JP2014241181A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。特に、記憶素子を備える半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a semiconductor device including a memory element.
DRAM(Dynamic Random Access Memory)等の半導体メモリにおいて、メモリセルから読み出された微少信号を増幅するためのセンスアンプが設けられている。また、ReRAM(Resistance Random Access Memory)やSTTRAM(Spin Transfer Torque RAM)等の抵抗変化型メモリにおいては、特許文献1が開示するような所謂電流センスアンプが使用される。 In a semiconductor memory such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory), a sense amplifier is provided for amplifying a minute signal read from a memory cell. In a resistance change type memory such as ReRAM (Resistance Random Access Memory) or STTRAM (Spin Transfer Torque RAM), a so-called current sense amplifier as disclosed in Patent Document 1 is used.
電流センスアンプは、アクセス対象のメモリセルに流れる電流と、データ判定の際の基準となる参照電流と、を比較することで、メモリセルが保持するデータの読み出しを実現する。より具体的には、電流センスアンプは、カレントミラー回路を用いて参照側に流れる参照電流をアクセス対象のメモリセル側に複製し、参照電流とメモリセルが流すメモリセル電流の大小を判定することで、データの読み出しを実現する。 The current sense amplifier realizes reading of data held in the memory cell by comparing a current flowing in the memory cell to be accessed with a reference current that is a reference for data determination. More specifically, the current sense amplifier uses a current mirror circuit to replicate the reference current flowing on the reference side to the memory cell side to be accessed, and determines the magnitude of the reference current and the memory cell current flowing through the memory cell. Thus, data reading is realized.
なお、上記先行技術文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明者らによってなされたものである。 The disclosure of the above prior art document is incorporated herein by reference. The following analysis was made by the present inventors.
上述のように、メモリセルからデータを読み出す際に電流センスアンプが用いられる。この電流センスアンプに含まれるカレントミラー回路を構成するトランジスタの特性には、ばらつきが存在するのが通常である。このトランジスタの特性のばらつきに起因し、メモリセル電流の大小が誤って判定される可能性がある。 As described above, the current sense amplifier is used when reading data from the memory cell. Usually, there are variations in the characteristics of the transistors constituting the current mirror circuit included in the current sense amplifier. Due to the variation in the characteristics of the transistors, the magnitude of the memory cell current may be erroneously determined.
本発明の第1の視点によれば、参照電流を発生する第1及び第2の参照電流発生部と、前記第1の参照電流発生部と接続され、メモリセル電流を生成するカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路と前記第2の参照電流発生部を接続、又は、前記カレントミラー回路とメモリセルを接続する切り替え回路と、第1の入力端に、前記カレントミラー回路と前記第1の参照電流発生部の第1の接続ノードにおける電位が入力され、第2の入力端に、前記カレントミラー回路と前記切り替え回路の第2の接続ノードにおける電位が入力される、アンプ部と、を備え、前記アンプ部は、前記第2の参照電流発生部と前記カレントミラー回路が接続されている場合に、前記第1及び第2の接続ノード間に生じるオフセット電圧を保持し、前記カレントミラー回路と前記メモリセルが接続されている場合に、前記オフセット電圧を反映しつつ、前記第1及び第2の接続ノード間の電位差を差動増幅する、半導体装置が提供される。 According to a first aspect of the present invention, a first and second reference current generation unit that generates a reference current, a current mirror circuit that is connected to the first reference current generation unit and generates a memory cell current, Connecting the current mirror circuit and the second reference current generator, or a switching circuit connecting the current mirror circuit and the memory cell, and the current mirror circuit and the first reference at a first input terminal. An amplifier unit to which a potential at a first connection node of a current generation unit is input, and a potential at a second connection node of the current mirror circuit and the switching circuit is input to a second input terminal; The amplifier unit holds an offset voltage generated between the first and second connection nodes when the second reference current generation unit and the current mirror circuit are connected to each other. If the Tomira circuit and the memory cells are connected, while reflecting the offset voltage to the differential amplifying a potential difference between the first and second connecting node, the semiconductor device is provided.
本発明の1視点によれば、電流センスアンプによるデータの読み出しを、高精度で実行することに寄与する半導体装置が、提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device that contributes to performing data reading by a current sense amplifier with high accuracy.
一実施形態の概要について説明する。図1に示すように、半導体装置は、参照電流を発生する第1及び第2の参照電流発生部(例えば、図1の第1の参照電流発生部201、第2の参照電流発生部202)と、第1の参照電流発生部と接続され、メモリセル電流を生成するカレントミラー回路(例えば、図1のPチャネル型MOSトランジスタP01、P02)と、カレントミラー回路と第2の参照電流発生部を接続、又は、カレントミラー回路とメモリセルを接続する切り替え回路(例えば、図1のトランスファーゲート37、Yスイッチ回路30、スイッチ204)と、第1の入力端に、カレントミラー回路と第1の参照電流発生部の第1の接続ノードにおける電位が入力され、第2の入力端に、カレントミラー回路と切り替え回路の第2の接続ノードにおける電位が入力される、アンプ部(例えば、図1のアンプ部203)と、を備える。さらに、アンプ部は、第2の参照電流発生部とカレントミラー回路が接続されている場合に、第1及び第2の接続ノード間に生じるオフセット電圧を保持し、カレントミラー回路とメモリセルが接続されている場合に、オフセット電圧を反映しつつ、第1及び第2の接続ノード間の電位差を差動増幅する。
An outline of one embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the semiconductor device includes first and second reference current generators that generate a reference current (for example, the first
半導体装置は、実質的に同一の電流値を持つ参照電流を生成する2つの参照電流発生部を備え、2つの参照電流をカレントミラー回路に流すことで、カレントミラー回路を構成するトランジスタの特性差が顕在化した結果のオフセット電圧を、アンプ部に入力する。また、アンプ部は、メモリセルからデータを読み出す前に、オフセット電圧を内部に保持する。このオフセット電圧が保持された状態で、カレントミラー回路とメモリセルが接続され、アンプ部にはメモリセル電流と参照電流とに起因する電位が入力される。アンプ部は、保持したオフセット電圧を反映しつつ、入力された電位差を比較・増幅する。換言するならば、オフセット電圧はカレントミラー回路を構成するトランジスタの特性差を含む情報であるから、オフセット電圧を加味した電位差の比較を行うことで、トランジスタの特性差による影響を除外し、読み出しデータの判定ができる。その結果、カレントミラー回路を構成するトランジスタの特性差に起因するデータの誤判定を防止できる。 The semiconductor device includes two reference current generators that generate reference currents having substantially the same current value, and causes the two reference currents to flow through the current mirror circuit, thereby causing a characteristic difference between transistors constituting the current mirror circuit. The offset voltage resulting from the manifestation of is input to the amplifier unit. The amplifier unit holds an offset voltage inside before reading data from the memory cell. The current mirror circuit and the memory cell are connected in a state where the offset voltage is held, and a potential resulting from the memory cell current and the reference current is input to the amplifier unit. The amplifier unit compares and amplifies the input potential difference while reflecting the held offset voltage. In other words, the offset voltage is information including the characteristic difference of the transistors constituting the current mirror circuit. Therefore, by comparing the potential difference taking the offset voltage into account, the influence of the transistor characteristic difference is excluded, and the read data is excluded. Can be determined. As a result, it is possible to prevent erroneous determination of data due to a difference in characteristics of transistors constituting the current mirror circuit.
以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。 Hereinafter, specific embodiments will be described in more detail with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
第1の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。
[First Embodiment]
The first embodiment will be described in more detail with reference to the drawings.
図2は、第1の実施形態に係る半導体装置10の構成の一例を示す図である。図2に示すメモリセルアレイ11は、二次元的に配置された複数の抵抗変化型のメモリセルを含む。各メモリセルは、抵抗変化素子(図3に示す参照符号34−1等)とメモリセルトランジスタ(図3に示す参照符号35−1等)から構成される。各抵抗変化素子は、高抵抗状態「0」と低抵抗状態「1」のいずれかの抵抗状態を記憶し、不揮発性記憶素子として機能する。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the
半導体装置10は、メモリセルを選択し、高抵抗状態を低抵抗状態に変化させるSET書き込み、低抵抗状態を高抵抗状態に変化させるRESET書き込み、抵抗状態の読み出しの3つの動作を行う。図2において、メモリセルアレイ11以外のブロックは、メモリセルアレイ11に対して、上記3つの動作を制御している。
The
アドレス入力回路12は、アクセスするメモリセルのアドレスADDを入力する。アドレスラッチ回路13は、入力されたアドレスADDをラッチし、ロウアドレスADD_ROWと、カラムアドレスADD_COLUMNに分離する。
The
アドレスラッチ回路13は、ロウアドレスADD_ROWをロウ制御回路14に、カラムアドレスADD_COLUMNをカラム制御回路15に、それぞれ出力する。なお、アドレスラッチ回路13はロウアドレスADD_ROW及びカラムアドレスADD_COLUMNを時分割で受けても良い。
The
ロウ制御回路14は、ロウデコーダ(図示せず)を備え、ロウアドレスADD_ROWからロウ選択信号をデコードする。複数のワード線WLのなかから、ロウ選択信号により選択されたワード線WLが活性化する。
The
カラム制御回路15は、カラムデコーダ(図示せず)を備え、カラムアドレスADD_COLUMNからカラム選択信号YJをデコードする。カラム制御回路15は、カラム選択信号YJをメモリセルアレイ11に出力する。カラム選択信号YJにより選択されたビット線BLが活性化する。 The column control circuit 15 includes a column decoder (not shown), and decodes the column selection signal YJ from the column address ADD_COLUMN. The column control circuit 15 outputs a column selection signal YJ to the memory cell array 11. The bit line BL selected by the column selection signal YJ is activated.
クロック入力回路16は、外部から半導体装置10に供給される相補の外部クロック信号CK、/CKを受け、内部クロックICLKを生成する。クロック入力回路16は、生成した内部クロックICLKを、タイミングジェネレータ17に供給する。
The
タイミングジェネレータ17は、内部クロックICLKに基づき、半導体装置10の動作に必要な種々のタイミング信号を生成し、図示しない各部へ供給する。なお、本明細書において、信号名の「/」はロウレベルがアクティブの信号であることを示す。
The timing generator 17 generates various timing signals necessary for the operation of the
データ入出力端子DQは入出力回路18と接続され、データ入出力端子DQに書き込みデータが入力されることに応じて書き込みデータが入出力回路18に取り込まれる。また、入出力回路18はリードライトアンプ(RWAMP)19と接続される。リードライトアンプ19は、書き込みデータを、メモリセルアレイ11を延伸するグローバルビット線GBLに出力する。また、リードライトアンプ19は、メモリセルから読み出したデータを、グローバルビット線GBLを介して入力し、当該データを増幅した後、入出力回路18に出力する。入出力回路18は、リードライトアンプ19にて増幅されたデータを、データ入出力端子DQから出力する。
The data input / output terminal DQ is connected to the input /
コマンド入力回路20は、制御信号として、ロウアドレスストローブ信号/RAS、カラムアドレスストローブ信号/CAS、ライトイネーブル信号/WE等を入力する。
The
コマンドデコード回路21は、これらの制御信号をデコードし、デコードされたコマンドの実行に必要な制御信号を半導体装置10内の各部に出力する。コマンドデコード回路21は、制御信号のデコード結果に基づいて、プログラム(ライト)コマンド信号PROG又はリードコマンド信号READをロウ制御回路14及びカラム制御回路15に供給する。また、コマンドデコード回路21は、DETECT、CONT、OFFCHKの各種制御信号をリードライトアンプ19に供給する。これらの制御信号の詳細は、後述する。
The
ロウ制御回路14及びカラム制御回路15は、プログラムコマンド信号PROG又はリードコマンド信号READと共に供給されるアドレス信号(ロウアドレスADD_ROW、カラムアドレスADD_COLUMN)によりアクセス対象のメモリセルを選択する。データのプログラム時には、リードライトアンプ19において増幅されるデータが、グローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLを経由して、選択されたメモリセルに書き込まれる。一方、データのリード時には、メモリセルから読み出されるデータが、ローカルビット線LBL及びグローバルビット線GBLを経由し、リードライトアンプ19により増幅された後に読み出される。
The
内部電源発生回路22は、外部から供給される電源VDD、VSSを入力し、半導体装置10内の各部で必要な電圧VPP、VREAD、VSET、VRESET、VCLMP、VSL、VPERI等を生成し、各部へ供給する。
The internal power supply generation circuit 22 inputs power supply VDD and VSS supplied from the outside, generates voltages VPP, VREAD, VSET, VRESET, VCLMP, VSL, VPERI and the like necessary for each part in the
電圧VREADは、リードライトアンプ19に含まれるセンスアンプが、選択されたビット線BLに所定の電圧を印加し、抵抗変化素子の抵抗変化を読み取る際に使用される。電圧VSETは、リードライトアンプ19に供給され、SET書き込み時に使用される。電圧VRESETは、リードライトアンプ19に供給され、RESET書き込み時に使用される。電圧VCLMPは、リードライトアンプ19に含まれるクランプ回路に供給される。電圧VSLは、共通ソース線SLを介して、グローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLをプリチャージする際に使用される。電圧VPERIは、メモリセルアレイ11の周辺回路の電源として使用される。
The voltage VREAD is used when the sense amplifier included in the read /
次に、メモリセルアレイ11の内部構成について説明する。 Next, the internal configuration of the memory cell array 11 will be described.
図3は、メモリセルアレイ11の内部構成の一例を示す図である。図3を参照すると、メモリセルアレイ11は、複数のYスイッチ回路30−1〜30−8と、複数のプリチャージ回路31−1〜31−8と、複数のメモリセル32−1〜32−8と、複数の連結トランジスタ33−1〜33−7と、を含んで構成されている。なお、以降の説明において、Yスイッチ回路を区別する特段の理由がない場合には、「Yスイッチ回路30」と表記する。プリチャージ回路、メモリセル、連結トランジスタ、抵抗変化素子及びメモリセルトランジスタについても同様の表記を行う。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the internal configuration of the memory cell array 11. Referring to FIG. 3, the memory cell array 11 includes a plurality of Y switch circuits 30-1 to 30-8, a plurality of precharge circuits 31-1 to 31-8, and a plurality of memory cells 32-1 to 32-8. And a plurality of coupled transistors 33-1 to 33-7. In the following description, when there is no particular reason for distinguishing the Y switch circuit, it is expressed as “
メモリセルアレイ11に含まれる各メモリセル32は、ワード線WL及びビット線BLにより選択される。メモリセル32の選択に用いられるビット線BLは、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、に階層化されている。例えば、図3において、グローバルビット線GBL0にローカルビット線LBL0〜LBL7のいずれかが選択され、接続されるように構成されている。 Each memory cell 32 included in the memory cell array 11 is selected by a word line WL and a bit line BL. The bit line BL used for selecting the memory cell 32 is hierarchized into a global bit line GBL and a local bit line LBL. For example, in FIG. 3, one of the local bit lines LBL0 to LBL7 is selected and connected to the global bit line GBL0.
このように、メモリセルアレイ11は、複数のグローバルビット線GBLが配線され、かつ、各グローバルビット線GBLには、複数のローカルビット線LBLのいずれかが選択的に接続される。 As described above, in the memory cell array 11, a plurality of global bit lines GBL are wired, and any one of the plurality of local bit lines LBL is selectively connected to each global bit line GBL.
Yスイッチ回路30は、グローバルビット線GBLと複数のローカルビット線LBLの間にそれぞれ設けられるスイッチ回路である。Yスイッチ回路30は、グローバルビット線GBLと複数のローカルビット線LBL間の接続を切り替えるスイッチとして機能する。Yスイッチ回路30は、例えば、Nチャネル型MOSトランジスタ等により構成され、そのゲート端子(制御電極)にてカラム選択信号YJを受け付ける。例えば、図3において、カラム選択信号YJ0が活性状態、カラム選択信号YJ1〜YJ7が非活性状態であれば、Yスイッチ回路30−1が導通し、グローバルビット線GBL0とローカルビット線LBL0が接続される。このように、各Yスイッチ回路30はそれぞれ、複数のローカルビット線LBLのグローバルビット線GBLへの接続を切り替えるカラム選択信号YJに応じて、導通する。なお、各Yスイッチ回路30のそれぞれに対応するカラム選択信号YJは互いに独立の選択信号である。
The
プリチャージ回路31は、複数のローカルビット線LBLにそれぞれ接続される回路である。プリチャージ回路31は、グローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLの電位を電圧VSLにプリチャージする回路である。プリチャージ回路31は、例えば、Nチャネル型MOSトランジスタ等により構成され、そのゲート端子にてプリチャージ信号YBを受け付ける。各プリチャージ回路31は、プリチャージ信号YBが活性化することに応じて、ローカルビット線LBLと電圧VSLを供給する共通ソース線SLを接続することで、グローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLを電圧VSLにプリチャージする。なお、プリチャージ信号YBは、カラム選択信号YJが非活性状態の場合(Yスイッチ回路30が非選択である場合)に、活性化する信号である。即ち、プリチャージ回路31は、Yスイッチ回路30のいずれもが非選択である時に導通する。
The precharge circuit 31 is a circuit connected to each of the plurality of local bit lines LBL. The precharge circuit 31 is a circuit that precharges the potential of the global bit line GBL and the local bit line LBL to the voltage VSL. The precharge circuit 31 is configured by, for example, an N-channel MOS transistor and receives a precharge signal YB at its gate terminal. Each precharge circuit 31 connects the global bit line GBL and the local bit line LBL by connecting the local bit line LBL and the common source line SL that supplies the voltage VSL in response to the activation of the precharge signal YB. Precharge to voltage VSL. The precharge signal YB is a signal that is activated when the column selection signal YJ is inactive (when the
図3において、ロウ制御回路14及びカラム制御回路15が生成する各種の制御信号により、ワード線WL及びローカルビット線LBLが選択される。ワード線WL及び複数のローカルビット線LBLとの間には、それぞれメモリセル32が設けられ、ワード線WL及びローカルビット線LBLが選択された後に、その交点に位置するメモリセル32がアクセスの対象となる。
In FIG. 3, the word line WL and the local bit line LBL are selected by various control signals generated by the
メモリセル32は、抵抗変化素子34とメモリセルトランジスタ35から構成されている。メモリセルトランジスタ35の第1主電極(ソース端子及びドレイン端子の一方)は抵抗変化素子34に、第2主電極(ソース端子及びドレイン端子の他の一方)は共通ソース線SLに、制御電極(ゲート端子)はワード線WLにそれぞれ接続される。このように、メモリセル32は、共通ソース線SL及び複数のローカルビット線LBLの間に其々設けられ、各々が共通ソース線SL及び複数のローカルビット線LBLとの間に直列に接続された抵抗変化素子34及びメモリセルトランジスタ35を備える。
The memory cell 32 includes a
各メモリセル32にデータを書き込む場合には、データを書き込もうとするメモリセル32に対応したワード線WLが選択されることで、メモリセルトランジスタ35がオン状態となる。さらに、共通ソース線SLとローカルビット線LBLとの間に書き込み電圧を印加し、抵抗変化素子34に電流を流すことで書き込み動作を行う。
When writing data in each memory cell 32, the word line WL corresponding to the memory cell 32 to which data is to be written is selected, so that the
より詳細には、メモリセル32にデータ「0」を書き込む際には、グローバルビット線GBLに低電位の電圧VRESETを印加する。一方、メモリセルにデータ「1」を書き込む際には、グローバルビット線GBLに高電位の電圧VSETを印加する。なお、メモリセルにデータを書き込む際に、グローバルビット線GBLに印加する電圧は、リードライトアンプ19を制御することで切り替わる。リードライトアンプ19は電圧VRESET及びVSETを受けており、書き込むべきデータに対応してグローバルビット線GBLに供給する電圧を変化させる。
More specifically, when data “0” is written in the memory cell 32, a low-potential voltage VRESET is applied to the global bit line GBL. On the other hand, when writing data “1” in the memory cell, a high-potential voltage VSET is applied to the global bit line GBL. Note that when data is written to the memory cell, the voltage applied to the global bit line GBL is switched by controlling the read /
また、抵抗変化素子34に電圧VREADが印加され、その際に流れる電流により、抵抗変化素子34の抵抗状態(低抵抗状態又は高抵抗状態)を判定することで、メモリセル32からデータを読み出す。
Further, the voltage VREAD is applied to the
連結トランジスタ33は、隣接するメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタ35におけるボディ部において形成されるチャネル部を相互に接続するためのトランジスタである。例えば、連結トランジスタ33−1は、メモリセルトランジスタ35−1のボディ部におけるチャネル部と、メモリセルトランジスタ35−2のボディ部におけるチャネル部と、を接続する。このように、連結トランジスタ33は、隣接するメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタ35のボディ部において形成されるチャネル部を接続する連結部として機能する。
The connecting transistor 33 is a transistor for mutually connecting channel portions formed in the body portion of the
なお、連結トランジスタ33が、相互に接続するメモリセル32の範囲は、特定のグローバルビット線GBLと特定のワード線WLにより選択可能な複数のメモリセル32に限られる。換言するならば、複数のメモリセル32のうち、グローバルビット線GBL及びワード線WLを共有とするメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタ35のボディ部におけるチャネル部が互いに接続される。例えば、メモリセル32−1〜32−8は、連結トランジスタ33−1〜33−7により相互に接続されるが、他のメモリセル(例えば、メモリセル32−9等)とは接続されない。つまり、複数のメモリセル32のうち、グローバルビット線GBL及びワード線WLを非共有とするメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタのボディ部におけるチャネル部は、互いに非接続である。
The range of the memory cells 32 to which the coupling transistor 33 is connected is limited to a plurality of memory cells 32 that can be selected by a specific global bit line GBL and a specific word line WL. In other words, among the plurality of memory cells 32, channel portions in the body portion of the
各連結トランジスタ33のゲート端子は、対応するワード線WLに接続されている。そのため、対応するワード線WLが活性化することで、連結トランジスタ33は導通する。即ち、対応するワード線WLが活性化することで、連結トランジスタ33のボディ部にはチャネルが形成される。また、ワード線WLが活性化することで、メモリセルトランジスタ35のボディ部にもチャネルが形成される。さらに、後述するように、グローバルビット線GBLとワード線WLを共有する複数のメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタ35のボディ部(シリコンピラー)は、1本のピラーとして形成される。従って、各メモリセルトランジスタ35におけるボディ部におけるチャネル部は、ワード線WLが活性状態の時に互いのチャネル部が接続されるように、互いに隣接するメモリセルトランジスタ35を接続する。図3においては、ワード線WL0が活性状態になることで、連結トランジスタ33−1〜33−7がそれぞれ導通し、各メモリセルトランジスタ35のボディ部におけるチャネル部を接続する。
The gate terminal of each connection transistor 33 is connected to the corresponding word line WL. Therefore, when the corresponding word line WL is activated, the connection transistor 33 becomes conductive. That is, when the corresponding word line WL is activated, a channel is formed in the body portion of the connection transistor 33. Further, when the word line WL is activated, a channel is also formed in the body portion of the
このように、各連結トランジスタ33は、其々のゲートにワード線WLが共通に接続され、其々に対応する互いに隣接する2つのメモリセルトランジスタ35のソース及びドレインの一方同志の間にチャネルを形成するように構成される。そのため、互いに隣接する2つのメモリセルトランジスタ35におけるソース及びドレインの一方は、ワード線WLが活性状態の時に、連結トランジスタ33のチャネルを介して互いに電気的に接続され、ワード線WLが非活性状態の時に、連結トランジスタ33のチャネルが形成されないことに応じて電気的に独立となる。なお、対応するワード線WLが非活性状態であれば、連結トランジスタ33が導通することはなく、メモリセル32内部の各メモリセルトランジスタ35のボディ部におけるチャネル部が相互に接続されることもない。
In this way, each of the connection transistors 33 has a common word line WL connected to each gate, and a channel between one of the sources and drains of the two adjacent
なお、ビット線BLだけではなく、ワード線WLも階層化してもよい。その場合には、ワード線WLを、メインワード線とサブワード線に階層化し、メインワードドライバ(図示せず)やサブワードドライバ(図示せず)を用いてメモリセル32の選択を行う。 Note that not only the bit lines BL but also the word lines WL may be hierarchized. In that case, the word line WL is hierarchized into a main word line and a sub word line, and the memory cell 32 is selected using a main word driver (not shown) or a sub word driver (not shown).
図4は、図3に示すメモリセル32−1〜32−8及びその周辺の回路構成を、所謂プレーナタイプトランジスタで形成したレイアウト図である。この構成においては、各トランジスタのソース、チャネル、ドレイン、が平面的に重ならずに配置されている。このように、プレーナタイプトランジスタを用いて、メモリセル32を構成することが出来る。 FIG. 4 is a layout diagram in which the memory cells 32-1 to 32-8 shown in FIG. 3 and their peripheral circuit configurations are formed of so-called planar type transistors. In this configuration, the source, channel, and drain of each transistor are arranged so as not to overlap in a plane. In this way, the memory cell 32 can be configured using a planar type transistor.
一方、図5は、上記回路構成を、所謂縦型トランジスタで形成した構造図であり、図3に示すメモリセル32−1〜32−8におけるワード線WL方向の断面を示す図である。この構成においては各メモリセルトランジスタ35のソース、チャネル(及びボディ)、ドレインは平面的に重なり、半導体基板に垂直な方向に並んで配置される。更に、連結トランジスタ33は互いに隣接する2つのメモリセルトランジスタ35のソース及びドレインの一方の間にチャネルを形成するように、即ちプレーナタイプトランジスタの様に形成されている。なお、図4及び図5において、理解の容易のために、トランジスタの回路記号を図示している。
On the other hand, FIG. 5 is a structural diagram in which the above circuit configuration is formed by so-called vertical transistors, and is a diagram showing a cross section in the word line WL direction in the memory cells 32-1 to 32-8 shown in FIG. In this configuration, the source, channel (and body), and drain of each
図4を参照すると、メモリセルトランジスタ35を形成するN型拡散層102は、第1コンタクト103を介して抵抗変化素子34の一端と電気的に接続される。さらに、抵抗変化素子34の他の一端が、ローカルビット線LBLと電気的に接続される。また、メモリセルトランジスタ35を形成するN型拡散層101は、第2コンタクト104を介して、共通ソース線SLと電気的に接続される。さらに、メモリセルトランジスタ35のゲート端子が、対応するワード線WLに電気的に接続される。なお、N型拡散層101及び102に挟まれた領域にチャネルを形成する。さらに、各メモリセルトランジスタ35の互いに隣接するローカルビット線LBL側のノード間において、連結トランジスタ33が形成される。この様に、図4における各トランジスタは平面的に配置されている。
Referring to FIG. 4, the N-
図5を参照すると、各メモリセルトランジスタは半導体基板に垂直な方向に形成され、その一部分たるN型拡散層102同士の間に形成される連結トランジスタ33により、メモリセルトランジスタ35のボディ部におけるチャネル部が互いに電気的に接続されるように形成されている。即ち、基板105上にN型拡散層101を積層し、さらにシリコンピラー106を各メモリセルトランジスタ35に共通する1本のピラーとして形成する。シリコンピラー106上には、複数のN型拡散層102が複数の抵抗変化素子34に其々対応して形成され、さらに、シリコンピラー106は、ボディ部上面が略平坦となるように形成される。その結果、グローバルビット線GBL及びワード線WLを共有する複数のメモリセルトランジスタ35間において、ボディ部は、連結トランジスタ33を介して共有される。また、シリコンピラー106の両側には所定の間隔をおいて(ゲート酸化膜を介して)、ゲート電極(図示せず)が配置され、対応するワード線WL0と電気的に接続されている。プロセス上の形成難度は高いものの、この様に形成することで半導体装置のサイズを小さく抑えることが出来る。
Referring to FIG. 5, each memory cell transistor is formed in a direction perpendicular to the semiconductor substrate, and a channel in the body portion of the
なお、メモリセルトランジスタ35のボディ部におけるチャネル部同士を接続するのは、グローバルビット線GBL及びワード線WLを共有するメモリセルトランジスタ35に限られ、グローバルビット線GBL及びワード線WLのいずれか一方を共有しないメモリセルトランジスタ35同士は互いに接続しない。つまり、互いに隣接して配置されるメモリセルトランジスタ35(例えば、ワード線WL0に接続されたメモリセルトランジスタ35)のソース及びドレインの一方と、接続されるワード線WLが異なる他のメモリセルトランジスタ35(例えば、ワード線WL0以外のワード線WLに接続されたメモリセルトランジスタ35)のソース及びドレインの一方は、いずれのワード線WLが活性化しても電気的に独立である。
Note that the channel portions in the body portion of the
次に、リードライトアンプ19に含まれる電流センスアンプについて説明する。
Next, a current sense amplifier included in the read /
図1は、リードライトアンプ19に含まれる電流センスアンプ部36の内部構成の一例を示す図である。図1を参照すると、電流センスアンプ部36は、Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02と、第1の参照電流発生部201と、第2の参照電流発生部202と、アンプ部203と、スイッチ204と、を含んで構成される。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an internal configuration of the current
電流センスアンプ部36は、トランスファーゲート37を介してグローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLに接続される。また、電流センスアンプ部36は、アンプ部203において、参照側の電位と、メモリセル32側の電位と、を比較・増幅し、読み出しデータとしてリードライトバスRWBSに出力する。
The current
電流センスアンプ部36は、制御信号DETECTを受け付ける。制御信号DETECTは、スイッチ204と、アンプ部203に含まれる複数のスイッチ(図7のスイッチSW1〜SW7)の接続を切り替える制御信号である。
The current
Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02のソース端子は電圧VREADを供給する電源線に接続され、互いのゲート端子は共通接続される。Pチャネル型MOSトランジスタP02のドレイン端子は、第1の参照電流発生部201に接続される。Pチャネル型MOSトランジスタP01のドレイン端子は、スイッチ204を介して第2の参照電流発生部202に、又は、トランスファーゲート37及びYスイッチ回路30を介してメモリセル32に接続される。Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02のゲート端子は共通接続され、Pチャネル型MOSトランジスタP02のドレイン端子と接続される。Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02によりカレントミラー回路を形成し、Pチャネル型MOSトランジスタP01から、メモリセル電流をメモリセル32に供給する。
The source terminals of the P-channel MOS transistors P01 and P02 are connected to a power supply line that supplies the voltage VREAD, and the gate terminals of the P-channel MOS transistors P01 and P02 are connected in common. The drain terminal of the P-channel MOS transistor P02 is connected to the first reference
また、トランスファーゲート37、Yスイッチ回路30及びスイッチ204は、カレントミラー回路と第2の参照電流発生部202を接続するか、又は、カレントミラー回路とメモリセル32を接続するか、を切り替える回路として機能する。
The
なお、以降の説明において、Pチャネル型MOSトランジスタP01とスイッチ204の接続ノードをノードA1、Pチャネル型MOSトランジスタP02と第1の参照電流発生部201の接続ノードをノードA2とする。また、各ノードにおける電位を、当該ノードの名称を用いて表記する。例えば、ノードA1の電位をVA1と表記する。さらに、アンプ部203のメモリセル32側の入力端(ノードA1と接続される側の入力端)における電位をVsaout、アンプ部203の参照側の入力端(ノードA2と接続される側の入力端)における電位をVref、とそれぞれ表記する。さらにまた、後述する検出動作(DETECT動作)時における、アンプ部203のメモリセル32側の入力端における電位をVsaout(d)、アンプ部203の参照側の入力端における電位をVref(d)、とそれぞれ表記する。さらにまた、後述するセンス動作時における、アンプ部203のメモリセル32側の入力端における電位をVsaout(s)、アンプ部203の参照側の入力端における電位をVref(s)、とそれぞれ表記する。
In the following description, a connection node between the P-channel MOS transistor P01 and the
第1の参照電流発生部201及び第2の参照電流発生部202は、実質的に同じ電流値を持つ参照電流Irefを生成するように構成されている。図6は、第1の参照電流発生部201の回路構成の一例を示す図である。第1の参照電流発生部201は、アンプ301と、抵抗302と、Nチャネル型MOSトランジスタN01及びN02と、を含んで構成される。なお、第2の参照電流発生部202の回路構成は、第1の参照電流発生部201の回路構成と相違する点が存在しないので説明を省略する。
The first reference
第1の参照電流発生部201は、制御信号CONTの活性化に応じて、参照電流Irefを生成する。アンプ301は、クランプ電圧VCLMPと、ノードA3(Nチャネル型MOSトランジスタN01と抵抗302の接続ノード)における電位VA3と、を受け付け、電位VA3をクランプ電圧VCLMPの電位と実質的に同一とする。即ち、アンプ301とNチャネル型MOSトランジスタN01とでクランプ回路を形成し、このクランプ回路は、抵抗302とクランプ回路の接続ノードであるノードA3の電位VA3を、所定の電位に保持する回路である。
The first reference
Nチャネル型MOSトランジスタN02は、ゲート端子により制御信号CONTを受け付け、制御信号CONTの活性化(Hレベルに遷移)に応じて、参照電流Irefを生成する。より具体的には、ノードA3における電位VA3を抵抗302の抵抗値で除算した電流値を持つ参照電流Irefが生成される。
N-channel MOS transistor N02 receives control signal CONT at its gate terminal, and generates reference current Iref in response to activation of control signal CONT (transition to H level). More specifically, the reference current Iref having a current value obtained by dividing the potential VA3 at the node A3 by the resistance value of the
第1の参照電流発生部201と第2の参照電流発生部202の構成は同一であるため、それぞれに同じクランプ電圧VCLMPを供給することで、各参照電流発生部が生成する参照電流Irefの電流値が実質的に一致する。図1を参照すると、スイッチ204が導通、トランスファーゲート37が非導通の場合には、各参照電流発生部が生成する参照電流Irefが同じ電流値のため、Pチャネル型MOSトランジスタP01とP02の閾値電圧等の特性が同一であれば、電位Vsaoutと電位Vrefは等しくなる。
Since the configurations of the first reference
しかし、Pチャネル型MOSトランジスタP01とP02の間に特性差が存在すれば、電位Vsaoutと電位Vrefとの間に電位差(オフセット電圧)が生じることになる。より具体的には、Pチャネル型MOSトランジスタP01の閾値電圧がPチャネル型MOSトランジスタP02の閾値電圧よりも高い場合には、電位Vsaoutの方が電位Vrefよりも低電位となる(電位Vrefを基準として負のオフセット電圧が生じる)。一方、Pチャネル型MOSトランジスタP01の閾値電圧がPチャネル型MOSトランジスタP02の閾値電圧よりも低い場合には、電位Vsaoutの方が電位Vrefよりも高電位となる(電位Vrefを基準として正のオフセット電圧が生じる)。 However, if there is a characteristic difference between the P-channel MOS transistors P01 and P02, a potential difference (offset voltage) is generated between the potential Vsout and the potential Vref. More specifically, when the threshold voltage of the P-channel MOS transistor P01 is higher than the threshold voltage of the P-channel MOS transistor P02, the potential Vsaout is lower than the potential Vref (the potential Vref is used as a reference). As a negative offset voltage). On the other hand, when the threshold voltage of the P-channel MOS transistor P01 is lower than the threshold voltage of the P-channel MOS transistor P02, the potential Vsout becomes higher than the potential Vref (a positive offset with respect to the potential Vref). Voltage is generated).
次に、アンプ部203について説明する。
Next, the
アンプ部203は、第1の入力端に、ノードA2(カレントミラー回路と第1の参照電流発生部201の接続ノード)における電位Vrefが入力され、第2の入力端に、ノードA1(カレントミラー回路とスイッチ204等の接続ノード)における電位Vsaoutが入力される増幅回路である(図1参照)。
In the
図7は、アンプ部203の回路構成の一例を示す図である。図7を参照すると、アンプ部203は、キャパシタC1及びC2と、スイッチSW1〜SW7と、Pチャネル型MOSトランジスタP03及びP04と、Nチャネル型MOSトランジスタN03〜N05と、ラッチ回路401と、スイッチ切り替え回路402と、を含んで構成される。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the
キャパシタC1の一端は上述の第1の入力端に接続され、他の一端がNチャネル型MOSトランジスタN04のゲート端子(制御端子)に接続される。同様に、キャパシタC2の一端は上述の第2の入力端に接続され、他の一端がNチャネル型MOSトランジスタN05のゲート端子に接続される。Pチャネル型MOSトランジスタP03及びP04は、ゲート端子が共通接続され、それぞれ、Nチャネル型MOSトランジスタN04及びN05に電流を供給する。 One end of the capacitor C1 is connected to the above-mentioned first input terminal, and the other end is connected to the gate terminal (control terminal) of the N-channel MOS transistor N04. Similarly, one end of the capacitor C2 is connected to the above-mentioned second input end, and the other end is connected to the gate terminal of the N-channel MOS transistor N05. The P-channel MOS transistors P03 and P04 have gate terminals connected in common, and supply current to the N-channel MOS transistors N04 and N05, respectively.
スイッチSW1は、キャパシタC1の一端とNチャネル型MOSトランジスタN04のドレイン端子(主端子)の間に接続される。同様に、スイッチSW2は、キャパシタC2の一端とNチャネル型MOSトランジスタN05のドレイン端子の間に接続される。スイッチSW3は、Pチャネル型MOSトランジスタP03及びP04のドレイン端子の間に接続される。スイッチSW4は、Nチャネル型MOSトランジスタN04とPチャネル型MOSトランジスタP03の間に接続される。同様に、スイッチSW5は、Nチャネル型MOSトランジスタN05とPチャネル型MOSトランジスタP04の間に接続される。スイッチSW6は、ラッチ回路401に電源VDDを供給する電源線とラッチ回路401の間に接続される。スイッチSW7は、ラッチ回路401を接地する電源線とラッチ回路401の間に接続される。
The switch SW1 is connected between one end of the capacitor C1 and the drain terminal (main terminal) of the N-channel MOS transistor N04. Similarly, the switch SW2 is connected between one end of the capacitor C2 and the drain terminal of the N-channel MOS transistor N05. The switch SW3 is connected between the drain terminals of the P-channel MOS transistors P03 and P04. The switch SW4 is connected between the N channel type MOS transistor N04 and the P channel type MOS transistor P03. Similarly, the switch SW5 is connected between the N-channel MOS transistor N05 and the P-channel MOS transistor P04. The switch SW 6 is connected between the power supply line that supplies the power supply VDD to the
ラッチ回路401は、フリップフロップ接続されたPチャネル型MOSトランジスタP05及びP06と、Nチャネル型MOSトランジスタN06及びN07と、から構成されている。ラッチ回路は、Nチャネル型MOSトランジスタN04とPチャネル型MOSトランジスタP03の接続ノードが含まれる反転ローカルアンプ線LANと、Nチャネル型MOSトランジスタN05とPチャネル型MOSトランジスタP04の接続ノードが含まれる非反転ローカルアンプ線LAPと、の間に接続されている。ラッチ回路401が活性化すると、非反転ローカルアンプ線LAPと反転ローカルアンプ線LANの間の電位差がラッチされる。
The
スイッチ切り替え回路402は、制御信号DETECTの活性状態に応じて、スイッチSW1〜SW7の導通・非導通を切り替える手段である。スイッチ切り替え回路402によるスイッチSW1〜SW7の具体的な制御は後述する。なお、図7において、スイッチ切り替え回路402と、スイッチSW1〜SW7の接続線の図示を省略している。
The
図7を参照すると、制御信号OFFCHKがHレベルに設定されると、Pチャネル型MOSトランジスタP03及びP04と、Nチャネル型MOSトランジスタN03と、がオン状態となり、アンプ部203は活性状態となる。なお、制御信号OFFCHKBは、図示しないインバータ回路により、制御信号OFFCHKを反転することで得られる信号である。
Referring to FIG. 7, when the control signal OFFCHK is set to H level, the P-channel MOS transistors P03 and P04 and the N-channel MOS transistor N03 are turned on, and the
アンプ部203は、制御信号DETECTを受け付ける。アンプ部203は、制御信号DETECTが活性化すると、Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02の特性差を検出し、その特性差を内部に保持する動作を行う。
The
一方、アンプ部203は、制御信号DETECTが非活性状態の場合には、非反転ローカルアンプ線LAPと反転ローカルアンプ線LANの電位差を比較・増幅し、比較結果をリードライトバスRWBSに出力するセンス動作を行う。
On the other hand, when the control signal DETECT is inactive, the
続いて、アンプ部203の動作について説明する。
Next, the operation of the
最初に、制御信号DETECTが活性状態にある場合のアンプ部203の動作(DETECT動作)について説明する。
First, the operation (DETECT operation) of the
制御信号DETECTが活性化すると、スイッチ切り替え回路402は、スイッチSW1〜SW5を導通とし、スイッチSW6及びSW7を非導通とする。スイッチSW6及びSW7が非導通となることで、ラッチ回路401には電源が供給されず、ラッチ回路401は非活性状態となる。また、制御信号DETECTが活性状態に遷移すると、スイッチSW1〜SW5が導通することで、キャパシタC1とNチャネル型MOSトランジスタN04の接続ノードA4とキャパシタC2とNチャネル型MOSトランジスタN05の接続ノードA5が共に充電される。続いて、スイッチ切り替え回路402は、スイッチSW4及びSW5を非導通とすることで、Nチャネル型MOSトランジスタN04及びN05は所謂ダイオード接続となり、其々の閾値電圧Vtに依存した電位まで降圧される。続いて、スイッチ切り替え回路402は、スイッチSW1及びSW2を非導通とし、スイッチSW4及びSW5を導通とする。その結果、Nチャネル型MOSトランジスタN04及びN05其々の接続ノードA4及びA5はNチャネル型MOSトランジスタN04及びN05其々の閾値電圧Vtに依存した電位を保持する(Nチャネル型MOSトランジスタN04及びN05の閾値電圧のオフセット量を保持する)。
When the control signal DETECT is activated, the
一方、図1に示すPチャネル型MOSトランジスタP01及びP02の間に特性差が存在すると、オフセット電圧が生じるのは上述のとおりである。その際、上記保持されたノードA4とノードA5の電位と併せて、電位Vsaout(d)と電位Vref(d)間のオフセット電圧は、キャパシタC1及びC2の保持電荷の差として保持される。より具体的には、キャパシタC1における電極間の電位差は、Vsaout(d)−VA4となる。また、キャパシタC2における電極間の電位差は、Vref(d)−VA5となる。なお、以降の説明において、キャパシタC1における電極間の電位差をVC1(VC1=Vsaout(d)−VA4)、キャパシタC2における電極間の電位差をVC2(VC2=Vref(d)−VA5)、とそれぞれ表記する。この電位差VC1及びVC2をオフセット電圧として用いることにより、Nチャネル型トランジスタN04及びN05のオフセットを相殺し、更にPチャネル型MOSトランジスタP01及びP02のオフセットをも相殺したセンス動作を行うことが可能となる。 On the other hand, if there is a characteristic difference between the P-channel MOS transistors P01 and P02 shown in FIG. 1, the offset voltage is generated as described above. At that time, together with the held potentials of the nodes A4 and A5, the offset voltage between the potential Vsout (d) and the potential Vref (d) is retained as the difference between the retained charges of the capacitors C1 and C2. More specifically, the potential difference between the electrodes in the capacitor C1 is Vsaout (d) −VA4. Further, the potential difference between the electrodes in the capacitor C2 is Vref (d) −VA5. In the following description, the potential difference between the electrodes in the capacitor C1 is expressed as VC1 (VC1 = Vsaout (d) −VA4), and the potential difference between the electrodes in the capacitor C2 is expressed as VC2 (VC2 = Vref (d) −VA5). To do. By using the potential differences VC1 and VC2 as offset voltages, it is possible to perform a sensing operation in which the offsets of the N-channel transistors N04 and N05 are canceled and the offsets of the P-channel MOS transistors P01 and P02 are also canceled. .
次に、制御信号DETECTが非活性状態にある場合のアンプ部203の動作(センス動作)について説明する。
Next, an operation (sense operation) of the
アンプ部203は、ノードA4の電位VA4と、ノードA5の電位VA5と、の間に有意の電位差が生じると、Nチャネル型MOSトランジスタN04及びN05に流れる電流の電流値に差を生じることで、ラッチ回路の入力端における非反転ローカルアンプ線LAPと反転ローカルアンプ線LANの間に電位差を生じる。また、制御信号DETECTが活性化すると、スイッチ切り替え回路402は、スイッチSW1〜SW5を非導通とし、スイッチSW6及びSW7を導通とする。スイッチSW6及びSW7が導通することで、ラッチ回路401に電源が供給され、ラッチ回路401が活性化する。活性化したラッチ回路401は、非反転ローカルアンプ線LAPと反転ローカルアンプ線LANの間の入力端における電位差を増幅/ラッチし、読み出しデータとしてリードライトバスRWBSに出力する。
When a significant potential difference occurs between the potential VA4 of the node A4 and the potential VA5 of the node A5, the
また、制御信号DETECTが非活性状態であれば、スイッチSW1及びSW2が非導通であるため、DETECT動作にてキャパシタC1及びC2に保持された電荷が流れ出る経路が存在しない。そのため、電位Vref(s)に応じて定まる非反転ローカルアンプ線LAPの電位と、電位Vsaout(s)に応じて定まる反転ローカルアンプ線LANの電位と、の電位差にキャパシタC1及びC2が保持するオフセット電圧が反映される。 Further, if the control signal DETECT is in an inactive state, the switches SW1 and SW2 are non-conductive, so that there is no path through which charges held in the capacitors C1 and C2 flow out in the DETECT operation. Therefore, the offset held by the capacitors C1 and C2 is a potential difference between the potential of the non-inverted local amplifier line LAP determined according to the potential Vref (s) and the potential of the inverted local amplifier line LAN determined according to the potential Vsout (s). The voltage is reflected.
次に、半導体装置10の動作について説明する。ここでは、データの読み出し時の動作について説明する。
Next, the operation of the
図1を参照すると、メモリセル32からデータを読み出す際、コマンドデコード回路21は、制御信号DETECTを活性化する。制御信号DETECTが活性化すると、トランスファーゲート37、Yスイッチ回路30及びスイッチ204からなる切り替え回路は、カレントミラー回路と第2の参照電流発生部202を接続する。つまり、制御信号DETECTが活性化すると、電流センスアンプ部36に含まれるスイッチ204が導通する。その際、第1の参照電流発生部201及び第2の参照電流発生部202は、同一の電流値を持つ参照電流Irefを生成するように構成されているため、Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02の間に特性差が存在しなければ、電位Vref(d)と電位Vsaout(d)は一致する。
Referring to FIG. 1, when reading data from the memory cell 32, the
しかし、Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02の間には特性差が存在するのが通常であるから、電位Vref(d)と電位Vsaout(d)の間には電位差(オフセット電圧)が生じることになる。更に、アンプ部203は上述のように、接続ノードA4及びA5に其々Nチャネル型MOSトランジスタN04及びN05の閾値電圧Vtに依存した電位を保持する(VA4、VA5)。キャパシタC1に保持される電位差Vsaout(d)−VA4、キャパシタC2に保持される電位差Vref(d)−VA5によって両経路のオフセットは相殺される。
However, since a characteristic difference usually exists between the P-channel MOS transistors P01 and P02, a potential difference (offset voltage) is generated between the potential Vref (d) and the potential Vsout (d). Become. Further, as described above, the
次に、コマンドデコード回路21は、制御信号DETECTの活性化から所定の時間経過後に、制御信号DETECTを非活性化する。その際、カラム制御回路15は、アクセス対象のメモリセル32に対応するトランスファーゲート37及びYスイッチ回路30を導通する。制御信号DETECTが非活性化することで、スイッチ204は非導通となる。また、トランスファーゲート37及びYスイッチ回路30が導通することで、ローカルビット線LBL及びグローバルビット線GBLを介して、アクセス対象のメモリセル32は、Pチャネル型MOSトランジスタP01を含んで構成されるカレントミラー回路に接続される。即ち、トランスファーゲート37、Yスイッチ回路30及びスイッチ204からなる切り替え回路は、制御信号DETECTの非活性化に応じて、カレントミラー回路とメモリセル32を接続する。
Next, the
カレントミラー回路にメモリセル32が接続されることで、抵抗変化素子34にメモリセル電流が流れ、抵抗変化素子34の抵抗状態(高抵抗状態、低抵抗状態)に応じて電位Vsaout(s)が変化する。その際、制御信号DETECTが非活性状態であるので、アンプ部203は、オフセット電圧を加味しつつ、非反転ローカルアンプ線LAPと反転ローカルアンプ線LANの電位差を比較・増幅する。
By connecting the memory cell 32 to the current mirror circuit, a memory cell current flows through the
例えば、Pチャネル型MOSトランジスタP02よりもPチャネル型MOSトランジスタP01の方が、電流供給能力が劣る(閾値電圧が高い)場合について考える。この場合、オフセット電圧を加味しないと、抵抗変化素子34が高抵抗状態にも関わらず電位Vsaout(s)が低下することで、抵抗変化素子34は低抵抗状態にあると判定される可能性がある。即ち、メモリセル32から読み出したデータの誤判定が生じる可能性がある。
For example, consider a case where the P-channel MOS transistor P01 is inferior in current supply capability (threshold voltage is higher) than the P-channel MOS transistor P02. In this case, if the offset voltage is not taken into account, there is a possibility that the
Pチャネル型MOSトランジスタP01の電流供給能力が低い場合には、電位Vsaoutと電位Vrefの間に負のオフセット電圧(電位Vref基準)が生じる。この負のオフセット電圧は、キャパシタC1及びC2の保持電荷の差として保持され、センス動作時の非反転ローカルアンプ線LAPと反転ローカルアンプ線LANの間の電位差に反映される。より具体的には、オフセット電圧は負の値であるから、アンプ部203は電位Vsaout(s)を引き上げるように動作する。あるいは、アンプ部203は、電位Vsaout(s)の判定をする際の電位Vref(s)を引き下げ、メモリセル32の抵抗変化素子34の抵抗状態を判定する。その結果、Pチャネル型MOSトランジスタP01の電流供給能力がPチャネル型MOSトランジスタP02の電流供給能力よりも劣ることに起因して、低下してしまうはずの電位Vsaout(s)が引き上げられ、又は、Vref(s)が引き下げられ、抵抗変化素子34は高抵抗状態であると正しく判定されることになる。このように、電流センスアンプ部36は、キャパシタC1及びC2にオフセット電圧を保持し、センス動作時にオフセット電圧を加味することで、Pチャネル型MOSトランジスタP01の電流供給能力の低さを補償している。
When the current supply capability of the P-channel MOS transistor P01 is low, a negative offset voltage (reference to the potential Vref) is generated between the potential Vsaout and the potential Vref. This negative offset voltage is held as the difference between the charges held in the capacitors C1 and C2, and is reflected in the potential difference between the non-inverting local amplifier line LAP and the inverting local amplifier line LAN during the sensing operation. More specifically, since the offset voltage is a negative value, the
なお、Pチャネル型MOSトランジスタP01の電流供給能力がPチャネル型MOSトランジスタP02よりも高い場合には、電位Vsaoutと電位Vrefの間に正のオフセット電圧が生じる。この場合、オフセット電圧は正の値であるから、アンプ部203は電位Vsaout(s)を引き下げるように動作する。あるいは、電位Vsaout(s)の判定をする際の電位Vref(s)を引き上げ、メモリセル32の抵抗変化素子34の抵抗状態を判定する。
When the current supply capability of the P-channel MOS transistor P01 is higher than that of the P-channel MOS transistor P02, a positive offset voltage is generated between the potential Vsaout and the potential Vref. In this case, since the offset voltage is a positive value, the
以上のように、アンプ部203は、第2の参照電流発生部202とカレントミラー回路が接続されている場合(DETECT動作時)に、電位Vsaoutと電位Vrefの間のオフセット電圧を保持する。また、アンプ部203は、カレントミラー回路とメモリセル32が接続されている場合(センス動作時)に、オフセット電圧を反映しつつ、電位Vsaoutと電位Vref間の電位差を差動増幅する。
As described above, the
ここで、図1及び図6に示すリードライトアンプ19とその周辺回路は、図8に示す回路構成により実現できる。図8において図1及び図6と同一構成要素には、同一の符号を表し、その説明を省略する。図8を参照すると、第2の参照電流発生部202aの内部に、スイッチ204を取り込むことも可能である。
Here, the read /
以上のように、第1の実施形態に係る電流センスアンプ部36は、Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02の間並びにNチャネル型MOSトランジスタN04及びN05の間の特性差により生じるオフセット電圧を、内部のキャパシタC1及びC2の保持電荷の差をとして保持するDETECT動作を行う。その後、電流センスアンプ部36は、データ判定をする際に、キャパシタC1及びC2に保持したオフセット電圧を加味しつつ、非反転ローカルアンプ線LAPと反転ローカルアンプ線LANの間の電位差を比較・増幅する。その結果、Pチャネル型MOSトランジスタP01及びP02の特性差に起因するデータの誤判定が防止される。即ち、電流センスアンプによるデータの読み出しを、高精度で実行できる。
As described above, the current
[第2の実施形態]
続いて、第2の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図9は、第2の実施形態に係る半導体装置10aに含まれるリードライトアンプ19の一部の回路構成の一例を示す図である。図9において図8と同一構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、半導体装置10と半導体装置10aは、全体構成及びメモリセルアレイ等における相違点は存在しないため、半導体装置10aに関する図1〜図5、図7に相当する説明を省略する。半導体装置10と半導体装置10aの相違点は、各参照電流発生部の内部構成が異なる点と、レギュレータ403を備える点である。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a partial circuit configuration of the read /
半導体装置10aに含まれる第1の参照電流発生部211は、参照電流Irefの生成に使用する抵抗302を、2つの抵抗302aと302bに分割する。但し、抵抗302aの抵抗値と抵抗302bの抵抗値の和は、抵抗302の抵抗値に等しいものとする。つまり、第1の参照電流発生部211に含まれる抵抗は、抵抗302aと抵抗302bとからなる。そのため、第1の参照電流発生部211においても、第1の実施形態において説明した参照電流Irefの生成ができる。また、抵抗302aと抵抗302bの接続ノードは、レギュレータ403の入力端に接続されている。レギュレータ403は、抵抗302aと抵抗302bの接続ノードの電位を電位VCLPRとして入力し、電位VCLPに変換して、第2の参照電流発生部212に供給する。即ち、レギュレータ403は、電位VCLPRから電位VCLPを生成する手段である。
The first reference current generator 211 included in the semiconductor device 10a divides the
第2の参照電流発生部212に含まれる抵抗302cの抵抗値は、抵抗302aの抵抗値と実質的に同一とする。また、抵抗302cの一端の電位は、レギュレータ403により電位VCLPに維持される。つまり、抵抗302cの一端には、レギュレータ403により生成される電位VCLPが供給される。その際、電位VCLPRと電位VCLPを等電位とすれば、抵抗302cの抵抗値は抵抗302の抵抗値とみなすことができる。即ち、第2の参照電流発生部212においても、第1の実施形態において説明した参照電流Irefの生成ができる。さらに、レギュレータ403により、電位VCLPを変更(調整)することができるので、抵抗302cの見かけ上の抵抗値を微調整することもできる。
The resistance value of the
以上のように、第2の実施形態に係る半導体装置10aでは、レギュレータ403を使用することで、第1の参照電流発生部211に含まれる抵抗302cの抵抗値を小さくできる。そのため、抵抗302の抵抗値が大きい場合であっても、第1の参照電流発生部211に用いる抵抗302cの抵抗値が小さくできるので、第1の参照電流発生部211の実装面積を削減できる。また、第2の実施形態に係る半導体装置10aは、第1の実施形態に係る半導体装置10と同様に、電流センスアンプによるデータの読み出しを、高精度で実行できる。
As described above, in the semiconductor device 10a according to the second embodiment, the resistance value of the
[第3の実施形態]
続いて、第3の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図10は、第3の実施形態に係る半導体装置10bに含まれるアンプ部203aの回路構成の一例を示す図である。図10において図7と同一構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、半導体装置10と半導体装置10bは、全体構成及びメモリセルアレイ等における相違点は存在しないため、半導体装置10bに関する図1〜図5に相当する説明を省略する。半導体装置10と半導体装置10bの相違点は、アンプ部203aにNチャネル型MOSトランジスタN08を備える点と、Nチャネル型MOSトランジスタN03及びN08のオン・オフに係る制御が異なる点である。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the
Nチャネル型MOSトランジスタN08は、Nチャネル型MOSトランジスタN04及びN05と電位VCLMP2が供給される電源線の間に接続される。なお、電位VCLMP2は、電位VSSよりも高電位であって、内部電源発生回路22が生成する。また、Nチャネル型MOSトランジスタN03のゲート端子は、制御信号OFFCHK1を受け付け、Nチャネル型MOSトランジスタN08のゲート端子は、制御信号OFFCHK2を受け付ける。なお、制御信号OFFCHKBは、制御信号OFFCHK1又はOFFCHK2のいずれかがHレベルの際にLレベルとなるように、否定論理和回路(図示せず)等を用いて生成する。 N-channel MOS transistor N08 is connected between N-channel MOS transistors N04 and N05 and a power supply line to which potential VCLMP2 is supplied. The potential VCLMP2 is higher than the potential VSS, and is generated by the internal power generation circuit 22. The gate terminal of the N-channel MOS transistor N03 receives the control signal OFFCHK1, and the gate terminal of the N-channel MOS transistor N08 receives the control signal OFFCHK2. The control signal OFFCHKB is generated using a negative OR circuit (not shown) or the like so that either the control signal OFFCHK1 or OFFCHK2 becomes L level when it is at H level.
コマンドデコード回路21は、メモリセル32からデータを読み出す際の制御信号DETECTを活性化する期間、制御信号OFFCHK1をLレベル、制御信号OFFCHK2をHレベルに設定する。その後、コマンドデコード回路21は、制御信号DETECTの非活性化に同期して、制御信号OFFCHK1をHレベル、制御信号OFFCHK2をLレベルに設定する。
The
このようなコマンドデコード回路21による制御により、各トランジスタの特性差を検出し、その特性差を内部に保持するDETEC動作時は、Nチャネル型MOSトランジスタN08がオン状態となり、ノードA4の電位VA4及びノードA5の電位VA5が、電位VCLMP2分押し上げられる。その後、電位VA4及びVA5の電位が押し上げられた状態で、第1の実施形態にて説明した、非反転ローカルアンプ線LAPと反転ローカルアンプ線LANの電位差を比較・増幅し、比較結果をリードライトバスRWBSに出力するセンス動作を行う。
Under such control by the
電位VCLMP2のレベルを適切に選択することで、DETECT動作に続くセンス動作時に、電位VA4及びVA5をアンプ部203aの最適な動作ポイントに設定することができる。第3の実施形態に係る半導体装置10bにおいても、第1の実施形態に係る半導体装置10と同様に、電流センスアンプによるデータの読み出しを、高精度で実行できる。
By appropriately selecting the level of the potential VCLMP2, the potentials VA4 and VA5 can be set to the optimum operating point of the
なお、引用した上記の特許文献の開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。 The disclosure of the cited patent document is incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each embodiment or example, each element of each drawing, etc.) within the scope of the claims of the present invention, Selection is possible. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea. In particular, with respect to the numerical ranges described in this document, any numerical value or small range included in the range should be construed as being specifically described even if there is no specific description.
10、10a、10b 半導体装置
11 メモリセルアレイ
12 アドレス入力回路
13 アドレスラッチ回路
14 ロウ制御回路
15 カラム制御回路
16 クロック入力回路
17 タイミングジェネレータ
18 入出力回路
19 リードライトアンプ(RWAMP)
20 コマンド入力回路
21 コマンドデコード回路
22 内部電源発生回路
30、30−1〜30−8 Yスイッチ回路
31、31−1〜31−8 プリチャージ回路
32、32−1〜32−11 メモリセル
33、33−1〜33−8 連結トランジスタ
34、34−1〜34−8 抵抗変化素子
35、35−1〜35−8 メモリセルトランジスタ
36 電流センスアンプ部
37 トランスファーゲート(TG)
101、102 N型拡散層
103 第1コンタクト
104 第2コンタクト
105 基板
106 シリコンピラー
201、211 第1の参照電流発生部
202、202a、212 第2の参照電流発生部
203、203a アンプ部
204、SW1〜SW7 スイッチ
301 アンプ
302、302a〜302c 抵抗
401 ラッチ回路
402 スイッチ切り替え回路
403 レギュレータ
C1、C2 キャパシタ
P01〜P06 Pチャネル型MOSトランジスタ
N01〜N08 Nチャネル型MOSトランジスタ
10, 10a, 10b Semiconductor device 11
20
101, 102 N-
Claims (10)
前記第1の参照電流発生部と接続され、メモリセル電流を生成するカレントミラー回路と、
前記カレントミラー回路と前記第2の参照電流発生部を接続、又は、前記カレントミラー回路とメモリセルを接続する切り替え回路と、
第1の入力端に、前記カレントミラー回路と前記第1の参照電流発生部の第1の接続ノードにおける電位が入力され、第2の入力端に、前記カレントミラー回路と前記切り替え回路の第2の接続ノードにおける電位が入力される、アンプ部と、
を備え、
前記アンプ部は、前記第2の参照電流発生部と前記カレントミラー回路が接続されている場合に、前記第1及び第2の接続ノード間に生じるオフセット電圧を保持し、前記カレントミラー回路と前記メモリセルが接続されている場合に、前記オフセット電圧を反映しつつ、前記第1及び第2の接続ノード間の電位差を差動増幅する、半導体装置。 First and second reference current generators for generating a reference current;
A current mirror circuit connected to the first reference current generator for generating a memory cell current;
A switching circuit for connecting the current mirror circuit and the second reference current generator, or for connecting the current mirror circuit and a memory cell;
A potential at the first connection node of the current mirror circuit and the first reference current generator is input to a first input terminal, and a second of the current mirror circuit and the switching circuit is input to a second input terminal. An amplifier unit to which the potential at the connection node of
With
The amplifier unit holds an offset voltage generated between the first and second connection nodes when the second reference current generation unit and the current mirror circuit are connected, and the current mirror circuit and the current mirror circuit A semiconductor device that differentially amplifies a potential difference between the first and second connection nodes while reflecting the offset voltage when a memory cell is connected.
制御端子が前記第1のキャパシタと接続される第1のトランジスタと、
制御端子が前記第2のキャパシタと接続される第2のトランジスタと、
前記第1のトランジスタに電流を供給する第3のトランジスタと、
制御端子と前記第3のトランジスタの制御端子が接続され、前記第2のトランジスタに電流を供給する第4のトランジスタと、
前記第1のキャパシタと前記第1のトランジスタの主端子の間に接続される第1のスイッチ回路と、
前記第2のキャパシタと前記第2のトランジスタの主端子の間に接続される第2のスイッチ回路と、
前記第3及び第4のトランジスタの主端子の間に接続される第3のスイッチ回路と、
前記第1のトランジスタと前記第3のトランジスタの間に接続される第4のスイッチ回路と、
前記第2のトランジスタと前記第4のトランジスタの間に接続される第5のスイッチ回路と、
を備える請求項2の半導体装置。 The amplifier section is
A first transistor having a control terminal connected to the first capacitor;
A second transistor having a control terminal connected to the second capacitor;
A third transistor for supplying current to the first transistor;
A fourth transistor connected to a control terminal of the third transistor and supplying a current to the second transistor;
A first switch circuit connected between the first capacitor and a main terminal of the first transistor;
A second switch circuit connected between the second capacitor and a main terminal of the second transistor;
A third switch circuit connected between the main terminals of the third and fourth transistors;
A fourth switch circuit connected between the first transistor and the third transistor;
A fifth switch circuit connected between the second transistor and the fourth transistor;
A semiconductor device according to claim 2.
前記第1のトランジスタと前記第3のトランジスタの接続ノードと、前記第2のトランジスタと前記第4のトランジスタの接続ノードと、の間に接続されたラッチ回路と、
前記ラッチ回路に電源を供給する電源線と前記ラッチ回路の間に接続される第6のスイッチ回路と、
前記ラッチ回路を接地する電源線と前記ラッチ回路の間に接続される第7のスイッチ回路と、
をさらに備える請求項3の半導体装置。 The amplifier section is
A latch circuit connected between a connection node of the first transistor and the third transistor, and a connection node of the second transistor and the fourth transistor;
A sixth switch circuit connected between a power supply line for supplying power to the latch circuit and the latch circuit;
A seventh switch circuit connected between the power supply line for grounding the latch circuit and the latch circuit;
The semiconductor device according to claim 3, further comprising:
前記切り替え回路は、前記制御信号の活性化に応じて、前記カレントミラー回路と前記第2の参照電流発生部を接続し、前記制御信号の非活性化に応じて、前記カレントミラー回路と前記メモリセルを接続し、
前記第1乃至第5のスイッチ回路は、前記制御信号の活性化に応じて導通し、その後、前記第3乃至5のスイッチ回路は非導通となり、その後、前記第4及び第5のスイッチ回路は導通する、請求項3又は4の半導体装置。 A control circuit that activates a control signal when reading data from the memory cell, and deactivates the control signal after a predetermined period of time;
The switching circuit connects the current mirror circuit and the second reference current generator according to activation of the control signal, and connects the current mirror circuit and the memory according to deactivation of the control signal. Connect the cells,
The first to fifth switch circuits are turned on in response to the activation of the control signal, and then the third to fifth switch circuits are turned off, and then the fourth and fifth switch circuits are turned on. The semiconductor device of Claim 3 or 4 which conducts.
抵抗と、
前記抵抗の一端と接続され、前記抵抗の一端と接続されるノードの電位を、所定の電位に保持するクランプ回路と、を含んで構成される請求項1乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The first and second reference current generators are
Resistance,
7. A clamp circuit that is connected to one end of the resistor and holds a potential of a node connected to the one end of the resistor at a predetermined potential. 8. Semiconductor device.
前記第2の参照電流発生部に含まれる前記抵抗は、前記第1の抵抗と同じ抵抗値を持つ第3の抵抗であり、
前記第3の抵抗の前記クランプ回路と接続される側と相対する側の一端に、前記第1の抵抗と前記第2の抵抗の接続ノードの第1の電位に応じて生成される第2の電位が供給される、請求項7の半導体装置。 The resistor included in the first reference current generating unit includes a first resistor and a second resistor,
The resistor included in the second reference current generation unit is a third resistor having the same resistance value as the first resistor,
The second resistor is generated at one end of the third resistor opposite to the side connected to the clamp circuit according to the first potential of the connection node between the first resistor and the second resistor. The semiconductor device according to claim 7, wherein a potential is supplied.
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US11087817B2 (en) | 2017-07-20 | 2021-08-10 | Micron Technology, Inc. | Offset cancellation for latching in a memory device |
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- 2013-06-12 JP JP2013123687A patent/JP2014241181A/en active Pending
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