JP2786350B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JP2786350B2 JP23198691A JP23198691A JP2786350B2 JP 2786350 B2 JP2786350 B2 JP 2786350B2 JP 23198691 A JP23198691 A JP 23198691A JP 23198691 A JP23198691 A JP 23198691A JP 2786350 B2 JP2786350 B2 JP 2786350B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、CAM(Content Addr
essable Memory:内容アクセス・メモリ)に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来より検索データと記憶データの一致
検出を全ビット並行に行い、一致したデータの記憶アド
レスまたはデータを出力する機能を有する半導体記憶回
路として、完全並列型CAM(内容アクセス・メモリ:
Content Addressable Memory(連想メモリともいう))
が良く知られている(菅野卓雄監修、飯塚哲哉編「CM
OS超LSIの設計」培風館、P176〜P177参
照)。
【0003】しかし、従来のCAMの1ビットあたりの
構成例は、SRAMセルとイクスクルーシブNOR回路
から構成されており、セルサイズが大きく実用レベルの
容量をもったCAMを構成することは不可能であった。
【0004】また、近年数多く商品化されている個人デ
ータベースとしてICカード等では、上記のようなCA
Mの構成ではなく、あらかじめデータが記憶されたRO
M(リードオンリーメモリ)のデータを1つ1つ順次検
索して所望のデータを探し出す構造になっている。この
ため、国語辞典や英和辞典のようにデータが多くなれば
なるほど、検索に多くの時間を要し、高速でかつフレキ
シブルな検索機能を有するものはまだ存在していない。
【0005】ただし、大容量連想メモリの可能性を示唆
するものとして、米国特許第3,701,980(U.S.
Patent3,701,980,Oct.1972) あるいは特開平1−194
196号公報に記載の発明等があげられる。まず、前者
の米国特許はDRAMベースのもので通常の2ビットメ
モリを1組としたCAMセルの構造をもち、後者のもの
はEPROM不揮発性メモリをベースとするものであ
り、やはり通常のEPROMメモリ2ビットを1組とし
たCAMを構成している。従って、いずれものもSRA
MベースのCAMよりも高集積化が可能である。しか
し、DRAMベースのものはまだ面積的に問題がある。
また、EPROMベースのものはフレキシブルな書き込
み、読み出しができない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、高集積
でかつフレキシブルなCAMを実現する効果的な手段は
まだ見いだされていない。
【0007】そこで本発明は、フレキシブルで高集積な
CAMを可能とする半導体集積回路を提供することを目
的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第1の態様は、第1のデータ線から一致検
索線への電気的接続を定義する第1の記憶セルと、第2
のデータ線から前記一致検索線への電気的非接続を定義
する第2の記憶セルと、これら第1および第2の記憶セ
ルの接続定義状態に応じて前記第1のデータ線および前
記第2のデータ線を各々前記一致検索線に接続および非
接続にするセレクトトランジスタとを有し、このセレク
トトランジスタのしきい値電圧が製造工程で作り込まれ
た所定の値をもち、前記一致検索線には電流駆動型のセ
ンスアンプが接続され、一致検索時に前記セレクトトラ
ンジスタのゲート電圧Vwが以下の条件を満足するよう
構成されていることを特徴とする半導体集積回路を提供
するものである。
【0009】 Vt≦Vw≦Vs+Vt′ ただし、 Vt:前記セレクトトランジスタのしきい値電圧(ソー
Vバイアス時) Vs:一致、不一致検索時の前記一致検出線の電位 Vt′:一致、不一致検出時にソースバイアスされた前
記セレクトトランジスタのしきい値電圧
【0010】本発明の第2の態様は、第1のデータ線か
ら一致検索線への電気的接続を定義する第1の記憶セル
と、第2のデータ線から前記一致検索線への電気的非接
続を定義する第2の記憶セルと、これら第1および第2
の記憶セルの接続定義状態に応じて前記第1のデータ線
および前記第2のデータ線を各々前記一致検索線に接続
および非接続にするセレクトトランジスタと、このセレ
クトトランジスタのゲート電極に接続されたセレクトワ
ード線と前記一致検索線を電気的に接続する接続手段
と、前記セレクトワード線をフローティングにするフロ
ーティング手段とを有し、前記セレクトトランジスタの
しきい値電圧が製造工程で作り込まれた所定の値をもつ
ことを特徴とする半導体集積回路を提供するものであ
る。
【0011】また、一致検索時の前記セレクトトランジ
スタのゲート電圧Vwが以下の条件を満足するよう構成
するのが好ましい。 Vt≦Vw≦Vh+Vt′ ただし、 Vt:セレクトトランジスタのしきい値電圧(ソース0
Vバイアス時) Vh:一致、不一致検索時のデータ線のH(ハイ)電位 Vt′:一致、不一致検出時にソースバイアスされたセ
レクトトランジスタのしきい値電圧
【0012】上記各態様において、前記セレクトトラン
ジスタの作り込みしきい値電圧Vt(ソースVバイア
ス時)が周辺回路のそれよりも高く設定されているのが
好ましい。
【0013】
【発明の作用】本発明の第1の態様の半導体集積回路に
おいて、各メモリセルをセレクトするセレクトトランジ
スタのしきい値電圧が製造工程において所定の値に作り
込まれている。このため、このセレクトトランジスタの
ゲート電圧をその作り込みしきい値電圧によって限定さ
れる所定範囲内の電圧となるようにコントロールして一
致、不一致検出時の一致セルと不一致セルとの間の貫通
電流を抑制することが可能となる。
【0014】本発明の第2の態様の半導体集積回路にお
いて、各メモリセルのセレクトトランジスタのゲート電
極に接続されるセレクトワード線と一致検索線とを接続
手段を介して電気的に接続するとともに前記セレクトワ
ード線をフローティングにすることにより一致、不一致
検出時の一致セルと不一致セルとの間の貫通電流を抑制
することを可能としている。ここで、前記セレクトトラ
ンジスタのしきい値電圧が製造工程で所定値に作り込ま
れているものでは、このセレクトトランジスタのゲート
電圧を上記所定範囲内の電圧となるようにコントロール
することにより上記貫通電流をさらによく抑制すること
ができる。
【0015】
【実施例】まず、本発明の説明に入る前に図3を用い
て、新たに考慮した2ビット1組のCAMのFlash EE
PROMメモリ構造における不具合点に関して説明す
る。
【0016】同図ではメモリセル31a,31bを1組
としたメモリぺア31と、メモリセル32a,32bを
1組としたメモリペア32とを各々1つのCAMセルと
している。この例で挙げているものは、スタックセル構
造と称されるもので、電荷を蓄積するフローティングゲ
ート33の直上にコントロールゲート34を積層したも
のであり、高集積化に適した構造となっている。
【0017】また、各メモリセルのフローティングゲー
ト33の電荷蓄積状態によるしきい値電圧Vtのばらつ
きを示したものが図4である。通常スタック構造のメモ
リセルの低しきい値電圧Vt(L)は、0.5〜3.5
V程度であり、3V程度のばらつきを持つ。このばらつ
きをさらに小さく抑えることは、構造上あるいは製造上
きわめて困難なことといわれている。しかし、CAM構
造の場合はこのばらつきが致命的となる。これを論点の
1つとして以下の説明を続ける。
【0018】メモリセル31aのフローティングゲート
33には電子が注入され、高しきい値電圧Vt(H)
(これをデータ“0”L(ロウ)と定義する)が、メモ
リセル31bはその反転の低しきい値電圧Vt(L)
(これをデータ“1”H(ハイ)と定義する)が、メモ
リセル32aは低しきい値電圧Vt(L)が、メモリセ
ル32bは高しきい値電圧Vt(H)が定義されてい
る。即ち、メモリペア31により構成されるCAMセル
には“0”L(ロウ)データが、メモリペア32のCA
Mには“1”H(ハイ)データが定義されているとす
る。この状態で各々のCAMセルに一致検索データ39
のデータの“0”L(ロウ)、“0”L(ロウ)が一致
検出される場合について考慮する。
【0019】まず、接地トランジスタ38をオフとし、
一致検索センスアンプ37をアクティブとする。この一
致検索アンプ37は電流駆動型のアンプであり、自らド
ライブ能力を有する。そのため一致検索線36は、1.
5〜2.0V程度の電位に設定される。この設定電位
は、フローティングゲート33の蓄積電荷に影響を与え
ないように小さい値であることが望ましく、一般的には
2V以下が必須と考えられている。
【0020】ここで一般的なCAM動作としては、高電
位プリチャージされた一致検索線の電荷が、不一致CA
Mセルのデータ線の“0”L(ロウ)によってディスチ
ャージされ低電位へと変化する。この変化を起こした一
致検索線が不一致を、逆に電位変化がなく高電位を維持
するものが一致をあらわす。この例では、メモリペア3
2のCAMセルのデータ“1”H(ハイ)と検索データ
“0”L(ロウ)が異なり、一致検索線36はデータ線
2a(“0”L(ロウ))によりディスチャージが発生
し低電位となる。
【0021】具体的な検索動作としては、データ線1a
に一致検索データの“0”L(ロウ)電位の0Vが印加
され、データ線1bにはこの逆の“1”H(ハイ)電位
の1.5〜2.0Vが印加される。同様にして、データ
線2aに一致検索データの“0”L(ロウ)電位の0V
が印加され、データ線2bにはこの逆の“1”H(ハ
イ)電位の1.5〜2.0Vが印加される。この時も、
上記理由によりハイ状態の電位は1.5〜2.0V程度
に低く設定される。
【0022】この状態で、セレクトワード線35がアク
ティブとなると、しきい値電圧VtがVt(H)(>
6.5V:図4参照)のメモリセル31a,32bはオ
フ状態を保つ。しかし、メモリセル31bとメモリセル
32aの場合は異なる動作をする。
【0023】まず、メモリセル32aに着目する。一致
検索線36の電荷を引き抜いて不一致を検出させるため
には、このメモリセル32aがオンしなければならな
い。しかるに、このトランジスタのしきい値電圧Vt
は、0.5〜3.5Vの値をとる(図4参照)。また、
このときのソース電極側はデータ線2aとなり、0Vが
印加されている。従って、セレクトワード線35の電圧
Vwは3.5V以上である必要があり、通常はそれより
1V程度高い4.5V程度が適当と思われる。
【0024】つまり、セレクトワード線35の電圧Vw
≧4.5Vとしてはじめて一致検索線36の電位がデー
タ線2aの0V電位により引き落とされる。一方、一致
検索センスアンプ37は電流駆動型でありドライブ能力
がある。このため、一致検索線36の電位は最終的に
1.0〜1.5V程度に低下し、この約0.5V程度の
電圧低下によって不一致を検出する。もちろんこの電位
低下により不一致を検出するわけであるが、これにより
一致データを記憶していたCAMセルのメモリセル31
bに不都合が発生することになる。
【0025】このメモリセル31bの各々3つの電極
(ドレイン、ゲート、ソース)の電位を考えると、まず
ゲートは、セレクトワード線35の4.5V以上、ソー
スは一致検索線35の電位の1.0〜1.5V、またド
レインはデータ線の1.5〜2.0Vとなる。つまり、
このトランジスタのゲート、ソース電位差VGSは、
3.0〜3.5(4.5−(1.0〜1.5))V以上
となる。
【0026】ところでこのメモリセル31bのしきい値
電圧Vtは、最低0.5Vである(図4参照)。つま
り、 VGS(=3.0〜3.5)>Vt(=0.5) となり、この時の基板バイアス効果によるメモリセル3
1bのしきい値電圧の上昇を考慮しても、このメモリセ
ル31bのトランジスタはオンしてしまう。このため、
データ線1bのハイ電位からデータ線2aのロウ電位に
貫通電流が流れることになる。
【0027】一般に連想メモリの場合、一致検索動作
は、複数のセレクトワード線に渡り同時に行われる。従
って、各セレクトワード線での貫通電流はチップ全体で
はきわめて大きな値となり、動作不能という致命的な問
題となる。また、データ線1bのハイ電位によりデータ
一致検索線35の電位があがり、一致検索センスアンプ
37による電位差検出が困難な状態になる問題も発生す
る。
【0028】このような新たな考察をもとに、本発明に
係わる半導体集積回路を添付図面に基づいて具体的に説
明する。図1は本発明の第1の実施例を示すものであ
る。同図1のメモリセルはMONOS構造の不揮発性メ
モリと呼ばれ、データを記憶するメモリトランジスタ1
3とそのセレクトトランジスタ14からなっている。メ
モリトランジスタ13を構成する窒化膜中に電子をトラ
ップするか否かによって、エンハンスメントタイプかデ
プレッションタイプのトランジスタ特性を示す。一方、
このメモリトランジスタ13とシリーズに設けられたセ
レクトトランジスタ14は、通常の製造工程で作り込ま
れたエンハンスメントタイプのトランジスタである。
【0029】本発明はこのセレクトトランジスタ14の
しきい値電圧Vtのばらつきが極めて少ないことに着目
し、一致検索時のメモリセル間の電気干渉を抑制した連
想メモリ構造を新たに提案するものである。
【0030】一例として、同図メモリセル11aのメモ
リトランジスタ13には負の電荷が蓄積され“0”L
(ロウ)状態を、その反転データがメモリセル11bに
書き込まれている。また、メモリセル12aのメモリト
ランジスタ13には正の電荷が蓄積され“1”H(ハ
イ)状態を、その反転データがメモリセル12bに書き
込まれている。これらメモリセル11a,11bとメモ
リセル12a,12bは各々メモリペア11とメモリペ
ア12を構成し、2ビットのCAMセルとなる。
【0031】各メモリセル11a,11b,12a,1
2bのセレクトトランジスタ14のゲート電極は同一セ
レクトワード線15に、またソース電極は一致検索線1
6に接続されている。更に、一致検索線16には一致検
索センスアンプ17と接地トランジスタ18が設けられ
ている。
【0032】ここで、メモリセルのメモリトランジスタ
13のメモリゲートへの電子の注入(負電荷の蓄積)お
よび電子の引き出し(正電荷の蓄積)に関してはTakaak
i Nozaki et al.,”A 1-Mb EEPROM with MONOS Memory
Cell for Semiconductor Disk Application," IEEE J.S
olid-State Circuits,vol26, no.,pp.497-501,Apr.199
1. に詳しい。また、メモリトランジスタ13の制御線
に関して図示を省略する。
【0033】まず、メモリセルのデータ読み出し動作に
ついて簡単に説明する。通常の読み出し動作では、デー
タ線1a,1b,2a,2bの先に設けられた選択回路
5およびセンスアンプ6を用いて行う。選択回路5によ
ってデータ線1bにセンスアンプ6が接続される。この
アンプは電流検出型であり、データ線1bは非読み出し
時に1.5〜2.0Vに保たれる。次いでセレクトワー
ド線15に5Vが印加され、メモリセル11bのセレク
トトランジスタ14がオンする。一方、メモリトランジ
スタ13には正の電荷が蓄積されており、メモリトラン
ジスタ13はデプレッションタイプであり、メモリゲー
トへの印加電圧は0Vであってもオン状態となる。この
ため、データ線1bと一致検索線16との間にシリーズ
に設けられたメモリトランジスタ13とセレクトトラン
ジスタ14のいずれもがオンする。また、この時一致検
索線16は接地トランジスタ18によってグランド電位
に固定されており、このためデータ線1bの電位は下が
り1.0〜1.5V程度に変化する。この変化をセンス
アンプ6で検出し、その結果を出力する。ここで、デー
タ線1bの電位を2V以下にする理由は、メモリトラン
ジスタに蓄積された電荷へのデータ読み出し時の影響を
抑制するためである。
【0034】次に、一致検出動作について説明する。ま
ず、メモリセル11a,11b,12a,12bを2セ
ル1組のメモリペアとしてデータを書き込む。この組は
必ずしも隣接するメモリセルである必要はないが、この
例では説明容易化のために隣接するセルに相反するデー
タを書き込んである。
【0035】メモリペア11により構成されるCAMセ
ルは“0”L(ロウ)、メモリペア12のCAMセルは
“1”H(ハイ)である。一致検索データ19は、これ
らメモリペア11,12に対して各々“0”L(ロ
ウ),“0”L(ロウ)を検出することにする。従っ
て、メモリペア11のCAMセルのデータは検索データ
と一致するが、メモリペア12のCAMセルのデータは
不一致となる。
【0036】まず、データ線1aには“0”L(ロ
ウ)、データ線1bには“1”H(ハイ)が印加され、
データ線2aには“0”L(ロウ)、データ線2bには
“1”H(ハイ)が印加される。また、接地トランジス
タ18はオフ、一致検索線16は“1”H(ハイ)状態
に設定される。
【0037】この状態でセレクトワード線15が“1”
H(ハイ)となると、メモリペア11,12を構成する
各々のメモリセル11a,11b,12a,12bのセ
レクトトランジスタ14のゲートに“1”H(ハイ)の
電圧が印加される。
【0038】メモリセル11aおよび12bに関して
は、メモリトランジスタ13が電子を蓄積しておりエン
ハンスメントタイプとなり、前述のデータ読み出し時と
同様に、メモリゲートが0V印加でありオフ状態を保
つ。このため、データ線1aの“0”L(ロウ)状態と
データ線2bの“1”H(ハイ)状態が一致検索線16
に影響を与えることはない。しかし、メモリトランジス
タ13がデプレッションタイプとなっているメモリセル
11bおよびメモリセル12aの場合は異なる。特に、
その“0”L(ロウ)または“1”H(ハイ)の電圧値
の設定が重要な問題となる。
【0039】以下に具体的に説明する。まず、メモリセ
ル12aの場合は、蓄積データ“1”H(ハイ)と検索
データ“0”L(ロウ)が異なる。このためデータ線2
aの“0”L(ロウ)状態によって一致検索線16の
“1”H(ハイ)状態の電荷を引き抜く必要がある。
【0040】ここで仮に、データ線2aが0V(L状
態)、一致検索線16が1.5〜2.0V(H状態)に
電位設定されており、セレクトワード線に5V(H状
態)が印加されたとする。するとメモリセル12aのセ
レクトトランジスタ14のソース、ゲート電位差VGS
は5Vとなる。即ち、 VGS=(セレクトワード線15のH電圧)−(データ線2aのL電圧) =5−0=5 また、このセレクトトランジスタ14のしきい値電圧V
tは、周辺トランジスタのしきい値と同様に0.8V程
度である。
【0041】従って、5V>しきい値電圧Vt=0.8
Vとなり、メモリセル12aのセレクトトランジスタ1
4はオンし一致検索線16の電位を下げる。一致検索セ
ンスアンプも、データ読み出し時のセンスアンプ6と同
様に電流検出型のアンプであり、データ線2aからの電
流引き込みによって電圧降下が発生し、1.0〜1.5
V程度の電位におちつく。
【0042】一方、メモリペア11の場合は、蓄積デー
タ“0”L(ロウ)と検索データ“0”L(ロウ)が一
致しており、データ線1bと一致検索線16は非接続の
状態を保つ必要がある。
【0043】しかしながら、セレクトワード線15に5
Vが印加され、一致検索線16の不一致電位が1.0〜
1.5Vとすると、メモリセル11bのセレクトトラン
ジスタ14のソース、ゲート電位差VGSが、 VGS=5−(1.0〜1.5) =4.0〜3.5>0.8(セレクトトランジスタのしきい値電圧Vt) となり、基板バイアス効果によりしきい値電圧Vtの上
昇を考慮しても、メモリセル11bのセレクトトランジ
スタ14はオンし、データ線1bと一致検索線16が接
続される。即ち、データ線1bの“1”H(ハイ)電位
1.5〜2.0Vとデータ線2aの“0”L(ロウ)の
電位0Vが導通して、貫通電流が流れる。
【0044】ここまでは前述の考査と変わらないが、本
発明では、半導体製造過程で作りこまれるセレクトトラ
ンジスタを利用した制御を行っている。このため、セレ
クトワード電圧Vwあるいはセレクトトランジスタ14
のしきい値電圧Vtを制御することにより、この課題を
きわめて容易に解決できる。これを以下に説明する。
【0045】まず、上記例ではセレクトワード電圧Vw
を5Vとしたが、これはそう高く設定する必要はなく、
セレクトトランジスタ14のしきい値電圧Vtより高け
ればよい。ただあまり低く設定すると検索スピードが遅
くなる。また、上限はメモリセル12aのセレクトトラ
ンジスタ14によって引き落とされる一致検索線16の
電位(1.0〜1.5V)をソース電極、セレクトワー
ド線15のワード電圧Vwをゲート電位とするメモリセ
ル11bのセレクトトランジスタ14がオンしない電圧
差までワード電圧Vwを上げることが可能である。
【0046】これを式で表現すると、 Vw>Vt(0.8V) Vw−(1.0〜1.5)<Vt′ ここで、Vt′=Vt+ΔV(基板バイアス効果分、約
1V) 即ち、 Vt<Vw<(一致検索線の不一致時の電位)+Vt′ 式(1)
【0047】つまり、一致検索動作時にセレクトワード
線15のワード電圧を例えば3V弱に選んでおけば、メ
モリセル12aのセレクトトランジスタ14のみがオン
し、メモリセル11bのセレクトトランジスタ14はオ
フとすることができる。この結果、データ線11bの
“1”H(ハイ)電位1.5〜2.0Vからデータ線2
aの“0”L(ロウ)電位0Vへの貫通電流を抑制しな
がらかつ検索スピードの劣化を実用上問題にならない程
度にすることができる。
【0048】これは従来の不揮発性タイプの連想メモリ
では不可能なことであり、製造工程で作り込まれたしき
い値電圧をもつセレクトゲートトランジスタを制御する
構造を用いかつ一致検索動作時にセレクトワード線のワ
ード電圧を適正に選ぶことによって可能となるものであ
る。
【0049】また、式(1)からわかるように、セレク
トゲートトランジスタのしきい値電圧Vtを3.0V程
度にすることによって式(1)により 3.0<Vw<(1.0〜1.5)+(3.0+1) となり、ワード電圧Vwをほぼ5Vとして、データ読み
出し時と同じ電圧にすることも可能である。こうするこ
とによってセレクトワード線電圧の制御を簡単化するこ
とができる。
【0050】次に、本発明の第2の実施例を図2に示
す。これもまた、製造工程で作り込まれるしきい値電圧
Vtを持つセレクトトランジスタ14を制御する構造を
有する連想メモリである。
【0051】第1の実施例と異なる点は、データ一致検
索時にセレクトワード線15をフローティングにするト
ライステートバッファ20と一致検索線16と接続する
接続手段21がある点である。メモリセル11a,11
b,12a,12bの記憶状態は第1の実施例と同じと
する。
【0052】また、一致検索センスアンプ27は一致検
索線16のあらかじめプリチャージされた電荷がメモリ
セル12aに接続されたデータ線2aの“0”L(ロ
ウ)電位0Vによって引き抜かれることによる電位低下
を検出するものであり、第1の実施例のような電流ドラ
イブタイプではなく定常的な検索電流はない。従って、
より低消費電力型のセンスアンプであり、同時多数検索
動作を基本とする連想メモリのセンス系としてより優れ
ている。
【0053】基本的な考えは、一致検索時に不一致が検
出され一致検索線16の電位が低下してくる時に、接続
手段21によりセレクトワード線15の電位も同時に下
げる。このことにより、セレクトトランジスタ14のソ
ース電極(一致検索線16)とゲート電極(セレクトワ
ード線15)の電圧差をほぼ0として、このセレクトト
ランジスタ14をオフ状態あるいはそれに近い状態を保
たせることにある。
【0054】ただし、このときもデータ線1bの“1”
H(ハイ)状態の電位は1.5〜2.0Vであるため、
第1の実施例と同様にセレクトワード線15のワード電
圧Vwは一致検索時にやはり式(1)と同様な以下の式
(2)を満たす必要がある。 Vt<Vw<(“1”Hのデータ線電圧)+Vt′ 式(2) ただし、Vt′=Vt+ΔV(基板バイアス効果分、約
1V)
【0055】ここで、式(1)と比較するとVwの最大
値が0.5V程度、より高く設定することができる。こ
れは、第1の実施例と異なり、セレクトトランジスタ1
4のソース電極(一致検索線16)とゲート電極(セレ
クトワード線15)の電圧差がほぼ0Vとなり、データ
線1bをソース電極側とする経路のみが定常的な電流経
路となる可能性があるからである。このため、検索スピ
ードは若干改善される。
【0056】以下により具体的な駆動方法の一例を示
す。まず、接地トランジスタ18がオフされる。次い
で、接続手段21によりこのセレクトワード線15と一
致検索線16が接続され、トライステートバッファ20
によりセレクトワード線15がフローティングにされ
る。また、この一致検索線16はプリチャージトランジ
スタ28によりワード電圧Vwの許容最大値{(1.5
〜2.0)+Vt′}までプリチャージされる。このと
きデータ線1a,1b,2a,2bはいずれも“1”H
(ハイ)状態の電位1.5〜2.0Vが印加されてい
る。
【0057】この一致検索線16およびセレクトワード
線15のプリチャージが完了すると、次に一致検索デー
タ19に対応した電位が各データ線1a,1b,2a,
2bに与えられる。即ち、データ線1a,2aには
“0”L(ロウ)電位0Vが、データ線1b,2bには
“1”H(ハイ)電位1.5〜2.0Vが印加される
(以下、この状態を検索開始状態と称す)。
【0058】第1の実施例と同様に、メモリセル11
a,12bのメモリトランジスタ13はエンハンスタイ
プでかつゲート電圧は0Vとなり、いずれもオフ状態で
ある。しかるに、メモリセル11b,12aの各メモリ
トランジスタ13はデプレッションタイプとなりオン状
態である。
【0059】メモリセル12aのセレクトトランジスタ
14のソース電極はデータ線2aと、ゲート電極はセレ
クトワード線15に接続されている。そのため、このセ
レクトトランジスタ14のゲート、ソース電位差VGS
は、検索開始状態で1.5〜2.0Vある。
【0060】また、このセレクトワード線15は、接続
手段21により一致検索線16と接続されている。この
ためメモリセル12aのセレクトトランジスタ14のド
レイン電極(一致検索線16に接続)とゲート電極(セ
レクトワード線15に接続)の電位差は定常的には0V
になる。従って、一致検索線16の電荷はデータ線2a
によって引き抜かれる。
【0061】この状態で第1の実施例と異なる点は、一
致検索センスアンプ27が定常的な駆動能力を持たない
点である。前記一致検索センスアンプ27の出力帰還さ
れたpchMOS27bはノイズ等の対策用の極めて弱
いものであり、ドライバの役目はない。従って、定常的
な駆動電流を持たないため低消費電力であるが、一致検
索線16の電位をある範囲に固定することができない。
【0062】チャージアップされた電荷が引き抜かれて
電位が下がり、一致検索センスアンプ27のインバータ
27aのしきい値電圧を切った時にその出力が“1”H
(ハイ)になることを検出する。つまり、基本的には、
引き抜かれる“0”L(ロウ)電位の0Vまで一致検索
線の電位が引き下げられる。
【0063】この点に注目しながら、一致検索線16の
電荷が引き抜かれて電位が低下してくる時のメモリセル
11bのセレクトトランジスタ14について考察する。
検索初期状態では、このメモリセル11bのセレクトト
ランジスタ14のソース電極、ゲート電極およびドレイ
ン電極のいずれもが“1”H(ハイ)状態の1.5〜
2.0Vに設定されており、オフ状態を保つ。
【0064】ところが、検索一致線16の電荷がデータ
線2aの“0”L(ロウ)状態によってロウ電位に引き
込まれる。この時の一致検索線16の電位をVsとする
と、Vs+Δv=Vw(セレクトワード線15の電位)
<データ線1bの電位 (Δv<<1) 式(3) のようになる。
【0065】従って、データ線1bよりセレクトトラン
ジスタ14のゲート電圧が上昇して、データ線1bをソ
ース電極側とする電流経路は存在しない。考えられる経
路は一致検索線16をソース電極側とする経路である。
この時のゲート、ソース電位差VGSは式(3)より VGS=Vw−Vs=Δv となる。ここで、Δvの値が、その時のセレクトトラン
ジスタ14のしきい値Vt′と比べてどうかということ
が問題となる。しかし、このΔvはトランジエントな微
小電圧差であり、かつ定常的には0Vとなるものであ
り、結果的に問題とはならない。
【0066】この微小電圧差の発生原因は、セレクトワ
ード線15、一致検索線16あるいは接続手段21の半
導体基板上への形成による抵抗、接合容量あるいは寄生
容量等により、セレクトワード線15電位と検索一致線
16電位の各点での電位変動時間差が発生するためであ
る。しかしながら、この時間差は極めて小さいものであ
り、その結果一時的に流れる電流量もごくわずかであ
る。
【0067】また、これを抑制するには、配線材料の低
抵抗化や接続手段21の複数化、あるいはこの時間差が
問題とならない程度にデータ線1a,2aの“0”L
(ロウ)状態によるロウ電位引き込みをゆっくりやる
等、抑制方法はいろいろある。つまり、上記構成をとれ
ば、データ線1b側あるいは一致検索線16側のいずれ
をソース電極としても、セレクトトランジスタ14のゲ
ート・ソース電位差VGSが定常的にしきい値電圧V
t′よりも大きくなることはなく、メモリセル11bの
セレクトトランジスタ14はオフ状態を保つ。
【0068】従って、データ線1bからデータ線2aへ
の定常的な貫通電流を流すことなく、一致検索線16の
電荷はデータ線2aによって引き抜かれ、最終セレクト
トランジスタ14のしきい値Vt(約0.8V)まで低
下する。この電位低下が一致検索センスアンプ27のイ
ンバータにより検出され、“1”H(ハイ)状態が出力
される。
【0069】通常のメモリ内の読み出しは、接続手段2
1を切り放し、プリチャージトランジスタ28をオフ、
接地トランジスタ18をオンにする。更に、選択回路5
を介して各メモリセル11a,11b,12a,12b
のデータ線1a,1b,2a,2bのいずれか1本を電
流駆動能力を有する電流検出型のセンスアンプ6に接続
し、セレクトワード線15を“1”H(ハイ)状態とし
てセレクトトランジスタ14をアクティブとし、データ
線の電位変化を検出し、データ読み出しを行う。
【0070】ここで、セレクトワード線15の駆動電圧
は一致検索時のように低くすることは不用であり、通常
5V(電源電圧)に選ばれる。ただし、電流検出型のセ
ンスアンプ6と接続されるデータ線に関しては、メモリ
トランジスタ13のチャージ電荷を保持する理由で、
1.5〜2.0Vの低電位に設定される。このデータ線
電位は、メモリトランジスタ13がエンハンスメントタ
イプ(負電荷が蓄積)で変化せず1.5〜2.0Vを保
ち、一方デプレッションタイプ(正電荷が蓄積)で1.
0〜1.5Vに電位降下をおこすように設定されてい
る。このデータによる電位差を検出し出力する。
【0071】また、第1の実施例と同様にセレクトトラ
ンジスタ14のしきい値電圧Vtを通常の周辺トランジ
スタのそれと同様に0.8V程度に設定するのではな
く、2.5V程度に設定すれば式(2)より 2.5<Vw<(1.5〜2.0)+(2.5+1.
0)=5.0〜5.5 となり、Vwを通常のデータ読み出しと同様に5Vとす
ることが可能となる。これにより、セレクトワード線1
5をドライブするトライステートバッファ20の供給電
源の制御が容易になる。
【0072】以上の構造あるいはその制御に関しても、
製造工程で作り込まれる極めて制御性の良いしきい値電
圧Vtをもつセレクトトランジスタ14を利用した構成
をとることによりはじめて可能となったものであり、従
来のようにしきい値電圧のオン側ばらつき(0.5〜
3.5V)の大きなメモリでの構成は不可能である。
【0073】また、これらの実施例では主に、MONO
S構造を持つ不揮発性メモリに関する例により説明して
きたが、通常のプロセスによる作り込みゲートをセレク
トゲートとして持つEEPROMあるいはROMに関し
ても適応できることはいうまでもない。
【0074】
【発明の効果】本発明により初めて、不揮発性メモリを
ベースとしたCAM構成するときの貫通電流を効果的に
抑制することが可能となる。しかも、高集積化に大きく
効いてくるメモリレイアウトを通常の不揮発性メモリと
全く変更することなく、2ビットを1組のメモリペアと
して扱うだけで一致検索動作を可能ならしめるものであ
る。
【0075】このため、部分的にCAMとしてあるいは
通常の不揮発性メモリとしての利用が極めて容易とな
り、自由度が大きく高集積なCAMを構成できる。
【0076】また、このCAMを近年重要視されている
データベースメモリとして使用することにより、極めて
高速な任意キーワード検索機能を持つ大容量データベー
スシステムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る半導体集積回路の第1の実施例
の構成図である。
【図2】 本発明に係る半導体集積回路の第2の実施例
の構成図である。
【図3】 本発明に係る半導体集積回路を説明するため
のスタック型メモリによる構成図である。
【図4】 図3に示す半導体集積回路に用いられるスタ
ック型メモリセルのしきい値電圧の分布図である。
【符号の説明】
1a,1b,2a,2b データ線 5 選択回路 6 センスアンプ 11a,11b,12a,12b メモリセル 11,12 メモリペア 13 メモリトランジスタ 14 セレクトトランジスタ 15 セレクトワード線 16 一致検索線 17 一致検索センスアンプ 19 一致検索データ

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1のデータ線から一致検索線への電気的
    接続を定義する第1の記憶セルと、第2のデータ線から
    前記一致検索線への電気的非接続を定義する第2の記憶
    セルと、これら第1および第2の記憶セルの接続定義状
    態に応じて前記第1のデータ線および前記第2のデータ
    線を各々前記一致検索線に接続および非接続にするセレ
    クトトランジスタとを有し、 このセレクトトランジスタのしきい値電圧が製造工程で
    作り込まれた所定の値をもち、前記一致検索線には電流
    駆動型のセンスアンプが接続され、一致検索時に前記セ
    レクトトランジスタのゲート電圧Vwが以下の条件を満
    足するよう構成されていることを特徴とする半導体集積
    回路。 Vt≦Vw≦Vs+Vt′ ただし、 Vt:前記セレクトトランジスタのしきい値電圧(ソー
    ス0Vバイアス時) Vs:一致、不一致検索時の前記一致検出線の電位 Vt′:一致、不一致検出時にソースバイアスされた前
    記セレクトトランジスタのしきい値電圧
  2. 【請求項2】前記セレクトトランジスタの作り込みしき
    い値電圧Vt(ソース0Vバイアス時)が周辺回路のそ
    れよりも高く設定されている請求項1に記載の半導体集
    積回路。
  3. 【請求項3】第1のデータ線から一致検索線への電気的
    接続を定義する第1の記憶セルと、第2のデータ線から
    前記一致検索線への電気的非接続を定義する第2の記憶
    セルと、これら第1および第2の記憶セルの接続定義状
    態に応じて前記第1のデータ線および前記第2のデータ
    線を各々前記一致検索線に接続および非接続にするセレ
    クトトランジスタと、このセレクトトランジスタのゲー
    ト電極に接続されたセレクトワード線と前記一致検索線
    を電気的に接続する接続手段と、前記セレクトワード線
    をフローティングにするフローティング手段とを有し、
    前記セレクトト ランジスタのしきい値電圧が製造工程で
    作り込まれた所定の値をもつことを特徴とする半導体集
    積回路。
  4. 【請求項4】一致検索時の前記セレクトトランジスタの
    ゲート電圧Vwが以下の条件を満足するよう構成してな
    る請求項に記載の半導体集積回路。 Vt≦Vw≦Vh+Vt′ ただし、 Vt:セレクトトランジスタのしきい値電圧(ソース0
    Vバイアス時) Vh:一致、不一致検索時のデータ線のH(ハイ)電位 Vt′:一致、不一致検出時にソースバイアスされたセ
    レクトトランジスタのしきい値電圧
  5. 【請求項5】前記セレクトトランジスタの作り込みしき
    い値電圧Vt(ソース0Vバイアス時)が周辺回路のそ
    れよりも高く設定されている請求項3または4に記載の
    半導体集積回路。
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