JP2019164856A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 データの読み出し時の電力消費を小さくする。【解決手段】 実施形態の半導体記憶装置は、グローバルビット線と、複数のセルトランジスタが接続可能なローカルビット線と、グローバルビット線と、ローカルビット線との間の電気的接続を制御するスイッチと、複数のセルトランジスタを選択する信号線と、制御回路とを具備する。制御回路は、選択の対象となるセルトランジスタの信号線を第1電位にし、グローバルビット線を第2電位にし、ローカルビット線を第3電位にし、スイッチをオンにして、ローカルビット線をグローバルビット線に接続する。【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、半導体記憶装置に関する。
読み出し速度及びセルリークによる誤動作防止のため、グローバルビット線及びローカルビット線を有する階層構造が採用されている半導体記憶装置がある。
このような半導体記憶装置では、データの読み出し時にローカルビット線及びグローバルビット線双方に充放電が生し、電力消費が大きい。
また、データの読み出し速度はセル電流に依存し、読み出し速度が遅いという問題がある。さらに、バンク毎にセル以外の回路(プリチャージ/ディスチャージ回路、カラムセレクタ、S/A(センスアンプ)及びバッファ)があり、バンクの面積が大きい。
実施形態の半導体記憶装置は、グローバルビット線と、複数のセルトランジスタが接続可能なローカルビット線と、グローバルビット線と、ローカルビット線との間の電気的接続を制御するスイッチと、複数のセルトランジスタを選択する信号線と、制御回路とを具備する。制御回路は、選択の対象となるセルトランジスタの信号線を第1電位にし、グローバルビット線を第2電位にし、ローカルビット線を第3電位にし、スイッチをオンにして、ローカルビット線をグローバルビット線に接続する。
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。また、以下に示す各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の物に特定するものでない。実施形態の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることが出来る。
各機能ブロックは、ハードウェア、コンピュータソフトウェア、のいずれか又は両者の組み合わせとして実現することが出来る。このため、各ブロックは、これらのいずれでもあることが明確となるように、概してそれらの機能の観点から以下に説明される。このような機能が、ハードウェアとして実行されるか、又はソフトウェアとして実行されるかは、具体的な実施態様又はシステム全体に課される設計制約に依存する。当業者は、具体的な実施態様ごとに、種々の方法でこれらの機能を実現しうるが、そのような実現を決定することは、本発明の範疇に含まれるものである。
なお、実施形態において、構成要素を区別して説明する必要がない場合には、符号を省略して説明する。例えば、ワード線WL0、WL1、WL2、WL3を区別して説明する必要がない場合には、符号を省略して「ワード線WL」として説明する。他の構成要素についても同様に説明する。
1 構成
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置であるマスクROM51のブロック図である。
1 構成
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置であるマスクROM51のブロック図である。
同図に示すように、実施形態のマスクROM(Read Only Memory)51は、ローデコーダ1、ワード線ドライバ2、メモリセルアレイ3、カラムデコーダ4、メモリセルアレイ3のカラムスイッチ5、制御回路6、プリチャージ回路7、センスアンプ(S/A)8及びバッファ9を有する。
ローデコーダ1は、アドレス信号のローアドレス部分を受け、メモリセルアレイ3の対応するバンクへのワード線選択信号をワード線ドライバ2に供給する。ワード線ドライバ2は、ワード線選択信号に対応するワード線WLにロウ選択信号(Hアクティブ)を印加する。なお、ワード線Wの選択は、半導体記憶装置が動作する同期信号と非同期で選択されても良い。
カラムデコーダ4は、アドレス信号のカラムアドレス部分を受け、メモリセルアレイ3の対応するバンクへのカラム選択信号をカラムスイッチ5に印加する。
メモリセルアレイ3は、4つのバンクBK0〜BK3を有する。なお、バンクBKの数は4つでなくても良い。バンクBK0は、ローカルビット線LB0に接続され、ローカルビット線LB0及びワード線WL0〜WL3により選択される4つのメモリセルCと、ローカルビット線LB1に接続され、ローカルビット線LB1及びワード線WL0〜WL3により選択される4つのメモリセルCと、ローカルビット線LB2に接続され、ローカルビット線LB2及びワード線WL0〜WL3により選択される4つのメモリセルCと、ローカルビット線LB3に接続され、ローカルビット線LB3及びワード線WL0〜WL3により選択される4つのメモリセルCとを有する。他のバンクBK1〜BK3も同様の構成である。
メモリセルCは、セルトランジスタを有し、ワード線WL及びローカルビット線LBにより選択される。
カラムスイッチ5は、ローカルビット線LBにそれぞれ接続されたカラム選択スイッチCSLを有し、カラムデコーダ4からのカラム選択信号を受けて、ワード線ドライバ2により選択されたメモリセルCのローカルビット線LBをグロバールビット線GBLに接続する。バンクBk0では、ローカルビット線LB0〜LB3にそれぞれ接続されたカラム選択スイッチCSL0〜CSL3を有し、カラムデコーダ4からのカラム選択信号を受けて、ワード線ドライバ2により選択されたメモリセルCのローカルビット線LBをグロバールビット線GBLに接続する。
選択されたメモリセルCの読み出し時には、メモリセルCからの読み出しデータが、カラム選択信号により選択されたカラム選択スイッチCSL、グローバルビット線GBL、センスアンプ(S/A)8及びバッファ9を介して出力される。
制御回路6は、外部から供給されるクロックCLKおよび制御信号CTLに基づいて、マスクROM51の各部(ローカルビット線LB、グローバルビット線GBL、ワード線ドライバ2、カラムデコーダ4、プリチャージ回路7など)を制御する。制御信号は、例えば、読み出し信号REを含む。
プリチャージ回路7は、グローバルビット線GBLや後述する参照グローバルビット線RGBLをプリチャージする。
センスアンプ(S/A)8は、選択されたメモリセルCからローカルビット線LB、カラム選択スイッチCSL、グローバルビット線GBLを介して読み出された電圧と参照電圧とを比較してデータ値を決定し、決定されたデータ値を増幅してバッファ9に格納する。
バッファ9は、センスアンプ8にて決定されたデータ値を格納し、出力する。
2 実施形態に係る半導体記憶装置の動作
次に、実施形態に係る半導体記憶装置のチャージシェアの動作について説明する。
2 実施形態に係る半導体記憶装置の動作
次に、実施形態に係る半導体記憶装置のチャージシェアの動作について説明する。
図2は、バンクBK0において4つのメモリセルCが接続されるローカルビット線LB0〜LB3とグローバルビット線GBLとの関係を示す図である。図2に示すように、ローカルビット線LB0〜LB3は、カラム選択スイッチCSL0〜CSL3を介してグローバルビット線GBLに接続されている。
図3は、図1に示した実施形態の半導体記憶装置のチャージシェアの動作を説明するためのタイミングチャートである。
図3に示すように、まず、選択されたアドレスのワード線WLをオンとする。このワード線WLをオンにするタイミングは、半導体記憶装置のクロックと同期するようにしても良いし、非同期であっても良い。
その後、グローバルビット線GBLに電荷をチャージした後、クロックに同期して選択されたカラム選択スイッチCSLをオンにする。
これにより、グローバルビット線GBLの電位は、選択されたメモリセルCがオフセルの場合、グローバルビット線GBLの電荷がローカルビット線LBにチャージシェアされ、グローバルビット線GBLの電位が下がる。ローカルビット線LBの電位は、グローバルビット線GBLとのチャージシェアにより充電され、上昇する。
選択されたメモリセルCがオンセルの場合、カラム選択スイッチCSLがオン状態になった時、グローバルビット線GBLの電位は選択されたメモリセルCがオンセルの場合の電位(例えば、接地電位)まで下がる。ローカルビット線LBの電位は、カラム選択スイッチCSLがオン状態になった時、グローバルビット線の電位はオン状態にあるため、瞬間的に上昇するが、その後、オンセルの場合の電位まで下がる。
3 効果
3−1 比較例
図4は、比較例となるマスクROM61のブロック図である。なお、図1と同一部分には、同一符号を付して説明し、ここでは説明を省略する。図4に示すように、図1に示したマスクROM51と異なる点は、メモリセルアレイ3の各バンクBK0〜BK3には、プリチャージ/ディスチャージ回路101、カラムスイッチ102、センスアンプ103及びバッファ104を有することにある。
3 効果
3−1 比較例
図4は、比較例となるマスクROM61のブロック図である。なお、図1と同一部分には、同一符号を付して説明し、ここでは説明を省略する。図4に示すように、図1に示したマスクROM51と異なる点は、メモリセルアレイ3の各バンクBK0〜BK3には、プリチャージ/ディスチャージ回路101、カラムスイッチ102、センスアンプ103及びバッファ104を有することにある。
プリチャージ/ディスチャージ回路101は、ローカルビット線LBのプリチャージ及びディスチャージを行なう回路である。
カラムスイッチ102は、メモリセルアレイ3のローカルビット線LBを選択する。
センスアンプ(S/A)103は、選択されたメモリセルCからローカルビット線LBを介して読み出された電圧と参照電圧とを比較してデータ値を決定し、決定されたデータ値を増幅してバッファ104に格納する。
バッファ104は、センスアンプ(S/A)103からの決定されたデータ値をグローバルビット線GBLに出力する。
図5は、図4に示した比較例となるマスクROM61の読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
図5に示すように、選択されたローカルビット線LBをチャージ状態にするとともに、選択されたカラムスイッチ102をオン状態にする。その後、選択されたワード線WLをクロックに同期してオン状態にする。
これにより、選択されたメモリセルCがオンセルの場合、選択されたローカルビット線LBのメモリセルCが放電され、選択されたローカルビット線LBの電位が徐々に低下する。一方、選択されたローカルビット線のメモリセルCがオフセルの場合、ローカルビット線LBの電位がワード線選択信号がオフになるまで維持される。
センスアンプ103は、選択されたメモリセルCからローカルビット線LBを介して読み出された電圧を参照電圧と比較してデータ値を決定し、決定されたデータ値を増幅してバッファ104に格納する。決定されたデータ値は、バッファ104からグローバルビット線GBL出力される。
センスアンプ8は、グローバルビット線GBLの電位を検知して、グローバルビット線GBLの電位をオン状態又はオフ状態にして、バッファ9に出力する。
すなわち、比較例では、データの読み出し時にローカルビット線LB及びグローバルビット線GBLの両方に充放電が生ずるので、消費電力が大きくなってしまう。また、データの読み出し速度はメモリセルCのセル電流に依存するため、データの読み出し速度が遅くなってしまう。さらに、バンクBk毎に、メモリセルC以外のプリチャージ/ディスチャージ回路101、カラムスイッチ102、センスアンプ103及びバッファ104が存在し、面積が大きくなってしまう。
3−2 実施形態の半導体記憶装置の効果
実施形態の半導体記憶装置によれば、データの読み出し時の電力消費は、グローバルビット線GBLの充放電分のみとなり、電力消費を小さくすることができる。また、データの読み出し速度は、カラム選択スイッチCSLに依存するので、バンクBk内に他の回路(プリチャージ/ディスチャージ回路101、カラムスイッチ102、センスアンプ103及びバッファ104)を有する場合に比べて、データの読み出し速度を向上することができるとともに、半導体記憶装置の面積を小さくすることができる。
4 変形例
4−1 第1変形例
図6は、センスアンプ8に接続されるグローバルビット線GBLと、参照ローカルビット線RLBLとの関係を示す図である。
3−2 実施形態の半導体記憶装置の効果
実施形態の半導体記憶装置によれば、データの読み出し時の電力消費は、グローバルビット線GBLの充放電分のみとなり、電力消費を小さくすることができる。また、データの読み出し速度は、カラム選択スイッチCSLに依存するので、バンクBk内に他の回路(プリチャージ/ディスチャージ回路101、カラムスイッチ102、センスアンプ103及びバッファ104)を有する場合に比べて、データの読み出し速度を向上することができるとともに、半導体記憶装置の面積を小さくすることができる。
4 変形例
4−1 第1変形例
図6は、センスアンプ8に接続されるグローバルビット線GBLと、参照ローカルビット線RLBLとの関係を示す図である。
図6においては、バンクBK0において4つのメモリセルCが接続されるローカルビット線LB0〜LB3、グローバルビット線GBL、2本の参照ローカルビット線RLBL0、RLBL1及び参照グローバルビット線RGBLを示している。
図6に示すように、それぞれ4つのメモリセルCが接続されたローカルビット線LB0〜LB3は、カラム選択スイッチCSL0〜CSL3を介してグローバルビット線GBLに接続されている。
4つのメモリセルCがそれぞれ接続された2本の参照ローカルビット線RLBL0、RLBL1は、参照電圧選択スイッチRCSL0〜RCSL3を介して参照グローバルビット線RGBLに接続されている。
すなわち、参照ローカルビット線RLBLに接続されるメモリセルCのセルトランジスタの数は、ローカルビット線LB0に接続されるメモリセルCのセルトランジスタの数よりも多い。
参照電圧選択スイッチRCSL0〜RCSL3には、カラム選択スイッチCSL0〜CSL3に供給されるカラム選択信号がそれぞれ供給される。選択された参照電圧選択スイッチRCSLにカラム選択信号がそれぞれ供給されると、2本の参照ローカルビット線RLBL0、RLBL1を参照グローバルビットラインRGBLに接続する。
これにより、選択されたメモリセルCの読み出し時には、メモリセルCからの読み出しデータが、カラム選択信号により選択されたカラム選択スイッチCSL、グローバルビット線GBLを介してセンスアンプ(S/A)8に入力される。
また、参照ローカルビット線RLBL0に接続された4つのメモリセルC及び参照ローカルビット線RLBL1に接続された4つのメモリセルCにより得られる参照電圧が、参照電圧選択スイッチRCSL、参照グローバルビット線RGBLを介してセンスアンプ(S/A)8に入力される。
センスアンプ8は、グローバルビット線GBLを介して入力された選択されたメモリセルCの電位を参照グローバルビット線RGBLを介して入力された参照電圧とを比較して、データ値を決定し、決定されたデータ値を増幅してバッファ9に格納する。
なお、ロールビット線LB、参照ローカルビット線RLBLに接続されるメモリセルCの値は、実施形態のマスクROMの製造工程において決定される。例えば、参照ローカルビット線RLBLに接続されるメモリセルCは、viaを有するオフセルで構成される。
参照ローカルビット線RLBL0、RLBL1にそれぞれ接続された4つのメモリセルC(合計8つのメモリセルC)から得られる参照電圧は、選択されたメモリセルCがオンの場合の電圧と、オフの場合の電圧との中間の電圧となるように設計される。
なお、参照電圧選択スイッチRCSL0〜RCSL3と、カラム選択スイッチCSL0〜CSL3とは、同じ信号線であっても良い。
参照電圧選択スイッチRCSL0〜RCSL3は、1つ(例えば、RCSL0のみ)であっても良い。このような構成であっても、メモリセルCの選択時にセンスアンプ8に参照電圧を供給することができる。
また、本例では、参照ローカルビット線RLBLが2本の場合について説明したが、3本以上の参照ローカルビット線RLBLであっても良い。
参照電圧選択スイッチRCSL0〜RCSL3は、1つ(例えば、RCSL0のみ)であっても良い。このような構成であっても、メモリセルCの選択時にセンスアンプ8に参照電圧を供給することができる。
また、本例では、参照ローカルビット線RLBLが2本の場合について説明したが、3本以上の参照ローカルビット線RLBLであっても良い。
図7は、図6に示した参照ローカルビット線RLBLと、参照グローバルビット線RGBLを含む半導体記憶装置のチャージシェアの動作を説明するためのタイミングチャートである。
ワード線WL、グローバルビット線GBL、カラム選択スイッチCSL、ローカルビット線LBの制御は、図3において説明した制御と同様である。すなわち、選択されたアドレスのワード線WLをオンとし、その後、グローバルビット線GBLをオンにした後、クロックに同期して選択されたカラム選択スイッチCSLをオンにする。
これにより、グローバルビット線GBLの電位は、選択されたメモリセルCがオフセルの場合、グローバルビット線GBLの電荷がローカルビット線LBにチャージシェアされ、グローバルビット線GBLの電位が瞬間的に下がる。ローカルビット線LBの電位は、グローバルビット線GBLとのチャージシェアにより充電され、上昇する。
選択されたメモリセルCがオンセルの場合、カラム選択スイッチCSLがオン状態になった時、グローバルビット線GBLの電位は選択されたメモリセルCがオンセルの場合の電位(例えば、接地電位)まで下がる。ローカルビット線LBの電位は、カラム選択スイッチCSLがオン状態になった時、グローバルビット線の電位はオン状態にあるため、瞬間的に上昇するが、その後、オンセルの場合の電位まで下がる。
また、参照グローバルビット線RGBLの電位をグローバルビット線GBLの電位をチャージ状態にしたタイミングと同じタイミングでオンとする。その後、クロックに同期して選択されたカラム選択スイッチCSLがオン状態にされたタイミングと同じタイミングで、対応する参照カラム選択スイッチRCSLをオン状態にする。
これにより、参照ローカルビット線RLBLに接続されたメモリセルCの参照電圧が参照グローバルビット線RGBLに表われ、センスアンプ8に供給される。参照電圧は、ローカルビット線LBに接続されたメモリセルCがオフ状態の電圧と、オン状態の電圧との中間電圧となるように設定される。
なお、参照電圧の生成は、レギュレータや抵抗分割回路により生成しても良い。
さらに、センスアンプ8によるデータの読み出しは、外部のタイミングに依存せずに行なわれても良い。
また、参照ローカルビット線RLBLに接続されるメモリセルCをviaを有するオフセルやviaを有しないオフセルを使用し、実施形態において説明したデータの読み出し制御を行なっても、センスアンプ8が正常に動作するオン/オフレンジ(例えば、50[mV]以上)を確保することができる。
4−2 第2変形例(ディスチャージ回路の配置の例)
第2変形例では、実施形態のマスクROM51のローカルビット線LBに接続されたメモリセルCの放電を行なうディスチャージ回路31の配置について示すものである。
また、参照ローカルビット線RLBLに接続されるメモリセルCをviaを有するオフセルやviaを有しないオフセルを使用し、実施形態において説明したデータの読み出し制御を行なっても、センスアンプ8が正常に動作するオン/オフレンジ(例えば、50[mV]以上)を確保することができる。
4−2 第2変形例(ディスチャージ回路の配置の例)
第2変形例では、実施形態のマスクROM51のローカルビット線LBに接続されたメモリセルCの放電を行なうディスチャージ回路31の配置について示すものである。
図8は、4つのメモリセルCが接続されるローカルビット線LBにディスチャージ回路31を接続した例を示す図である。選択されたメモリセルCは、カラム選択スイッチCSLを介してグローバルビット線GBLに接続される。
選択されたメモリセルC以外のメモリセルCの電荷は、読み出し処理後にディスチャージ回路31に放電される。ディスチャージ回路31は、例えば、ローカルビット線LBに接続されたトランジスタである。
図9は、グローバルビット線GBLにディスチャージ回路31が接続された例を示す図である。選択されたメモリセルC以外のメモリセルCの電荷は、読み出し処理後に、カラム選択スイッチCSLを介してグローバルビット線GBLに接続されたディスチャージ回路31に放電される。
図10は、それぞれのローカルビット線LB0、LB1にディスチャージ回路31が接続された例を示す図である。それぞれのローカルビット線LB0、LB1は、カラム選択スイッチCSL0、CSL1を介してグローバルビット線GBLに接続される。
選択されたメモリセルC以外のメモリセルCの電荷は、読み出し処理後に、それぞれのローカルビット線LB0、LB1に接続されたディスチャージ回路31に放電される。
図11は、ディスチャージ回路31が接続されたローカルビット線LB0、LB1を共通のローカルビット線LBCにまとめてグロバールビット線GBLに接続した例を示す図である。それぞれのローカルビット線LB0、LB1は、カラム選択スイッチCSL0、CSL1を介して共通のローカルビット線LBCに接続される。共通のローカルビット線LBCは、共通カラム選択スイッチCSLCを介してグロバールビット線GBLに接続される。
選択されたメモリセルC以外のメモリセルCの電荷は、読み出し処理後に、それぞれのローカルビット線LB0、LB1に接続されたディスチャージ回路31に放電される。
図12は、図11に示した2つのディスチャージ回路31を1つのディスチャージ回路31で共有した例を示す図である。すなわち、それぞれのローカルビット線LBLB0、LB1に接続されたディスチャージ回路31に代えて、共通のローカルビット線LBCにディスチャージ回路31を接続する。
選択されたメモリセルC以外のメモリセルCの電荷は、読み出し処理後に、カラム選択スイッチCSL0、CSL1を介して、共通のローカルビット線LBCに接続されたディスチャージ回路31に放電される。
従って、このような構成によれば、ディスチャージ回路31を共有にすることにより、実施形態に係るマスクROM51の面積を縮小することができる。
なお、実施形態では、半導体記憶装置の例として、マスクROMを例にとり説明したが、RAM、SRAMなどの他の半導体記憶装置にも実施形態にかかるチャージシェアに係る読み出し制御を応用して適用することが可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…ローデコーダ、2…ワード線ドライバ、3…メモリセルアレイ、4…カラムデコーダ、5…カラムスイッチ、6…制御回路、7…プリチャージ回路、8…センスアンプ(S/A)、9…バッファ、51…マスクROM、LB…ローカルビット線、GBL…グローバルビット線、CSL…カラム選択スイッチ。
Claims (5)
- グローバルビット線と、
複数のセルトランジスタが接続可能なローカルビット線と、
前記グローバルビット線と、前記ローカルビット線との間の電気的接続を制御するスイッチと、
前記複数のセルトランジスタを選択する信号線と、
制御回路と
を具備し、
前記制御回路は、
選択の対象となる前記セルトランジスタの前記信号線を第1電位にし、
前記グローバルビット線を第2電位にし、
前記ローカルビット線を第3電位にし、
前記スイッチをオンにして、前記ローカルビット線を前記グローバルビット線に接続する、
半導体記憶装置。 - 参照ローカルビット線をさらに有し、
前記参照ローカルビット線に接続されるセルトランジスタの数は、前記ローカルビット線に接続されるセルトランジスタの数よりも多い、請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記信号線は、前記半導体記憶装置が動作する同期信号と非同期に選択される、請求項1記載の半導体記憶装置。
- 前記ローカルビット線又は前記グローバルビット線に接続され、前記ローカルビット線の電荷を放電するトランジスタをさらに具備する、請求項1乃至3いずれか1項に記載の半導体記憶装置。
- 前記ローカルビット線とは異なるローカルビット線に接続され、前記ローカルビット線の電荷を放電するトランジスタをさらに具備する、請求項1乃至3いずれか1項に記載の半導体記憶装置。
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