leakage current can be obtained. In any case, the FF condition that maximizes the leakage current has an effect of reducing the leakage current as compared with the conventional cell.

図10は、メモリセルアレイを流れる合計リーク電流Iddの保持サイクル依存性を示すグラフである。この図は、HSPICEを用いた計算機シミュレーションにより算出している。横軸はデータ書き込み後の保持状態のサイクル数を示し、縦軸は合計の平均リーク電流Idd(nA)を示している。この図において、本実施の形態のメモリセルMCについては、三角、丸、四角のマークで示し、三角は1.2V条件でFF条件の場合、丸は、1.1V条件でCC条件の場合、四角は、1.0V条件でSS条件の場合の結果を、それぞれ示したものである。また、領域Aは、FF条件での従来セルのリーク電流よりも、リーク電流が大きくなる範囲である。具体的には、約33nA以上の範囲である。領域Bは、CC条件での従来セルのリーク電流よりも、リーク電流が大きくなる範囲である。具体的には、約2nA以上の範囲である。   FIG. 10 is a graph showing the retention cycle dependency of the total leakage current Idd flowing through the memory cell array. This figure is calculated by computer simulation using HSPICE. The horizontal axis indicates the number of cycles in the holding state after data writing, and the vertical axis indicates the total average leakage current Idd (nA). In this figure, the memory cells MC of the present embodiment are indicated by triangles, circles, and square marks, the triangles are 1.2V conditions and FF conditions, and circles are 1.1V conditions and CC conditions. The squares show the results in the case of the 1.0 V condition and the SS condition, respectively. Region A is a range in which the leakage current is larger than the leakage current of the conventional cell under the FF condition. Specifically, the range is about 33 nA or more. Region B is a range where the leakage current is larger than the leakage current of the conventional cell under CC conditions. Specifically, the range is about 2 nA or more.

メモリセルアレイMCA内のデータ“1”の分布率に依存してリーク電流の値が異なるため、ここではデータ“1”の分布率を50%(データ“1”の分布率も50%)として仮定している。具体的には、平均リーク電流Iddmcと、平均リーク電流Iddrdをそれぞれ測定した。ただし、平均リーク電流Iddmcは、メモリセルMCの記憶ノードSNTに“1”(Vdd)を書き込み、保持状態(ワード線の電位をVss)にしたときにVdd電源を流れる平均リーク電流である。平均リーク電流Iddrdは、記憶ノードSNTに“0”(Vss)を書き込み、保持状態にしたときにVdd電源を流れる平均リーク電流である。図10のグラフは、平均リーク電流Iddmcと平均リーク電流Iddrdの合計値(Idd)を保持サイクル数でプロットしたものである。   Since the value of the leakage current differs depending on the distribution rate of the data “1” in the memory cell array MCA, it is assumed here that the distribution rate of the data “1” is 50% (the distribution rate of the data “1” is also 50%). doing. Specifically, average leakage current Iddmc and average leakage current Iddrd were measured. However, the average leakage current Iddmc is an average leakage current that flows through the Vdd power supply when “1” (Vdd) is written to the storage node SNT of the memory cell MC and the holding state (the potential of the word line is Vss). The average leakage current Iddrd is an average leakage current that flows through the Vdd power supply when “0” (Vss) is written to the storage node SNT and the storage node SNT is brought into the holding state. In the graph of FIG. 10, the total value (Idd) of the average leakage current Iddmc and the average leakage current Iddrd is plotted by the number of holding cycles.

図10に示すように、SS条件、CC条件、FF条件の順でリーク電流(Idd)は増加する。また、FF条件で顕著なように、データ書き込み後の約14サイクルまでのリーク電流は、リーク電流が飽和する15サイクル以降よりも低い値を示している。これは、本実施の形態の動作の説明でも記述したように、以下の理由による。データ書き込み後の記憶ノードSNBの電位は、書き込み動作終了時のワード線RWL、WWLの立下り電位によりカップリングノイズを受けて一時的にVssよりも低くなる。このため、リーク抑制トランジスタM10のゲート電位は負電位が印加され、リーク抑制トランジスタM10のオフ時の抵抗値が高くなり、ノードNSの電位も高くなる。従って、メモリセルMCに掛かるバイアス電圧(Vdd−NSの電位)は低くなり、メモリセルMCを流れるリーク電流が抑制される。データ書き込み後は次第に、ノードNSと記憶ノードSNBの電位が上昇し、Vdd・R10/(Rmc+R10)で一定となり、リーク電流(Idd)も飽和する。   As shown in FIG. 10, the leakage current (Idd) increases in the order of SS condition, CC condition, and FF condition. Further, as remarkable in the FF condition, the leak current up to about 14 cycles after data writing is lower than that after 15 cycles when the leak current is saturated. As described in the explanation of the operation of the present embodiment, this is due to the following reason. The potential of the storage node SNB after data writing is temporarily lower than Vss due to coupling noise due to the falling potential of the word lines RWL and WWL at the end of the write operation. For this reason, a negative potential is applied as the gate potential of the leakage suppression transistor M10, the resistance value when the leakage suppression transistor M10 is turned off is increased, and the potential of the node NS is also increased. Therefore, the bias voltage (Vdd-NS potential) applied to the memory cell MC is reduced, and the leakage current flowing through the memory cell MC is suppressed. After data writing, the potentials of the node NS and the storage node SNB gradually increase, become constant at Vdd · R10 / (Rmc + R10), and the leakage current (Idd) is also saturated.

図10に示すように、FF条件を基準にリーク電流を見ると、CC条件で二桁低く、SS条件で三桁低い値である(図10には記載していないが、FS条件(1.2V条件)、SF条件(1.2V条件)でも一桁低い値である)。このことから、リーク電流が最大となる条件はFF条件(1.2V条件)である。また、領域Aとの比較から、本実施の形態のFF条件(1.2V条件)では、従来セルに比べてリーク電流が14%低減される。また、領域Bとの比較から、本実施の形態のCC条件(1.1V条件)では、従来セルに比べてリーク電流が10%低減される。   As shown in FIG. 10, when the leakage current is viewed based on the FF condition, the value is two orders of magnitude lower in the CC condition and three orders of magnitude lower in the SS condition (not shown in FIG. 10, but the FS condition (1. 2V condition) and SF condition (1.2V condition) are also one order of magnitude lower). For this reason, the condition for the maximum leakage current is the FF condition (1.2 V condition). Further, from the comparison with the region A, under the FF condition (1.2 V condition) of the present embodiment, the leakage current is reduced by 14% compared to the conventional cell. Further, from the comparison with the region B, under the CC condition (1.1V condition) of the present embodiment, the leakage current is reduced by 10% compared to the conventional cell.

図25〜図28は、各制御方式(後述の第3、第4の実施の形態を含む)でのリーク電流のサイクル依存性を示すグラフである(ただし、図27、図28は部分的に拡大している)。この図は、HSPICEを用いた計算機シミュレーションにより算出した値をプロットしたものである。横軸はデータ書き込み後に保持状態を維持したサイクル数であり、縦軸は合計の平均リーク電流Idd(nA)を示している。図10と同様に、メモリセルアレイMCA内のデータ“1”の分布率が50%(データ“0”の分布率も50%)であると仮定して、平均リーク電流Idd(平均リーク電流Iddmcと平均リーク電流Iddrdの合計値)を保持サイクル数でプロットしている。この図において、黒塗り四角は、第1の実施の形態(以下、「Vss制御」又は「Vss−Cntrl」ともいう)における1.2V条件でFF条件での場合を示したものである。黒塗り丸は、第3の実施の形態(以下、「Vdd制御」又は「Vdd−Cntrl」ともいう)において1.2V条件でFF条件の場合である。黒塗り三角は、第4の実施の形態(以下、「Vss+Vdd制御」又は「Vss+Vdd−Cntrl」ともいう)において1.2V条件でFF条件の場合である。白抜き四角は、第1の実施の形態において1.1V条件でCC条件での場合である。白抜き丸は、第3の実施の形態において1.1V条件でCC条件での場合である。白抜き三角は、第4の実施の形態において1.1V条件でCC条件での場合である。白抜き菱形は、第1の実施の形態において1.0V条件でSS条件での場合である。バツ印は、第3の実施の形態において1.0V条件でSS条件での場合である。白抜き逆三角は、第4の実施の形態において1.0V条件でSS条件での場合である。また、領域Cは、FF条件での従来セルのリーク電流よりも、リーク電流が大きくなる範囲である。図25〜図28は、125℃条件、75℃条件、40℃条件、25℃条件の場合をそれぞれ示している。   FIG. 25 to FIG. 28 are graphs showing cycle dependency of leakage current in each control method (including third and fourth embodiments described later) (however, FIG. 27 and FIG. 28 are partially shown in FIG. 27 and FIG. 28). Expanding). This figure is a plot of values calculated by computer simulation using HSPICE. The horizontal axis represents the number of cycles in which the retained state is maintained after data writing, and the vertical axis represents the total average leakage current Idd (nA). As in FIG. 10, assuming that the distribution ratio of data “1” in the memory cell array MCA is 50% (the distribution ratio of data “0” is also 50%), the average leakage current Idd (average leakage current Iddmc and The total value of the average leakage current Iddrd) is plotted by the number of holding cycles. In this figure, the black squares indicate the case of the 1.2V condition and the FF condition in the first embodiment (hereinafter also referred to as “Vss control” or “Vss-Cntrl”). The black circle is the case of the FF condition under the 1.2 V condition in the third embodiment (hereinafter also referred to as “Vdd control” or “Vdd-Cntrl”). The black triangle is the case of the FF condition under the 1.2 V condition in the fourth embodiment (hereinafter also referred to as “Vss + Vdd control” or “Vss + Vdd−Cntrl”). A white square is a case of 1.1V condition and CC condition in the first embodiment. A white circle is a case of 1.1V condition and CC condition in the third embodiment. A white triangle is a case of 1.1V condition and CC condition in the fourth embodiment. The white diamond is the case in the SS condition under the 1.0 V condition in the first embodiment. The cross mark is the case in the SS condition under the 1.0V condition in the third embodiment. The white inverted triangle is the case in the SS condition under the 1.0V condition in the fourth embodiment. Region C is a range in which the leakage current is larger than the leakage current of the conventional cell under the FF condition. 25 to 28 show the cases of 125 ° C. condition, 75 ° C. condition, 40 ° C. condition, and 25 ° C. condition, respectively.

図25の黒塗り四角に示されるように、1.2V条件かつFF条件かつ125℃条件では、従来セルと比較して、リーク電流が14%低減される。また、図26の黒塗り四角に示されるように、1.2V条件かつFF条件かつ75℃条件では、従来セルと比較して、リーク電流が13.6%低減される。また、図27の黒塗り四角に示されるように、1.2V条件かつFF条件かつ40℃条件では、従来セルと比較して、リーク電流が14.1%低減される。また、図28の黒塗り四角に示されるように、1.2V条件かつFF条件かつ25℃条件では、従来セルと比較して、リーク電流が9.0%低減される。   As shown by the black squares in FIG. 25, the leakage current is reduced by 14% in the 1.2V condition, the FF condition, and the 125 ° C. condition as compared with the conventional cell. Further, as shown by the black square in FIG. 26, the leakage current is reduced by 13.6% under the 1.2V condition, the FF condition and the 75 ° C. condition as compared with the conventional cell. In addition, as shown by the black squares in FIG. 27, the leakage current is reduced by 14.1% under the 1.2V condition, the FF condition, and the 40 ° C. condition as compared with the conventional cell. Further, as shown by the black squares in FIG. 28, the leakage current is reduced by 9.0% under the 1.2V condition, the FF condition, and the 25 ° C. condition as compared with the conventional cell.

以上のように、本実施の形態ではメモリセルアレイMCAのリーク電流値は、メモリセルアレイ内に記憶されるデータの分布率に依存する。しかし、記憶されるデータ“1”の分布率とリーク電流の相関、上述の特性を示すデバイスのバラツキや温度依存性、データ“1”がメモリセルに記憶される確率、SoC半導体チップに搭載されるメモリセルMCの個数などにリーク電流が依存しながらも、同一条件下では本実施の形態のメモリセルMCは、従来セルよりもリーク電流を低減する効果がある。   As described above, in the present embodiment, the leakage current value of the memory cell array MCA depends on the distribution ratio of data stored in the memory cell array. However, the correlation between the distribution ratio of the stored data “1” and the leakage current, the variation and temperature dependence of the devices exhibiting the above characteristics, the probability that the data “1” is stored in the memory cell, and the SoC semiconductor chip. Although the leak current depends on the number of memory cells MC to be used, the memory cell MC of this embodiment has an effect of reducing the leak current more than the conventional cell under the same conditions.

次に、ワード線の立ち上がりから読み出し信号が出力されるまでの読み出し信号の遅延時間について説明する。図33は、ワード線の立ち上がりから読み出し信号が出力されるまでの読み出し信号の遅延時間を示す表である(後述の第2−第5の実施の形態を含む)。この図は、HSPICEを用いた計算機シミュレーションにより算出した結果に基づいている。ここで、読み出し信号の遅延時間の定義は、ワード線RWLの電位が振幅(Vdd−Vss電位差)の50%に立ち上がった時点からビット線RBLの電位が50%に立下った時点までに要した時間としている。「温度」は温度条件を示す。「CC,1.1V」は、1.1V条件でCC条件を示す。「FF,1.2V」は、1.2V条件でFF条件を示す。「SS,1.0V」は、1.0V条件でSS条件を示す。「従来セル」は従来のメモリセルを示す。「Vss制御」は“Vss−Cntrl”すなわち第1、第2の実施の形態を示す。「Vss+Vdd制御」は“Vss+Vdd−Cntrl”すなわち第4、第5の実施の形態を示す。「Vdd制御」は“Vdd−Cntrl”すなわち第3の実施の形態を示す。数値の単位はpsec.である。各制御方法において、動作温度をパラメータとして、25℃条件から125℃条件まで10℃ステップで遅延時間を算出した。   Next, the delay time of the read signal from the rise of the word line to the output of the read signal will be described. FIG. 33 is a table showing the delay time of the read signal from the rise of the word line to the output of the read signal (including second to fifth embodiments described later). This figure is based on the result calculated by computer simulation using HSPICE. Here, the definition of the delay time of the read signal is required from the time when the potential of the word line RWL rises to 50% of the amplitude (Vdd-Vss potential difference) to the time when the potential of the bit line RBL falls to 50%. It's time. “Temperature” indicates a temperature condition. “CC, 1.1V” indicates a CC condition with a 1.1V condition. “FF, 1.2V” indicates the FF condition under the 1.2V condition. “SS, 1.0V” indicates the SS condition under the 1.0V condition. “Conventional cell” refers to a conventional memory cell. “Vss control” indicates “Vss-Cntrl”, that is, the first and second embodiments. “Vss + Vdd control” indicates “Vss + Vdd−Cntrl”, that is, the fourth and fifth embodiments. “Vdd control” indicates “Vdd-Cntrl”, that is, the third embodiment. The unit of the numerical value is psec. It is. In each control method, the delay time was calculated in steps of 10 ° C. from 25 ° C. to 125 ° C. using the operating temperature as a parameter.

CC条件においては、従来セルで74.0〜75.9psec.の遅延であり、第1の実施の形態(Vss制御)で88.4〜91.5psec.の遅延である。FF条件においては、従来セルで47.1〜48.2psec.の遅延であり、第1の実施の形態で54.0〜55.8psec.の遅延である。SS条件においては、従来セルで142.7〜143.1psecの遅延であり、第1の実施の形態では183.9〜185.2psec.の遅延である。   Under CC conditions, 74.0 to 75.9 psec. The delay is 88.4 to 91.5 psec. In the first embodiment (Vss control). Is the delay. Under the FF condition, 47.1-48.2 psec. In the first embodiment, the delay is 54.0 to 55.8 psec. Is the delay. In the SS condition, the delay is 142.7 to 143.1 psec in the conventional cell, and 183.9 to 185.2 psec. In the first embodiment. Is the delay.

図34は、図33の結果に関して、従来セルの遅延時間を基準とした、各制御方法での遅延時間の増加率を示すグラフである(後述の第2、第4、第5の実施の形態を含む)。ただし、各制御方法の11本の棒グラフは、左側から右側に向かって順に、125℃条件から25℃条件までの10℃ステップの11個の動作温度条件を示している。Vss制御のCC条件(Vss制御“CC”)では従来セルに比べて約17%の遅延増加が認められる。また、Vss制御のFF条件(Vss制御“FF”)では従来セルに比べて約14%の遅延増加が認められる。また、Vss制御のSS条件(Vss制御“SS”)では従来セルに比べて約23%の遅延増加が認められる。また、Vss制御のFS条件、SF条件(Vss制御“FS”、“SF”)では、それぞれVss制御のFF条件、CC条件と概ね同様の傾向が認められる。   FIG. 34 is a graph showing the increase rate of the delay time in each control method based on the delay time of the conventional cell with respect to the result of FIG. 33 (second, fourth, and fifth embodiments described later). including). However, eleven bar graphs of each control method indicate eleven operating temperature conditions in steps of 10 ° C. from the 125 ° C. condition to the 25 ° C. condition from the left side to the right side. Under CC conditions for Vss control (Vss control “CC”), a delay increase of about 17% is recognized as compared with the conventional cell. Further, in the FF condition for Vss control (Vss control “FF”), a delay increase of about 14% is recognized as compared with the conventional cell. Further, in the SS condition of Vss control (Vss control “SS”), a delay increase of about 23% is recognized as compared with the conventional cell. Further, in the FS condition and SF condition (Vss control “FS”, “SF”) of Vss control, the same tendency as the FF condition and CC condition of Vss control is recognized.

次に、保持期間にビット線WBLからメモリセルに流れ込むリーク電流を低減する方法について説明する。
図11A〜図11Cは、保持期間にメモリセルに流れ込むリーク電流を低減する方法を説明する図である。このうち、図11Aは、ビット線WBLの電位をVssに固定した場合の回路図である。図11Bは、ビット線WBLの電位をVddに固定した場合の回路図である。図11Cは、記憶ノードSNBをLow電位にしたときの電位状態を示すグラフである。保持期間のビット線WBLの電位を適切な状態にし、保持期間中にメモリセルに流れ込むリーク電流を低減する方法を以下に検討する。
Next, a method for reducing leakage current flowing from the bit line WBL into the memory cell during the holding period will be described.
11A to 11C are diagrams illustrating a method for reducing a leak current flowing into a memory cell during a holding period. Among these, FIG. 11A is a circuit diagram when the potential of the bit line WBL is fixed to Vss. FIG. 11B is a circuit diagram in the case where the potential of the bit line WBL is fixed to Vdd. FIG. 11C is a graph showing a potential state when the storage node SNB is set to a low potential. A method for reducing the leak current flowing into the memory cell during the holding period by setting the potential of the bit line WBL in the holding period to an appropriate state will be discussed below.

まず、図11Aに示すように、ビット線WBLの電位をVssにする場合について考える。保持期間にワード線WWLの電位はLow(Vss)を維持している。メモリセルMCの記憶ノードSNBにHigh(Vdd)となる電位が格納されている場合、アクセストランジスタM6からビット線WBLへリーク電流(サブスレッショルド電流)が流れる。一方、記憶ノードSNBにLow(Vns=Vdd・R10/(Rmc+R10))電位となるデータが格納されている場合、リーク電流は殆ど流れない。これは、リーク抑制トランジスタM10とアクセストランジスタM6が同じデバイスで構成されているためである。   First, consider the case where the potential of the bit line WBL is set to Vss as shown in FIG. 11A. During the holding period, the potential of the word line WWL is maintained at Low (Vss). When a potential of High (Vdd) is stored in storage node SNB of memory cell MC, a leak current (subthreshold current) flows from access transistor M6 to bit line WBL. On the other hand, when data having a low (Vns = Vdd · R10 / (Rmc + R10)) potential is stored in the storage node SNB, almost no leakage current flows. This is because the leak suppression transistor M10 and the access transistor M6 are composed of the same device.

つぎに、図11Bに示すように、ビット線WBLの電位をVddにする場合について考える。保持期間にメモリセルMCの記憶ノードSNBにHigh(Vdd)電位となるデータが格納されている場合、アクセストランジスタM6のソースとドレインの電位は同じである。従って、アクセストランジスタM6はオフ状態であり、メモリセルMCとビット線WBL間にリーク電流(サブスレッショルド電流)は流れない。一方、記憶ノードSNBにLow(Vns=Vdd・R10/(Rmc+R10))電位となるデータが格納されている場合、図11Cに示すように、ワード線WWLのLow(Vss)電位は、記憶ノードSNBの電位やビット線WBLの電位よりも低く、アクセストランジスタM6を通してメモリセルMCとビット線WBL間にリーク電流が殆ど流れない。以上の結果から、保持期間中にビット線WBLの電位をVdd又はそれ以上の電位で保持することで、ビット線WBLとメモリセルMC間を流れるリーク電流は抑制できる。   Next, consider the case where the potential of the bit line WBL is set to Vdd as shown in FIG. 11B. When data having a High (Vdd) potential is stored in the storage node SNB of the memory cell MC during the holding period, the source and drain potentials of the access transistor M6 are the same. Therefore, the access transistor M6 is in an off state, and no leak current (subthreshold current) flows between the memory cell MC and the bit line WBL. On the other hand, when data having a Low (Vns = Vdd · R10 / (Rmc + R10)) potential is stored in the storage node SNB, as shown in FIG. 11C, the Low (Vss) potential of the word line WWL is equal to the storage node SNB. And the potential of the bit line WBL, the leakage current hardly flows between the memory cell MC and the bit line WBL through the access transistor M6. From the above results, the leakage current flowing between the bit line WBL and the memory cell MC can be suppressed by holding the potential of the bit line WBL at a potential of Vdd or higher during the holding period.

また、ビット線WBLは、読み出し期間中でも電位状態を変えないため、読み出し動作中のビット線WBLの電位をVdd又はそれ以上の電位で保持することにより、モリセルMCとビット線WBL間のリーク電流は低減される。   Further, since the potential state of the bit line WBL does not change even during the readout period, the leakage current between the Mori cell MC and the bit line WBL is reduced by holding the potential of the bit line WBL during the readout operation at a potential of Vdd or higher. Reduced.

図12は、保持期間にビット線RBLからメモリセルMCに流れ込むリーク電流を低減する方法を説明するための図である。本図では、ビット線RBL、WBL上に接続された二個のメモリセルMChighとMClowを示している。メモリセルMChighとMClowは、それぞれアクセストランジスタM05、M15を介して同一のビット線RBLに接続されている。ここでは、ビット線RBLの電位を適切な状態にし、保持期間に複数のメモリセル間で流れるリーク電流について低減する方法を以下に検討する。   FIG. 12 is a diagram for explaining a method of reducing a leak current flowing from the bit line RBL into the memory cell MC during the holding period. In the drawing, two memory cells MHigh and MClow connected on the bit lines RBL and WBL are shown. The memory cells MHigh and MClow are connected to the same bit line RBL via access transistors M05 and M15, respectively. Here, a method for reducing the leakage current flowing between a plurality of memory cells in the holding period by setting the potential of the bit line RBL to an appropriate state will be discussed below.

まず、メモリセルMChighの記憶ノードSN0Tにはデータ“1”(High)、メモリセルMClowの記憶ノードSN1Tにはデータ“0”(Low)が格納されていると仮定する。ビット線RBLの電位をVssにした場合、メモリセルMChighのアクセストランジスタM05を介して、記憶ノードSN0Tを介してビット線RBLのVss電位にリーク電流が流れる。一方、ビット線RBLの電位をVddにした場合、ビット線RBLから記憶ノードSN1Tを介してVssにリーク電流が流れる。このように上記の二つの仮定ではリーク電流が流れることが分かる。また、これらの仮定では、保持サイクルが多くなると、その保持期間中のサイクル数分だけリーク電流が流れ続ける。   First, it is assumed that data “1” (High) is stored in the storage node SN0T of the memory cell MHigh and data “0” (Low) is stored in the storage node SN1T of the memory cell MClow. When the potential of the bit line RBL is set to Vss, a leak current flows to the Vss potential of the bit line RBL via the storage node SN0T via the access transistor M05 of the memory cell MHigh. On the other hand, when the potential of the bit line RBL is set to Vdd, a leakage current flows from the bit line RBL to Vss through the storage node SN1T. Thus, it can be seen that leakage current flows under the above two assumptions. Under these assumptions, when the number of holding cycles increases, the leakage current continues to flow for the number of cycles during the holding period.

ここでビット線RBLをフローティング状態にすることを考察する。
フローティング時、メモリセルMChighのVddからアクセストランジスタM05とビット線RBLを介してメモリセルMClowのVssに流れ込むリーク電流のパスが出来る。このリーク電流は、等価的にはロードトランジスタM01、アクセスとランジスタM05、アクセストランジスタM15、ドライバトランジスタM13、リーク抑制トランジスタM110の等価抵抗と、ビット線の配線抵抗で算出される値となる。また、ビット線RBLには、VddとVssの間に中間電位が発生したともいえる。例えば、図1Bに示すSRAMマクロ2において、Y方向に16個のメモリセルMCが並んでいると仮定し、データ“1”とデータ“0”が繰り返し格納されていた場合、1.2V条件かつFF条件かつ125℃条件ではフローティングのビット線RBLには約92mVの電位が発生する。このため、メモリセルMChighのアクセストランジスタM05のゲート電位(Vss)はソース電位(ビット線RBLの電位92mV)よりも下がり、ビット線RBLへのリーク電流が低減される。以上のように、保持期間においてビット線RBLをフローティング状態にすることで、同一のビット線上に接続された複数のメモリセル間に流れるリーク電流は低減できる。この技術は、本実施の形態のメモリセルだけでなく、リーク抑制トランジスタM11(第3の実施の形態:後述)を接続するメモリセルについても適用可能である。
Here, consider that the bit line RBL is in a floating state.
When floating, a path of a leak current that flows from Vdd of the memory cell MHigh to Vss of the memory cell MClow through the access transistor M05 and the bit line RBL is formed. This leak current is equivalent to a value calculated from the equivalent resistance of the load transistor M01, access and transistor M05, access transistor M15, driver transistor M13, and leak suppression transistor M110, and the wiring resistance of the bit line. It can also be said that an intermediate potential is generated between Vdd and Vss in the bit line RBL. For example, in the SRAM macro 2 shown in FIG. 1B, it is assumed that 16 memory cells MC are arranged in the Y direction, and data “1” and data “0” are stored repeatedly. Under the FF condition and 125 ° C. condition, a potential of about 92 mV is generated in the floating bit line RBL. For this reason, the gate potential (Vss) of the access transistor M05 of the memory cell MHigh is lower than the source potential (the potential 92 mV of the bit line RBL), and the leakage current to the bit line RBL is reduced. As described above, by setting the bit line RBL in the floating state in the holding period, leakage current flowing between a plurality of memory cells connected to the same bit line can be reduced. This technique can be applied not only to the memory cell of the present embodiment but also to a memory cell to which a leak suppression transistor M11 (third embodiment: described later) is connected.

以上のように、読み出し期間及び保持期間において、ビット線WBLの電位をVddにすることで、ビット線WBLとメモリセルMCとの間に流れるリーク電流を抑制できる。加えて、保持期間において、ビット線RBLの電位をフローティング状態とすることで、同一のビット線RBL上に接続された複数のメモリセルMC間で流れるリーク電流を抑制できる。また、保持期間においては、前記の状態を同時に行うことで、更にリーク電流を抑制することができる。   As described above, the leakage current flowing between the bit line WBL and the memory cell MC can be suppressed by setting the potential of the bit line WBL to Vdd in the reading period and the holding period. In addition, the leakage current flowing between the plurality of memory cells MC connected on the same bit line RBL can be suppressed by setting the potential of the bit line RBL to the floating state in the holding period. Further, during the holding period, the leakage current can be further suppressed by performing the above-described state simultaneously.

次に、図2のメモリセルMCのレイアウトについて説明する。
図13は、本実施の形態に係るメモリセルのレイアウトの一例を示す概略平面図である。図中のM1〜M6、M10の各MOSトランジスタは、図2に示すメモリセルを構成する各トランジスタに対応している。従来セルのレイアウトは図13のレイアウトからM10のNMOSトランジスタを除いた領域である。言い換えると、本実施の形態では図面における縦方向(上方向)にM10を追加している。このため、レイアウト面積は、従来セルと比較して、縦方向でNMOSトランジスタ1個分、メモリセルサイズが長くなる。
Next, the layout of the memory cell MC in FIG. 2 will be described.
FIG. 13 is a schematic plan view showing an example of the layout of the memory cell according to the present embodiment. Each of the MOS transistors M1 to M6 and M10 in the figure corresponds to each transistor constituting the memory cell shown in FIG. The layout of the conventional cell is a region obtained by removing the NMOS transistor of M10 from the layout of FIG. In other words, in the present embodiment, M10 is added in the vertical direction (upward direction) in the drawing. For this reason, the layout area is longer by one NMOS transistor in the vertical direction than the conventional cell.

以上、説明したように、本実施の形態のメモリセルMCを用いることで、データ保持期間中のメモリセルアレイ内のリーク電流は従来セルに比べて低減することができる。また、本実施の形態では特別な制御信号を用いずにリーク電流の低減を制御できるため、リーク電流制御用の回路を追加せず、制御信号のタイミングを設計する必要がない。また、アクセス時のメモリセルアレイMCAでも、非選択メモリセルにおいては、記憶するデータに依存してリーク電流を低減するためメモリセルアレイMCA全体のリーク電流を低減することができる。さらには、読み出し用のビット線をシングルエンドとしたことにより、読み出し動作時には、対をなす一方のビット線WBLからの放電電流がなく、読み出し動作時の消費電流を低減することができる。   As described above, by using the memory cell MC of the present embodiment, the leakage current in the memory cell array during the data holding period can be reduced as compared with the conventional cell. In addition, in this embodiment, since leakage current reduction can be controlled without using a special control signal, a leakage current control circuit is not added, and there is no need to design the timing of the control signal. Further, even in the memory cell array MCA at the time of access, in the non-selected memory cell, the leakage current is reduced depending on the data to be stored, so that the leakage current of the entire memory cell array MCA can be reduced. Furthermore, since the read bit line is single-ended, there is no discharge current from one of the paired bit lines WBL during the read operation, and the current consumption during the read operation can be reduced.

本実施の形態ではメモリセルMCに流れるリーク電流と読み出し動作電流が従来セルに比べて低減できる。従って、本メモリセルを搭載するシステムLSIの消費電力は抑制される。特にバッテリを有するモバイル製品では消費電力を抑制できる効果からシステムの動作時間を長期化することができる。また、消費電流の増加に伴うLSIの温度上昇を抑制することができ、熱暴走によるシステムLSIの誤動作や停止を抑止する効果がある。更に、本実施の形態を搭載するLSIを用いたシステムでは前記の誤動作や停止が抑止できるため、システム全体の信頼性は向上する。   In the present embodiment, the leakage current and read operation current flowing through the memory cell MC can be reduced as compared with the conventional cell. Therefore, the power consumption of the system LSI mounting this memory cell is suppressed. In particular, in a mobile product having a battery, the operating time of the system can be extended due to the effect of suppressing power consumption. Further, it is possible to suppress an increase in the temperature of the LSI accompanying an increase in current consumption, and there is an effect of suppressing malfunction and stop of the system LSI due to thermal runaway. Furthermore, in the system using the LSI in which the present embodiment is mounted, the malfunction and stop can be suppressed, so that the reliability of the entire system is improved.

(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る半導体装置の構成について説明する。上述の第1の実施の形態のSRAMマクロ2と本実施の形態のSRAMマクロ2とは以下の点で相違している。上述の第1の実施の形態のSRAMマクロ2は、読み出し動作用と書き込み動作用に分離したワード線(ワード線RWL及びワード線WWL)を有している。一方、本実施の形態のSRAMマクロ2は共通のワード線WLのみを有している。従って、本実施の形態のSRAMマクロ2では、アクセストランジスタM5、M6が共通のワード線WLにより制御されている点で第1の実施の形態のSRAMマクロ2と異なる。以下では、主に上述の相違点について説明する。
(Second Embodiment)
A configuration of the semiconductor device according to the second embodiment will be described. The SRAM macro 2 of the first embodiment described above is different from the SRAM macro 2 of the present embodiment in the following points. The SRAM macro 2 of the first embodiment described above has separate word lines (word line RWL and word line WWL) for read operation and write operation. On the other hand, the SRAM macro 2 of the present embodiment has only a common word line WL. Accordingly, the SRAM macro 2 of the present embodiment is different from the SRAM macro 2 of the first embodiment in that the access transistors M5 and M6 are controlled by the common word line WL. Hereinafter, the above-described differences will be mainly described.

図14は、第2の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルMCの構成を示す回路図である。本実施の形態のメモリセルMCは、アクセストランジスタM5、M6のゲートを共通のワード線WLに接続し、他は第1の実施の形態と同じである。従って、アクセストランジスタM5、M6のオン/オフはワード線WLの選択/非選択信号に対応して制御される。   FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of the memory cell MC of the semiconductor device according to the second embodiment. The memory cell MC of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that the gates of the access transistors M5 and M6 are connected to a common word line WL. Accordingly, on / off of the access transistors M5 and M6 is controlled corresponding to the selection / non-selection signal of the word line WL.

第1の実施の形態と同様に本実施の形態でも、記憶ノードSNTのデータが“1”のとき、ノードNSの電位が高くなることで、メモリセルMC内を流れるリーク電流を低減する。また、第1の実施の形態と同様に、リーク抑制トランジスタM10は制御信号を介さず、メモリセルMCの記憶データに対応して自律的に行われる。そのため、特別な制御信号に律速されずアクセス時間が遅くならない。また、制御信号を生成する回路が不要であるため消費電力を増加させない。さらに、リーク電流の低減効果は、アクセスされたメモリセルアレイMCAにおいても同様に得ることができる。本実施の形態では、読み出し用と書き込み用のワード線を共通にしているため、ワードデコーダ及びワードドライバをワード線ごとに一組配置することで構成でき、第1の実施の形態と比較してワードドライバの追加がなくチップ面積や消費電力を増大させない。しかし、記憶ノードSNBが“0”のときの読み出し電流は、対となる一方のビット線WBLの充電電荷が記憶ノードSNBを介して放電するため、第1の実施の形態と比較して消費電流を増大させる欠点がある。ところで、この放電電流に関して、本メモリセルでは回路構成上で抑制する特性があることが分かっている。主に、この点に関して以下に説明する。   Similarly to the first embodiment, in this embodiment, when the data of the storage node SNT is “1”, the potential of the node NS is increased, thereby reducing the leakage current flowing in the memory cell MC. Similarly to the first embodiment, the leakage suppression transistor M10 is autonomously performed in response to the stored data of the memory cell MC without passing through a control signal. Therefore, the access time is not delayed without being limited by a special control signal. Further, since a circuit for generating a control signal is unnecessary, power consumption is not increased. Further, the effect of reducing the leakage current can be similarly obtained in the accessed memory cell array MCA. In this embodiment, since the read and write word lines are shared, it can be configured by arranging one set of word decoders and word drivers for each word line, compared with the first embodiment. There is no additional word driver, and the chip area and power consumption are not increased. However, the read current when the storage node SNB is “0” is the current consumption compared to the first embodiment because the charge of one of the paired bit lines WBL is discharged through the storage node SNB. Has the disadvantage of increasing By the way, it has been found that the present memory cell has a characteristic to suppress the discharge current in the circuit configuration. This point will be mainly described below.

本実施の形態における書き込み動作及び保持状態については、第1の実施の形態と同じであるので説明を省略する。   Since the writing operation and the holding state in this embodiment are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

記憶ノードSNTのデータが“1”、記憶ノードSNBのデータが“0”(Suppression−Mode)の読み出し動作について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第1の実施の形態と同じである。ただし、ワード線RWL、WWLは共通ワード線WLとして動作する。選択した共通のワード線WLを立ち上げ(Vddに上昇)、ワード線に接続された全メモリセルのアクセストランジスタM5、M6をオンにする。その結果、ビット線RBLの電位と記憶ノードSNTの電位がHigh(Vdd)電位であるため、アクセストランジスタM5がオフ状態(非活性状態)になり、ビット線RBLの電位は変化しない。これは第1の実施の形態と同じである。一方、アクセストランジスタM6はオン状態であり、メモリセルMCの記憶ノードSNBがLowであるためビット線WBLの充電電荷が放電され、ビット線WBLの電位は低下する。ビット線WBLからメモリセルMC内のVssに向かって電流が流れ、記憶ノードSNBとノードNSの電位は上昇する。このときのリーク抑制トランジスタM10は、ダイオード接続の構成となるため、ノードNSの電位がリーク抑制トランジスタM10の閾値電圧Vth10でクランプされる。このため、ノードNSの電位は閾値電圧Vth10以下に下がらないため、ビット線電流はVss電位まで完全に放電されず、ビット線WBLでの読み出し動作電流は低減される。   A read operation in which the data of the storage node SNT is “1” and the data of the storage node SNB is “0” (suppression-mode) will be described. The operations from the precharge of the bit line to the rise of the word line are the same as in the first embodiment. However, the word lines RWL and WWL operate as the common word line WL. The selected common word line WL is raised (increased to Vdd), and the access transistors M5 and M6 of all the memory cells connected to the word line are turned on. As a result, since the potential of the bit line RBL and the potential of the storage node SNT are High (Vdd) potential, the access transistor M5 is turned off (inactive state), and the potential of the bit line RBL does not change. This is the same as in the first embodiment. On the other hand, the access transistor M6 is in the on state, and the storage node SNB of the memory cell MC is Low, so that the charge of the bit line WBL is discharged, and the potential of the bit line WBL decreases. A current flows from the bit line WBL toward Vss in the memory cell MC, and the potentials of the storage node SNB and the node NS rise. Since the leak suppression transistor M10 at this time has a diode-connected configuration, the potential of the node NS is clamped by the threshold voltage Vth10 of the leak suppression transistor M10. For this reason, since the potential of the node NS does not fall below the threshold voltage Vth10, the bit line current is not completely discharged to the Vss potential, and the read operation current in the bit line WBL is reduced.

次に、データ“0”(Read−Mode)の読み出し動作について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第1の実施の形態と同じである。ただし、ワード線RWL、WWLは共通ワード線WLとして動作する。選択された共通のワード線WLを立ち上げる(Vddに上昇)ことにより、ワード線に接続された全メモリセルのアクセストランジスタM5、M6をオンにする。その結果、ビット線RBLの充電電荷はメモリセルMC内の記憶ノードSNTを経由してVssに放電される。一方、メモリセルMCの記憶ノードSNBはHigh(Vdd)電位であり、ワード線WLの電位がVddに立ち上がっても、アクセストランジスタM6はオフ状態(非活性状態)である。従って、ビット線WBLの電位は変化しない。   Next, a read operation of data “0” (Read-Mode) will be described. The operations from the precharge of the bit line to the rise of the word line are the same as in the first embodiment. However, the word lines RWL and WWL operate as the common word line WL. By raising the selected common word line WL (raising it to Vdd), the access transistors M5 and M6 of all the memory cells connected to the word line are turned on. As a result, the charge on the bit line RBL is discharged to Vss via the storage node SNT in the memory cell MC. On the other hand, the storage node SNB of the memory cell MC is at a High (Vdd) potential, and the access transistor M6 is in an off state (inactive state) even when the potential of the word line WL rises to Vdd. Therefore, the potential of the bit line WBL does not change.

本実施の形態に係るメモリセルのメカニズム及び効果について説明する。
本実施の形態のリーク電流を抑制するメカニズムは第1の実施の形態と同じであり、説明を省略する。本実施の形態でも、第1の実施の形態と同様に、保持期間でのリーク電流を低減することが出来る。保持期間では、本実施の形態及び第1の実施の形態のいずれの場合においても、記憶ノードSNTがHigh(Vdd電位)のときリーク抑制トランジスタM10の効果により、共通ノードNSの電位をVssよりも高くするためである。
The mechanism and effect of the memory cell according to this embodiment will be described.
The mechanism for suppressing the leakage current of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. Also in this embodiment, the leakage current in the holding period can be reduced as in the first embodiment. In the holding period, in both cases of the present embodiment and the first embodiment, when the storage node SNT is High (Vdd potential), the potential of the common node NS is made higher than Vss due to the effect of the leak suppression transistor M10. This is to make it higher.

それに加えて、本実施の形態に係るメモリセルのメカニズム及び効果は以下のようになる。
上述したようにSuppression−Mode時の読み出し動作期間でワード線WLの立ち上がりに伴い、ビット線WBLの充電電荷がメモリセルMCを介してVssに放電される。このビット線WBLの放電電流は、メモリセルMCの記憶データの読み出しには無用な電流を浪費し、アクセス動作の電力を増加させる。しかし、本実施の形態では、メモリセルMC内のリーク抑制トランジスタM10がSuppression−Mode時にダイオード接続構成となる。そのため、読み出し動作時のビット線WBLの充電電荷が完全に放電されず、従来セルに比べて消費電流を抑制する効果がある。その具体的なメカニズムは以下に示すとおりである。
In addition, the mechanism and effects of the memory cell according to the present embodiment are as follows.
As described above, the charge of the bit line WBL is discharged to Vss through the memory cell MC with the rise of the word line WL in the read operation period during the suppression-mode. The discharge current of the bit line WBL wastes unnecessary current for reading the storage data of the memory cell MC, and increases the power of the access operation. However, in the present embodiment, the leak suppression transistor M10 in the memory cell MC has a diode connection configuration during the suppression-mode. Therefore, the charge of the bit line WBL during the read operation is not completely discharged, and there is an effect of suppressing current consumption compared to the conventional cell. The specific mechanism is as follows.

図15は、読み出し動作時にビット線WBLからメモリセルに流れ込むビット線電流の抑制効果を説明する図である。Suppression−Mode時の記憶ノードSNTには、電位がHigh(Vdd)となるデータが格納されている。これにより、ドライバトランジスタM4はオン状態であり、リーク抑制トランジスタM10のゲートとドレインは共通ノードになる。すなわち、このリーク抑制トランジスタM10は、ノードNSをしきい値電圧でクランプするダイオードと等価な素子となる。ワード線WLの電位がLowである保持期間では、ノードNSの電位はリーク電流を等価抵抗で置き換えるレシオ電位(Vdd・R10/(Rmc+R10)で示すことができる。ワード線WLが立ち上がり、アクセストランジスタM6がオン状態になると、ビット線WBLに充電された電荷がVssに向かって流れ込み、ノードNSの電位は上昇し、リーク抑制トランジスタM10はダイオードの機能を働かせる。このとき、ビット線WBLの電位はワード線WLの立ち上がりと共に下降する。一方、ノードNSはリーク抑制トランジスタM10が機能するダイオードの効果でクランプ電位まで上昇する。このため、ビット線WBLの下降電位は、そのクランプ電位より下がることはない。また、記憶ノードSNBもノードNSの電位上昇と共に、電位が高くなり、アクセストランジスタM6は基板効果を受けて閾値電圧が上がりオフ状態(非活性状態)になる。これらを要因として、ビット線WBLの放電電流は完全に放電されず、メモリセルアレイMCA全体では、読み出し動作時の動作電流が従来セルに比べて低減される。   FIG. 15 is a diagram for explaining the effect of suppressing the bit line current flowing from the bit line WBL to the memory cell during the read operation. The storage node SNT at the time of the suppression-mode stores data whose potential is High (Vdd). As a result, the driver transistor M4 is in the on state, and the gate and drain of the leak suppression transistor M10 become a common node. That is, the leak suppression transistor M10 is an element equivalent to a diode that clamps the node NS with the threshold voltage. In the holding period in which the potential of the word line WL is Low, the potential of the node NS can be represented by a ratio potential (Vdd · R10 / (Rmc + R10) in which the leakage current is replaced with an equivalent resistance. Is turned on, the electric charge charged in the bit line WBL flows toward Vss, the potential of the node NS rises, and the leak suppression transistor M10 functions as a diode. On the other hand, the node NS rises to the clamp potential due to the effect of the diode that the leak suppression transistor M10 functions, so that the fall potential of the bit line WBL never falls below the clamp potential. The storage node SNB also rises in the potential of the node NS. In both cases, the potential rises and the access transistor M6 is subjected to the substrate effect and the threshold voltage rises to the off state (inactive state), causing the discharge current of the bit line WBL not to be completely discharged, and the memory cell array. In the entire MCA, the operating current during the read operation is reduced as compared with the conventional cell.

図16は、各デバイス条件でのビット線WBLの読み出し電流の抑制効果の一例を示す表である。この図は、HSPICEを用いた計算機シミュレーションにより算出した値を記載している。ここで、メモリセルMCの条件は1.1V条件かつCC条件、1.2V条件かつFF条件、1.0V条件かつSS条件である。ただし、温度条件はいずれも125℃条件としている。ビット線WBLから流れる放電電流は、ワード線WLの立ち上がり開始から立ち下がり完了までの期間におけるメモリセルのVssに流れ込む平均電流としている。図16の表に示すように、1.1V条件かつCC条件では従来セルで約7.9μA、本実施の形態(第2の実施の形態)で1.6μAとなり、その低減率は約80%である。また、1.2V条件かつFF条件では従来セルで約8.2μA、本実施の形態で5.0μAとなり、その低減率は約38%である。また、1.0V条件かつSS条件では従来セルで約6.6μA、本実施の形態で0.6μAとなり、その低減率は約90%である。   FIG. 16 is a table showing an example of the effect of suppressing the read current of the bit line WBL under each device condition. This figure describes values calculated by computer simulation using HSPICE. Here, the conditions of the memory cell MC are 1.1V condition and CC condition, 1.2V condition and FF condition, 1.0V condition and SS condition. However, the temperature conditions are all 125 ° C. The discharge current flowing from the bit line WBL is an average current flowing into Vss of the memory cell in the period from the start of rising of the word line WL to the completion of falling. As shown in the table of FIG. 16, in the 1.1V condition and the CC condition, the conventional cell has about 7.9 μA, and the present embodiment (second embodiment) has 1.6 μA, and the reduction rate is about 80%. It is. In the 1.2V condition and the FF condition, the conventional cell has a value of about 8.2 μA and the present embodiment has a value of 5.0 μA, and the reduction rate is about 38%. Further, in the 1.0V condition and the SS condition, the conventional cell has about 6.6 μA and the present embodiment has 0.6 μA, and the reduction rate is about 90%.

図29〜図31は、各デバイス条件でのビット線電流の抑制効果の温度依存性を示すグラフである(後述の第5の実施の形態を含む)。各図において、縦軸はビット線WBLの放電電流(ビット線電流)Iss(nA)を示し、横軸は温度(℃)を示す。温度は125℃〜25℃まで10℃ステップで変化させている。図29〜図30の四角は従来セルを示し、従来セルではビット線の放電電流に温度依存性は殆どなく、最大で0.16μAの変化である。具体的には、以下のとおりである。   29 to 31 are graphs showing the temperature dependence of the bit line current suppression effect under each device condition (including a fifth embodiment to be described later). In each figure, the vertical axis indicates the discharge current (bit line current) Iss (nA) of the bit line WBL, and the horizontal axis indicates the temperature (° C.). The temperature is changed from 125 ° C. to 25 ° C. in 10 ° C. steps. The squares in FIG. 29 to FIG. 30 indicate conventional cells. In the conventional cells, the discharge current of the bit line has almost no temperature dependence, and the maximum change is 0.16 μA. Specifically, it is as follows.

図29は1.1V条件かつCC条件である。グラフ内の、四角は従来セルを示し、丸は本実施の形態のメモリセルMCを示し、三角は第5の実施の形態のメモリセルMCを示す。本実施の形態のグラフと従来セルを比較した結果、メモリセルMCでのビット線の放電電流Issの低減率は約80%〜86%である。   FIG. 29 shows 1.1V conditions and CC conditions. In the graph, squares indicate conventional cells, circles indicate memory cells MC of the present embodiment, and triangles indicate memory cells MC of the fifth embodiment. As a result of comparing the graph of the present embodiment with the conventional cell, the reduction rate of the discharge current Iss of the bit line in the memory cell MC is about 80% to 86%.

図30内の白抜き四角は従来セルの1.2V条件かつFF条件を示し、黒塗り四角は従来セルの1.2V条件かつFS条件を示し、白抜き丸は本実施の形態のメモリセルMCの1.2V条件かつFF条件を示し、黒塗り丸は本実施の形態のメモリセルMCの1.2V条件かつFS条件を示す。また、白抜き三角は第4の実施の形態のメモリセルMCの1.2V条件かつFF条件を示し、黒塗り三角は第4の実施の形態のメモリセルMCの1.2V条件かつFS条件を示す。本実施の形態の白抜き丸及び黒塗り丸のグラフを参照すると、従来セルと比較してビット線WBLの放電電流Issの低減率はそれぞれ約38%〜46%、約43%〜51%である。   In FIG. 30, a white square indicates the 1.2V condition and the FF condition of the conventional cell, a black square indicates the 1.2V condition and the FS condition of the conventional cell, and a white circle indicates the memory cell MC of the present embodiment. The 1.2V condition and the FF condition are shown, and the black circles indicate the 1.2V condition and the FS condition of the memory cell MC of the present embodiment. The white triangle indicates the 1.2V condition and FF condition of the memory cell MC of the fourth embodiment, and the black triangle indicates the 1.2V condition and FS condition of the memory cell MC of the fourth embodiment. Show. Referring to the white circle and black circle graphs of the present embodiment, the reduction rate of the discharge current Iss of the bit line WBL is about 38% to 46% and about 43% to 51%, respectively, as compared with the conventional cell. is there.

図31内の、白抜き四角は従来セルの1.0V条件かつSS条件を示し、黒塗り四角は従来セルの1.2V条件かつSF条件を示し、白抜き丸は本実施の形態のメモリセルMCの1.0V条件かつSS条件を示し、黒塗り丸は本実施の形態のメモリセルMCの1.2V条件かつSF条件を示す。白抜き三角は第4の実施の形態のメモリセルMCの1.0V条件かつSS条件を示し、黒塗り三角は第4の実施の形態のメモリセルMCの1.2V条件かつSF条件を示す。本実施の形態の白抜き丸及び黒塗り丸のグラフを参照すると、従来セルと比較して、ビット線WBLの放電電流Issの低減率はそれぞれ約90%〜92%、約87%〜90%である。   In FIG. 31, the white square indicates the 1.0V condition and SS condition of the conventional cell, the black square indicates the 1.2V condition and SF condition of the conventional cell, and the white circle indicates the memory cell of the present embodiment. The 1.0V condition and SS condition of MC are shown, and the black circles indicate the 1.2V condition and SF condition of the memory cell MC of the present embodiment. A white triangle indicates a 1.0 V condition and an SS condition of the memory cell MC of the fourth embodiment, and a black triangle indicates a 1.2 V condition and an SF condition of the memory cell MC of the fourth embodiment. Referring to the white circle and black circle graphs of the present embodiment, the reduction rate of the discharge current Iss of the bit line WBL is about 90% to 92% and about 87% to 90%, respectively, as compared with the conventional cell. It is.

図32は、図29〜図31の結果をまとめたグラフである(後述の第5の実施の形態を含む)。各デバイス条件でのビット線電流を、従来セルを基準にして低減率で示した。また、25℃から125℃までの温度依存性も示している。縦軸は、従来セルに対するビット線電流の低減率(%)を示し、横軸は各デバイス条件を示している。ただし本グラフの左側ではVss制御(第2の実施の形態)の結果を示し、右側ではVss+Vdd制御(第5の実施の形態)の結果を示している。また、デバイス条件のうち「CC,1.1V」は、1.1V条件かつCC条件を示し、「FF,1.2V」は、1.2V条件かつFF条件を示す。同様に、「SS,1.0V」は、1.0V条件かつSS条件を示し、「FS,1.2V」は、1.2V条件かつFS条件を示し、「SF,1.2V」は、1.2V条件かつSF条件を示す。各デバイス条件において、温度をパラメータとして、25℃から125℃まで10℃ステップで遅延時間を算出している。従って、11本の棒グラフは、左側から右側に向かって順に、125℃条件から25℃条件までの10℃ステップの11個の動作温度条件を示している。   FIG. 32 is a graph summarizing the results of FIGS. 29 to 31 (including a fifth embodiment described later). The bit line current under each device condition is shown as a reduction rate based on the conventional cell. Moreover, the temperature dependence from 25 degreeC to 125 degreeC is also shown. The vertical axis represents the reduction rate (%) of the bit line current relative to the conventional cell, and the horizontal axis represents each device condition. However, the left side of this graph shows the result of Vss control (second embodiment), and the right side shows the result of Vss + Vdd control (fifth embodiment). Of the device conditions, “CC, 1.1V” indicates the 1.1V condition and the CC condition, and “FF, 1.2V” indicates the 1.2V condition and the FF condition. Similarly, “SS, 1.0 V” indicates a 1.0 V condition and SS condition, “FS, 1.2 V” indicates a 1.2 V condition and FS condition, and “SF, 1.2 V” indicates 1.2V condition and SF condition are shown. Under each device condition, the delay time is calculated in steps of 10 ° C. from 25 ° C. to 125 ° C. using temperature as a parameter. Accordingly, the eleven bar graphs indicate eleven operating temperature conditions in a 10 ° C. step from the 125 ° C. condition to the 25 ° C. condition in order from the left side to the right side.

以上の結果から、本実施の形態のメモリセルMCを用いれば、ビット線WBLの放電電流Issを従来セルよりも約38%〜92%の低減が可能となる。電流値で示すと、従来セルで6.6μA〜8.7μAの放電電流を、本実施の形態では0.56μA〜5.0μAに低減することができる。   From the above results, if the memory cell MC of the present embodiment is used, the discharge current Iss of the bit line WBL can be reduced by about 38% to 92% as compared with the conventional cell. In terms of current value, the discharge current of 6.6 μA to 8.7 μA in the conventional cell can be reduced to 0.56 μA to 5.0 μA in the present embodiment.

なお、本実施の形態におけるリーク電流、及び、ワード線の立ち上がり(50%)から読み出し信号(50%)が出力されるまでの遅延時間(図33、図34)については第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。   Note that the leakage current and the delay time (FIG. 33, FIG. 34) from the rise of the word line (50%) to the output of the read signal (50%) in this embodiment are the first embodiment. The description is omitted here.

本実施の形態では、読み出しと書き込み用に分離したワード線(RWL、WWL)を用いず、共通のワード線WLを用いることで、ワードドライバや、その制御回路を従来セルと同じ回路方式で構成することができる。それにより、第1の実施の形態で必要となる書き込み用のワードドライバや制御回路が不要となり、第1の実施の形態に比べてチップ面積を低減し、前記の回路に流れる消費電流とリーク電流も削減できる。また、本実施の形態ではメモリセルMC内のダイオード接続構成により、読み出し動作時にビット線WBLから流れる充電電荷の放電電流を削減できる。そのため、従来セルに比べて読み出し動作時の動作電流を低減することができる。更に、本実施の形態は、第1の実施の形態と同様に保持期間でのリーク電流を低減することが出来る。以上のように、動作電流やリーク電流が低減できるため、本実施の形態のメモリセルMCを搭載する半導体チップ(LSI)の消費電流は低減される。また、本メモリセルを搭載する半導体チップにおいては、消費電流の増大により誘引される熱暴走を抑制するためシステムの誤動作や停止を低減し、本半導体チップで構成するシステムの信頼性は向上する。   In this embodiment, the word driver and its control circuit are configured in the same circuit system as that of the conventional cell by using a common word line WL without using separate word lines (RWL, WWL) for reading and writing. can do. This eliminates the need for a write word driver and control circuit required in the first embodiment, reduces the chip area compared to the first embodiment, and consumes current and leakage current flowing in the circuit. Can also be reduced. In this embodiment, the diode-connected configuration in the memory cell MC can reduce the discharge current of the charge that flows from the bit line WBL during the read operation. Therefore, the operating current during the read operation can be reduced as compared with the conventional cell. Furthermore, the present embodiment can reduce the leakage current during the holding period as in the first embodiment. As described above, since the operating current and the leakage current can be reduced, the current consumption of the semiconductor chip (LSI) on which the memory cell MC of the present embodiment is mounted is reduced. In addition, in a semiconductor chip on which this memory cell is mounted, the malfunction and stop of the system are reduced to suppress thermal runaway induced by an increase in current consumption, and the reliability of the system configured with this semiconductor chip is improved.

(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係る半導体装置の構成について説明する。上述の第1の実施の形態のメモリセルMCと本実施の形態のメモリセルMCとは以下の点で相違している。上述の第1の実施の形態のメモリセルMCは、ドライバトランジスタM3、M4の共通ソースとVssとの間にリーク抑制トランジスタM10を有している。一方、本実施の形態のメモリセルMCはロードトランジスタM1、M2の共通ソースとVddとの間にリーク抑制トランジスタM11を有している。すなわち、本実施の形態のメモリセルMCは、リーク抑制トランジスタ(M11)がVdd側に設けられている点で第1の実施の形態のメモリセルMCと相違する。以下では、主にその相違点について説明する。
(Third embodiment)
A configuration of the semiconductor device according to the third embodiment will be described. The memory cell MC of the first embodiment described above is different from the memory cell MC of the present embodiment in the following points. The memory cell MC according to the first embodiment described above includes the leak suppression transistor M10 between the common source of the driver transistors M3 and M4 and Vss. On the other hand, the memory cell MC of the present embodiment has a leak suppression transistor M11 between the common source of the load transistors M1 and M2 and Vdd. That is, the memory cell MC of the present embodiment is different from the memory cell MC of the first embodiment in that a leak suppression transistor (M11) is provided on the Vdd side. Below, the difference is mainly demonstrated.

図17は、第3の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルMCの構成を示す回路図である。メモリセルMCは、第2導電型(N)のドライバトランジスタM3、M4と、第2導電型(N)のアクセストランジスタM5、M6と、第1導電型(P)のロードトランジスタM1、M2と、第1導電型(P)のリーク抑制トランジスタM11を具備している。リーク抑制トランジスタM11は、ゲートをアクセストランジスタM5のソース(記憶ノードSNT)に、ドレインをロードトランジスタM1、M2の共通ソースに、ソースを電源Vddにそれぞれ接続されている。アクセストランジスタM5は、ドレインを読出しビット線RBLに、ゲートを読出しワード線RWLにそれぞれ接続されている。アクセストランジスタM6は、ドレインに書込みビット線WBLを、ゲートに書込みワード線WWLをそれぞれ接続されている。このとき、ドライバトランジスタM3、M4の共通ソースは電源Vssに接続されている。   FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration of the memory cell MC of the semiconductor device according to the third embodiment. The memory cell MC includes second conductivity type (N) driver transistors M3 and M4, second conductivity type (N) access transistors M5 and M6, first conductivity type (P) load transistors M1 and M2, A leak suppression transistor M11 of the first conductivity type (P) is provided. The leak suppression transistor M11 has a gate connected to the source of the access transistor M5 (storage node SNT), a drain connected to the common source of the load transistors M1 and M2, and a source connected to the power supply Vdd. The access transistor M5 has a drain connected to the read bit line RBL and a gate connected to the read word line RWL. Access transistor M6 has a drain connected to write bit line WBL and a gate connected to write word line WWL. At this time, the common source of the driver transistors M3 and M4 is connected to the power supply Vss.

本実施の形態では、リーク抑制トランジスタM11の効果により、記憶ノードSNTのデータが“1”の場合、メモリセルMCに印加される高電位側(Vdd側)の電位をVddよりも低くすることができる。このため、メモリセルMC内を流れるリーク電流は従来セルに比べて低減される。このリーク抑制トランジスタM11は、特別な制御信号を介さず、メモリセルMCへの書き込みデータに対応して自律的に行われる。従って、リーク抑制トランジスタは、制御信号による制御が不要であり、アクセス時間が制御信号に律速されないため遅くならない。また、特別な制御信号を生成する制御回路が不要であるため、レイアウト面積が増大せず、消費電流も増大しない。このリーク電流の低減効果は、非選択のメモリセルMCだけでなく、選択されたメモリセルMCにおいても同様に得ることができる。更に本実施の形態のメモリセルMCにおいて、読み出し用と書き込み用のワード線を用いているため、読み出し動作時では、対となる一方のビット線WBLからメモリセルMC内のVssへ放電電流が流れないため、読み出し動作時の動作電流は従来セルに比べて低減される。   In the present embodiment, due to the effect of the leak suppression transistor M11, when the data in the storage node SNT is “1”, the potential on the high potential side (Vdd side) applied to the memory cell MC may be made lower than Vdd. it can. For this reason, the leakage current flowing in the memory cell MC is reduced as compared with the conventional cell. The leak suppression transistor M11 is autonomously performed in response to the write data to the memory cell MC without using a special control signal. Accordingly, the leak suppression transistor does not need to be controlled by the control signal, and the access time is not limited by the control signal, so that it does not become slow. Further, since a control circuit for generating a special control signal is not required, the layout area does not increase and the current consumption does not increase. The effect of reducing the leakage current can be obtained not only in non-selected memory cells MC but also in selected memory cells MC. Further, in the memory cell MC of the present embodiment, since read and write word lines are used, a discharge current flows from one of the paired bit lines WBL to Vss in the memory cell MC during the read operation. Therefore, the operating current during the read operation is reduced as compared with the conventional cell.

、第3の実施の形態に係る半導体装置の動作について説明する。具体的には、メモリセルMCの書き込み動作、保持状態、及び読み出し動作について図17を参照して説明する。   The operation of the semiconductor device according to the third embodiment will be described. Specifically, a writing operation, a holding state, and a reading operation of the memory cell MC will be described with reference to FIG.

記憶ノードSNTにおいて、データ“0”の状態からデータ“1”を書き込む場合(Suppression−Modeに書き換わる場合)について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第1の実施の形態と同じである。次に、書き込みバッファは入力データに応じて書き込みデータをビット線RBL、WBLに出力する。カラムデコーダCDは、カラムセレクタCS内の選択スイッチを活性化し、書き込みバッファから送られたデータを、選択ビット線RBL、WBLに伝送する。書き込みデータが“1”の場合、ビット線RBLの電位をHighにし、ビット線WBLの電位をLowにする。その結果、メモリセルMC内の記憶ノードSNTの電位はLowからHighになり、記憶ノードSNBの電位はHighからLowになる。すなわち、記憶ノードSNT及び記憶ノードSNBの電位は、ビット線RBL、WBLを介して、入力データに応じた電位に書き換えられる。   A case where data “1” is written from the state of data “0” in the storage node SNT (when data is rewritten to Suppression-Mode) will be described. The operations from the precharge of the bit line to the rise of the word line are the same as in the first embodiment. Next, the write buffer outputs write data to the bit lines RBL and WBL according to the input data. The column decoder CD activates the selection switch in the column selector CS, and transmits the data sent from the write buffer to the selected bit lines RBL and WBL. When the write data is “1”, the potential of the bit line RBL is set high and the potential of the bit line WBL is set low. As a result, the potential of the storage node SNT in the memory cell MC changes from Low to High, and the potential of the storage node SNB changes from High to Low. That is, the potentials of the storage node SNT and the storage node SNB are rewritten to the potential according to the input data via the bit lines RBL and WBL.

以降、選択ワード線電位をロウ電位(Vss電位)にすることでメモリセルの記憶データの書き換えが終了する。記憶ノードSNTはHigh(Vdd)電位であり、リーク抑制トランジスタM11はオフ状態(非活性状態)である。この状態のメモリセルに流れるリーク電流は、図18Bと図18Cに示すメモリセルの等価回路で表すことが出来る。(図18Bと図18Cの詳細な説明は後述する。)図18Cを参照し、ロードトランジスタM1、M2の共通ノードPS(及び記憶ノードSNT)の電位を示すと、Vdd・Rmc/(Rmc+R11)になる。ここで、R11はリーク抑制トランジスタM11のオフ時の等価抵抗、RmcはインバータIVtとインバータIVbの等価抵抗を合成抵抗で示したものである。このノードNSの電位Vdd・Rmc/(Rmc+R11)は、メモリセルMC内を流れるリーク電流を等価回路で置き換えた等価抵抗の分割比である。従って、メモリセルMCの記憶ノードSNTがデータ“1”を保持している状態では、メモリセルMCに印加される高電位側(Vdd電位側)の電位を低くすることができ、メモリセル内に掛かる電源電圧は従来セルに比べて低下する。このため、メモリセルMC内を流れるリーク電流を低減することができる。   Thereafter, the rewriting of data stored in the memory cell is completed by setting the selected word line potential to the low potential (Vss potential). The storage node SNT is at a High (Vdd) potential, and the leak suppression transistor M11 is in an off state (inactive state). The leakage current flowing through the memory cell in this state can be represented by an equivalent circuit of the memory cell shown in FIGS. 18B and 18C. (Detailed description of FIGS. 18B and 18C will be described later.) Referring to FIG. 18C, the potential of the common node PS (and storage node SNT) of the load transistors M1 and M2 is represented by Vdd · Rmc / (Rmc + R11). Become. Here, R11 is an equivalent resistance when the leakage suppression transistor M11 is OFF, and Rmc is an equivalent resistance of the inverter IVt and the inverter IVb as a combined resistance. The potential Vdd · Rmc / (Rmc + R11) of the node NS is an equivalent resistance division ratio obtained by replacing the leak current flowing in the memory cell MC with an equivalent circuit. Therefore, in the state where the storage node SNT of the memory cell MC holds data “1”, the potential on the high potential side (Vdd potential side) applied to the memory cell MC can be lowered, The applied power supply voltage is lower than that of the conventional cell. For this reason, the leakage current flowing in the memory cell MC can be reduced.

ただし、データ書き込み動作中のノードPSの電位は、記憶ノードSNBの電位の立下りと共に一旦、電位Vdd・Rmc/(Rmc+R11)よりも電位を下げる。データ保持期間中には、ノードPSの電位は徐々に上記の分割比で表される電位に向かって上昇する。また、記憶ノードSNBの電位は書き込み動作と共にすぐにVssに立下り、ロードトランジスタM1がオン状態となるためノードPSと記憶ノードSNTは共通ノードになる。これらの要因から、書き込み直後ではリーク抑制トランジスタM11はすぐにオフ状態(非活性状態)にはならずオン状態であり、徐々にオフ状態に推移する。この推移は書き込み動作直後から数サイクルに掛けて起こるため、メモリセルのリーク電流はこの期間内で従来セルよりも多く流れる。   However, the potential of the node PS during the data write operation is once lower than the potential Vdd · Rmc / (Rmc + R11) as the potential of the storage node SNB falls. During the data holding period, the potential of the node PS gradually increases toward the potential represented by the above-described division ratio. Further, the potential of the storage node SNB immediately falls to Vss along with the write operation, and the load transistor M1 is turned on, so that the node PS and the storage node SNT become a common node. From these factors, immediately after writing, the leakage suppression transistor M11 is not immediately turned off (inactive) but is turned on, and gradually shifts to the off state. Since this transition occurs over several cycles immediately after the write operation, the leakage current of the memory cell flows more than that in the conventional cell within this period.

データ“1”の読み出し動作について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第1の実施の形態と同じである。選択されたワード線RWLは、ワード線RWLに接続される全メモリセルのアクセストランジスタM5をオンにする。その結果、ビット線RBLの電位には、記憶ノードSNTの電位であるHigh(Vdd)電位が出力される。ここで、記憶ノードSNTは、Vssを基準にして(Vdd−Vth11(M11の閾値電圧))以上の電位である。これは、(Vdd−Vth11)の電位よりも低い場合にはリーク抑制トランジスタM11がダイオード接続構成となるため(Vdd−Vth11)の電位にクランプされるからである。アクセストランジスタM5は、リーク抑制トランジスタM11と同じデバイスで構成しているため、閾値電圧はほぼ同じ値である。このことから、読み出し動作時にワード線RWLが立ち上がってもアクセストランジスタM5はオフ状態(非活性状態)でありビット線RBLの充電電荷はメモリセル内のVssに放電されず、ビット線RBLの電位は下がらない。また、閾値電圧のばらつきでアクセストランジスタM5がオン状態になるほど記憶ノードSNTの電位が下がったとしても、ビット線RBLの電位は、(Vdd−Vth11)の電位より下がることはないため、ビット線RBLに現れるデータ“High”を読み取ることが出来る。   A read operation of data “1” will be described. The operations from the precharge of the bit line to the rise of the word line are the same as in the first embodiment. The selected word line RWL turns on the access transistors M5 of all the memory cells connected to the word line RWL. As a result, a High (Vdd) potential that is the potential of the storage node SNT is output as the potential of the bit line RBL. Here, the storage node SNT has a potential equal to or higher than (Vdd−Vth11 (threshold voltage of M11)) with respect to Vss. This is because when the potential is lower than the potential of (Vdd−Vth11), the leak suppression transistor M11 has a diode connection configuration and is clamped to the potential of (Vdd−Vth11). Since the access transistor M5 is composed of the same device as the leak suppression transistor M11, the threshold voltage has almost the same value. Therefore, even when the word line RWL rises during the read operation, the access transistor M5 is in an off state (inactive state), and the charged charge of the bit line RBL is not discharged to Vss in the memory cell, and the potential of the bit line RBL is It does not fall. Further, even if the potential of the storage node SNT decreases as the access transistor M5 is turned on due to the variation in threshold voltage, the potential of the bit line RBL does not fall below the potential of (Vdd−Vth11). Can be read.

データ“1”の状態からデータ“0”を書き込む場合について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第1の実施の形態と同じである。ロウデコーダRDは、選択するワード線RWL、WWLを立ち上げ、ワード線RWL、WWLに接続する全メモリセルのアクセストランジスタM5、M6をオンにする。次に、書き込みバッファは入力データに応じて書き込みデータをビット線RBL、WBLに出力する。カラムデコーダCDは、カラムセレクタCSの選択ビット線のスイッチを活性化し、書き込みバッファから送られたデータを、選択ビット線RBL、WBLに伝送する。書き込みデータが“0”の場合、ビット線RBLの電位をLowにし、ビット線WBLの電位をHighにする。その結果、記憶ノードSNTの電位はHighからLowになり、記憶ノードSNBの電位はLowからHighになる。すなわち、記憶ノードSNT及び記憶ノードSNBの電位は、ビット線RBL、WBLを介して、入力データに応じた電位に書き換えられる。以降、選択ワード線電位をロウ電位(Vss電位)にすることでメモリセルの記憶データの書き換えが終了する。   A case where data “0” is written from the state of data “1” will be described. The operations from the precharge of the bit line to the rise of the word line are the same as in the first embodiment. The row decoder RD raises the selected word lines RWL and WWL and turns on the access transistors M5 and M6 of all the memory cells connected to the word lines RWL and WWL. Next, the write buffer outputs write data to the bit lines RBL and WBL according to the input data. The column decoder CD activates the switch of the selected bit line of the column selector CS, and transmits the data sent from the write buffer to the selected bit lines RBL and WBL. When the write data is “0”, the potential of the bit line RBL is set to Low, and the potential of the bit line WBL is set to High. As a result, the potential of the storage node SNT changes from High to Low, and the potential of the storage node SNB changes from Low to High. That is, the potentials of the storage node SNT and the storage node SNB are rewritten to the potential according to the input data via the bit lines RBL and WBL. Thereafter, the rewriting of data stored in the memory cell is completed by setting the selected word line potential to the low potential (Vss potential).

次に、データ“0”の保持状態では、記憶ノードSNTがLow(Vss)電位であり、リーク抑制トランジスタM11及びロードトランジスタM2はオン状態である。記憶ノードSNBのHigh電位はロードトランジスタM2とリーク抑制トランジスタM11を介してVdd電位で保持し、ノードPSの電位もリーク抑制トランジスタM11を介してVdd電位を保持する。   Next, in the data “0” holding state, the storage node SNT is at the Low (Vss) potential, and the leakage suppression transistor M11 and the load transistor M2 are in the on state. The high potential of the storage node SNB is held at the Vdd potential via the load transistor M2 and the leak suppression transistor M11, and the potential of the node PS is also held at the Vdd potential via the leak suppression transistor M11.

データ“0”の読み出し動作について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第1の実施の形態と同じである。ロウデコーダRD内のワードドライバは、選択したワード線RWLのみを立ち上げ(Vddに上昇)、ワード線RWLに接続する全メモリセルのアクセストランジスタM5をオンにする。その結果、ビット線RBLの充電電荷はメモリセルMC内の記憶ノードSNTを経由してVssに放電される。このとき、記憶ノードSNTはビット線RBLから流れる放電電流と共に一時的に電位を上昇させる。しかし、ビット線RBLの電位が降下すると共に記憶ノードSNTの電位は次第にVssとなる。このとき、ビット線RBLの放電電流は、読み出し電流とも言われる。また、記憶ノードSNTにデータ“0”(Vss)、記憶ノードSNBにデータ“1”(Vdd)が格納されているとき、ドライバトランジスタM3のゲートにはVddが印加され、十分な駆動力で読み出し電流が流れる。   A read operation of data “0” will be described. The operations from the precharge of the bit line to the rise of the word line are the same as in the first embodiment. The word driver in the row decoder RD raises only the selected word line RWL (rises to Vdd) and turns on the access transistors M5 of all memory cells connected to the word line RWL. As a result, the charge on the bit line RBL is discharged to Vss via the storage node SNT in the memory cell MC. At this time, storage node SNT temporarily increases the potential together with the discharge current flowing from bit line RBL. However, as the potential of the bit line RBL drops, the potential of the storage node SNT gradually becomes Vss. At this time, the discharge current of the bit line RBL is also referred to as a read current. In addition, when data “0” (Vss) is stored in the storage node SNT and data “1” (Vdd) is stored in the storage node SNB, Vdd is applied to the gate of the driver transistor M3, and reading is performed with sufficient driving force. Current flows.

本実施の形態に係るメモリセルのメカニズム及び効果について説明する。
記憶ノードSNTにデータ“1”(High)が格納され、記憶ノードSNBにデータ“0”(Low)が格納されている場合(Suppression Mode)を想定する。記憶ノードSNTの電位は、リーク抑制トランジスタM11がオフ状態にあり、メモリセルMCはデータ保持状態でリーク電流が流れている。また、記憶ノードSNBの電位は、Vssである。図18A〜図18Cは、このときのデータ保持状態を説明する図である。このうち、図18AはメモリセルMCを示す回路図であり、図18B及び図18Cは、メモリセルMCを等価回路で示すものである。
The mechanism and effect of the memory cell according to this embodiment will be described.
It is assumed that data “1” (High) is stored in storage node SNT and data “0” (Low) is stored in storage node SNB (suppression mode). The potential of the storage node SNT is such that the leak suppression transistor M11 is in an off state and the memory cell MC is in a data holding state and a leak current flows. The potential of the storage node SNB is Vss. 18A to 18C are diagrams for explaining the data holding state at this time. 18A is a circuit diagram showing the memory cell MC, and FIGS. 18B and 18C show the memory cell MC in an equivalent circuit.

図18Aに示されるように、記憶ノードSNBにはVss電位が保持され、ロードトランジスタM1はオン状態である。従って、ノードPSと記憶ノードSNTは共通ノードになり、リーク抑制トランジスタM11はダイオード接続の構成になる。また、ドライバトランジスタM3とロードトランジスタM2はオフ状態である。この状態のとき、インバータIVt、IVbにはVddからVssに向かってリーク電流が流れる。図18Bは、メモリセルMC内のトランジスタを等価抵抗で置き換えた等価回路である。ここで、抵抗Rivt、RivbはインバータIVt、IVbを等価抵抗に置き換えたものである。抵抗R11はリーク抑制トランジスタM11に流れるリーク電流を等価抵抗に置き換えたものである。ダイオードD11は、リーク抑制トランジスタM11がダイオード接続構成になることを示し、等価素子で置き換えている。図18Cは、図18Bの等価抵抗Rivt、Rivbを、合成抵抗Rmcに置き換えたものである。Vss=0Vと仮定し、図18Cに基づいてノードPSの電位Vpsを求めると、Vdd・Rmc/(Rmc+R11)で表すことが出来る。ノードPSの電位Vpsは、VddよりもΔVps=Vdd・R11/(Rmc+R11)だけ低くなる。ただし、このときのノードPSの電位Vpsは、リーク抑制トランジスタM11の閾値電圧の絶対値Vth11よりも低い場合で成立する。なお、ノードPSの電位Vpsが、リーク抑制トランジスタM11の閾値電圧の絶対値Vth11よりも高い場合には、ノードPSの電位Vpsは、ダイオードD11でクランプされ、Vdd−Vth11となる。   As shown in FIG. 18A, the storage node SNB holds the Vss potential, and the load transistor M1 is in the on state. Therefore, the node PS and the storage node SNT become a common node, and the leak suppression transistor M11 has a diode connection configuration. The driver transistor M3 and the load transistor M2 are in an off state. In this state, a leak current flows from Vdd to Vss in inverters IVt and IVb. FIG. 18B is an equivalent circuit in which the transistor in the memory cell MC is replaced with an equivalent resistance. Here, resistors Rivt and Rivb are obtained by replacing inverters IVt and IVb with equivalent resistors. The resistor R11 is obtained by replacing the leak current flowing through the leak suppression transistor M11 with an equivalent resistor. The diode D11 indicates that the leak suppression transistor M11 has a diode connection configuration, and is replaced with an equivalent element. FIG. 18C is obtained by replacing the equivalent resistances Rivt and Rivb of FIG. 18B with a combined resistance Rmc. Assuming that Vss = 0V, the potential Vps of the node PS is obtained based on FIG. 18C and can be expressed by Vdd · Rmc / (Rmc + R11). The potential Vps of the node PS is lower than Vdd by ΔVps = Vdd · R11 / (Rmc + R11). However, the potential Vps of the node PS at this time is established when it is lower than the absolute value Vth11 of the threshold voltage of the leak suppression transistor M11. When the potential Vps of the node PS is higher than the absolute value Vth11 of the threshold voltage of the leak suppression transistor M11, the potential Vps of the node PS is clamped by the diode D11 and becomes Vdd−Vth11.

このように、記憶ノードSNTの電位がHigh(ノードPSの電位)、記憶ノードSNBの電位がLow(Vss)のとき(Suppression Modeのとき)、メモリセルMCの高電位側の電位(ノードPSの電位Vps)はVddよりも上記ΔVpsだけ低い電位となり、メモリセルMC内を流れるリーク電流imcは、imc=Vdd/(Rmc+R11)となる。ここで、リーク抑制トランジスタM11を用いない従来セルでのリーク電流をiconとすると、icon=Vdd/Rmcとなる。従って、メモリセルMC内を流れるリーク電流(imc)は、従来セルのリーク電流(icon)と比較して低減される。   In this way, when the potential of the storage node SNT is High (the potential of the node PS) and the potential of the storage node SNB is Low (Vss) (in the suppression mode), the potential on the high potential side of the memory cell MC (the potential of the node PS). The potential Vps) is lower than the Vdd by the above ΔVps, and the leakage current imc flowing through the memory cell MC is imc = Vdd / (Rmc + R11). Here, if the leakage current in the conventional cell not using the leakage suppression transistor M11 is icon, icon = Vdd / Rmc. Therefore, the leakage current (imc) flowing through the memory cell MC is reduced compared to the leakage current (icon) of the conventional cell.

本実施の形態において、リーク抑制トランジスタM11の閾値電圧の絶対値は、アクセストランジスタM3、M4の閾値電圧の絶対値よりも低いことが好ましい。上記に示したように、ノードPSの電位Vpsが、ダイオードD11でクランプされ、リーク抑制トランジスタM11の閾値電圧Vth11となる場合を考慮し、ドライバトランジスタM4のゲートとソース間に掛かるバイアス電圧を十分に高くし、ドライバトランジスタM4のオン抵抗を小さくするためである。これにより、記憶ノードSNBにおけるノイズに対する耐性を高くすることができる。   In the present embodiment, the absolute value of the threshold voltage of leak suppression transistor M11 is preferably lower than the absolute value of the threshold voltage of access transistors M3 and M4. As described above, considering the case where the potential Vps of the node PS is clamped by the diode D11 and becomes the threshold voltage Vth11 of the leak suppression transistor M11, the bias voltage applied between the gate and the source of the driver transistor M4 is sufficiently set. This is because the ON resistance of the driver transistor M4 is reduced. Thereby, the tolerance with respect to the noise in the storage node SNB can be made high.

図19は、データ“1”(Vdd)を記憶ノードSNTに書き込んだ後の平均リーク電流Iddmcを保持サイクルでプロットしたグラフである。本図の平均リーク電流Iddmcは、HSPICEを用いて計算機シミュレーションにより算出し、データの書き込み動作後の保持状態で50サイクル時の値を示している。横軸はデータ書き込み後の保持状態のサイクル数を示し、縦軸は平均リーク電流Iddmc(nA)を対数で表ししている。この図において、白抜き三角は、本実施の形態のメモリセルMCにおける、FF条件かつ1.2V条件とした場合である。黒三角は、従来の6トランジスタのメモリセル(従来セル)での、FF条件かつ1.2V条件とした場合の結果である。白抜き丸は、本実施の形態のメモリセルMCにおける、CC条件かつ1.1V条件とした場合の結果である。黒丸は、従来セルでの、CC条件かつ1.1V条件とした場合の結果である。白抜き四角は、本実施の形態のメモリセルMCにおける、SS条件かつ1.0V条件とした場合の結果である。黒四角は、従来セルでの、SS条件かつ1.0V条件とした場合の結果である。   FIG. 19 is a graph in which the average leakage current Iddmc after the data “1” (Vdd) is written to the storage node SNT is plotted in the holding cycle. The average leakage current Iddmc in the figure is calculated by computer simulation using HSPICE, and indicates a value at 50 cycles in the holding state after the data writing operation. The horizontal axis represents the number of cycles in the holding state after data writing, and the vertical axis represents the average leakage current Iddmc (nA) in logarithm. In this figure, the white triangle is when the FF condition and the 1.2V condition are used in the memory cell MC of the present embodiment. The black triangle is the result when the FF condition and the 1.2 V condition are used in a conventional 6-transistor memory cell (conventional cell). The white circle is the result when the CC condition and the 1.1 V condition are set in the memory cell MC of the present embodiment. A black circle is a result in the case of CC condition and 1.1V condition in a conventional cell. The white squares are the results when the SS condition and the 1.0 V condition are used in the memory cell MC of the present embodiment. The black squares are the results when SS conditions and 1.0 V conditions are used in a conventional cell.

図19に示すように、SS条件、CC条件、FF条件の順でリーク電流(Iddmc)は増加する。FF条件を基準にすると、CC条件で二桁、SS条件で三桁、リーク電流の値は低い。FF条件でのリーク電流が他の条件よりも大きく、最大であることが分かる。この傾向は、従来セルにおいても同様である。従って、本実施の形態は、諸条件でのリーク電流値が従来セルのFF条件でのリーク電流値よりも低いため、従来セルに比べてリーク電流を低減する効果があることを確認できる。   As shown in FIG. 19, the leakage current (Idddmc) increases in the order of the SS condition, CC condition, and FF condition. Based on the FF condition, the leak current value is low by two digits under the CC condition and three digits under the SS condition. It can be seen that the leakage current under the FF condition is larger than the other conditions and maximum. This tendency is the same in the conventional cell. Therefore, since the leakage current value under various conditions is lower than the leakage current value under the FF condition of the conventional cell, it can be confirmed that this embodiment has an effect of reducing the leakage current as compared with the conventional cell.

また、本実施の形態のメモリセルMC(図17)のリーク電流は従来セル(6トランジスタ)のリーク電流に比べて、FF条件で30.1%の低減を図ることができる。ところで、本実施の形態ではデータ“1”の書き込み動作時にノードPSの電位が低下し、記憶ノードSNTでの立ち上がり時間は緩やかになる。これは、記憶ノードSNTの電位上昇と共にリーク抑制トランジスタM11を流れる電流が低下するためである。このため、記憶ノードSNTの電位はVddとVssの間の電位から緩やかに上昇する。従って、インバータIVbには書き込み動作後の数サイクルにおいて微小な貫通電流が流れメモリセルMC内のリーク電流は従来セルに比べて一時的に大きくなる。このリーク電流は、リーク抑制トランジスタM11のゲート電位(SNTの電位)がVdd・Rmc/(Rmc+R11)に向かって上昇するに従い、減少する。この現象は図19からも観測できる。本図においてSS条件とCC条件では書き込み動作後の保持サイクルが3サイクル以降、FF条件では4サイクル以降で、FF条件での従来セルよりリーク電流が少なくなることが分かる。   Further, the leakage current of the memory cell MC (FIG. 17) of the present embodiment can be reduced by 30.1% under the FF condition as compared with the leakage current of the conventional cell (6 transistors). By the way, in the present embodiment, the potential of the node PS decreases during the write operation of the data “1”, and the rise time at the storage node SNT becomes gradual. This is because the current flowing through the leakage suppression transistor M11 decreases as the potential of the storage node SNT increases. For this reason, the potential of the storage node SNT gradually rises from the potential between Vdd and Vss. Therefore, a minute through current flows in the inverter IVb in several cycles after the write operation, and the leak current in the memory cell MC temporarily becomes larger than that in the conventional cell. This leakage current decreases as the gate potential (SNT potential) of the leakage suppression transistor M11 increases toward Vdd · Rmc / (Rmc + R11). This phenomenon can also be observed from FIG. In this figure, it is understood that the leakage current is smaller than that of the conventional cell under the FF condition when the retention cycle after the write operation is 3 cycles or more under the SS condition and the CC condition, and after 4 cycles under the FF condition.

前述のリーク電流が従来セルに比べて大きくなる現象を、メモリセルアレイ規模で検討する。本実施の形態ではシミュレーション用のメモリセルアレイの規模をメモリセル16ビットで構成している。このアレイ規模において、FF条件で1ビットずつ順番にデータ“1”を繰り返し書き込むと仮定すると、16サイクルごとに一度、書き込みサイクルとなる。また、15ビット中3ビットは従来セルよりもリーク電流が大きいことになる(ただし、1ビットは書き込み動作中のサイクルであり、前記の3ビットは前述の3サイクルに相当する)。3ビットのリーク電流と、残りの12ビットのリーク電流の合計が従来セルの15ビットのリーク電流よりも大きい場合はリーク電流の低減効果がないことになる。実際には、SRAMマクロのメモリ規模は少なくとも数キロビットの記憶容量があり、3ビットに対して、残りのビット数が圧倒的に多い。また、この3ビットのリーク電流は従来セルよりも32.3nA、6.7nA、0.9nA多く流れるが、他のビットは従来に比べて約5nAのリークを低減する。つまり、この3ビットで増加するリーク電流が約40nAであっても、残りのビットが1キロビットであれば5nA×1kb=5μAのリーク電流を低減できる。このことから、本実施の形態のように一時的にリーク電流が大きくなるメモリセルが数ビットから数十ビットあったとしても、メモリセルアレイ全体から見ればリーク電流を低減する効果が大きいことが分かる。   A phenomenon in which the above-described leakage current becomes larger than that of a conventional cell will be examined on a memory cell array scale. In this embodiment, the size of the memory cell array for simulation is composed of 16 bits of memory cells. Assuming that data “1” is repeatedly written in order of 1 bit at a time under the FF condition in this array scale, the write cycle is once every 16 cycles. In addition, 3 bits out of 15 bits have a larger leakage current than the conventional cell (where 1 bit is a cycle during a write operation, and the 3 bits correspond to the above-described 3 cycles). When the sum of the leakage current of 3 bits and the remaining leakage current of 12 bits is larger than the leakage current of 15 bits of the conventional cell, there is no effect of reducing the leakage current. Actually, the memory size of the SRAM macro has a storage capacity of at least several kilobits, and the remaining number of bits is overwhelmingly larger than 3 bits. The 3-bit leakage current flows 32.3 nA, 6.7 nA, and 0.9 nA more than the conventional cell, but other bits reduce the leakage of about 5 nA compared to the conventional cell. That is, even if the leakage current increased by 3 bits is about 40 nA, the leakage current of 5 nA × 1 kb = 5 μA can be reduced if the remaining bits are 1 kilobit. From this, even if there are several to tens of bits of memory cells in which the leakage current temporarily increases as in the present embodiment, it can be seen that the effect of reducing the leakage current is great when viewed from the entire memory cell array. .

図25〜図28は、各制御方式(第1、第4(後述)の実施の形態を含む)でのリーク電流のサイクル依存性を示すグラフである(ただし、図27、図28は部分的に拡大している)。これらのグラフの前提条件や記号については、第1の実施の形態において既述した通りである。ただし、既述のように、黒塗り丸、白抜き丸、バツ印は、第3の実施の形態(“Vdd−Cntrl”)において、それぞれVdd1.2V条件かつFF条件、Vdd1.1V条件かつCC条件、Vdd1.0V条件かつSS条件である。   25 to 28 are graphs showing cycle dependency of leakage current in each control method (including first and fourth (described later) embodiments) (however, FIGS. 27 and 28 are partial graphs). Has expanded to). The preconditions and symbols of these graphs are as already described in the first embodiment. However, as described above, in the third embodiment (“Vdd-Cntrl”), the black circle, the white circle, and the cross mark are the Vdd1.2V condition, the FF condition, the Vdd1.1V condition, and the CC, respectively. Condition, Vdd 1.0 V condition and SS condition.

図25の黒塗り丸に示されるように、Vdd1.2V条件かつFF条件かつ125℃条件では、従来セルと比較して、リーク電流が15%低減される。また、図26の黒塗り丸に示されるように、Vdd1.2V条件かつFF条件かつ75℃条件では、従来セルと比較して、リーク電流が19.6%低減される。また、図27の黒塗り丸に示されるように、Vdd1.2V条件かつFF条件かつ40℃条件では、従来セルと比較して、リーク電流が15.0%低減される。また、図28の黒塗り丸に示されるように、Vdd1.2V条件かつFF条件かつ25℃条件では、従来セルと比較して、リーク電流が11.2%低減される。   As shown by the black circles in FIG. 25, the leakage current is reduced by 15% in the Vdd 1.2V condition, the FF condition, and the 125 ° C. condition as compared with the conventional cell. Also, as shown by the black circles in FIG. 26, the leakage current is reduced by 19.6% under the Vdd 1.2 V condition, the FF condition, and the 75 ° C. condition as compared with the conventional cell. Further, as shown by the black circles in FIG. 27, under the Vdd 1.2V condition, the FF condition and the 40 ° C. condition, the leakage current is reduced by 15.0% compared to the conventional cell. Further, as shown by the black circles in FIG. 28, the leakage current is reduced by 11.2% in the Vdd 1.2V condition, the FF condition, and the 25 ° C. condition as compared with the conventional cell.

以上のように、本実施の形態では記憶されるデータに依存してリーク電流の値が決定される。しかし、記憶されるデータ“1”の分布率とリーク電流の相関、上述の特性を示すデバイスのバラツキや温度依存性、データ“1”の記憶される確率、SoC半導体チップに搭載されるメモリセルMCの数などから、本実施の形態のメモリセルMCは、従来セルよりもリーク電流を低減する効果がある。   As described above, in the present embodiment, the value of the leakage current is determined depending on the stored data. However, the correlation between the distribution ratio of the stored data “1” and the leakage current, the variation and temperature dependence of the devices exhibiting the above characteristics, the probability of storing the data “1”, the memory cell mounted on the SoC semiconductor chip From the number of MCs and the like, the memory cell MC of the present embodiment has an effect of reducing the leakage current as compared with the conventional cell.

図25〜図28に示すように、125℃〜25℃のリーク電流Iddを観測すると、高温になるに従いリーク電流が大きくなることが分かる。125℃のとき1.2VかつFF条件のときリーク電流が最大条件となる。既述したように、書き込み動作後の保持期間は4サイクル以降で、従来セルよりもリーク電流が少なくなる。従来セルを基準にリーク電流が少なくなるサイクル条件を125℃〜25℃まで観測すると、従来セルよりもリーク電流が少なくなるサイクル数は、低温になるに従い増加する。例えば、25℃(図28)では30サイクル以降でリーク電流が減少することが分かる。言い換えれば、29サイクルまでは従来セルと比較してリーク電流が多いといえる。   As shown in FIGS. 25 to 28, when the leakage current Idd of 125 ° C. to 25 ° C. is observed, it can be seen that the leakage current increases as the temperature increases. The leakage current becomes the maximum condition at 1.2 V at 125 ° C. and FF conditions. As described above, the retention period after the write operation is four cycles or more, and the leakage current is smaller than that of the conventional cell. When the cycle condition in which the leakage current decreases with respect to the conventional cell is observed from 125 ° C. to 25 ° C., the number of cycles in which the leakage current decreases compared to the conventional cell increases as the temperature decreases. For example, it can be seen that the leakage current decreases after 30 cycles at 25 ° C. (FIG. 28). In other words, it can be said that the leakage current is larger than that of the conventional cell up to 29 cycles.

ここでメモリ容量が1キロビットのメモリセルアレイに対して、1ビットずつ書き込み動作を繰り返した場合を想定する。具体的には、前記の29ビット(29サイクル分)のリーク電流は、従来セルに比べて以下の分だけ増加する。第1〜第10ビットは、それぞれ34.1nA、12.4nA、7.4nA、5.1nA、3.8nA、3.0nA、2.4nA、2.0nA、1.7nA、1.4nAである。第11〜第20ビットは、それぞれ1.2nA、1.1nA、0.9nA、0.8nA、0.7nA、0.6nA、0.52nA、0.45nA、0.39nA、0.33nAである。第21〜第29ビットは、それぞれ0.29nA、0.24nA、0.2nA、0.17nA、0.13nA、0.1nA、0.07nA、0.05nA、0.02nAである。これらの29ビットのリーク電流の合計は81.7nAである。30ビット以降では約0.24nAそれぞれ低下する。ここで、30ビット以降に対応するメモリセルMCの個数は約1キロビットであるため、リーク電流の低下分は合計で約240nAである。以上のことから、このメモリマクロでは約160nAのリーク電流を削減できることになる。また、SoC(System On Chip)半導体チップは、メモリ容量を数キロビットから数十メガビット内蔵するSRAMマクロを多数個(数百個〜数千個)有している。そのため、上記のリーク電流の削減量に比べて、圧倒的に削減量が多くなることが分かる。   Here, it is assumed that the write operation is repeated bit by bit for a memory cell array having a memory capacity of 1 kilobit. Specifically, the 29-bit (29 cycles) leakage current increases by the following amount compared to the conventional cell. The first to tenth bits are 34.1 nA, 12.4 nA, 7.4 nA, 5.1 nA, 3.8 nA, 3.0 nA, 2.4 nA, 2.0 nA, 1.7 nA, and 1.4 nA, respectively. . The 11th to 20th bits are 1.2 nA, 1.1 nA, 0.9 nA, 0.8 nA, 0.7 nA, 0.6 nA, 0.52 nA, 0.45 nA, 0.39 nA, and 0.33 nA, respectively. . The 21st to 29th bits are 0.29 nA, 0.24 nA, 0.2 nA, 0.17 nA, 0.13 nA, 0.1 nA, 0.07 nA, 0.05 nA, and 0.02 nA, respectively. The total of these 29-bit leakage currents is 81.7 nA. After 30 bits, it decreases by about 0.24 nA. Here, since the number of memory cells MC corresponding to the 30th bit and after is about 1 kilobit, the reduction in leakage current is about 240 nA in total. From the above, this memory macro can reduce the leakage current of about 160 nA. In addition, a SoC (System On Chip) semiconductor chip has a large number (hundreds to thousands) of SRAM macros having a built-in memory capacity of several kilobits to several tens of megabits. Therefore, it can be seen that the reduction amount is overwhelmingly larger than the reduction amount of the leakage current.

本実施の形態におけるワード線の立ち上がりから読み出し信号が出力されるまでの読み出し信号の遅延時間について説明する。図33は、ワード線の立ち上がりから読み出し信号が出力されるまでの読み出し信号の遅延時間を示す表である(第1−2、第4−5の実施の形態を含む)。これらのグラフの前提条件や記号については、第1の実施の形態において既述した通りである。   The delay time of the read signal from the rise of the word line to the output of the read signal in this embodiment will be described. FIG. 33 is a table showing the delay time of the read signal from the rise of the word line until the read signal is output (including the first and second and fourth to fifth embodiments). The preconditions and symbols of these graphs are as already described in the first embodiment.

CC条件において、従来セルで74.0〜75.9psec.の遅延であり、第3の実施の形態(Vdd制御)で73.8.4〜75.7psec.の遅延である。FF条件では、従来セルで47.1〜48.2psec.の遅延であり、第3の実施の形態で47.0〜47.7psec.の遅延である。SS条件では、従来セルで142.7〜143.1psecの遅延であり、第3の実施の形態では142.2〜142.6psec.の遅延である。この表から、CC条件とFF条件では高温になるほど遅延時間が長くなり、SS条件では高温になるほど遅延時間が短くなる特徴がある。ただし、これらの変化は最大で2psec.であり各条件での温度依存性は殆どないことが分かる。   Under CC conditions, 74.0 to 75.9 psec. In the third embodiment (Vdd control) 73.8.4 to 75.7 psec. Is the delay. Under the FF condition, 47.1-48.2 psec. Of 47.0 to 47.7 psec. In the third embodiment. Is the delay. Under the SS condition, the delay is 142.7 to 143.1 psec in the conventional cell, and 142.2 to 142.6 psec. In the third embodiment. Is the delay. From this table, there is a feature that the delay time becomes longer as the temperature becomes higher under the CC condition and the FF condition, and the delay time becomes shorter as the temperature becomes higher under the SS condition. However, these changes are 2 psec. It can be seen that there is almost no temperature dependence under each condition.

図35は、図33の結果に関して、従来セルの遅延時間を基準とした、各制御方式での遅延時間の増加率を示すグラフである。各制御方式での11本の棒グラフは、左側から右側に向かって順に、125℃条件から25℃条件までの10℃ステップの温度条件となる。Vdd制御のCC条件(Vdd制御“CC”)では従来セルに比べて約0.2%の遅延増加が認められる。また、Vdd制御のFF条件(Vdd制御“FF”)では従来セルに比べて約0.2〜1%の遅延増加があり、Vdd制御のSS条件(Vdd制御“SS”)では従来セルに比べて約0.3%の遅延増加が認められる。また、Vdd制御のFS条件(Vdd制御“FS”)では従来セルに比べて約0.2〜0.7%の遅延増加があり、Vdd制御のSF条件(Vdd制御“SF”)では従来セルに比べて約0.2%の遅延増加がある。本実施の形態は、従来セルとの比較において最大で1%ほど速くなる。これらのことから、本実施の形態は従来セルと比較して読み出し速度の温度依存性について優劣がない、と言える。   FIG. 35 is a graph showing the increase rate of the delay time in each control method based on the delay time of the conventional cell with respect to the result of FIG. The eleven bar graphs in each control method become temperature conditions of a 10 ° C. step from the 125 ° C. condition to the 25 ° C. condition in order from the left side to the right side. Under the CC condition of Vdd control (Vdd control “CC”), a delay increase of about 0.2% is recognized as compared with the conventional cell. The Vdd control FF condition (Vdd control “FF”) has a delay increase of about 0.2 to 1% compared to the conventional cell, and the Vdd control SS condition (Vdd control “SS”) is greater than that of the conventional cell. About 0.3% increase in delay is observed. The Vdd control FS condition (Vdd control “FS”) has a delay increase of about 0.2 to 0.7% compared to the conventional cell, and the Vdd control SF condition (Vdd control “SF”) has the conventional cell. There is a delay increase of about 0.2%. This embodiment is about 1% faster than the conventional cell. From these facts, it can be said that this embodiment has no superiority or inferiority in the temperature dependence of the reading speed as compared with the conventional cell.

以上のように本実施の形態においても、従来セルよりもリーク電流を低減する効果がある。また、本実施の形態では、読み出し用と書き込み用のワード線を用いるため、読み出し動作時に書き込み用のビット線WBLから放電電流(読み出し電流)が流れず、読み出し期間中の動作電流を抑制する効果がある。また、本実施の形態は、メモリセルの読み出し速度が従来セルと同等であり、第1の実施の形態や第2の実施の形態と比較すると高速で読み出すことができる。これらのことから、本実施の形態では従来セルと同等の読み出し速度を保ちながら、リーク電流や読み出し動作電流を低減する効果がある。従って、本実施の形態の半導体装置を搭載する半導体チップは消費電流を低減することができる。また、消費電流の低減効果は、半導体チップ(LSI)が生じる温度上昇を抑制し、熱暴走によるシステムの誤動作や停止を低減することができる。さらに、前記の誤動作や停止が低減されることにより、本半導体チップを用いたシステムの信頼性は向上する。   As described above, this embodiment also has an effect of reducing the leakage current as compared with the conventional cell. In this embodiment, since the read and write word lines are used, the discharge current (read current) does not flow from the write bit line WBL during the read operation, and the operation current is suppressed during the read period. There is. Further, in this embodiment, the reading speed of the memory cell is equal to that of the conventional cell, and reading can be performed at a higher speed than the first embodiment and the second embodiment. For these reasons, the present embodiment has an effect of reducing the leakage current and the read operation current while maintaining the read speed equivalent to that of the conventional cell. Therefore, the semiconductor chip on which the semiconductor device of this embodiment is mounted can reduce current consumption. In addition, the effect of reducing current consumption can suppress a temperature rise caused by a semiconductor chip (LSI), and reduce malfunction and stoppage of the system due to thermal runaway. Furthermore, the reliability of the system using this semiconductor chip is improved by reducing the malfunction and stoppage.

(第4の実施の形態)
第4の実施の形態に係る半導体装置の構成について説明する。上述の第1の実施の形態のメモリセルMCと本実施の形態のメモリセルMCとは以下の点で相違している。上述の第1の実施の形態のメモリセルMCは、ドライバトランジスタM3、M4の共通ソースとVssとの間にリーク抑制トランジスタM10を有している。一方、本実施の形態のメモリセルMCは、第1の実施の形態のメモリセルMCに加えて、ロードトランジスタM1、M2の共通ソースとVddとの間にリーク抑制トランジスタM11を有している。すなわち、本実施の形態のメモリセルMCは、リーク抑制トランジスタ(M11)がVdd側にも追加されている点で第1の実施の形態のメモリセルMCと相違する。言い換えると、本実施の形態のメモリセルMCは、第1の実施の形態と第3の実施の形態を組み合わせた構成を有している。以下では、主にその相違点について説明する。
(Fourth embodiment)
A configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. The memory cell MC of the first embodiment described above is different from the memory cell MC of the present embodiment in the following points. The memory cell MC according to the first embodiment described above includes the leak suppression transistor M10 between the common source of the driver transistors M3 and M4 and Vss. On the other hand, in addition to the memory cell MC of the first embodiment, the memory cell MC of the present embodiment has a leak suppression transistor M11 between the common source of the load transistors M1 and M2 and Vdd. That is, the memory cell MC of the present embodiment is different from the memory cell MC of the first embodiment in that a leak suppression transistor (M11) is also added on the Vdd side. In other words, the memory cell MC of the present embodiment has a configuration in which the first embodiment and the third embodiment are combined. Below, the difference is mainly demonstrated.

図20は、第4の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルMCの構成を示す回路図である。メモリセルMCは、第2導電型(N)のドライバトランジスタM3、M4と、第2導電型(N)のアクセストランジスタM5、M6と、第1導電型(P)のロードトランジスタM1、M2と、第2導電型(N)のリーク抑制トランジスタM10と、第1導電型(P)のリーク抑制トランジスタM11を具備している。リーク抑制トランジスタM10は、ゲートをアクセストランジスタM6のソース(記憶ノードSNB)に、ドレインをドライバトランジスタM3、M4の共通ソースに、ソースを電源Vssにそれぞれ接続されている。リーク抑制トランジスタM11は、ゲートをアクセストランジスタM5のソース(記憶ノードSNT)に、ドレインをロードトランジスタM1、M2の共通ソースに、ソースを電源Vddにそれぞれ接続されている。アクセストランジスタM5は、ドレインに読出しビット線RBLを、ゲートに読出しワード線RWLをそれぞれ接続されている。アクセストランジスタM6は、ドレインに書込みビット線WBLを、ゲートに書込みワード線WWLをそれぞれ接続されている。   FIG. 20 is a circuit diagram showing a configuration of the memory cell MC of the semiconductor device according to the fourth embodiment. The memory cell MC includes second conductivity type (N) driver transistors M3 and M4, second conductivity type (N) access transistors M5 and M6, first conductivity type (P) load transistors M1 and M2, A second conductivity type (N) leakage suppression transistor M10 and a first conductivity type (P) leakage suppression transistor M11 are provided. The leak suppression transistor M10 has a gate connected to the source of the access transistor M6 (storage node SNB), a drain connected to the common source of the driver transistors M3 and M4, and a source connected to the power supply Vss. The leak suppression transistor M11 has a gate connected to the source of the access transistor M5 (storage node SNT), a drain connected to the common source of the load transistors M1 and M2, and a source connected to the power supply Vdd. The access transistor M5 has a drain connected to the read bit line RBL and a gate connected to the read word line RWL. Access transistor M6 has a drain connected to write bit line WBL and a gate connected to write word line WWL.

本実施の形態でも、第1、第3の実施の形態と同様に、記憶ノードSNTのデータが“1”の場合、メモリセルMCに印加される低電位側(Vss電位側)の電位を高くすることができ、高電位側(Vdd電位側)の電位を低くすることができる。それにより、メモリセルMC内に流れるリーク電流を低減する。これらのリーク抑制トランジスタM10とM11の制御は、特別な制御信号を介さず、メモリセルMCに書き込むデータに対応してメモリセルMC内で自律的に行われる。従って、本実施の形態ではリークを抑制する制御信号が不要であり、アクセス時間が制御信号に律速されず、かつ制御信号の生成回路が不要である。このため、制御回路によるチップ面積の増加や消費電流の増大が起こらない。また、このリーク電流の低減効果は、非選択のメモリセルMCだけでなく、選択されたメモリセルMCにおいても同様に得ることができる。更に、本実施の形態では、読み出し用と書き込み用のワード線を用いているため、読み出し動作時には、対となる一方のビット線WBLからメモリセルMC内のVssに向かって放電電流が流れず、読み出し動作時の消費電流は低減される。   Also in the present embodiment, as in the first and third embodiments, when the data of the storage node SNT is “1”, the potential on the low potential side (Vss potential side) applied to the memory cell MC is increased. The potential on the high potential side (Vdd potential side) can be lowered. Thereby, the leak current flowing in the memory cell MC is reduced. The control of these leak suppression transistors M10 and M11 is autonomously performed in the memory cell MC corresponding to the data to be written in the memory cell MC without using a special control signal. Therefore, in this embodiment, a control signal for suppressing leakage is unnecessary, the access time is not limited by the control signal, and a control signal generation circuit is not required. For this reason, an increase in chip area and an increase in current consumption due to the control circuit do not occur. The effect of reducing the leakage current can be obtained not only in the non-selected memory cell MC but also in the selected memory cell MC. Furthermore, in the present embodiment, since read and write word lines are used, a discharge current does not flow from one of the paired bit lines WBL to Vss in the memory cell MC during a read operation. Current consumption during the read operation is reduced.

本実施の形態では、記憶ノードSNTにデータ“0”(Vss)、記憶ノードSNBにデータ“1”(Vdd)が格納されているとき、リーク抑制トランジスタM11とリーク抑制トランジスタM10はオン状態になる。従って、ドライバトランジスタM3のゲートにはVdd電位が印加され、ソースにはVss電位が印加され、ロードトランジスタM2のゲートにはVss電位が印加され、ソースにはVdd電位を印加される。これらの印加電圧はドライバトランジスタM3とロードトランジスタM2にとり十分なバイアス電圧であり、読み出し速度の低下を極力抑制している。一方、記憶ノードSNTにデータ“1”(Vdd)、記憶ノードSNBにデータ“0”(Vss)が格納されているとき、リーク抑制トランジスタM11とM10はオフ状態となる。ノードPSとノードNSの電位は、メモリセルMC内を流れるリーク電流で示される等価抵抗の分割比で表すことができ、メモリセルMC内を流れるリーク電流を低減することができる。   In the present embodiment, when data “0” (Vss) is stored in storage node SNT and data “1” (Vdd) is stored in storage node SNB, leakage suppression transistor M11 and leakage suppression transistor M10 are turned on. . Therefore, the Vdd potential is applied to the gate of the driver transistor M3, the Vss potential is applied to the source, the Vss potential is applied to the gate of the load transistor M2, and the Vdd potential is applied to the source. These applied voltages are sufficient bias voltages for the driver transistor M3 and the load transistor M2, and suppress the decrease in the reading speed as much as possible. On the other hand, when data “1” (Vdd) is stored in storage node SNT and data “0” (Vss) is stored in storage node SNB, leak suppression transistors M11 and M10 are turned off. The potentials of the node PS and the node NS can be expressed by a division ratio of an equivalent resistance indicated by a leak current flowing in the memory cell MC, and the leak current flowing in the memory cell MC can be reduced.

第4の実施の形態に係る半導体装置の動作について説明する。具体的には、メモリセルMCの書き込み動作、保持状態、及び読み出し動作について図20を参照して説明する。   The operation of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. Specifically, a writing operation, a holding state, and a reading operation of the memory cell MC will be described with reference to FIG.

メモリセルMCにおいて、データ“0”の状態からデータ“1”を書き込む場合(Suppression−Modeに書き換える場合)について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第1の実施の形態と同じである。ロウデコーダRD内のワードドライバは、選択するワード線RWL、WWLを立ち上げ、ワード線RWL、WWLに接続する全メモリセルのアクセストランジスタM5、M6をオンにする。次に、書き込みバッファは入力データに応じて書き込みデータをビット線RBL、WBLに出力する。カラムデコーダCDは、カラムセレクタCS内の選択スイッチを活性化し、書き込みバッファから送られたデータを、選択ビット線RBL、WBLに伝送する。書き込みデータが“1”の場合、ビット線RBLの電位をHighにし、ビット線WBLの電位をLowにする。その結果、記憶ノードSNTの電位はLowからHighになり、記憶ノードSNBの電位はHighからLowになる。すなわち、記憶ノードSNT及び記憶ノードSNBの電位は、ビット線RBL、WBLを介して、入力データに応じた電位に書き換えられる。以降、選択ワード線電位をロウ電位(Vss電位)にすることでメモリセルの記憶データの書き換えが終了する。なお、このとき、リーク抑制トランジスタM11とリーク抑制トランジスタM10がオフ状態に遷移する過程で、第3の実施の形態と同じようにノードPSとノードSNTの電位がVddとVss間の電位になる。第3の実施の形態で示したように、記憶ノードSNTの立ち上がり速度は、記憶ノードSNBの立下り速度よりも遅い。これは、記憶ノードSNTの電位が上昇することにより、リーク抑制トランジスタM11の電流が減少するためである。従って、書き込みサイクル中のノードPSの電位は、等価抵抗の分割比で表される値よりも電位を下げこれにより、インバータIVb内のロードトランジスタM2とドライバトランジスタM4の両方をオン状態にして微小な貫通電流を流す。書き込みサイクル後、前述の低下したノードPSの電位は、数サイクル掛けて等価抵抗の分割比で表される値になる。   A case where data “1” is written from the state of data “0” in the memory cell MC (when rewritten to Suppression-Mode) will be described. The operations from the precharge of the bit line to the rise of the word line are the same as in the first embodiment. The word driver in the row decoder RD raises the selected word lines RWL and WWL and turns on the access transistors M5 and M6 of all the memory cells connected to the word lines RWL and WWL. Next, the write buffer outputs write data to the bit lines RBL and WBL according to the input data. The column decoder CD activates the selection switch in the column selector CS, and transmits the data sent from the write buffer to the selected bit lines RBL and WBL. When the write data is “1”, the potential of the bit line RBL is set high and the potential of the bit line WBL is set low. As a result, the potential of the storage node SNT changes from low to high, and the potential of the storage node SNB changes from high to low. That is, the potentials of the storage node SNT and the storage node SNB are rewritten to the potential according to the input data via the bit lines RBL and WBL. Thereafter, the rewriting of data stored in the memory cell is completed by setting the selected word line potential to the low potential (Vss potential). At this time, the potentials of the node PS and the node SNT become a potential between Vdd and Vss in the process in which the leak suppression transistor M11 and the leak suppression transistor M10 are turned off, as in the third embodiment. As shown in the third embodiment, the rising speed of storage node SNT is slower than the falling speed of storage node SNB. This is because the current of the leakage suppression transistor M11 decreases as the potential of the storage node SNT increases. Therefore, the potential of the node PS during the write cycle is lowered to a value lower than the value represented by the division ratio of the equivalent resistance, so that both the load transistor M2 and the driver transistor M4 in the inverter IVb are turned on, and the potential is small. Pass through current. After the write cycle, the lowered potential of the node PS becomes a value represented by the division ratio of the equivalent resistance over several cycles.

メモリセルMCにおいて、データ書き込み後のデータ“1”の保持状態は、ノードPSとノードNSの電位が等価抵抗の分割比で表される値よりも電位を下げた状態から分割比で表される値に移行する期間である。書き込み動作後の1サイクル目ではノードNTとPSの電位が分割比の値よりも下がっているため、従来セルよりリーク電流が多く流れる。   In memory cell MC, the retention state of data “1” after data writing is represented by a division ratio from a state in which the potential of node PS and node NS is lower than the value represented by the division ratio of the equivalent resistance. This is the period of transition to the value. In the first cycle after the write operation, the potentials of the nodes NT and PS are lower than the value of the division ratio, so that more leakage current flows than in the conventional cell.

書き込み動作後の数サイクル後では、メモリセルMCにおいて、データ“1”の保持状態で、メモリセルMCに印加される低電位側(Vss電位側)の電位を高く、高電位側(Vdd電位側)の電位を低くすることができ、メモリセルに掛かる電源電圧を低下させるため、メモリセル内に流れるリーク電流を低減することができる。   After several cycles after the write operation, in the memory cell MC, in the data “1” holding state, the potential on the low potential side (Vss potential side) applied to the memory cell MC is high and the high potential side (Vdd potential side). ) Can be lowered and the power supply voltage applied to the memory cell is lowered, so that the leakage current flowing in the memory cell can be reduced.

メモリセルMCにおいて、データ“1”の読み出し動作について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第1の実施の形態と同じである。ロウデコーダRD内のワードドライバは、選択したワード線RWLのみを立ち上げ、ワード線RWLに接続された全アクセストランジスタM5をオンにする。その結果、ビット線RBLの電位に、記憶ノードSNTの電位であるHigh(Vdd)が反映されて、記憶ノードSNTの電位が読み取られる。ここで、記憶ノードSNTの電位は、Vssを基準にして(Vdd−Vth11(M11の閾値電圧))より高い電位である。これは、(Vdd−Vth11)の電位よりも低い場合にはリーク抑制トランジスタM11のダイオード接続構成により(Vdd−Vth11)の電位にクランプされるためである。従ってアクセストランジスタM5のソースの電位も(Vdd−Vth11)の電位よりも高い。また、アクセストランジスタM5とリーク抑制トランジスタM11は同じデバイスで構成しているため、閾値電圧はほぼ同じ値である。これらの理由から、読み出し動作時にワード線RWLが立ち上がってもアクセストランジスタM5はオフ状態でありビット線RBLの充電電荷は放電されず、ビット線RBLの電位は下がらない。また、閾値電圧のばらつきでアクセストランジスタM5がオン状態になるほど記憶ノードSNTの電位が下がる場合でも、ビット線RBLの電位は、(Vdd−Vth11)の電位より下がることはないため、ビット線RBLに現れるデータ“High”を読み取ることが出来る。   A read operation of data “1” in the memory cell MC will be described. The operations from the precharge of the bit line to the rise of the word line are the same as in the first embodiment. The word driver in the row decoder RD raises only the selected word line RWL and turns on all the access transistors M5 connected to the word line RWL. As a result, High (Vdd) that is the potential of the storage node SNT is reflected in the potential of the bit line RBL, and the potential of the storage node SNT is read. Here, the potential of the storage node SNT is higher than (Vdd−Vth11 (threshold voltage of M11)) with respect to Vss. This is because when it is lower than the potential of (Vdd−Vth11), it is clamped to the potential of (Vdd−Vth11) by the diode connection configuration of the leak suppression transistor M11. Therefore, the potential of the source of the access transistor M5 is also higher than the potential of (Vdd−Vth11). Further, since the access transistor M5 and the leak suppression transistor M11 are composed of the same device, the threshold voltages are almost the same value. For these reasons, even if the word line RWL rises during the read operation, the access transistor M5 is in an off state, the charge of the bit line RBL is not discharged, and the potential of the bit line RBL does not drop. Even when the potential of the storage node SNT decreases as the access transistor M5 is turned on due to variations in threshold voltage, the potential of the bit line RBL does not fall below the potential of (Vdd−Vth11). The appearing data “High” can be read.

メモリセルMCにおいて、データ“1”の状態からデータ“0”を記憶する書き込み動作については、第3の実施の形態とほぼ同様であり、異なる点はノードNSの電位がVssよりも少し高い状態から書き込まれる点である。書き換え後の動作と、保持期間、読み出し動作は第1の実施の形態と同じであり、説明は省略する。   In the memory cell MC, the write operation for storing the data “0” from the data “1” state is almost the same as in the third embodiment, except that the potential of the node NS is slightly higher than Vss. It is a point written from. The operation after rewriting, the holding period, and the reading operation are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

次に、本実施の形態に係るメモリセルのメカニズム及び効果について説明する。
記憶ノードSNTにデータ“1”(High)が格納され、記憶ノードSNBにデータ“0”(Low)が格納されている場合(Suppression Mode)を想定する。記憶ノードSNTに掛かるバイアス電位により、リーク抑制トランジスタM11はオフ状態であり、メモリセルMC内を流れるリーク電流は等価抵抗で表される抵抗値の分割比で表される。同様に、記憶ノードSNBに掛かるバイアス電位により、リーク抑制トランジスタM10はオフ状態であり、メモリセルMC内を流れるリーク電流は等価抵抗で表される抵抗値の分割比で表される。図21A〜図21Cは、Suppression Mode時の電位状態を説明する図である。このうち、図21AはメモリセルMCを示す回路図であり、図21B及び図21Cは、メモリセルMCに流れるリーク電流等価回路で示すものである。
Next, the mechanism and effect of the memory cell according to the present embodiment will be described.
It is assumed that data “1” (High) is stored in storage node SNT and data “0” (Low) is stored in storage node SNB (suppression mode). Due to the bias potential applied to the storage node SNT, the leakage suppression transistor M11 is in the off state, and the leakage current flowing through the memory cell MC is represented by a resistance value division ratio represented by an equivalent resistance. Similarly, due to the bias potential applied to storage node SNB, leak suppression transistor M10 is in an off state, and the leak current flowing through memory cell MC is represented by a resistance value division ratio represented by an equivalent resistance. FIG. 21A to FIG. 21C are diagrams for explaining a potential state in the suppression mode. Among these, FIG. 21A is a circuit diagram showing the memory cell MC, and FIGS. 21B and 21C are shown by an equivalent circuit of a leakage current flowing in the memory cell MC.

図21Aに示されるように、記憶ノードSNTにはデータ“High”(Vdd)が格納されているためドライバトランジスタM4はオン状態である。また、記憶ノードSNBにはデータ“Low”(Vss)が格納されているためロードトランジスタM1もオン状態である。そのため、リーク抑制トランジスタM11とリーク抑制トランジスタM10はそれぞれダイオード接続を構成する回路となる。この場合、インバータIVt、IVbにはVddからVssに向かってリーク電流が流れる。図21Bに示すように、この状態でのメモリセルMCは、トランジスタを抵抗で置き換えた等価回路で表すことができる。ここで、抵抗Rivt、RivbはインバータIVt、INbを等価抵抗に置き換えたものである。抵抗R11、R10はリーク抑制トランジスタM11、M10に流れるリーク電流を等価抵抗に置き換えたものである。リーク抑制トランジスタM11、M10は、それぞれダイオード接続構成となるため、ダイオードD11、D10の等価素子に置き換えて示している。図21Cは、図21Bの抵抗Rivt、Rivbを、合成抵抗Rmcとして表したものである。図21Cに基づいて、ノードPSの電位Vpsは、Vdd(Rmc+R10)/(Rmc+R11+R10)で表すことが出来、ノードPSの電位Vpsは、VddよりもΔV1=Vdd・R11/(Rmc+R11+R10)だけ低くなる。ただし、ノードPSの電位Vpsは、リーク抑制トランジスタM11の閾値電圧Vth11よりも低い場合で成立する。なお、ノードPSの電位Vpsが、リーク抑制トランジスタM11の閾値電圧Vth11よりも高い場合には、ノードPSの電位Vpsは、ダイオードD11でクランプされ、Vdd−Vth11となる。また、ノードNSの電位Vnsは、Vdd・R10/(Rmc+R11+R10)で表すことが出来、ノードNSの電位Vnsは、VssよりもΔV2=Vdd・R10/(Rmc+R11+R10)だけ高くなる。ただし、このときのノードNSの電位Vnsは、リーク抑制トランジスタM10の閾値電圧Vth10よりも低い場合で成立する。なお、ノードNSの電位Vnsが、リーク抑制トランジスタM10の閾値電圧Vth10よりも高い場合には、ノードNSの電位Vnsは、ダイオードD10でクランプされ、Vss+Vth10となる。   As shown in FIG. 21A, since data “High” (Vdd) is stored in storage node SNT, driver transistor M4 is in an on state. Further, since the data “Low” (Vss) is stored in the storage node SNB, the load transistor M1 is also in the on state. Therefore, each of the leak suppression transistor M11 and the leak suppression transistor M10 is a circuit that forms a diode connection. In this case, a leak current flows from Vdd to Vss through inverters IVt and IVb. As shown in FIG. 21B, the memory cell MC in this state can be represented by an equivalent circuit in which a transistor is replaced with a resistor. Here, the resistors Rivt and Rivb are obtained by replacing the inverters IVt and INb with equivalent resistors. Resistors R11 and R10 are obtained by replacing leak currents flowing through the leak suppression transistors M11 and M10 with equivalent resistors. Since the leak suppression transistors M11 and M10 have a diode connection configuration, they are replaced with equivalent elements of the diodes D11 and D10. FIG. 21C represents the resistances Rivt and Rivb of FIG. 21B as a combined resistance Rmc. Based on FIG. 21C, the potential Vps of the node PS can be expressed by Vdd (Rmc + R10) / (Rmc + R11 + R10), and the potential Vps of the node PS is lower than Vdd by ΔV1 = Vdd · R11 / (Rmc + R11 + R10). However, this is established when the potential Vps of the node PS is lower than the threshold voltage Vth11 of the leak suppression transistor M11. When the potential Vps of the node PS is higher than the threshold voltage Vth11 of the leak suppression transistor M11, the potential Vps of the node PS is clamped by the diode D11 and becomes Vdd−Vth11. Further, the potential Vns of the node NS can be expressed by Vdd · R10 / (Rmc + R11 + R10), and the potential Vns of the node NS is higher than Vss by ΔV2 = Vdd · R10 / (Rmc + R11 + R10). However, the potential Vns of the node NS at this time is established when it is lower than the threshold voltage Vth10 of the leak suppression transistor M10. When the potential Vns of the node NS is higher than the threshold voltage Vth10 of the leak suppression transistor M10, the potential Vns of the node NS is clamped by the diode D10 and becomes Vss + Vth10.

このように、メモリセルMCの高電位側の電位(ノードPSの電位Vps)は、Vddよりも上記ΔV1だけ低くバイアスされる。メモリセルMCの低電位側の電位(ノードNSの電位Vns)は、Vssよりも上記ΔV2だけ高くバイアスされる。このため、メモリセルMC内を流れるリーク電流Iddmcは、Iddmc=Vdd/(Rmc+R11+r10)となる。ここで、6トランジスタで構成する従来のメモリセルでは、リーク電流iconは、icon=Vdd/Rmcとなる。従って、メモリセルMC内を流れるリーク電流(Iddmc)は、従来のリーク電流(icon)と比較して低減される。   As described above, the potential on the high potential side of the memory cell MC (the potential Vps of the node PS) is biased lower than the Vdd by the above ΔV1. The potential on the low potential side of the memory cell MC (the potential Vns of the node NS) is biased higher than Vss by the above ΔV2. For this reason, the leakage current Iddmc flowing in the memory cell MC is Iddmc = Vdd / (Rmc + R11 + r10). Here, in a conventional memory cell composed of 6 transistors, the leakage current icon is icon = Vdd / Rmc. Therefore, the leakage current (Idddmc) flowing in the memory cell MC is reduced as compared with the conventional leakage current (icon).

図22は、メモリセルの記憶ノードSNTにデータ“1”(Vdd)を書き込み、保持状態(ワード線RWL、WWLの電位をVss)にしたときのメモリセル内を流れる平均リーク電流Iddmcの保持サイクル依存性を示すグラフである。この図は、HSPICEを用いて計算機シミュレーションにより算出した値をプロットしている。横軸は、データ書き込み後の保持サイクル数を示し、縦軸は、平均リーク電流Iddmc(nA)を対数で示している。この図において、白抜き三角は、本実施の形態のメモリセルMCにおける、FF条件かつ1.2V条件とした場合の結果である。黒三角は、従来の6トランジスタのメモリセル(従来セル)でのFF条件かつ1.2V条件とした場合の結果である。白抜き丸は、本実施の形態のメモリセルMCにおける、CC条件かつ1.1V条件とした場合の結果である。黒丸は、従来セルでのCC条件かつ1.1V条件とした場合の結果である。白抜き四角は、本実施の形態のメモリセルMCにおける、SS条件かつ1.0V条件とした場合の結果である。黒四角は、従来セルでのSS条件かつ1.0V条件とした場合の結果である。   FIG. 22 shows the retention cycle of the average leakage current Iddmc flowing in the memory cell when data “1” (Vdd) is written to the storage node SNT of the memory cell and the memory cell SNT is in the retention state (the potentials of the word lines RWL and WWL are Vss). It is a graph which shows dependence. In this figure, values calculated by computer simulation using HSPICE are plotted. The horizontal axis indicates the number of holding cycles after data writing, and the vertical axis indicates the average leakage current Iddmc (nA) in logarithm. In this figure, white triangles are the results when the FF condition and the 1.2 V condition are used in the memory cell MC of the present embodiment. The black triangle is the result when the FF condition and the 1.2 V condition are used in a conventional 6-transistor memory cell (conventional cell). The white circle is the result when the CC condition and the 1.1 V condition are set in the memory cell MC of the present embodiment. The black circle is the result when the CC condition and 1.1V condition in the conventional cell are used. The white squares are the results when the SS condition and the 1.0 V condition are used in the memory cell MC of the present embodiment. A black square is a result at the time of setting SS conditions and 1.0V conditions in a conventional cell.

また、本図は、データ書き込み動作後に保持状態にして50サイクル時で比較している。本図に示すように、SS条件、CC条件、FF条件の順でリーク電流(Iddmc)は増加する。また、本実施の形態のFF条件を基準に、CC条件、SS条件で共に一桁、リーク電流の値が低いことがわかる。すなわち、FF条件でのリーク電流は他の条件よりも大きく、最大であることが分かる。また、この傾向は、従来セルにおいても同様である。従って、FF条件での従来セルのリーク電流を基準にすると、本実施の形態での諸条件でのリーク電流値が低く、本実施の形態においても従来セルに比べてリーク電流を低減する効果があるといえる。   Further, in this figure, comparison is made in 50 cycles after the data write operation. As shown in this figure, the leakage current (Idddmc) increases in the order of SS condition, CC condition, and FF condition. Further, it can be seen that the leak current value is low by an order of magnitude in both the CC condition and the SS condition with reference to the FF condition of the present embodiment. That is, it can be seen that the leakage current under the FF condition is larger than the other conditions and is the maximum. This tendency is the same in the conventional cell. Therefore, when the leakage current of the conventional cell under the FF condition is used as a reference, the leakage current value under the various conditions in the present embodiment is low, and this embodiment also has the effect of reducing the leakage current compared to the conventional cell. It can be said that there is.

図22に示すように、FF条件での本実施の形態のメモリセルMC(図20)は、従来セル(6トランジスタ)と比較してリーク電流を25.9%低減することができる。   As shown in FIG. 22, the memory cell MC (FIG. 20) of the present embodiment under the FF condition can reduce the leakage current by 25.9% compared to the conventional cell (6 transistors).

図25〜図28は、各制御方式(第1、第3の実施の形態を含む)でのリーク電流の保持サイクル依存性を示すグラフである(ただし、図27、図28は部分的に拡大している)。これらのグラフの前提条件や記号については、第1の実施の形態において既述した通りである。ただし、既述のように、黒塗り三角、白抜き三角、白抜き逆三角は、第4の実施の形態(“Vss+Vdd−Cntrl”)において、それぞれ1.2V条件かつFF条件、1.1V条件かつCC条件、1.0V条件かつSS条件である。   25 to 28 are graphs showing the retention cycle dependency of the leakage current in each control method (including the first and third embodiments) (however, FIGS. 27 and 28 are partially enlarged). doing). The preconditions and symbols of these graphs are as already described in the first embodiment. However, as described above, the black triangle, the white triangle, and the white inverted triangle are the 1.2 V condition, the FF condition, and the 1.1 V condition in the fourth embodiment (“Vss + Vdd−Cntrl”), respectively. And CC conditions, 1.0 V conditions and SS conditions.

Vdd=1.2V条件かつFF条件では、図25の黒塗り三角に示されるように、従来セルと比較してリーク電流が23.4%低減される。1.2V条件かつFF条件かつ75℃条件では、図26の黒塗り三角に示されるように、従来セルと比較してリーク電流が23.6%低減される。1.2V条件かつFF条件かつ40℃条件では、図27の黒塗り三角に示されるように、従来セルと比較してリーク電流が18.5%低減される。1.2V条件かつFF条件かつ25℃条件では、図28の黒塗り三角に示されるように、従来セルと比較してリーク電流が10.5%低減される。   Under the Vdd = 1.2V condition and the FF condition, as shown by the black triangle in FIG. 25, the leakage current is reduced by 23.4% compared to the conventional cell. Under the 1.2V condition, the FF condition, and the 75 ° C. condition, as shown by the black triangle in FIG. 26, the leakage current is reduced by 23.6% compared to the conventional cell. Under the 1.2V condition, the FF condition, and the 40 ° C. condition, as shown by the black triangle in FIG. 27, the leakage current is reduced by 18.5% compared to the conventional cell. Under the 1.2V condition, the FF condition, and the 25 ° C. condition, the leak current is reduced by 10.5% as compared with the conventional cell, as shown by the black triangle in FIG.

図28が示すように、本実施の形態と第3の実施の形態のリーク電流の比較において、25℃条件では本実施の形態と第3の実施の形態にサイクル依存性の差異はなく、図27が示すように、40℃以上の高温条件において、本実施の形態の方が第3の実施の形態よりも少ない保持サイクル数でリーク電流が減少する。以上の結果から、本実施の形態でも第3の実施の形態と同じ結論を得ることが出来る。つまり、1キロビットのSRAMマクロを想定した場合、データ書き込み後の数サイクル〜数十サイクル内でメモリセルの数ビットが従来セルよりもリーク電流が大きいと仮定しても、残りの1キロビット以上のメモリセルで従来セルよりもリーク電流が低減されるため、本実施の形態では従来セルに比べてリーク電流を低減する効果があるといえる。ここで、仮定した1キロビットのSRAMマクロは、SoCチップに搭載される最小メモリ容量としている。   As shown in FIG. 28, in the comparison of the leakage current between the present embodiment and the third embodiment, there is no difference in cycle dependency between the present embodiment and the third embodiment at 25 ° C. As shown in FIG. 27, under a high temperature condition of 40 ° C. or higher, the present embodiment reduces the leakage current with a smaller number of holding cycles than the third embodiment. From the above results, the same conclusion as in the third embodiment can be obtained in this embodiment. In other words, assuming a 1-kbit SRAM macro, even if it is assumed that several bits of memory cells have a larger leakage current than conventional cells within several cycles to several tens of cycles after data writing, the remaining 1 kbit or more Since the leak current is reduced in the memory cell as compared with the conventional cell, it can be said that this embodiment has an effect of reducing the leak current as compared with the conventional cell. Here, the assumed 1 kilobit SRAM macro has the minimum memory capacity mounted on the SoC chip.

なお、本実施の形態におけるリーク電流、及び、ワード線の立ち上がり(50%)から読み出し信号(50%)が出力されるまでの遅延時間については第1の実施の形態と同じであるので、ここではその説明を省略する。   Note that the leakage current and the delay time from the rise of the word line (50%) to the output of the read signal (50%) in this embodiment are the same as in the first embodiment. Then, the explanation is omitted.

次に、ワード線の立ち上がりから読み出し信号が出力されるまでの読み出し信号の遅延時間について説明する。図33は、ワード線の立ち上がりから読み出し信号が出力されるまでの読み出し信号の遅延時間を示す表である(第1−3、第5の実施の形態を含む)。これらのグラフの前提条件や記号については、第1の実施の形態において既述した通りである。   Next, the delay time of the read signal from the rise of the word line to the output of the read signal will be described. FIG. 33 is a table showing the delay time of the read signal from the rise of the word line until the read signal is output (including the first to third and fifth embodiments). The preconditions and symbols of these graphs are as already described in the first embodiment.

CC条件においては、従来セルで74.0〜75.9psec.の遅延であり、第4の実施の形態(Vss+Vdd制御)で87.7〜90.7psec.の遅延である。FF条件においては、従来セルで47.1〜48.2psec.の遅延であり、第4の実施の形態で53.7〜55.5psec.の遅延である。SS条件においては、従来セルで142.7〜143.1psecの遅延であり、第4の実施の形態では181.9〜183.1psec.の遅延である。図33に示すように、本実施の形態では、CC条件とFF条件では高温になるほど遅延時間が長くなり、SS条件では温度依存性は殆どない。ただし、CC条件とFF条件の場合でも、遅延時間の変化は最大で3psec.であるため、温度に対する依存性は殆どない。   Under CC conditions, 74.0 to 75.9 psec. The delay is 87.7 to 90.7 psec in the fourth embodiment (Vss + Vdd control). Is the delay. Under the FF condition, 47.1-48.2 psec. Of 43.7 to 55.5 psec. In the fourth embodiment. Is the delay. In the SS condition, the delay is 142.7 to 143.1 psec in the conventional cell, and in the fourth embodiment is 181.9 to 183.1 psec. Is the delay. As shown in FIG. 33, in this embodiment, the delay time becomes longer as the temperature becomes higher under the CC condition and the FF condition, and there is almost no temperature dependence under the SS condition. However, even in the case of the CC condition and the FF condition, the change in the delay time is 3 psec. Therefore, there is almost no dependence on temperature.

図34は、図33の結果に関して、従来セルの遅延時間を基準にして、各制御方法での遅延時間の増加率を示したグラフである(前述の第1、第2、後述の第5の実施の形態を含む)。これらのグラフの前提条件や記号については、第1の実施の形態において既述した通りである。Vss+Vdd制御のCC条件(Vss+Vdd制御“CC”)では従来セルに比べて16.3〜15.6%の遅延増加が認められる。また、Vss+Vdd制御のFF条件(Vss+Vdd制御“FF”)では従来セルに比べて13.2〜12.3%の遅延増加が認められる。また、Vss+Vdd制御のSS条件(Vss+Vdd制御“SS”)では従来セルに比べて21.6〜22.0%の遅延増加が認められる。また、Vss+Vdd制御のFS条件、SF条件(Vss+Vdd制御“FS”、“SF”)では、それぞれVss+Vdd制御のFF条件、CC条件と概ね同様の傾向が認められる。   FIG. 34 is a graph showing the increase rate of the delay time in each control method with respect to the result of FIG. 33 on the basis of the delay time of the conventional cell (the first, second, and fifth described later). Including the embodiment). The preconditions and symbols of these graphs are as already described in the first embodiment. Under the CC condition of Vss + Vdd control (Vss + Vdd control “CC”), a delay increase of 16.3 to 15.6% is recognized as compared with the conventional cell. Further, in the FF condition of Vss + Vdd control (Vss + Vdd control “FF”), a delay increase of 13.2 to 12.3% is recognized as compared with the conventional cell. In addition, in the SS condition of Vss + Vdd control (Vss + Vdd control “SS”), a delay increase of 21.6 to 22.0% is recognized as compared with the conventional cell. Further, in the FS condition and SF condition (Vss + Vdd control “FS”, “SF”) of Vss + Vdd control, the same tendency as the FF condition and CC condition of Vss + Vdd control is recognized.

本実施の形態では、読み出し用と書き込み用のワード線を用いて、読み出し動作時には書き込み用のビット線WBLから放電電流(読み出し電流)が流れないため、読み出し期間中の動作電流を抑制する効果がある。以上のように、本実施の形態ではリーク電流や動作電流を低減する効果があるため、本実施の形態を搭載する半導体チップの消費電流は低減される。また、本実施の形態に示されるメモリセルを搭載する半導体チップ(LSI)では、前記の消費電流が低減され、半導体チップの温度上昇を抑制する。これにより、熱暴走で生じるシステムの誤動作や停止が抑制され、本半導体チップ(LSI)を用いたシステムの信頼性は向上する。   In this embodiment, since the discharge current (read current) does not flow from the write bit line WBL during the read operation using the read and write word lines, the effect of suppressing the operation current during the read period is obtained. is there. As described above, since the present embodiment has an effect of reducing the leakage current and the operating current, the current consumption of the semiconductor chip on which the present embodiment is mounted is reduced. Further, in the semiconductor chip (LSI) on which the memory cell shown in this embodiment is mounted, the current consumption is reduced and the temperature rise of the semiconductor chip is suppressed. As a result, the malfunction and stop of the system caused by the thermal runaway are suppressed, and the reliability of the system using this semiconductor chip (LSI) is improved.

(第5の実施の形態)
第5の実施の形態に係る半導体装置の構成について説明する。上述の第4の実施の形態のSRAMマクロ2と本実施の形態のSRAMマクロ2は以下の点で相違している。上述の第4の実施の形態のSRAMマクロ2のワード線は、読み出し動作用のワード線(RWL)と書き込み動作用のワード線(WWL)を有していた。一方、本実施の形態のSRAMマクロ2では共通のワード線WLのみを有している。すなわち、本実施の形態のSRAMマクロ2は、アクセストランジスタM5、M6のゲートが共通のワード線WLに接続されている点で第4の実施の形態のSRAMマクロ2と相違する。以下では、主にその相違点について説明する。
(Fifth embodiment)
A configuration of the semiconductor device according to the fifth embodiment will be described. The SRAM macro 2 of the fourth embodiment described above and the SRAM macro 2 of the present embodiment are different in the following points. The word line of the SRAM macro 2 of the fourth embodiment described above has a word line (RWL) for read operation and a word line (WWL) for write operation. On the other hand, the SRAM macro 2 of the present embodiment has only a common word line WL. That is, the SRAM macro 2 of the present embodiment is different from the SRAM macro 2 of the fourth embodiment in that the gates of the access transistors M5 and M6 are connected to the common word line WL. Below, the difference is mainly demonstrated.

図23は、第5の実施の形態に係る半導体装置のメモリセルMCの構成を示す回路図である。メモリセルMCの構成は第4の実施の形態のMCとほぼ同じである。異なる点は、アクセストランジスタM5、M6のゲートを、共通ワード線WLに接続しているところである。従って、ワード線WLの選択/非選択信号に対応して、アクセストランジスタM5、M6はオン/オフ状態に制御される。   FIG. 23 is a circuit diagram showing a configuration of the memory cell MC of the semiconductor device according to the fifth embodiment. The configuration of the memory cell MC is almost the same as the MC of the fourth embodiment. The difference is that the gates of the access transistors M5 and M6 are connected to the common word line WL. Accordingly, the access transistors M5 and M6 are controlled to be in an on / off state in response to the selection / non-selection signal of the word line WL.

本実施の形態でも、第4の実施の形態と同様に、記憶ノードSNTのデータが“1”の場合、メモリセルMCに印加される低電位側(ノードNS)の電位をVss電位よりも高くすることができる。併せて、高電位側(ノードPS)の電位をVdd電位よりも低くすることができる。従って、メモリセルMC内の電源電圧を低下させることで、メモリセル内に流れるリーク電流を低減することができる。この低電位側(ノードNS)の電位と高電位側(ノードPS)の電位は、リーク抑制トランジスタM10とM11を制御して行われるが、特別な制御信号を用いずに、メモリセルMCへの書き込みデータに対応して自律的に行われる。本実施の形態では、制御信号による制御が不要であり、制御信号によりアクセス時間が律速されることはない。また、制御信号を生成する回路が不要であるため、前記制御回路によるチップ面積や消費電流の増大はない。さらに、このリーク電流の低減効果は、非選択のメモリセルMCだけでなく、選択されたメモリセルMCにおいても同様に得ることができるため、アクセス中のメモリセルアレイの消費電流を低減することができる。本実施の形態は第2の実施の形態と同様に、ワード線を読み出し用と書き込み用に分離せずに共通ワード線にしている。そのため、読み出し動作時に、対となる一方のビット線WBLの充電電荷がメモリセルMC内のVssに向かって放電する。この放電電流は読み出し動作とは無関係な消費電流となる。しかし、従来セルのビット線WBLでの充電電荷の放電よりも、本実施の形態の放電電流の方が低減される特長がある。本実施の形態では、読み出し動作時に記憶ノードSNBを介してリーク抑制トランジスタM10がダイオード接続構成となるため、記憶ノードSNBの電位をクランプする。これにより、ビット線WBLの充電電荷が完全に放電されず、読み出し動作時の動作電流は従来セルに比べて低減される。   Also in the present embodiment, as in the fourth embodiment, when the data in the storage node SNT is “1”, the potential on the low potential side (node NS) applied to the memory cell MC is set higher than the Vss potential. can do. In addition, the potential on the high potential side (node PS) can be made lower than the Vdd potential. Therefore, the leakage current flowing in the memory cell can be reduced by reducing the power supply voltage in the memory cell MC. The potential on the low potential side (node NS) and the potential on the high potential side (node PS) are controlled by controlling the leak suppression transistors M10 and M11, but without using a special control signal, Autonomous in response to the write data. In the present embodiment, control by the control signal is unnecessary, and the access time is not rate-limited by the control signal. Further, since a circuit for generating a control signal is unnecessary, there is no increase in chip area or current consumption due to the control circuit. Further, since the effect of reducing the leakage current can be obtained not only in the non-selected memory cell MC but also in the selected memory cell MC, the current consumption of the memory cell array being accessed can be reduced. . In the present embodiment, as in the second embodiment, the word lines are made common word lines without being separated for reading and writing. For this reason, during the read operation, the charge on one of the paired bit lines WBL is discharged toward Vss in the memory cell MC. This discharge current is a consumption current unrelated to the read operation. However, there is a feature that the discharge current of the present embodiment is reduced rather than the discharge of the charge on the bit line WBL of the conventional cell. In the present embodiment, the leakage suppression transistor M10 has a diode-connected configuration via the storage node SNB during the read operation, so that the potential of the storage node SNB is clamped. As a result, the charge of the bit line WBL is not completely discharged, and the operating current during the read operation is reduced as compared with the conventional cell.

第5の実施の形態に係る半導体装置の動作について説明する。具体的には、メモリセルMCの書き込み動作、保持状態、及び読み出し動作について図23を参照して説明する。   The operation of the semiconductor device according to the fifth embodiment will be described. Specifically, a writing operation, a holding state, and a reading operation of the memory cell MC will be described with reference to FIG.

本実施の形態における書き込み動作及び保持状態は第4の実施の形態と同じであり、説明を省略する。   The writing operation and the holding state in the present embodiment are the same as those in the fourth embodiment, and a description thereof will be omitted.

記憶ノードSNTにデータ“1”(Suppression−Mode)が格納されている場合の読み出し動作について説明する。ビット線のプリチャージからワード線の立ち上げまでの動作は、第2の実施の形態と同じである。ロウデコーダ内のワードドライバは、選択した共通ワード線WLを立ち上げ(Vddに上昇)、アクセストランジスタM5、M6をオンにする。その結果、記憶ノードSNTの電位がHigh(Vdd)電位であるため、アクセストランジスタM5がオフ状態(非活性状態)であり、ビット線RBLの電位は変化しない。一方、アクセストランジスタM6はオン状態であり、メモリセルMCの記憶ノードSNBがLowであるためビット線WBLの充電電荷が放電され、ビット線WBLの電位は低下する。ビット線WBLからメモリセルMC内のVssに向かって電流が流れることで、記憶ノードSNBとノードNSの電位は上昇する。このときのリーク抑制トランジスタM10は、ダイオード接続の構成となるため、ノードNSの電位がリーク抑制トランジスタM10の閾値電圧Vth10でクランプされる。また、記憶ノードSNBも同時に電位を上げ、ビット線WBLの電位降下と共にアクセストランジスタM6をオフにする。これらの動作の結果、ビット線WBLの充電電荷は完全に放電しないため、読み出し動作での消費電流は従来セルに比べて抑制する効果がある。   A read operation when data “1” (suppression-mode) is stored in storage node SNT will be described. The operation from the precharge of the bit line to the rise of the word line is the same as in the second embodiment. The word driver in the row decoder raises the selected common word line WL (rises to Vdd) and turns on the access transistors M5 and M6. As a result, since the potential of the storage node SNT is a High (Vdd) potential, the access transistor M5 is in an off state (inactive state), and the potential of the bit line RBL does not change. On the other hand, the access transistor M6 is in the on state, and the storage node SNB of the memory cell MC is Low, so that the charge of the bit line WBL is discharged, and the potential of the bit line WBL decreases. When a current flows from the bit line WBL toward Vss in the memory cell MC, the potentials of the storage node SNB and the node NS rise. Since the leak suppression transistor M10 at this time has a diode-connected configuration, the potential of the node NS is clamped by the threshold voltage Vth10 of the leak suppression transistor M10. The storage node SNB also raises the potential at the same time, and turns off the access transistor M6 as the potential of the bit line WBL drops. As a result of these operations, the charge of the bit line WBL is not completely discharged, so that the current consumption in the read operation is more effective than that of the conventional cell.

データ“0”(Read−Mode)の読み出し動作については、第4の実施の形態と同じであり、説明は省略する。   The read operation of data “0” (Read-Mode) is the same as that in the fourth embodiment, and a description thereof will be omitted.

次に、本実施の形態に係るメモリセルのメカニズム及び効果について説明する。
上述したようにSuppression−Mode時の読み出し動作期間でワード線WLの立ち上がりに伴い、アクセストランジスタM6がオン状態となるため、ビット線WBLの充電電荷がメモリセルMCを介して放電される。このときのダイオード接続構成及びダイオードの等価素子については第2の実施の形態と同じであり、説明を省略する。また、Suppression−Mode時のデータ保持期間で、リーク電流を低減するメカニズム及び等価回路は第4の実施の形態と同じであり、説明を省略する。
Next, the mechanism and effect of the memory cell according to the present embodiment will be described.
As described above, the access transistor M6 is turned on in response to the rise of the word line WL in the read operation period during the suppression-mode, so that the charge of the bit line WBL is discharged through the memory cell MC. The diode connection configuration and the equivalent element of the diode at this time are the same as those in the second embodiment, and a description thereof will be omitted. Further, the mechanism for reducing the leakage current and the equivalent circuit in the data holding period during the suppression-mode are the same as those in the fourth embodiment, and a description thereof will be omitted.

以上のように、本実施の形態においても読み出し動作時の動作電流を低減することができる。また、本実施の形態では、データ保持期間中のメモリセルMC内に流れるリーク電流を低減する効果がある。   As described above, also in this embodiment, the operating current during the read operation can be reduced. In addition, this embodiment has an effect of reducing the leakage current flowing in the memory cell MC during the data holding period.

ワード線の立ち上がりからビット線読み出し信号の遅延時間については第4の実施の形態と同じであり、ここでは説明を省略する。   The delay time of the bit line read signal from the rise of the word line is the same as in the fourth embodiment, and the description thereof is omitted here.

図24は、読み出し動作時のビット線WBLからメモリセル内のVssに放電する電流を、デバイス条件ごとに示した一例である。この図は、HSPICEを用いて計算機シミュレーションにより算出した値を示している。ここで、メモリセルMCの条件は、1.1V条件かつCC条件、1.2V条件かつFF条件、1.0V条件かつSS条件である。いずれの場合にも温度は125℃一定としている。ビット線WBLから流れる放電電流は、ワード線WLの立ち上がり開始から立ち下がり完了までの期間におけるメモリセル内のVssに流れ込む平均電流としている。図24の表に示すように、1.1V条件かつCC条件では従来セルで約7.9μA、本実施の形態(第5の実施の形態)で1.6μAとなり、その低減率は約80%である。また、1.2V条件かつFF条件では従来セルで約8.2μA、本実施の形態で5.2μAとなり、その低減率は約37%である。また、1.0V条件かつSS条件では従来セルで約6.6μA、本実施の形態で0.6μAとなり、その低減率は約90%である。     FIG. 24 is an example showing current discharged from the bit line WBL to Vss in the memory cell for each device condition during the read operation. This figure shows values calculated by computer simulation using HSPICE. Here, the conditions of the memory cell MC are 1.1V condition and CC condition, 1.2V condition and FF condition, 1.0V condition and SS condition. In either case, the temperature is constant at 125 ° C. The discharge current flowing from the bit line WBL is an average current flowing into Vss in the memory cell in the period from the start of rising of the word line WL to the completion of falling. As shown in the table of FIG. 24, the 1.1V condition and the CC condition are about 7.9 μA in the conventional cell and 1.6 μA in the present embodiment (fifth embodiment), and the reduction rate is about 80%. It is. Further, in the 1.2V condition and the FF condition, the conventional cell is about 8.2 μA, and in the present embodiment, the current is 5.2 μA, and the reduction rate is about 37%. Further, in the 1.0V condition and the SS condition, the conventional cell has about 6.6 μA and the present embodiment has 0.6 μA, and the reduction rate is about 90%.

図29〜図31は、温度とビット線WBLの放電電流の関係を示すグラフである(第2の実施の形態を含む)。これらのグラフの前提条件や記号については、第2の実施の形態において既述した通りである。図29〜図30に示すように、従来セルではビット線の放電電流に温度依存性は殆どなく、最大で0.16μAの変化である。図29は1.1V条件かつCC条件である。従来セル(四角)と比較した結果、本実施の形態(三角)のメモリセルMCでのビット線の放電電流Issの低減率は約80%〜86%である。また、図30は1.2V条件かつFF条件と、1.2V条件かつFS条件である。従来セル(白抜き四角、黒塗り四角)と比較した結果、本実施の形態(白抜き三角、黒塗り三角)のメモリセルMCでのビット線の放電電流Issの低減率はそれぞれ約38%〜46%、約43%〜51%である。また、図31は1.0V条件かつSS条件と、1.2V条件かつSF条件である。従来セル(白抜き四角、黒塗り四角)と比較した結果、本実施の形態(白抜き三角、黒塗り三角)のメモリセルMCでのビット線の放電電流Issの低減率はそれぞれ約90%〜92%、約87%〜90%である。   29 to 31 are graphs showing the relationship between the temperature and the discharge current of the bit line WBL (including the second embodiment). The preconditions and symbols of these graphs are as described in the second embodiment. As shown in FIGS. 29 to 30, in the conventional cell, the discharge current of the bit line has almost no temperature dependence, and the change is 0.16 μA at the maximum. FIG. 29 shows 1.1V conditions and CC conditions. As a result of comparison with the conventional cell (square), the reduction rate of the discharge current Iss of the bit line in the memory cell MC of the present embodiment (triangle) is about 80% to 86%. FIG. 30 shows the 1.2V condition and FF condition, and the 1.2V condition and FS condition. As a result of comparison with conventional cells (white squares, black squares), the reduction rate of the discharge current Iss of the bit line in the memory cell MC of this embodiment (white triangles, black triangles) is about 38% to 46%, about 43% to 51%. FIG. 31 shows the 1.0V condition and SS condition, and the 1.2V condition and SF condition. As a result of comparison with the conventional cells (white squares, black squares), the reduction rate of the discharge current Iss of the bit line in the memory cell MC of this embodiment (white triangles, black triangles) is about 90% to 92%, about 87% to 90%.

図32は、図29〜図31の結果をまとめたグラフである(第2の実施の形態を含む)。本図は各デバイス条件でのビット線電流を、従来セルを基準にして低減率で示した。また、温度を25℃〜125℃まで10℃ステップのパラメータにして依存性を示している。これらのグラフの前提条件や記号については、第2の実施の形態において既述した通りである。以上の結果から、本実施の形態のメモリセルMCを用いれば、ビット線WBLの放電電流Issを従来セルよりも約38%〜92%の低減が可能となる。電流値で示すと、従来セルで6.6μA〜8.7μAの放電電流を、本実施の形態では0.56μA〜5.0μAに低減することができる。   FIG. 32 is a graph summarizing the results of FIGS. 29 to 31 (including the second embodiment). This figure shows the bit line current under each device condition as a reduction rate based on the conventional cell. Further, the dependency is shown by setting the temperature as a parameter of 10 ° C. steps from 25 ° C. to 125 ° C. The preconditions and symbols of these graphs are as described in the second embodiment. From the above results, if the memory cell MC of the present embodiment is used, the discharge current Iss of the bit line WBL can be reduced by about 38% to 92% as compared with the conventional cell. In terms of current value, the discharge current of 6.6 μA to 8.7 μA in the conventional cell can be reduced to 0.56 μA to 5.0 μA in the present embodiment.

以上のように、本実施の形態では読み出し用及び書き込み用のワード線を共通化したことにより、一個のメモリセルに対して二個のワードドライバが不要であり、従来セルのように一個のワードドライバで構成できる。これにより、第4の実施の形態に比べてレイアウト面積を削減でき、不要なワードドライバに流れるリーク電流と動作電流も削減できるため消費電力が削減できる。また、本実施の形態のメモリセルMCにおいても、従来セルよりもリーク電流を低減する効果がある。さらに、読み出し動作期間中のビット線WBLからメモリセルMCに放電される読み出し電流が低減できるため、従来セルに比べて消費電力を削減する効果もある。これらのことから、本実施の形態を搭載する半導体チップの消費電流は低減される。これにより、消費電流の増加に伴う半導体チップ(LSI)の熱暴走が抑制され、熱暴走により誘引されるシステムの誤動作や停止を抑制することができる。加えて、本半導体チップ(LSI)を用いて構成するシステムの信頼性は向上する。   As described above, since the read and write word lines are shared in this embodiment, two word drivers are not required for one memory cell, and one word is used unlike a conventional cell. Can be configured with a driver. As a result, the layout area can be reduced as compared with the fourth embodiment, and the leakage current and the operating current flowing in the unnecessary word driver can be reduced, so that the power consumption can be reduced. Also, the memory cell MC of the present embodiment has an effect of reducing the leakage current as compared with the conventional cell. Further, since the read current discharged from the bit line WBL to the memory cell MC during the read operation period can be reduced, there is an effect of reducing power consumption compared to the conventional cell. For these reasons, the current consumption of the semiconductor chip on which this embodiment is mounted is reduced. Thereby, the thermal runaway of the semiconductor chip (LSI) accompanying the increase in current consumption is suppressed, and the malfunction and stop of the system induced by the thermal runaway can be suppressed. In addition, the reliability of a system configured using this semiconductor chip (LSI) is improved.

上記各実施の形態において説明した複数の技術の各々は、技術的な矛盾が発生しない限り、他の実施の形態においても適用可能である。   Each of the plurality of techniques described in the above embodiments can be applied to other embodiments as long as no technical contradiction occurs.

以下、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更は可能であることはいうまでもない。   Hereinafter, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

1 半導体装置
2 SRAMマクロ
3 演算処理回路
4 周辺回路
MC、MChigh、MClow メモリセル
M1、M2、M01、M02、M11、M12 ロードトランジスタ
M3、M4、M03、M04、M13、M14 ドライバトランジスタ
M5、M6、M05、M06、M15、M16 アクセストランジスタ
M10、M11、M010、M011 リーク抑制トランジスタ
RWL、WWL、WL ワード線
RBL、WBL ビット線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 2 SRAM macro 3 Arithmetic processing circuit 4 Peripheral circuit MC, MHigh, MClow Memory cell M1, M2, M01, M02, M11, M12 Load transistor M3, M4, M03, M04, M13, M14 Driver transistor M5, M6, M05, M06, M15, M16 Access transistor M10, M11, M010, M011 Leakage suppression transistor RWL, WWL, WL Word line RBL, WBL Bit line

Claims (14)

SRAM(Static Random Access Memory)を備える半導体装置であって、
前記SRAMは、
第2導電型の第1、第2ドライバトランジスタと、
前記第2導電型の第1、第2アクセストランジスタと、
第1導電型の第1、第2ロードトランジスタと、
前記第2導電型のトランジスタであり、ゲートを前記第2アクセストランジスタのソースに、ドレインを前記第1、第2ドライバトランジスタの共通ソースに、ソースを第2電源にそれぞれ接続された第1リーク抑制トランジスタと
を具備し、
前記第1アクセストランジスタは、ドレインに読出しビット線を、ゲートに読出しワード線をそれぞれ接続され、
前記第2アクセストランジスタは、ドレインに書込みビット線を、ゲートに書込みワード線をそれぞれ接続される
半導体装置。
A semiconductor device including an SRAM (Static Random Access Memory),
The SRAM is
First and second driver transistors of the second conductivity type;
First and second access transistors of the second conductivity type;
First and second load transistors of the first conductivity type;
First leakage suppression, wherein the second conductivity type transistor has a gate connected to a source of the second access transistor, a drain connected to a common source of the first and second driver transistors, and a source connected to a second power source. A transistor, and
The first access transistor has a drain connected to a read bit line and a gate connected to a read word line,
The second access transistor has a drain connected to a write bit line and a gate connected to a write word line.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ドレインが、前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ゲートに接続され、
前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ドレインが、前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ゲートに接続され、
前記第1、第2ロードトランジスタの共通ソースが、第1電源に接続され、
前記第1アクセストランジスタのソースが、前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ドレインに接続され、
前記第2アクセストランジスタのソースが、前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ドレインに接続される
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A common drain of the first load transistor and the first driver transistor is connected to a common gate of the second load transistor and the second driver transistor;
A common drain of the second load transistor and the second driver transistor is connected to a common gate of the first load transistor and the first driver transistor;
A common source of the first and second load transistors is connected to a first power source;
A source of the first access transistor is connected to a common drain of the first load transistor and the first driver transistor;
A semiconductor device, wherein a source of the second access transistor is connected to a common drain of the second load transistor and the second driver transistor.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1リーク抑制トランジスタの閾値電圧の絶対値は、前記第1、第2ロードトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも低い
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The absolute value of the threshold voltage of the first leak suppression transistor is lower than the absolute value of the threshold voltage of the first and second load transistors.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記書込みビット線は、データの読み出し期間又はデータの保持期間に、前記第1、第2ロードトランジスタの前記共通ソースに接続される第1電源の電位以上に設定される
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The write bit line is set to be equal to or higher than a potential of a first power supply connected to the common source of the first and second load transistors during a data read period or a data hold period.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記読出しビット線は、データの保持期間に、フローティング状態に設定される
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The read bit line is set in a floating state during a data retention period.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記読出しワード線と前記書込みワード線とは同一である
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The read word line and the write word line are the same semiconductor device.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1導電型のトランジスタであり、ゲートを前記第1アクセストランジスタのソースに、ドレインを前記第1、第2ロードトランジスタの前記共通ソースに、ソースを第1電源にそれぞれ接続された第2リーク抑制トランジスタを更に具備する
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A second leakage current transistor having a gate connected to the source of the first access transistor, a drain connected to the common source of the first and second load transistors, and a source connected to the first power supply; A semiconductor device further comprising a suppression transistor.
請求項7に記載の半導体装置において、
前記読出しワード線と前記書込みワード線とは同一である
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7,
The read word line and the write word line are the same semiconductor device.
SRAM(Static Random Access Memory)を備える半導体装置であって、
前記SRAMは、
第2導電型の第1、第2ドライバトランジスタと、
前記第2導電型の第1、第2アクセストランジスタと、
第1導電型の第1、第2ロードトランジスタと、
前記第1導電型のトランジスタであり、ゲートを前記第1アクセストランジスタのソースに、ドレインを前記ロードトランジスタの共通ソースに、ソースを第1電源にそれぞれ接続された第2リーク抑制用トランジスタと
を具備し、
前記第1アクセストランジスタは、ドレインに読出しビット線を、ゲートに読出しワード線をそれぞれ接続され、
前記第2アクセストランジスタは、ドレインに書込みビット線を、ゲートに書込みワード線をそれぞれ接続される
半導体装置。
A semiconductor device including an SRAM (Static Random Access Memory),
The SRAM is
First and second driver transistors of the second conductivity type;
First and second access transistors of the second conductivity type;
First and second load transistors of the first conductivity type;
A second leakage suppressing transistor, the first conductivity type transistor having a gate connected to a source of the first access transistor, a drain connected to a common source of the load transistor, and a source connected to a first power source; And
The first access transistor has a drain connected to a read bit line and a gate connected to a read word line,
The second access transistor has a drain connected to a write bit line and a gate connected to a write word line.
請求項9に記載の半導体装置において、
前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ドレインが、前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ゲートに接続され、
前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ドレインが、前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ゲートに接続され、
前記第1、第2ドライバトランジスタの共通ソースが、第2電源に接続され、
前記第1アクセストランジスタのソースが、前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ドレインに接続され、
前記第2アクセストランジスタのソースが、前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ドレインに接続される
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9.
A common drain of the first load transistor and the first driver transistor is connected to a common gate of the second load transistor and the second driver transistor;
A common drain of the second load transistor and the second driver transistor is connected to a common gate of the first load transistor and the first driver transistor;
A common source of the first and second driver transistors is connected to a second power source;
A source of the first access transistor is connected to a common drain of the first load transistor and the first driver transistor;
A semiconductor device, wherein a source of the second access transistor is connected to a common drain of the second load transistor and the second driver transistor.
請求項9に記載の半導体装置において、
前記読出しビット線は、データの保持期間に、フローティング状態に設定される
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9.
The read bit line is set in a floating state during a data retention period.
請求項9に記載の半導体装置において、
前記第2リーク抑制トランジスタの閾値電圧の絶対値は、前記第1、第2ドライバトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも低い
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9.
The absolute value of the threshold voltage of the second leak suppression transistor is lower than the absolute value of the threshold voltage of the first and second driver transistors.
SRAM(Static Random Access Memory)を備える半導体装置の動作方法であって、
ここで、前記SRAMは、
第2導電型の第1、第2ドライバトランジスタと、
前記第2導電型の第1、第2アクセストランジスタと、
第1導電型の第1、第2ロードトランジスタと、
前記第2導電型のトランジスタであり、ゲートを前記第2アクセストランジスタのソースに、ドレインを前記第1、第2ドライバトランジスタの共通ソースに、ソースを第2電源にそれぞれ接続された第1リーク抑制トランジスタと
を具備し、
前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ドレインが、前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ゲートに接続され、
前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ドレインが、前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ゲートに接続され、
前記第1、第2ロードトランジスタの共通ソースが、第1電源に接続され、
前記第1アクセストランジスタは、ドレインに読出しビット線を、ゲートに読出しワード線を、ソースに前記第1ロードトランジスタと前記第1ドライバトランジスタの共通ドレインをそれぞれ接続され、
前記第2アクセストランジスタは、ドレインに書込みビット線を、ゲートに書込みワード線を、ソースに前記第2ロードトランジスタと前記第2ドライバトランジスタの共通ドレインをそれぞれ接続され、
前記半導体装置の動作方法は、
データの読み出し期間又はデータの保持期間に、前記書込みビット線を、前記第1電源の電位以上に設定するステップと、
前記データの読み出し期間又は前記データの保持期間の終了後に、前記読み出しビット線及び前記書込みビット線を、所定の電位にプリチャージするステップと
を具備する
半導体装置の動作方法。
An operation method of a semiconductor device including an SRAM (Static Random Access Memory),
Here, the SRAM is
First and second driver transistors of the second conductivity type;
First and second access transistors of the second conductivity type;
First and second load transistors of the first conductivity type;
First leakage suppression, wherein the second conductivity type transistor has a gate connected to a source of the second access transistor, a drain connected to a common source of the first and second driver transistors, and a source connected to a second power source. A transistor, and
A common drain of the first load transistor and the first driver transistor is connected to a common gate of the second load transistor and the second driver transistor;
A common drain of the second load transistor and the second driver transistor is connected to a common gate of the first load transistor and the first driver transistor;
A common source of the first and second load transistors is connected to a first power source;
The first access transistor has a drain connected to a read bit line, a gate connected to a read word line, a source connected to the common drain of the first load transistor and the first driver transistor,
The second access transistor has a drain connected to a write bit line, a gate connected to a write word line, a source connected to a common drain of the second load transistor and the second driver transistor,
The operation method of the semiconductor device is as follows:
Setting the write bit line to be equal to or higher than the potential of the first power supply during a data read period or a data hold period;
A method for operating a semiconductor device, comprising: precharging the read bit line and the write bit line to a predetermined potential after the end of the data read period or the data hold period.
請求項13に記載の半導体装置の動作方法において、
前記データの保持期間に、前記読出しビット線を、フローティング状態に設定するステップを更に具備する
半導体装置の動作方法。
The operation method of the semiconductor device according to claim 13,
A method of operating a semiconductor device, further comprising: setting the read bit line in a floating state during the data retention period.
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