JP3542308B2 - Semiconductor device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置、特に微細素子で構成され、電池動作可能な半導体集積回路に好適な低電圧で動作する高速、高集積の半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路(LSI=Large Scale Inegration)の集積度向上は、その構成素子であるMOSトランジスタの微細化により進められてきた。素子の寸法が0.5ミクロン以下のいわゆるディープサブミクロンLSIになると、素子の耐圧の低下とともにLSIの消費する電力の増大が問題になってくる。このような問題に対しては、素子の微細化にともなって動作電源電圧を低下させることが有効な手段であると考えられる。現在のLSIの電源電圧としては5Vが主流であるため、微細な素子でLSIを構成する手段として、LSIチップ上に外部電源電圧を降圧する電圧変換回路を搭載する技術が、アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキッツ、第21巻、第5号、第605〜第611頁(1986)( IEEE Jounal of Solid-State Circuits, vol.21, No5, pp.605-611, October 1986 )において論じられている。この場合の外部電源電圧と内部電源電圧の値は、それぞれ5Vと3.5Vである。このように、LSIの中でも最高集積度のダイナミックRAM(DRAM= Dynamic Random Access Memory )で消費電力の問題が顕在化しつつある。こうした傾向に合わせて、LSIの外部電圧そのものを下げようという動きもある。例えば、0.3ミクロンの加工技術を用いる64メガビットDRAMでは外部電源電圧3.3V程度に低下される予定である。集積度の向上にしたがって、外部電源電圧はさらに低下する可能性がある。
【0003】
また近年、可搬型電子機器の普及に伴い、電池動作や、電池での情報保持が可能な低電圧・低消費電力のLSIに対する需要が高まってきている。このような用途に対しては、最小1〜1.5Vで動作するLSIが必要とされる。特に、ダイナミックメモリの場合、その集積度は既にメガビット級に達しており、従来では磁気ディスク装置しか使用できなかった大容量記憶装置の分野にもその半導体メモリを利用しようという動きがでてきている。そのためには、電源をきってもデータが消えないよう電池でバックアップする必要がある。このバックアップの期間は、通常数週間から数年間保証する必要がある。このため、メモリの消費電流は極力小さくする必要がある。低電力化のためには、動作電圧を低減することが有効であるが、これを1.5V近辺とすればバックアップ用電源としては乾電池1個で済むためコストも安くまた占有スペースも小さくなる。
【0004】
インバータや各種デジタル論理回路だけから構成されるCMOS(Complementary MOS)LSI、例えばプロセッサなどにおいては、電源電圧を1.5V程度まで低下させても、MOSトランジスタの定数としきい値電圧さえ適切に選べば、大幅な性能低下を招くことなく、1.5V程度の低い電源電圧で動作させることが可能である。しかしながら、外部電源電圧(VCCまたはVSS)の他に、それらの中間電圧やそれらの範囲を越えた電圧をLSI上で発生させ、それを動作に用いるLSIでは、電源電圧の低下は、決定的な性能低下をもたらしていた。こうしたLSIの代表がDRAMである。したがって、プロセッサやメモリなどの複数種類のLSIで、低電圧で動作する情報機器を構成する場合には、DARMに代表されるように、LSI上で電源電圧以外の電圧を発生して動作に用いるLSIの低電圧動作が必須である。
【0005】
DRAMを低電圧で動作させた場合、主に従来用いられていた以下の3つで問題が生じる。
【0006】
(1)メモリから読出された微小な信号を読出す回路。
【0007】
(2)メモリセルを構成するMOSトランジスタを十分高い導通状態にして、損失無く信号を伝達するために必要なワード線駆動用高電圧を発生する回路。
【0008】
(3)メモリセル蓄積容量のプレート電極、さらにはメモリセルからの読み出し信号の検出に際する参照電圧となる中間電圧(VCC/2)を発生する回路。
【0009】
これらの従来例を、以下順に説明する。
【0010】
(1)については以下のとおりである。LSIの高集積化、大規模化にともなって、信号配線の寄生容量が増大するため、動作速度が低下するという問題が顕現化しつつある。ダイナミック・メモリの場合には、各メモリセルからデータ線上に読み出された微小な信号をセンスアンプにより増幅する速度、および、選択されたデータ線から情報を読み出す入出力制御線(コモンI/O線)の動作速度が、メモリ全体の動作速度の大きな割合を占めており、これらを高速化する技術がメモリの性能向上のために不可欠である。従来の入出力制御回路としては、たとえばアイ・イー・イー・イー,ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキッツ,エス・シー22(1987年)第663頁から第667頁(IEEE,Journal of Solid-State Circuits, Vol.SC−22,No5,October,1987,pp663−667)において述べられているように、2つのMIS(Metal Insulator Semiconductor)型のFET(Field Effect Transistor)を用い、選択信号をそれらのゲート電極に印加して、データ線対とコモンI/O線対との接続を制御する方式が一般的であった。
【0011】
(2)についての従来例を図20に示す。これはDRAMのメモリセルアレー(MA)とワードドライバ(WD)関連の回路を示したものである。また、図21は各部の波形を示している。この回路は、例えばIEEE JOURNAL OF SOLID−STATE CIRCUITS,VOL.sc−21,NO.3,JUNE 1986,pp.381−387に示されている。
【0012】
(3)についての従来例は以下のとおりである。データ線をVCC/2電圧にプリチャージするDRAM方式は、高速性、低消費電力、耐雑音性といった特徴によって、CMOS回路とともに1メガビット以降のDRAMの主流になっている。このVCC/2電圧を発生させる従来の中間電圧発生回路の例は、アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキッツ、第21巻、第5号、第643〜第648頁(1986)( IEEE Jounal of Solid-StateCircuits, vol.21,No.5,pp.643-648, Octorber 1986)に述べられている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来例に対して、本発明が解決しようとする課題は以下のとおりである。
【0014】
まず(1)の従来例については以下のとおりである。従来方式の例を図7(a)および図7(c)に示す。この方式では必要最低限の数のトランジスタで構成できるため、メモリ全体の面積低減には有効であるが、一方、以下のような欠点がある。(a)データ線(D0,D0 ̄)の信号電圧が十分に増幅されないうちにI/O制御用のMIS−FET(T50,T51)を導通状態にすると、センスアンプSA0の動作が阻害されて誤動作を起こす。
【0015】
(b)上記理由により、センスアンプが動作してから選択信号Y01を投入して上記MIS−FETを導通させるまでに時間遅れ(タイミング・マージン)を置く必要が生じ、動作速度の低下をきたす(図7(c))。
【0016】
(c)このような誤動作を防ぐために、上記MIS−FETのチャネルコンダクタンス(ドレイン・ソース間の導電率)とセンスアンプを構成するMIS−FETのチャネルコンダクタンスの比には、設計上の制約が発生する。一般的には、前者を後者よりも小さくする必要があり、コモンI/O線(IO0,IO0 ̄)の駆動能力を大きくとることが難しい。そのため、(b)に加え、さらに動作速度が低下する。
【0017】
(d)メモリの集積度向上に伴って、消費電力低減、および素子の耐圧低下に対処するため、内部電源電圧は低下する傾向にある。したがって、上記MIS−FETの駆動能力がさらに低下し、より動作速度が低下する。
【0018】
(e)主に、上記(c)の理由により、ひとつのコモンI/O線と、それにつながる複数のデータ線との間で、並列に書込み、あるいは読み出しを行うことが難しく、並列度など、テスト機能の面で制約を受ける。
【0019】
これらのため、従来の入出力回路方式では、低電圧でも高速に動作する高集積メモリに適した回路方式を供することができなかった。
【0020】
次に、(2)の従来例については以下のとおりである。図20に示すようにワードドライバはトランジスタQD、QTから構成される。ここでXデコーダ出力N1がHighレベル(VL)になるとQTを通してQDのゲートN2が充電されQDがオン状態となる。このとき、N2の電圧はVL−VTとなる。次に周辺回路FXで作られたワード線駆動信号 φX(振幅はVL+VT以上)がHighレベルになるとQDのドレインからソースに電流が流れワード線WをHighレベルにする。このときQTのゲートとN1の間の電位差は0、N2とはVtであるからQTはカットオフ状態となっている。従って、φXが上昇するときN2の電圧はQDのゲート、ソース間容量によるカップリングでφXと共に上昇する。ここで、φXが最大値に達したときQDのゲート、ソース間電圧がVT以上なら、ワード線の電圧はφXと等しくなる。一方、φXが上昇していく途中でそれがVT以下となった場合は、QDのゲート、ソース間容量が0となるのでその時点でN2の上昇はとまり、図21に示すようにVL−VT+α(VL−2VT)/(1−α)となる。またワード線の電圧は(VDL−2VT)/(1−α)となる。ここで、αはQDのゲート容量とノードN2の全容量の比である。
【0021】
ここで、VLが電池の消耗で1.1Vまで低下した場合を考える。α=0.9、VT=0.5(V)とすれば上式よりN2の電圧は1.5Vとなる。従って、ワード線の電圧は1.0Vまでしか上昇しない。通常、メモリセルのスイッチトランジスタQSのしきい値電圧は周辺回路のそれよりも高く0.5V以上になるのでメモリセルに蓄えられる電荷量は最大値(CS×1.1)の半分以下の(CS×0.5)となりソフトエラー耐性、センスアンプのS/Nの著しい低下が生ずる。すなわち、保存データの破壊が起こりやすくなる。
【0022】
以上のように、DRAMを従来の技術で電池動作させようとした場合、電池の起電力がMOSトランジスタのしきい値電圧VTの2倍近くまで低下すると、ワードドライバの動作不良によりメモリセルへの書き込み電圧が低下してデータの破壊が起こりやすくなるという問題があり、その解決を要する課題があった。
【0023】
また、(3)に関して、低電圧化と高集積化により、従来の中間電圧発生回路では以下の二つの問題が生じる。(a)電源電圧の低下に伴い、電圧設定精度が低下し、信号対雑音(S/N)比が悪化する。
【0024】
(b)素子がソース・フォロワ・モードで動作するので応答速度がトランジスタの駆動能力と負荷容量の値で決まることになり、このため、高集積化による負荷容量の増大と、さらには低電圧化による素子の駆動能力の低下により、応答速度が遅くなる。
【0025】
図30はDRAM用中間電圧発生回路の従来例を示すものである。以下、図30を用いて上記の問題点を説明する。図30において、TN5、TN6はNチャンネルのMIS型FET、TP5、TP6はPチャンネルのMIS型FET、R1、R2は抵抗、CLは負荷容量である。図30の回路は一種のコンプリメンタリ・プッシュプル回路で、TN6とTP6は電源電圧VCC(VSSは接地電位とする)をHVCの中間電圧に分圧する分圧回路を構成し、これらのゲートにバイアス電圧を与えるためのTN5とTP5がバイアス回路を構成している。VCC/2プリチャージ方式のDRAMにおいては、負荷容量は全データ線容量にほぼ等しく、4メガビットDRAMでは5〜10nF(ナノ・ファラッド)、16メガビットDRAMでは20〜40nF、64メガビットDRAMでは80〜160nF程度の値である。この回路においては、各FETに微小な電流を常時流すことによって、出力が一定の電圧になるように安定化される。電流が微小であれば、端子20と端子22の電圧差すなわちV(20)−V(22)はほぼFET TN5のしきい値電圧VTNに、また端子22と端子21の電圧差すなわちV(22)−V(21)はほぼFETTP5のしきい値電圧の絶対値VTPに等しくなる。また、FET TN6およびTP6のゲート幅対ゲート長比 W/Lは、それぞれTN5およびTP5のW/Lの数倍から数10倍になるように選ばれる。したがって、TN6のバイアス電流はTN5のバイアス電流の数倍から数10倍になる。
【0026】
はじめに第一の問題点について説明する。今、FET対TN5とTN6、およびTP5とTP6の間の素子特性(例えば、しきい値電圧、単位ゲート幅あたりのチャネル・コンダクタンス等)に差が無いと仮定すると、出力HVCには、端子22の電圧に等しい電圧が得られる。出力電圧は、
V(HVC)=R2/(R1+R2)×VCC−R2/(R1+R2)×VTN+R1/(R1+R2)×VTP
と表される。ここでVSSは接地電位にあるとする。標準条件下ではVTNとVTPの値がほぼ等しく、R1=R2となるように設計すると、
V(HVC)=VCC/2−VTN/2+VTP/2
すなわち、VTNとVTPの値の差がVCCの値に比べて無視できる場合には
V(HVC)≒VCC/2
となる。一般に、素子のしきい値電圧のばらつきは、高集積化によっても小さくならず、一定であると考えられるため、VCCを低くするにしたがって、V(HVC) の設定精度は低下する。例えば、VTNとVTPがそれぞれ標準値に対して±0.1V変動すると仮定すると、電源電圧が5V(HVCが2.5V)のときには、中間電圧の変動は約±4%であるのに対して、電源電圧が1.5V(HVCが0.75V)のときには、中間電圧の変動は約±13%に達し、メモリの安定な動作に支障がでる。
【0027】
次に、第二の問題点について説明する。負荷の充放電に際し、出力のMISFETは飽和領域で動作するため、そのドレイン電流IDは
ID=β/2×(VGS−VT)2
と表される。ここに、VGSはゲート・ソース間電圧、VTはMISFETのゲートしきい値電圧、βは素子の構造や寸法によって決まる定数である。今、従来回路において負荷(負荷容量=CL)の電圧を0Vから中間電圧VCC/2の90%まで立ち上げるのに要する時間
trは
tr=18CL/β×1/(VCC/2)
と表される。一つのデータ線に接続されるメモリセルの数を256、一つのデータ線あたりの容量値を0.5pF、と仮定する。メモリの高集積化に伴ってこれらの値はほぼ一定であるから、負荷容量の値は世代毎に4倍ずつ大きくなる。例えば、4MビットDRAMではCL≒8.2nF、16MビットではCL≒33nF、64MビットではCL≒131nFとなる。これに対して、電源電圧が5V→3.3V→1.5Vと世代毎に低下すると、MISFETのβが10mA/V2で一定の場合、立上り時間trは5.9μs→36μs→314μsと世代毎に約10倍ずつ増えることになる。応答速度を一定に保つためには、MISFETのβを世代毎に10倍にしていく必要があるが、レイアウト面積の増大や、定常電流の増大を招くという副作用があるため、実際には立上り時間trを一定に保つのは不可能である。
【0028】
以上述べた従来の問題を解決し、低電圧でも高速に、かつ安定に動作する半導体装置を提供することが本発明の目的である。より具体的には以下の3つを目的としている。
【0029】
(1)低電圧でも高速に動作し、かつ動作安定性に優れ、さらには並列テスト機能を併せ持った、超高集積のメモリの入出力制御回路の方式を提供すること。
【0030】
(2)電池の起電力が低下してもデータ破壊が生じないように、充分に高いワード線電圧を発生することができる回路を提供すること。
【0031】
(3)高集積、低電源電圧のLSIにおいても高精度で、かつ高速に動作する電圧供給回路(電圧フォロワ)を提供すること。
【0032】
【課題を解決するための手段】
前述した(1)の目的を達成するため、データ線からの情報の読み出し、あるいは、データ線への情報の書込みを行う入出力制御回路を、メモリアレーの左右に交互に配置し、かつ、コモンI/O線をとデータ線の間の伝達インピーダンスを、情報の読み出し時と書き込み時とで変化させるような回路構成とした。また、読出し線(RO線)の信号を検出するセンス回路として、選択用のMISFETと相補のMISFETによる電流電圧変換手段を設けた。本手段は、低電圧でも高速に動作するようにするためのものである。
【0033】
また(2)の目的を達成するため、特許請求の範囲に記載のように、次の手段を講じた。すなわち、
(a)メモリセルアレーとデータ線に印加する最低の動作電圧としてメモリセルアレーのスイッチトランジスタのしきい値電圧の1.5乃至2倍の電圧をデータ線に与えるデータ線電源の出力とワードドライバとを有する半導体集積回路において、データ線電源電圧を、データ線電圧よりメモリセルアレーのスイッチトランジスタのしきい値電圧分以上高い電圧に変換する電圧変換回路と、該電圧変換回路の出力を電源として動作するスタティック型ワードドライバとを備えてワード線駆動をすることとした。
【0034】
(b)上記第1項の手段の電圧変換回路は、チャージポンプ回路と整流回路との構成を備えることとした。
【0035】
(c)上記第2項の手段におけるチャージポンプ回路は、第1、第2、第3、第4のMOSトランジスタと第1、第2のコンデンサを含み、該第2、第3、第4のMOSトランジスタのドレインは電源に、第2のMOSトランジスタのゲートは第4のMOSトランジスタのソースに、第3のMOSトランジスタのソースは第2のMOSトランジスタのソースに、第3、第4のMOSトランジスタのゲートは電源に接続され、第1のコンデンサの1つの端子は第4のMOSトランジスタのソースに、第2のコンデンサの1つの端子は第2のMOSトランジスタのソースに接続され、該第1、第2のコンデンサの他の1端はそれぞれ逆相のパルスが入力されるようになされたチャージポンプ回路において、さらに第1のMOSトランジスタのドレインを電源に、ソースを第4のMOSトランジスタのソースに、ゲートを第2のMOSトランジスタのソースに結合することとした。
【0036】
本手段は低電源電圧でもチャージポンプ回路の立ち上げを一層速め、またその出力電圧を一層高くするものである。
【0037】
(d)上記第2項の手段における整流回路は、整流素子がMOSトランジスタにより構成され、該MOSトランジスタのドレインを入力、ソースを出力とし、該入力には上記第3項記載のチャージポンプ回路、ソースには該出力から電荷を伝達する回路とその電荷を蓄えるコンデンサおよびその電荷を電源に伝達する回路が接続され、該入力の電圧が高レベルの時は該コンデンサの1端を高レベルにして該MOSトランジスタのゲート電圧を入力電圧とMOSトランジスタのしきい値電圧の和以上にし、該入力の電圧が低レベルの時は該コンデンサの1端を低レベルにすると同時に該MOSトランジスタのゲート電圧を電源電圧にすることとした。
【0038】
本手段は整流用トランジスタの電圧降下を低減させ高い出力電圧を得るものである。
【0039】
(e)上記第1項乃至第2項の手段において、メモリセルアレーとワードドライバと電圧変換回路に用いるMOSトランジスタのしきい値を3種類とし、メモリセルアレーのものを最も高く、ワードドライバのものを中間に、電圧変換回路のものを最も低くすることとした。
【0040】
本手段は低電源電圧においても集積回路としてさらに一層の安定化、高速化、低消費電力化を達成するものである。
【0041】
さらに、前記(3)の目的を達成するため、本発明の半導体装置では、中間電圧に等しい基準電圧の入力と、同一負荷に対して出力を並列接続する少なくとも二つの第一および第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路と、基準電流を増幅して出力するプッシュプル電流増幅回路とを備え、第一のコンプリメンタル・プッシュプル回路は、そのバイアス回路に、上記基準電圧の入力と該入力に付加するバイアス電圧源を備えて、該プッシュプル回路の分圧用トランジスタのゲートにバイアス電圧を印加するとともに、該プッシュプル回路の分圧回路は上記電流増幅回路の基準電流回路を形成し、かつ該電流増幅回路の出力端を上記第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路のバイアス回路に接続することを特徴とする。
【0042】
すなわち、中間電圧に等しい基準電圧の発生部をコンプリメンタリ・プッシュプル回路のバイアス回路から分けて独立に設けるとともに、少なくとも二つのコンプリメンタリ・プッシュプル回路で並列に負荷を駆動するようにし、出力電圧と入力電圧の差を一つのプッシュプル回路に流れる電流として検出し、かつ、その電流にほぼ比例する増幅電流でもう一方のプッシュプル回路を駆動するものである。
【0043】
ここで上記第一および第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路のバイアス電圧は、該電圧を印加する該プッシュプル回路のトランジスタのゲートしきい値電圧にほぼ等しくすることが好ましい。このことは定常状態においてこれらのトランジスタを流れる電流を低い値に抑えるものである。
【0044】
あるいは上記電流増幅回路をカレントミラー型のプッシュプル増幅回路によることにすれば、簡単な回路構成で高い駆動能力がばらつきが少なく容易にえられる。
【0045】
またあるいは、上記第一および第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路を電界効果トランジスタにより構成することが低い電源電圧で動作させられるので好ましい。
【0046】
前記(3)の目的をさらに効果的に達成するための本発明の半導体装置では、中間電圧に等しい基準電圧の入力と、同一負荷に対して出力を並列接続する少なくとも二つの第一および第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路およびトライステート駆動回路と、基準電流を増幅して出力するプッシュプル電流増幅回路とを備え、第一のコンプリメンタリ・プッシュプル回路は、そのバイアス回路に、上記基準電圧の入力と該入力に付加するバイアス電圧源を備えるとともに、該プッシュプル回路の分圧回路は上記電流増幅回路の基準電流回路を形成し、かつ該電流増幅回路の出力端を上記第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路のバイアス回路に接続すること、さらに上記トライステート駆動回路は、上記入力の電圧よりも低い第一の判定電圧と上記入力の電圧よりも高い第二の判定電圧とを備え、出力電圧が第一の判定電圧よりも低いときには出力を充電し、出力電圧が第二の判定電圧よりも高いときには出力を放電する手段を備えることを特徴とする。
【0047】
すなわち本発明ではトライステート駆動回路をコンプリメンタリ・プッシュプル回路とともに負荷に対して並列に接続してプッシュプル回路による駆動能力を補うものである。
【0048】
ここで、上記第一および第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路のバイアス電圧は、該電圧を印加する該プッシュプル回路のトランジスタのゲートしきい値電圧にほぼ等しい電圧にすること、あるいは上記電流増幅回路をカレントミラー型のプッシュプル増幅回路とすること、あるいは上記第一および第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路を電界効果トランジスタにより構成することが好ましいことは前述のとうりである。
【0049】
ここで、上記の入力および出力の電圧を電源電圧の二分の一にすれば、DRAMのような回路への適正上好ましい。
【0050】
さらに、複数の同種のブロックを少なくとも含み、動作時においては、ブロック選択信号によって選択した一つまたは複数のブロックを動作状態にする集積回路(LSI)と、ブロックを負荷として電圧供給し駆動する手段を有する半導体装置の場合においては、高速応答を達成するために、ブロックを駆動する上記駆動手段として、第一および第二の駆動回路と、各ブロック毎に設けられ動作状態にあるブロックを第一の駆動回路に、非動作状態にあるブロックを第二の駆動回路に、それぞれ接続する切換手段とを備えることとする。
【0051】
このような手段は、大容量のダイナミックメモリのような集積回路に対して好適である。
【0052】
そのような場合に、上記ブロックはメモリセルアレーを少なくとも含み、かつ上記負荷としてはメモリセル蓄積容量の対向電極およびメモリセルから信号検知回路に信号を伝達するデータ線のプリチャージ電圧供給線とを少なくとも含むようにするのがよい。
【0053】
ここで上記駆動回路を電源電圧の二分の一の電圧を発生するものとすることがDRAMへの適応上好ましい。
【0054】
さらに上記駆動回路として本発明の半導体装置を用いれば、大容量のLSIに対しても高精度化、高速化を達成できる。
【0055】
(1)については、上記構成により、入出力制御回路を、データ線ピッチの2倍のピッチでレイアウトできるため、従来に比べて、チップ面積を大きく増大させることなく、最適な入出力回路構成をとることができる。これにより、入出力回路の動作マージンが格段に向上し、低い電圧でも、安定かつ高速に動作させることができる。また、並列に書込み、読み出しを行っても安定に動作するため、高い並列度の並列テストが可能となる。
【0056】
(2)については、スタティック型のワードドライバは電源側にはPチャネルトランジスタ、グランド側にはNチャネルトランジスタが接続されている。このため、ワード線駆動時にゲートをグランドレベル(0V)にすれば、電源電圧がしきい値電圧VT以上であればPチャネルトランジスタが常にオン状態になり、その出力電圧は電源電圧まで上昇する。このように上記スタティック型のワードドライバは、ドライブトランジスタのゲート電圧がLowレベルで動作するので低電源電圧に対しても安定に動作する。
【0057】
したがってワードドライバの電源として上記電圧変換回路の出力を用いることにより、ワード線電圧としてデータ線電圧よりメモリセルアレーのスイッチトランジスタのしきい値電圧分以上高い電圧を印加することが可能になり、これにより、電源電圧が1V程度にまで低下してもメモリ動作を安定にすることが可能になる。
【0058】
さらに本発明のチャージポンプ回路は、その出力電圧をプリチャージトランジスタに帰還するもので、これを電圧変換回路に用いることにより、低い電源電圧に対しても速い立上りと高い出力電圧を得ることが可能になる。
【0059】
また上記手段の第4項の整流回路は、整流用トランジスタのゲート電圧をチャージポンプ回路の出力電圧と同期させ、その出力がすなわちトランジスタのドレイン電圧がHighレベルのときはゲート電圧をそれよりしきい値電圧分以上高くし、Lowレベルのときは両者同レベルにするもので、これにより整流用トランジスタの電圧降下を低減させ、電荷の逆流も防ぐことが可能になる。
【0060】
トランジスタのしきい値電圧を低電圧化すると一般にトランジスタの駆動能力が増加する。したがって上記手段の第5項のように、規模のあまり大きくない電圧変換回路にはこのようなトランジスタを用いると効果がある。しかし後述するように、ワードドライバのように多量のトランジスタを用いるようなものの場合は逆に、トランジスタのオフ状態で流れる漏れ電流が無視できなくなるのでしきい値電流として標準のものを用いる。またメモリセルアレーのトランジスタを低しきい値電圧化すると後述のようにリフレッシュ間隔を短くすることから消費電力の増加を招くことになり、したがって、これには標準より高いものを用いるのが好ましい。
【0061】
すなわち上記手段の第5項は、低電源電圧においても集積回路を一層安定化し、高速化し、低消費電力化するよう作用するものである。
【0062】
(3)については、中間電圧に等しい基準電圧の発生部をコンプリメンタリ・プッシュプル回路のバイアス回路から分けることにより、バイアス回路とは独立して電圧を設定することができ、中間電圧の出力を高精度化することが可能になる。
【0063】
また、入力と出力の電圧差を上記第一のコンプリメンタリ・プッシュプル回路のトランジスタを介して電流に変換し、その電流に比例する増幅電流で第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路を駆動することにより、入出力間に電圧差がある間は、プッシュプル回路の駆動能力を高くして、高速に負荷容量に対して充放電を行なうことになる。またその際の充電と放電の駆動能力を揃えることができ、したがって低電圧でも、高速かつ安定に動作する電圧供給回路(電圧フォロワ)を提供することが可能になる。
【0064】
さらに上記のようにコンプリメンタリ・プッシュプル回路のバイアス電圧を電圧印加トランジスタのしきい値電圧にほぼ等しくして該プッシュプル回路の電流を低い値に抑えれば、これにより半導体装置の定常時電力を小さくしながら、出力電圧の変動時には高い駆動能力を得るようにすることが可能になる。
【0065】
また電流増幅回路にカレントミラー型の増幅回路を用いれば、簡単な回路構成で電流増幅が可能になるだけでなく、同一の特性を要するミラー回路相互のトランジスタに同種の素子を用いることにより、高い駆動能力をばらつき少なく容易に得ることが可能になる。
【0066】
電界効果トランジスタは不純物濃度を制御することによってゲートしきい値電圧を下げることができるので、第一および第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路を電界効果トランジスタで構成することにより、電源電圧が低くなっても所要の動作が得やすくなる。
【0067】
さらにトライステート駆動回路をコンプリメンタリ・プッシュプル回路とともに負荷に対して並列に接続する上記の手段によれば、入出力間の電圧誤差が上記の判定電圧以上に大きくなった場合には負荷容量を充電または放電することにより電圧誤差を判定電圧以内に収束するよう動作し、これによりプッシュプル回路動作を補って過渡時の応答速度をさらに高めるよう作用することになる。
【0068】
また集積回路の中に複数の同種のブロックを含み、その一部を動作させる場合に、動作状態のブロックのみを負荷として選択するよう切り換える本発明の手段によれば、大容量のDRAMのような場合にもその一部の負荷を実質的に担うことになるため大きな過渡電流を流すことなく高速応答が可能になる。そのうえ、この駆動回路に本発明の装置を用いれば、前記したようにさらに効果的に高精度高速応答性を得ることが可能になる。
【0069】
【発明の実施の形態】
以下実施例により本発明を具体的に説明する。なお、以下の説明では、本発明をダイナミックメモリ(DRAM)に適用した例について説明するが、これ以外の、例えば、スタティックメモリ(SRAM)やリード・オンリ・メモリ(ROM)についても同様に適用できる。また、MIS型のFET素子を用いたメモリ以外にも、バイポーラ素子を用いたメモリ、バイポーラ素子とMIS−FETとを組み合わせた、いわゆるBiCMOS型のメモリ、さらには、シリコン以外の半導体材料を用いたメモリについても、同様に適用することができる。
【0070】
図1から図6は本発明のメモリ回路の一実施例である。図1から図6中、MAは1つのMIS−FETと1つの蓄積容量からなるメモリセルを二次元的に複数個配列したメモリセルアレー、CKT0,CKT1はメモリセル信号を検知したり、読出し線または書込み線を通して、メモリ外部と情報をやりとりするための入出力制御回路、D0とD0 ̄、D1とD1 ̄メモリセルと上記入出力制御回路の間で信号の伝送を行うためのデータ線対、WDはメモリセルアレーのうちの行アドレスを指定して1本のワード線に駆動信号を与えるためのワード線駆動回路、W0〜Wmはワード線、YDはメモリセルアレーのうちの列アドレスを指定するためのY(列)デコーダ、Y01は列選択信号線、をそれぞれ表している。また、入出力制御回路の中で、SA0、SA1はデータ線上の微小な信号電圧を検知するための検知回路(センスアンプ)、CSN0とCSP0、CSN1とCSP1は、それぞれ検知回路SA0、SA1の駆動信号線、CD0あるいはCD1は検知回路の駆動信号発生回路、PR0,PR1は、非動作状態において、データ線対を短絡するとともにセンスアンプの動作に都合の良い電圧に設定するためのプリチャージ回路、RG0あるいはRG1はデータ線対に現れた信号(電圧差)をメモリアレー外部に読みだすための読みだしゲート、T1〜T4は読みだしゲートを構成するNチャネルMIS−FET、WG0あるいはWG1は外部の情報に従ってデータ線を駆動する書き込みゲート、T5〜T8は1つの書き込みゲートを構成するNチャネルMIS−FET,RO0,RO0 ̄,RO1,RO1 ̄は読みだし線、WI0,WI0 ̄,WI1,WI1 ̄は書き込み線、RCS0,RCS0 ̄,RCS1,RCS1 ̄は読みだし制御線、WR0,WR0 ̄,WR1,WR1 ̄は書込み制御線、をそれぞれ示している。また、SWR0,SWR1は読みだし線から共通の読みだし線CRO,CRO ̄へ接続するためのスイッチ回路、SWW0,SWW1は書き込み線と共通の書き込み線CWI,CWI ̄を接続するためのスイッチ回路、SEL0,SEL1は左右いずれかのスイッチを選択する信号。AMPはCRO ̄,CROへ現れた信号を検知増幅するためのセンス増幅器、DOBは出力バッファ、DIBは入力バッファである。本実施例では、入出力制御回路CKT0,CKT1をデータ線対毎にメモリセルアレーの左右に交互に配置しており、かつ入出力制御回路内のI/O線を読みだし線(RO線)と書き込み線(WI線)に分離している。以下これらの具体的な構成と効果を説明する。
【0071】
図2には読みだしゲートおよび書き込みゲート回路の平面レイアウト図を示す。一般的には、メモリの高集積化が進むとともに入出力制御回路Ciをデータ線ピッチでレイアウトすることが困難になってくる。しかし本実施例のように入出力制御回路をメモリセルアレーの左右に交互に配置することで入出力制御回路のレイアウトピッチはデータ線対ピッチの2倍、すなわち2dyにできるのでチップ面積を大きく増大させること無しにレイアウトが可能になる。高集積メモリにおいては、たとえばアイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキッツ,23(1988年)第1113頁から1119頁(IEEE, Journal of Solid-State Circuits, vol.23,No.5,October 1988,pp1113−1119)に述べられているように、隣接するデータ線間の容量結合により信号対雑音比が著しく低下するという問題がある。メモリセルアレー部分の容量結合雑音はデータ線をメモリセルアレーの途中で交差する等の方法により低減できることは知られているが、入出力制御回路部においては隣接データ線間の結合容量が場所により不均一であるため雑音を低減することが十分に行えなかった。本実施例では入出力制御回路のデータ線対間にシールド用の配線を配することにより、従来に比べて著しく線間容量結合雑音を低減することができる。以下、これについて説明する。図2に示すような入出力制御回路部のレイアウトにおいて、データ線対間にデータ線と同時に形成される他の信号配線を配置している。ここでは、例えば、読みだしゲートRGi部でデータ線と直行して配線された読みだし線RO,RO ̄及び読みだし制御線RCS,RCS ̄はスルーホールを通してデータ線と同時に形成される配線材に接続され、データ線と平行に配置される。このようにすることで、データ線と隣接データ線間の寄生容量を低減することができ、読みだし動作に伴う雑音を最低限に抑え、安定な動作を期すことができる。
【0072】
次に、読出しスイッチSWR0、書込みスイッチSWW0、センス増幅回路AMOの具体的な構成を説明する。
【0073】
図3(a)は読出しスイッチSWRi(i=0,1)の構成例である。この回路は、複数の読出し線ROi、ROi ̄の内の1つを共通読出し線CRO、CRO ̄に選択的に接続するとともに、選択されたメモリブロックの読出し制御線RCSi、RCSi ̄の電圧を制御して、読出し線に信号を取り出すようにしている。同図において、T10〜T17はNチャネルMISFET、INV100はインバータ、NAND1は入力が共に高レベルの組合せのときのみ低レベルを出力する2入力の反転論理積回路、をそれぞれ示している。メモリブロックが選択されて選択信号SELiが高いレベル、かつメモリが読出し状態にあって書込み信号WEが高レベルになると、MISFET T10〜T13が導通、T14〜T17が非導通となる。したがって、読出し線ROi,ROi ̄はそれぞれ共通読出し線CRO、CRO ̄に接続されるとともに、読出し制御線RCSi、RCSiは接地される。これにより、例えば図1において列選択信号Y01が高レベルになると、T3およびT4が導通し、データ線対D0,D0 ̄の電圧差に応じて読出し線RO0、RO0 ̄から読出し制御線RCS0、RCS0 ̄に流れる電流の差として信号が得られる。ここで、読出し制御線RCS0、RCS0 ̄は、読出し動作だけを考えると、必ずしも分離する必要はないが、後述するうに並列テストを行なう場合には、分離が不可欠である。
【0074】
メモリブロックが非選択となり、選択信号SELiが低レベル、またはメモリが書込み状態にあって書込み信号WE ̄が低レベルになると、MISFET T10〜T13が非導通、T14〜T17が導通となる。したがって、読出し線ROi、ROi ̄および読出し制御線RCSi、RCSi ̄は同一の電圧(ここでは中間電圧HVL)に接続される。これにより、例えば図1において列選択信号Y01が高レベルになってT3およびT4が導通しても、読出し線ROi、ROi ̄から読出し制御線RCSi、RCSi ̄に電流が流れることがないため、例えば図10において述べるように、1本の列選択信号線で複数のメモリブロック(選択ブロックと非選択ブロックを含む)の列アドレスを選択するような場合に都合がよい。
【0075】
図3(b)は書込みスイッチSWWi(i=0,1)の構成例である。この回路は、複数の書込み線WIi、WIi ̄の内の1つを共通書込み線CWI、CWI ̄に選択的に接続するとともに、選択されたメモリブロックの書込み制御線WRiを高レベルにして、書込みを行なうようにしている。同図において、T20,T23〜T26はNチャネルMISFET、T21、T22はPチャネルMISFET、INV101〜INV103はインバータ、NAND2は2入力の反転論理積回路、をそれぞれ示している。メモリブロックが選択されて選択信号SELiが高レベル、かつメモリが書込み状態にあって書込み信号WEが高レベルになると、MISFET T20〜T23が導通、T24〜T26が非導通となる。したがって、書込み線WIi、WIi ̄はそれぞれ共通書込み線CWI、CWI ̄に接続されるとともに、書込み制御線WRiには高レベルが出力される。これにより、例えば図1において列選択信号Y01が高レベルになると、T5およびT6が導通し、データ線対D0,D0 ̄は書込み線WI0、WI0 ̄に接続され、書込み線上の書込み情報はデータ線に書き込まれる。
【0076】
メモリブロックが非選択となり、選択信号SELiが低レベル、またはメモリが読出し状態にあって書込み信号WEが低レベルになると、MISFET T20〜T23が非導通、T24〜T26が導通となる。したがって、書込み線WIi、WIi ̄は同一の電圧(ここでは中間電圧HVL)に接続されるとともに、書込み制御線WRiは低レベルになる。これにより、例えば図1において列選択信号Y01が高レベルになってT5およびT6が導通しても、データ線と書込み線とは導通しないため、例えば図10において述べるように、1本の列選択信号線で複数のメモリブロック(選択ブロックと非選択ブロックを含む)の列アドレスを選択するような場合に都合がよい。
【0077】
次に、図4は共通読出し線CRO,CRO ̄に読みだされた信号を増幅するためのセンス増幅回路の構成を示している。同図において、amp1は共通読出し線CRO,CRO ̄を入力、d1,d1を出力とする第一のセンス増幅回路、amp2はd1,d1 ̄を入力、d2,d2 ̄を出力とする第二のセンス増幅回路、amp3はd2,d2 ̄を入力、d3,d3 ̄を出力とする第三のセンス増幅回路、T42,T43は第三のセンス増幅回路を動作前に初期化するためのMISFETである。第一のセンス増幅回路amp1は同じ構成の2つの電流電圧変換回路で構成される。電流電圧変換回路は差動増幅回路DA1、PチャネルMISFET T30、NチャネルMISFET T31とからなる。また、第二のセンス増幅回路amp2は同じ構成の2つの差動増幅回路DA3,DA4で構成される。第三のセンス増幅回路amp3は2つの反転論理和回路MOR1,NOR2,2つのインバータINV105,INV106で構成される。
【0078】
次に、本実施例の動作を図5および図6の動作波形を用いて説明する。なお、ここでは、データ線D0,D0 ̄に読出された情報を読出したり、外部からの情報をD0,D0 ̄に書込む場合の例について説明するが、同様の動作はメモリアレー内の全てのメモリセルに対して選択的に行なうことができるのは自明である。また、ここでは動作電圧が1.5Vの場合について説明しているが、これに限らず他の電圧で動作させても、本発明は同様に適用でき、かつ同様の効果を得ることができる。
【0079】
まずはじめに読出し動作を図5により説明する。プリチャージ回路部PR0の制御信号PCが時間t0で立ち下がり、データ線への予備充電動作が終了する。続いて選択されたワード線W0がt1 で立上り、メモリセルからデータ線D0,D0 ̄に信号が読みだされる。次に、t3にセンスアンプ駆動信号CSPを中間電位からHighレベルへ、CSNを中間電位からLow レベルにし、センスアンプSA0を駆動する。これにより、データ線に読みだされた信号がセンスアンプによりHigh,Low に増幅される。ここで、本実施例では、データ線は読みだしゲートRG0 中のトランジスタT1,T2のゲートに接続され、トランジスタT3,T4を通して、読出し線RO0,RO0 ̄へ接続してある。選択された入出力回路CKT0 の読出し制御線RCS0,RCS0 ̄はt1においてLow に駆動される。この構成によりデータ線と読出し線は分離されるため、データ線がHigh,Low レベルに確定する前の増幅途中において、ここではt3において、列選択信号線Y01を入力してもデータ線の情報を破壊することがない。したがって、データ線の情報を破壊すること無しに読出し線へ伝達することができるので、読みだし動作の高速化が図れる。なお、従来に比べて高速化できる理由、および効果については後で詳しく述べる。ここで、読出し線および共通読出し線の信号電圧、すなわちRO0とRO0 ̄およびCROとCRO ̄の電圧差は約20mV程度、第一のセンス増幅回路の出力信号振幅(d1とd1 ̄の電圧差)は約200mV程度、第二のセンス増幅回路の出力信号振幅(d2とd2 ̄の電圧差)は1〜1.5V程度である。すなわち、第一のセンス増幅回路の電圧増幅率は約10程度、第二のセンス増幅回路の電圧増幅率は約5〜7程度である。第三のセンス増幅回路の電圧増幅率は1〜2程度である。但し、第三のセンス増幅回路には出力情報を記憶する機能、いわゆるラッチ機能がある。すなわち、入力の信号を増幅した後に入力をともにlowにすることにより、次の入力が入るまでは先の入力に応じた出力が保持される。これにより、第一から第三の増幅回路の全てを常に動作状態にする必要がなく、出力された後には、第一あるいは第二あるいはその両方の増幅回路を非動作状態として、消費電力を低減することができる。
【0080】
この図では、一つの情報の読出しの後、列アドレスを切り換えて他の情報を読出すようにした、いわゆるスタティックカラム動作の例も示している。すなわち、列選択信号Y01の次にY23を立ち上げて情報を読出している。本実施例によれば、後述するようにセンス増幅回路の入力を電流とすることにより、読出し線および共通読出し線の電圧振幅は20mVと従来の1/10に低減している。これにより、読出し線および共通読出し線の寄生容量の充放電に要する時間を約1/10に短縮することができ、アドレスを切り換えてから情報を出力するまでの遅延を極めて小さくすることができる。
【0081】
つぎに、読出し動作に続いて書き込み動作を行なう場合の例を図6を用いて説明する。同図において、最初の読出し動作は図5と同じである。t4においてWEがhighになると列選択信号線Y01がHighのままで、
RG0 の制御信号線RCS0 がHVL(0.75V)、書き込みゲートWG0の制御信号線WR0が゛Highになる。これとともに書き込み用の入出力線WI0,WI0 ̄に書き込みのデータを与えると、書き込みゲートWG0内のトランジスタT5、T7、およびT6、T8を通してデータ線D0,D0 ̄へデータが書き込まれる。
【0082】
以上の例に示したように、書き込み動作と読みだし動作でI/O線とデータ線間の伝達インピーダンスを変化させる一手段として、読みだし線と書き込み線を分離することで、読みだし動作マージンと書き込み動作マージンをおのおの個別に設定することができるので、低電圧動作においても動作の高速化及び安定化を図ることができる。
【0083】
次に、本実施例で用いたセンス増幅回路は効果を図7、図8により説明する。図7(a)は従来のセンス増幅回路、図7(b)は本発明によるセンス増幅回路の構成を模式的に示したものである。また図7(c)は従来のセンス増幅回路と、本発明によるセンス増幅回路の動作波形を模式的に示したものである。従来回路では、メモリセルMCから、データ線(D0,D0 ̄)に読出された微小信号は、センスアンプSA0で増幅された後、列選択信号Y01で制御されるMISFET T50,T51 ̄をオンにして、読出し線(IO0,IO0 ̄)に伝えられていた。従来回路には、高速化を妨げる2つの問題がある。1つは、センスアンプで十分に増幅された後、MISFETをオンにする必要があることである。そうしないと、データ線(CD約0.3pF)と読出し線(CR約8pF)に、数10倍の容量差があるため、大きな電荷が読出し線から流れ込んで、せっかく増幅しかけた情報が破壊されてしまうためである。もう1つは、駆動能力の小さなセンスアンプで、大きな寄生容量の読出し線を200mVという大きな電圧まで増幅する必要があることである。これは、次段の第二のセンス増幅回路の信号検出感度のためである。
【0084】
そこで、本発明では、データ線の信号をゲートで受けたNMOSトランジスタT1,T2を設け、センスアンプと読出し線を分離した。これによって、データ線が十分増幅されるのを待たずに、列選択信号で制御されるMISFET T3,T4をオンにできるため、データ線の電圧情報を、電流情報に変換して、高速に読みだすことができる。さらに、低電圧動作に適するように、PチャネルのMISFETと増幅回路により達成した、電流センス回路を設け、電流入力に比例した電圧出力を得られるようにした。電流入力とすることにより、信号線の電圧振幅は、従来に比べて、約1桁(200mV→20mV)小さく抑えることができ、寄生容量CRの充放電に要する時間が大幅に短縮されて高速化される。
【0085】
図8は、従来のセンス増幅回路と本発発明によるセンス増幅回路の動作速度を計算機シミュレーション結果をもとに比較したものである。ここでセンス時間とは、センスアンプを起動するための信号CSN,CSPが投入されてから、I/O線に200mVの信号電圧が得られるまで(従来の場合)の遅延時間、あるいは第一のセンス増幅回路の出力に200mVの出力が得られるまで(本発明の場合)の遅延時間で定義している。本発明の回路により、1.5Vで従来に比べて20ns高速化されることから、本発明が低電圧でかつ高速に動作することが示された。
【0086】
以上述べたように本実施例では、入出力制御回路をメモリセルアレーの左右に交互に配置し、かつ読みだし用と書き込み用の入出力線を分離することで、低電圧動作においても動作の高速化及び安定化を図ることができる。さらには、読出し線の信号を検出する第一のセンス増幅回路を電流電圧変換回路で構成し、かつ読出し線駆動用のMISFETとデータ線の電圧を読出し線の電流に変換するためのMISFETを相補の構成とすることにより、1〜2V程度の低い電源電圧でも高速に動作するセンス増幅回路を提供することができる。
【0087】
図9はさらに動作の安定化を図るための実施例である。前に述べたように、入出力制御回路部ではデータ線間の寄生容量を低減することができた。ここではメモリセルアレー部においてデータ線間の寄生容量のバランスをとることによりさらに動作の安定化を図っている。すなわちデータ線を一線対ごとにメモリセルアレーの中央部において交差させる。D1,D1 ̄とデータ線D0 ̄間の寄生容量はそれぞれCc01L、Cc01Rであるが、Cc01LとCc01Rは一致するのでD1,D1 ̄とデータ線D0 ̄間の寄生容量は等しくできる。同様にD1,D1 ̄とデータ線D2 間の寄生容量も等しくできるので、対となるデータ線同志で隣接データ線との寄生容量のバランスをとることができる。したがって、メモリセルアレー内においてもさらに読みだし動作の安定化を図ることができる。
【0088】
図10は複数のメモリセルアレーが存在した場合の実施例であり、ここでは読みだし動作を説明する。入出力制御回路CKTijは左右のメモリセルアレーで共用し、CKTijと各メモリセルアレーの間にはT60〜T63で示すスイッチトランジスタが接続され、それらのゲートにはメモリセルアレーの選択信号であるSHRijが入力される。SWRiは読みだし線ROと複数のRO線で共用する共通読出し線CROへ接続するスイッチであり、このスイッチへもメモリセルアレーの選択信号SHRijが入力される。SHRijはあらかじめHighにセットされており、たとえばメモリセルアレーMA2 が選択されると、SHR1R,SHR3LのみをLow にする。ここで、列選択信号Y01が選択されたとするとデータ線D1,D1 ̄、およびD0,D0 ̄へ読みだされた信号は入出力制御回路CKT12,CKT23を通してRO12,RO12 ̄,RO23,RO23 ̄へ読みだされる。これらは、さらにスイッチSWR1,SWR2を通して、共通のI/P線CRO0,CRO0 ̄,CRO1,CRO1 ̄へ読みだされる。このように、複数のメモリセルアレーが存在した場合にも、入出力制御回路をメモリセルアレーの左右に交互配置し左右のメモリセルアレーで共用することはチップ面積を大きく増加させることなく、これまで述べてきた特性の改善が実現できる。
【0089】
図11は本発明を用いた並列テストの実施例である。並列テストは列選択信号を同時に複数選択(多重選択)することによって行う。すなわち、並列テスト時にはテスト信号TESTにより、列選択信号を多重に選択する。これにより、読みだし動作では、多重度に応じてデータ線の読だし信号が読みだし線に同時に読みだされる。同時に読みだされたデータ線の情報がすべて一致していれば、読みだし線ROとRO ̄は一方が読みだし情報に応じて“High”の電圧レベル、他方が“Low”の電圧レベルになる。もし1つでも誤情報が読みだされたとするとROとRO ̄共に“Low”の電圧レベルになる。一方、書き込み動作では、書き込み用の入出力線から選択された書き込みゲートに接続されたデータ線に書き込まれる。ここで、本発明では並列テストの場合にも新たにテスト用のI/O線を設けること無しに並列テストが行え、通常のテストと同様にデータ線からAMPへ情報が伝えられる。また、読みだし用の信号線と書き込み用の信号線を分離しているので、前述したように読みだし動作と書き込み動作で各々個別に動作マージンを設定でき、多重度を増やす上での制限は無くなり、高度の並列読出し/書込みが可能になる。同図で、読みだしゲートRGの駆動信号RCSは対線とし、読みだし動作において読出し線RO,RO ̄へ接続されるRCSを分離している。これは多重度を増やしたときにも1つの誤読みだしを判別するために有効な手段である。多重度を増やすとROからRCSへ流れる電流を増やす必要がある。一方RCSからGNDへ流れる電流は読出し線の配線抵抗によりある一定で飽和する。いいかえれば、RCSの電位が上昇する。そのためRCSを分離しないと誤読みだしがあった側のI/O線の信号電流は多重度の上昇と共に低下し検出が困難になる。RCSを分離することにより誤読みだしを行った側のRCSの電位は上昇せずROからRCSへ流れる電流のみを検出すればよいのでより精度の高い検出ができる。以上述べたように、本発明は高度な並列テストを可能にするのでテスト時間の大幅な短縮を実現できる。
【0090】
図12は多重度を決定する具体的回路の実施例である。列デコーダYDへは通常Y0からYn−1が入力される。Yn−1は列方向を2分割し、Yn−2はさらにそれぞれを2分割し、以下同様である。Y0は列選択信号ごとに“0”(Low)、“1”(High)を繰り返す。ここではテスト信号TESTをHighにし、Yn−1 ̄、Yn−1とTESTとのORゲート出力信号をAYn−1、AYn−1′とし、これをYn−1 ̄、Yn−1のかわりに列デコーダに入力することでYn−1のHigh、LowにかかわらずにAYn−1、AYn−1′ともにHighにでき列選択信号を2本選択できるので多重度を2にできる。
【0091】
図13は多重度を4にした実施例である。Yn−1とYn−2のNANDゲート出力をTESTとともにNANDゲートに入力し、それらの出力をAYn−20 から3とし、それらを列デコーダに入力すれば多重度を4にできる。以上、図12および図13に示した実施例をもとに並列テスト時は列デコーダを多重に選択でき、通常のテスト時にはテスト信号TESTをLow にすることによって1本の列選択信号を選択できる。図14は並列テストを実現するためのセンス増幅回路の実施例である。並列テスト時のテスト結果を出力する方法について同図により説明する。通常の読出し動作に際しては、amp2Tを構成する2つの差動増幅回路DA4,DA5の反転および非反転入力には、電流電圧変換後の出力をそのまま入力し、それらの出力をamp3に入力する。並列テスト時には2つの差動増幅回路DA4,DA5の非反転入力には基準電圧としてVRTを入力する。並列テストにおいて、多重に選択されたデータ線に1つでも誤情報が含まれている場合は、RO,RO ̄にはともに電流が流れる。したがって、第一のセンス増幅回路amp1の電流電圧変換出力d1,d1 ̄は共に低いレベルになる。一方、基準電圧VRTを電流電圧変換出力の高レベルと低レベルの間の電圧に設定しておく。こうすれば、1つでも誤情報が含まれている場合は、2つの差動増幅回路DA4,DA5の出力には高レベルが出力される。すなわち、d2,d2 ̄共に高レベルの場合には並列に読出した情報が誤情報を含んでいると判定できる訳である。並列テスト時にはTEST ̄をLow にすることによってこれらの出力を判定回路TEJに取り込む。TEJはd2,d2 ̄の出力電圧に応じてERRにHighまたはLow を出力する。すなわち、並列テストの結果がすべて正しければ、ERRはLow を出力し、1つでもまちがっていればHighを出力する。このようにして多重度をあげた並列テスト結果の判別も本発明による入出力回路方式ならびにセンス増幅回路を用いて行うことができる。
【0092】
図15は並列テストに用いる基準電圧VRT発生回路の実施例である。同図においても前に述べた電流−電圧変換回路を用いており、並列テスト時には並列テスト信号TESTをHighにすることでVRTを発生している。この回路においては、電流電圧変換回路の入力に信号電流の約半分に相当する基準電流を与えている。これにより両方のRO線に信号電流が流れると、変換後の電圧はVRTより小さくなる。また、並列テストの結果が正しければ一方の変換後の電圧はVRTよりも大きくなる。したがって、変換後の電圧をVRTと比較することにより、テスト結果の判別が可能になる。
【0093】
図16は書き込みスイッチSWWの具体的実施例である。WEは書き込み信号である。本実施例は図10に基づいて複数のメモリセルアレーが存在した場合であり、SWWの右側のメモリセルアレーが動作すると仮定する(SELRがHigh、SELLがLow)。並列テスト時はTESTがLow である。読みだし動作時はWEがLow であり回路WSTによりWI,WI ̄を同電位にしておく。書き込み動作が開始されると、WEがHighになる。GRに入力する信号は読みだし動作においてはすべてHighになるので、WERはLow に、一方のWELはHighになる。したがって、書き込み制御信号WRはHighになるとともに、NチャネルMISFET T77,T78およびPチャネルMISFET T75,T76をとおしてCWI,CWIからWI,WI ̄へデータが書き込まれる。
【0094】
図17はメモリセルからデータ線へ読みだされた信号を検知増幅するセンスアンプの高電圧側の電源線の電圧レベルを任意に設定できるようにした実施例である。メモリセルへ“1”を書き込むときの書き込み電圧レベルはセンスアンプの高電圧側の電源線の電圧レベルである。したがって、高電圧側の電源線の電圧レベルを任意に設定できればよい。ここでは高電圧側の電源配線を2種類設け、一方の電源配線をVDLとして通常の書き込みに用いる。他方の電源配線VDMはたとえばチップ外部より任意に設定できるようにする。これにより、信号MT0,MT1をLow にすればセンスアンプの駆動信号CSPはVDL、反対に信号MT0,MT1 をHighにすればセンスアンプの駆動信号CSPはVDMにできる。本実施例によれば、情報“1”の電圧レベルのみを任意に設定できる。さらに、情報“1”の電圧レベルを一対おきに変えて設定することもできる。したがって、データ線間の結合雑音をテストする時のように、一対おきに、情報が反転するぎりぎりの電圧を書き込むことができ、マージンテストを行いたい場合に有効である。また、メモリセルの情報保持特性などのテスト時間の短縮も図れるなどの効果もある。
【0095】
図18および図19に、本発明によるワード駆動回路の1実施例を示す。本実施例の特徴は、従来のダイナミック型のワードドライバに変えてQD1、QD2、QP、QTからなるスタティック型のワードドライバを用いたことである。またその電源として常に、データ線電圧VLよりメモリセルのスイッチトランジスタQSのVT分以上高い電圧を発生する電圧変換回路VCHGを設けたことである。以下、本実施例の動作を説明する。
【0096】
まず、アドレス信号AiによりXデコーダXDが選択されるとその出力N1がLowレベルになる。そうするとトランジスタQTを通してN2のノードの電荷が引き抜かれN2もLowレベルとなる。そうするとトランジスタQD1がオンしワード線WをVCHのレベルにまで立ち上げる。VCHのレベルはVL+VT(QS)以上であるからメモリセルCSには最大VLの電圧が書き込まれる。
【0097】
次に、プリチャージサイクルでは、まずφ ̄PがLowレベルとなりこれによりQPがオンしノードN2をVCHにする。そうすると、QD1がオフしQD2がオンするからワード線WはLowレベルとなりメモリセルには電荷が保持される。
【0098】
以上のように、本実施例ではドライブトランジスタのゲート電圧がLowレベルで動作するので電源電圧が低くなってもワードドライバとして安定に動作する。
【0099】
図22は、図18のワード線用電圧変換回路VCHGの具体的実施例を示している。また図23はその回路の起動時の内部波形と入力タイミングを示している。本実施例の特徴は、低電源電圧でも速い立上りと高い出力電圧を得るため、チャージポンプ回路において、その出力電圧プリチャージトランジスタ(図22のQB)に帰還していることである。以下動作を説明する。
【0100】
まず、入力パルスφ、φ ̄がそれぞれHigh、Lowの場合を考える。この時ノードBの電圧はVLからQCを通して充電されるためVL−VTとなる。一方ノードAはコンデンサCA、CDに蓄えられていた電荷とφの振幅で決まる値となる。本実施例では、この電圧をVLと仮定している。次に、φ、φ ̄の電圧が入れ替わるとノードBはCBにより昇圧されVL−VT+αVLとなる。ここで、αはCBとノードBの全容量の比である。このときノードAの電圧はBの電圧からQAのVTだけ下がった電圧VL−2VT+αVLとなる。
【0101】
次に、再びφ、φ ̄の電圧が入れ替わるとノードAは再び昇圧される。もし、このときそれがVLよりδだけ高いと、ノードBの電圧はQCによりVL−VTにプリチャージされているから、QBがオンしノードBの電圧をさらにδだけ上げる。従って、次のサイクルでノードBはさらに高く昇圧され、ノードAの電圧もさらに高くなる。以上のことを繰返しながらノードAの電圧は上昇し、最終的にはVLと2VDLの間を往復するようになる。
【0102】
この出力に、2で示す整流回路すなわちダイオード接続したMOSトランジスタQDを接続し、さらにその出力に平滑コンデンサCDをいれると、昇圧された直流電圧VCHとなる。この出力電圧は、無負荷状態で2VL−VTとなる。
【0103】
ここで、QAとCAを接続した回路を二つに分け、それぞれの回路の出力点、すなわちQAとCAとの接続点の一方を整流回路2に、もう一方をQBのゲートに接続すればQBのゲートは負荷回路と分離されるので、ゲート電圧は負荷回路に電流が流れないぶん高くなりさらに速くノードAの電圧を立ち上げることができる。
【0104】
本回路の特徴は、先に述べたように出力電圧をプリチャージ回路に帰還することによりプリチャージ電圧を高くし低電源電圧でも高い出力電圧を得ることができることである。例えば、VL=0.8(V)、VT=0.5(V)とすれば、帰還がない場合つまりQBがない場合、ノードBの電圧は最大1.1V(α=1のとき、2VL−VT)までしか上がらずその結果ノードAは1.4V(3VL−2VT)、VCHは0.9V(3VL−3VT)となる。それにたいしてQBがある場合は、それぞれ1.6V(2VL)、1.6V(2VL)、1.1V(2VL−VT)といずれも前者より高くなる。
【0105】
図28は、帰還用トランジスタQBがある場合(本発明)と、ない場合(従来方式)との昇圧率を計算機シミュレーションにより比較した結果である。ここで、実線はトランジスタのしきい値電圧が標準のもの、破線はそれが低いものを示している。この図から、従来方式ではいずれも電源電圧が1〜1.5Vで急激に低下しているのに対し、本発明では0.8Vまで一定であり、低電源電圧でも安定に動作することがわかる。なお、ここで整流回路ではトランジスタのしきい値電圧による電圧効果はないものとした。
【0106】
図24および図25に示す実施例は、さらに高い出力電圧を得るための回路である。本実施例の特徴は、整流用トランジスタでの電圧降下を低減させるためそのゲート電圧をチャージポンプ回路の出力電圧と同期させて、出力がHighレベル(2VL)のときはそれよりVT以上高く、Lowレベル(VL)のときはVLとしたことである。
【0107】
図24においてCPとQDは前述のチャージポンプ回路と整流回路である。また、Q1〜Q19、C1〜C4が追加した素子で、Q1は整流用トランジスタ、Q3〜Q10、C1〜C3がQ1のゲート電圧を制御する回路、Q11〜Q13、Q15〜Q18、C4がゲート昇圧用コンデンサC3の充電回路、Q19がVCHの立上りを早めるためのプリチャージトランジスタである。また、PA、PA ̄はチャージポンプ回路の、PB、PB ̄はゲート電圧制御回路の制御信号である。以下に動作を説明する。
【0108】
1は、先に述べたチャージポンプでPA、PAが交互にHigh、LowとなることによってノードAの電圧は昇圧されVLとβVL(β≒2)の間を往復するようになる。このとき、PA、PA ̄は図25に示すようにHighの期間がお互いに重複しないようにする。これは、図22で上記PA ̄に相当するφ ̄が0Vに下がりきらずに、ノードBの電圧がまだVL+VT以上になっているときに、上記PAに相当するφが立上りノードAの電圧が上昇するとQAはオン状態であるからQAを通して電源側にCAに貯えられた電荷がもれてしまうからである。
【0109】
次に、整流回路であるがPA、PBがLow、PA ̄、PB ̄がHighのときQ4のゲートはC1によりVL+VT以上に昇圧されているからQ1のゲートGの電圧はVLに等しくなっている。このときノードAはVLだからVCHからノードAへの逆流はない。また、Q11のゲートは、Q13、Q18によりC4をVCH(2VL)−VTにプリチャージしたのちPA ̄(VL)で昇圧するので、3VL−VTとなる。従って、VL≧2VTならばVCH(2VL)+VT以上に昇圧されノードCはVCHとなる。このとき、Q10のゲート、ソース間電圧はVCH−VLでVTを越えているからオンしQ9のゲート電圧はノードCと等しくなる。したがって、Q9はオフしノードCからノードGへ電流が流れることはない。
【0110】
次に、PA、PBがHigh、PA ̄、PB ̄がLowとなるとノードAは2VL、ノードCはVL+VCHとなる。一方、Q7のゲートはC3によりVL+VT以上に昇圧されるからそのソースはVLとなる。すなわちQ9のゲートはVLとなるからそのゲート、ソース間電圧はVCHとなりQ9はオンしQ1のゲートはVL+γVCH(γ≒1)となる。従って、図22の実施例のようにVTだけ降下することなく2VLがそのまま出力される。
【0111】
なお、この実施例ではPBはPAより先にLowレベルとなるようになっているが、これはQ1のゲート電圧がまだVL+VT以上のときにPAがLowになりノードAの電圧がVLとなり出力からノードAに電荷が逆流するのを防ぐためである。また、Q4、Q7のソースのようにゲート制御回路の最低電位をVLとしているのは、トランジスタの電極間の電位差を小さくするためである。これにより電極間の電位差は2VL以下となり他の部分と同じ微細トランジスタが使用可能となる。
【0112】
以上が図24に示した実施例の特徴であるが、同図において、Q7、Q10を削除し、Q9のゲートをQ4のゲートに接続しても同様な効果が得られる。例えば、PBがVL、PB ̄が0のときはノードCがVCH+VL、Q4、Q9のゲートはVLとなるから、Q4はオフ、Q9はオンし、ノードGはVCH+VLとなる。一方、PBが0、PB ̄がVLのときは、ノードCがVCH(2VL)、Q4、Q9のゲートは2VLとなるから、Q4がオン、Q9がオフし、ノードGはVLとなる。
【0113】
図26、図27は図25のタイミングを発生するための回路である。図26においてインバータI5〜I8、抵抗R2、コンデンサC2、NANDゲートNA2、NORゲートNO1はPA、PA ̄の重複を防ぐための回路、I2、I3、R1、C1はPAとPBの立ち下がりの遅延時間を決めるための回路、I9〜I13、NA3はPAとPBの立ち下がり時の遅延をつくる回路である。また、I14〜I25はバッファ用のインバータである。これは、段数の奇遇さえ同じなら何段あってもよく、負荷の大きさに応じて調整すれば良い。図27は前記回路の入力パルスOSCを発生するための回路例である。この回路は一般にリングオシレータと呼ばれている。本回路の特徴は発振周波数の電源電圧による変動を抑えるためにR、Cの時定数をインバータの遅延時間よりも充分大きくなるようにしたことである。このため、トランジスタのVTと電源電圧の比が1対3以下でインバータの遅延時間の電源電圧依存性が大きくても発振周波数は安定になる。
【0114】
以上の対策に加えて、図22、図24の実施例のトランジスタのVTを低くすることによりさらに低電圧での動作が安定になる。これは、低VT化によりトランジスタの駆動能力が増加するためである。低VT化によりサブスレッショルド電流も増加するが、電圧変換回路の素子数は高々数10個程度なのでチップ全体で見るとほとんど無視できる。一方、ワードドライバ、メモリセルも低VT化により駆動能力が増加するが、前者はMビット級のDRAMで103〜104個も使用するためトランジスタのオフ状態で流れる漏れ電流が無視できなくなる。また、後者では電荷の保持時間が短くなりリフレッシュの間隔を短くしなければならないという問題が生ずる。これは、最も消費電力の増加につながる。従って、VTは電圧変換回路は低く、ワードドライバは標準、メモリセルは標準より高く設定するのが最も良いことになる。
【0115】
以上のように本実施例によれば整流用トランジスタのゲート電圧をそのドレイン電圧よりしきい値電圧VT以上高くでき、さらに電荷の逆流も防ぐことができるのでその出力電圧は倍電圧発生回路の理論値である2VLにまで高めることができる。また、RC遅延を利用した発振回路およびタイミング発生回路を用いることにより発振周波数、タイミング相互の遅延時間が電源電圧変動に対し安定になるので電圧変換効率を常に最良の状態にしておくことができる。また、トランジスタのVTを3種設け、電圧変換回路は低く、ワードドライバは標準、メモリセルは標準より高くすることにより低電圧での安定化と高速化、低消費電力化を図ることができる。従って、電源電圧が電池1個分の起電力でも安定に動作する半導体集積回路を実現できる。
【0116】
次に、本発明を中間電圧発生回路に適用した実施例を説明する。なお、以下の実施例の説明の中で、高いほうの電源電圧を表す記号としてVCCを用いているが、今まで用いているVLと異なる必要はなく、そのままVLで置き換えてもなんら差し支えない。また、中間電圧を表す記号としてHVCを用いているが、今まで用いているHVLと異なる必要はなく、そのままHVLで置き換えてもなんら差し支えない。図29は本発明による電圧フォロワ回路の構成例である。この回路は、入力に印加された電圧にほぼ等しい電圧を出力し、大きい負荷容量を駆動するようにしたものである。同図(a)で1は第一のコンプリメンタリ・プッシュプル回路であり、NチャネルMOSトランジスタTN2とPチャネルMOSトランジスタTP2、およびバイアス用電圧源VN1、VP1により構成される。2はカレントミラー型のプッシュプル増幅回路であり、カレントミラー回路を成すNチャネルMOSトランジスタ対TN1とTN3、PチャネルMOSトランジスタ対TP1とTP3、とから構成される。3は第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路であり、NチャネルMOSトランジスタTN4とPチャネルMOSトランジスタTP4、およびバイアス用電源VN2、VP2により構成される。
【0117】
この回路の各種トランジスタや電圧源の定数設定と定常状態における動作を説明する。電圧源VN1とVP1の値は、それぞれトランジスタTN2とTP2のゲートしきい値電圧にほぼ等しくなるように選んでいる。これにより、どの様な動作条件下においてもトランジスタTN2とTP2の両方が同時にカットオフすることがないようにしている。このため、出力インピーダンスが高くなって、電位が定まらなかったり、負荷条件によって出力電圧がふらついたりするのを防ぐことができる。電圧源の値をトランジスタのゲートしきい値電圧にほぼ等しくすることにより、定常状態において二つのトランジスタを貫通して流れる電流を低い値に抑え、集積回路の待機時の電力を小さくしながら、高い負荷駆動能力を得るようにしている。このようなバイアス条件での動作は一般にAB級動作と称される。さて、TN2とTP2に流れる電流値を、それぞれIC1、ID1とすると、これらの電流は、それぞれPチャネルMOSトランジスタ対TP1とTP3、NチャネルMOSトランジスタ対TN1とTN3とからなるカレントミラー回路により、TP3を流れる電流IC2、TN3を流れる電流ID2に変換される。IC1とIC2の電流比は、トランジスタTP1とTP3のβ比に、ID1とID2の電流比(ミラー比)は、トランジスタTN1とTN3のβ比に、それぞれほぼ等しくなる。すなわち、
p=IC2/IC1=βTP3/βTP1
N=ID2/ID1=βTN3/βTN1
である。この比を1以上の値にすることにより、電流を増幅し、次段の負荷(端子6、7)の駆動能力を高めることができる。本発明では、この比を1〜10程度の値に選んでいる。電圧源VN2とVP2の値は、第一のプッシュプル回路と同様、それぞれトランジスタTN4とTP4のゲートしきい値電圧にほぼ等しくなるようにしている。これにより、第二のプッシュプル回路もAB級動作を行なうようにしている。
【0118】
さて、第一のプッシュプル回路が定常状態すなわちIC1=ID1が成り立っている状態からずれた場合にどうなるかを説明する。出力電圧を定常状態から強制的に電圧δVだけ換えたときの電流値は、以下のように表される。
【0119】
IC1−ID1=−(√(2βNI)+√(2βPI))×δV+(βN−βP)/2×δV2
ここに、βNとβPはそれぞれトランジスタTN2とTP2のβを、Iは定常状態において第一のプッシュプル回路に流れる電流(すなわちI=IC1=ID1)をそれぞれ示している。
【0120】
今、簡単のために、TN2とTP2の特性がほぼそろっており、βNとβPが等しい(β=βN=βP)と仮定すると、上式は
IC1−ID1≒−2√(2βI)×δV
となる。また、二つのカレントミラー回路のミラー比が等しい(M=MN=MP)とすると、
IC2−ID2≒−2×M×√(2βI)×δV
となる。
【0121】
例えば、M=5、β=1mA/V2、I=0.2μAとすると、出力電圧が0.1V低下したとき(δV=−0.1V)には、IC2−ID2=20μAとなる。
【0122】
すなわち、出力電圧の0.1Vの微小な変化に対してもIC2とID2の定常電流1 μA(0.2μA×5)に対して十分大きな20μAの駆動電流が得らる。したがって、出力電圧のわずかな変化に対しても端子6を最小VSSまで、また端子7を最大VCCまで、電源電圧範囲の限界まで駆動することができる。駆動する方向は、出力電圧が低下したときには端子7がVCCに、出力電圧が上昇したときには端子6がVSSに駆動される。これにより、出力電圧に誤差がある場合には、誤差を増幅した信号で第二のプッシュプル回路を駆動し、出力電圧の誤差を無くすように動作する。したがって、従来例のように単にソースフォロワ回路で駆動する場合に比べて、格段に高い駆動能力を持たせることができる。また、定常状態のバイアス電流を十分低い値に抑えても、誤差を増幅することにより高い駆動電流を得ることができる。また、この回路は上式からも容易にわかるように、誤差の方向に対して対称に動作するため、出力の充電と放電に対して同じ駆動能力を得ることができる。
【0123】
次に、本回路の電圧フォロワとしての精度について説明する。本回路は、出力電圧の誤差を第一のプッシュプル回路で検出し、それを増幅した信号で第二のプッシュプル回路を駆動するようにしている。したがって、出力電圧精度(入出力電圧差)は第一のプッシュプル回路の電圧精度(入出力電圧差)で決定される。第一のプッシュプル回路において、定常状態すなわちIC1=ID1が成り立つ条件を求めると、入力電圧V(IN)と出力電圧V(OUT)の関係が得られ、次式のようになる。
【0124】
V(OUT)−V(IN)=β×(VN1−VTN)−(VP1−VTP)/(βR+1)
ここに
βR=√(βTN2/βTP2
であり、またVTNとVTPはそれぞれNチャネルおよびPチャネルMOSトランジスタのゲートしきい値電圧の絶対値である。この式から明らかなように、VN1とVP1にそれぞれVTNとVTPの変化に追従して変化する特性をもたせ、かつトランジスタのβを適正に選ぶことにより、製造プロセスのばらつき等によりNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタの素子特性が独立に変化しても、出力と入力の電圧差を零にすることができる。上述したような電圧源は、次の実施例で説明するように、各チャネル導電型のMOSトランジスタのゲートとドレインを接続し、それに所定の電流を流す事により容易に構成することができる。一般に、異なる導電形の素子間では特性にばらつきがあっても、同じ導電型のトランジスタは同じ製造工程を経るため、素子間の特性差は十分小さな値に抑えることができる。特に、加工形状のばらつきなどに対しては、ゲート幅やゲート長を加工精度に比べて十分大きな値で設計することにより、さらに、素子対間の特性差を小さなものにすることができる。例えば、ゲートしきい値電圧を例にとると、同じ導電型の素子対間での差は、容易に20〜30mV程度以下にすることができるが、異なる導電型の素子間では、その差のばらつきが最大200mV程度と、約一桁も大きな値になるのが通例である。以上説明したとおり、第一のプッシュプル回路の電圧精度(入出力電圧差)は、トランジスタ対のしきい値電圧差で決まる20〜30mV程度と従来方式の約一桁低い値に抑えられる。
【0125】
さて、次に過渡的の動作を同図(b)を用いて説明する。今、入力電圧V(IN)が時刻t0からt1にかけて降下し、時刻t4からt5にかけて上昇した場合を考える。入力電圧が降下した直後は出力がすぐに追従しないので、トランジスタTN2は時刻t1からt2にかけてカットオフ状態となり、電流IC1の値はほぼ0となる。これに対してID1が増大し、端子6の電圧V(6)をほぼVSS(0V)まで引き落す。これにより、トランジスタTP4の駆動能力が増加し、出力OUTを高速に放電する。時刻t2を過ぎて、出力電圧と入力電圧の差が小さくなるとトランジスタTN2が導通し始め、最終的に入出力間の電圧差が無くなる時刻t2においてIC1=ID1となり、定常状態になる。入力電圧が上昇する時には、これと対称に端子7の電圧がVCCまで上昇し、出力を高速に充電する。
【0126】
以上説明したように、本発明によれば、製造工程のばらつきがあっても、入出力電圧間の誤差が少なく、過渡時においては、大容量の負荷を高速に充放電することのできる電圧フォロワを提供することができる。なお、本回路は電圧フォロワとしての応用以外にも、出力端子OUTに信号電流を入力し、端子6か7から出力を取り出すことにより、高性能な電流検出回路として用いることも可能である。
【0127】
次に図31,図32を用いて、先に示した回路をダイナミックメモリの中間電圧(VCC/2)発生回路に適用した実施例を説明する。図31は本発明による中間電圧発生回路の構成例である。同図において、30は基準電圧発生回路、31は第一のコンプリメンタリ・プッシュプル回路、32はカレントミラー型増幅回路、33は第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路である。基準電圧発生回路は、等しい抵抗値を有する二つの抵抗R3とR4とにより電源電圧を半分に分圧することにより、端子34に中間電圧を発生している。抵抗R3とR4に同種の素子を用いることにより、中間電圧には、かなり精度の高い値を得ることができる。なお、中間電圧を得るための素子は抵抗に限らず、例えばMOSトランジスタ等を用いても同様の回路が構成できることは自明である。第一のプッシュプル回路は、基本的に図29(a)に示したプッシュプル回路1と同じである。ここでは、電圧源VN1の代わりに、抵抗R5とNチャネルMOSトランジスタTN10を、電圧源VP1の代わりに、抵抗R6とPチャネルMOSトランジスタTP10を、それぞれ用いている。こうすることにより、先の実施例でも説明したように、常に端子35の電圧を入力端子34に対して、ほぼNチャネルMOSトランジスタのゲートしきい値電圧分だけ高い値に自動的に設定することができる。なお、R5やR6を流れる電流が、R3やR4を流れる電流の数分の一から十分の一程度の小さな値になるように、抵抗値を選んでいる。これは、NチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタの特性が独立にばらついて、プッシュプル回路から基準電圧発生回路に流入(あるいは流出)する電流値が変動しても、端子34の電圧が影響を受けて変動しないようにするためである。32のカレントミラー型増幅回路は図29(a)に示したカレントミラー型増幅回路2と全く同じ構成である。第二のプッシュプル回路は、基本的に図29(a)に示したプッシュプル回路3と同じである。ここでは、電圧源VN2の代わりに、NチャネルMOSトランジスタTN14を、電圧源VP2の代わりに、PチャネルMOSトランジスタTP14を、それぞれ用いている。こうすることにより、第一のプッシュプル回路の場合と同様、プッシュプル回路に流れるバイアス電流の値が、トランジスタのしきい値電圧の変化に対して変動しないようにしている。以上のような回路構成とすることにより、出力HVCには精度の高い中間電圧を得ることができ、かつ負荷容量CLを高速に充放電することができる。
【0128】
図31に示した本回路方式と図30に示した従来回路方式の性能比較を計算機解析により求めた結果を図32(a)および図32(b)に示す。図32(a)において、横軸はNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタのゲートしきい値電圧の絶対値の差、縦軸は中間電圧の値である。この結果より、従来回路においては、しきい値電圧差が±0.2V変動したときには、出力電圧が約±100mV(0.75Vに対して約±13%)変動するのに対して、本発明の回路では出力電圧変動は約±8mV(0.75Vに対して約±1%)と、従来に比べて一桁以上低減することができる。図32(b)は電源投入後の出力電圧の立上り時間を電源電圧に対してプロットしたものである。立上り時間は、出力の電圧が定常値の90%に達する時間で定義している。また、負荷容量の値には、64MビットDRAMのビット線プリチャージ電源およびプレート電極の総容量を想定している。この解析結果からもわかるように、本発明の回路によれば、従来回路に比べて約一桁短い時間で負荷を立ち上げることができる。
【0129】
図33(a)は本発明の他の一実施例を示す回路構成図である。同図において、40はコンプリメンタリ・プッシュプル型の電圧フォロワ回路、41はトライステート・バッファである。電圧フォロワ回路は、基本的には図29(a)のプッシュプル回路1と同じである。ここでは、プッシュプル回路の駆動能力を補うようにトライステート・バッファが動作する。トライステート・バッファは負荷駆動用のPチャネルトランジスタTP21とNチャネルトランジスタTN21、これらトランジスタを駆動する二つの差動型増幅回路(コンパレータ)AMP1とAMP2、および、オフセット量の設定のための二つの電圧源VOSLとVOSHとから構成される。この回路の動作は次の三つの電圧の条件のいずれにあてはまるかによってきまる。
【0130】
(1) V(OUT)>V(IN)+VOSH
(2) V(IN)+VOSH>V(OUT)>V(IN)−VOSL
(3) V(IN)−VOSL>V(OUT)
(1)の電圧条件においては、端子43の電圧よりも出力OUTの電圧が高くなり端子45の電圧は高い電圧レベル(VCC)になる。また、端子44の電圧も高い電圧レベル(VCC)になる。したがって、NチャネルトランジスタTN21が導通、PチャネルトランジスタTP21がカットオフとなり、負荷を放電する。(2)の電圧条件においては、端子43の電圧よりも出力OUTの電圧が低くなり端子45の電圧は低い電圧レベル(VSS)になる。また、端子44の電圧は高い電圧レベル(VCC)を保つ。したがって、二つのトランジスタTN21とTP21は共にカットオフとなり、出力は高インピーダンス状態になる。(3)の電圧条件においては、端子42の電圧よりも出力OUTの電圧が低くなり端子44の電圧は低い電圧レベル(VSS)になる。また、端子45の電圧は低い電圧レベル(VSS)を保つ。したがって、NチャネルトランジスタTN21がカットオフ、PチャネルトランジスタTP21が導通となり、負荷を充電する。このように、出力の電圧が入力の電圧を中心としたある一定範囲を越えて大きくなると放電、一定範囲を越えて小さくなると充電、一定範囲内にあれば充電も放電もしないという三つの状態(トライステート)を有する駆動回路を実現できる。この回路の過渡時の動作を同図(b)に示す。今、入力電圧V(IN)が時刻t0で降下し、時刻t2で上昇した場合を考える。立ち下がり時においては、時刻t0から出力の電圧が「(定常状態での電圧)+VOSH」に等しくなる時刻t1まで端子45の電圧がVCCになり、トランジスタTN21を導通させ、負荷を放電する。また、立ち上がり時においては、時刻t2から出力の電圧が「(定常状態での電圧)−VOSL」に等しくなる時刻t3まで端子44の電圧がVSSになり、トランジスタTP21を導通させ、負荷を充電する。
【0131】
このように、プッシュプル回路にトライステート・バッファを組合せることにより、入出力間の電圧誤差がある程度以上大きくなった時には、駆動能力の高いトランジスタを導通させることにより、過渡時の応答速度を高めることができる。オフセット量の設定のための二つの電圧源VOSLとVOSHの値はなるべく小さな値にしたほうが設定電圧への収束を速めることができるが、誤動作を避けるために、差動型増幅回路(コンパレータ)AMP1とAMP2の入力オフセット電圧よりも十分大きな値にする必要がある。MOSトランジスタで回路を構成する場合には、この値は50mV以上にするのが望ましい。なお、トライステート・バッファの回路構成は、ここに示した例に限らず、同様の機能を実現するものであれば、他の方式であっても差し支えない。
【0132】
次に図34,図35を用いて、トライステート・バッファを用いた電圧フォロワをダイナミックメモリの中間電圧(VCC/2)発生回路に適用した実施例を説明する。図34は本発明による中間電圧発生回路の構成例である。図34において、50は基準電圧発生回路、51は図29で説明した電圧フォロワ回路、52はトライステート・バッファである。これは、図31に示した中間電圧発生回路にトライステート・バッファを付加することにより、入出力間の電圧の誤差が大きくなったときの復元能力を高めている。以下、トライステート・バッファの構成と動作について説明する。本実施例の特徴は、第一のプッシュプル回路をそのまま利用し、カレントミラー回路のミラー比の差を利用して誤差電圧を検出しトライステートバッファを起動する点にある。図34において、TP36とTP37はPチャネルMOSトランジスタ、TN36とTN37はNチャネルMOSトランジスタINV1とINV2はインバータ、TP38はインバータINV1の出力で負荷を駆動するようにしたPチャネルMOSトランジスタ、TN38はインバータINV2の出力で負荷を駆動するようにしたNチャネルMOSトランジスタを、それぞれ示している。TP32とTP36、TP32とTN37とが、それぞれカレントミラー回路を構成している。今、トランジスタTN31に流れる電流をIC1、トランジスタTP31に流れる電流をID1、トランジスタTN36に流れる電流をID2、トランジスタTP36に流れる電流をIC2、とそれぞれ置く。出力電圧の誤差δVとIC1、ID1の関係は、先に説明したように、
IC1−ID1≒−2√(2βI)×δV
と近似することができる。カレントミラー回路のミラー比を、
P1=IC2/IC1=βTP36/βTP32
N1=ID2/ID1=βTN36/βTP32
とすると、下式のようになる。
IC2/MP1−ID2/MN1≒−2√(2βI)×δV
今出力にオフセット電圧Vosを印加したときに、IC2=ID2となるとし、その時の電流値をI2と置くと、オフセット電圧Vosは
Vos≒I2/(2×α)×(MP1−MN1)/(MN1×MP1
と表される。ここで、
α=√(2βI1
またβは第一のプッシュプル回路を構成するトランジスタのβ、I1は定常状態において第一のプッシュプル回路に流れる電流である。例えば、I1=0.2μA、I2=1μA、β=1mA/V2、MN1=1、MP1=0.2とすると、オフセット電圧Vosは−100mVとなる。すなわち、出力電圧が定常値から100mV以上低下すると、インバータINV1の入力電圧は低レベルから高レベルに、出力電圧は高レベルから低レベルに遷移して駆動用のPチャネルMOSトランジスタTP38を導通させ、負荷を充電する。これと同様に、トランジスタTP37とTN37の定数を適当に選ぶことにより、所定のプラス側のオフセットがあったときに、NチャネルMOSトランジスタTN38を導通させ、負荷を放電するようにすることができる。
【0133】
以上、説明したように、本実施例に示したような回路構成をとることにより、図33に示したのと同様な機能を実現することができる。また、この回路方式では、カレントミラー回路のミラー比によってオフセット量を決めているため、トランジスタ対の特性差が小さくなるように配慮すれば、オフセット量を精度良く設定することができる。さらに、高精度の差動型増幅回路を別に設ける必要がないため、消費電力が小さく、かつ簡単な構成で高い性能を実現することができる。
【0134】
本回路方式と図30に示した従来回路方式の性能比較を計算機解析により求めた結果を図35に示す。図35は電源投入後の出力電圧の立上り時間を電源電圧に対してプロットしたものである。立上り時間は、出力の電圧が定常値の90%に達する時間で定義している。また、負荷容量の値には、64MビットDRAMのビット線プリチャージ電源およびプレート電極の総容量を想定している。この解析結果からもわかるように、本発明の回路によれば、先に図31で示した実施例よりも、さらに立上り時間を約半桁短縮することができる。従来回路に比べると約一桁半短い時間で負荷を立ち上げることができる。以上説明したように、プッシュプル回路にトライステート・バッファを組合せることにより、さらに高速に入力に追従することの可能な電圧フォロワ回路を供することができるようになる。なお、電圧の設定精度はプッシュプル回路によって決まるため、先の実施例の場合と同様、入手力間の電圧誤差を極めて小さな値にすることができる。
【0135】
以上の実施例では、集積回路(LSI)中の大容量負荷を高速で駆動する回路構成について説明した。しかしながら、さらに高速に駆動しようとすると、充放電に際しての過渡電流が大きな問題になる。例えば、64Mビット程度のDRAMの中間電圧発生回路の負荷容量は115nF程度になるが、これを5μsの間に振幅1Vで駆動したときの電流値は23mAに達する。これは、DARMの消費電流値に匹敵する大きさであり、これ以上高速に駆動することは、主たる回路特性への影響、例えば電源線の雑音発生や、駆動信号配線の信頼性低下などを招く危険があるため、好ましくない。一般に、超高集積のLSI、特にメモリにおいてはLSI全体を同種の複数のブロックで構成し、動作時においては、それらブロックの内の一部のみを活性化するような構成をとることが多い。こうしたLSIにおいては、以下に述べる実施例を適用することが有効である。
【0136】
図36,図37はダイナミック・メモリ(DRAM)の中間電圧供給方式に本発明を適用した実施例を示している。図36において、MB0、MB1〜MBiはi+1個のメモリ・ブロック、60〜62はワード線選択回路、68〜70は各メモリ・ブロックからの中間電圧引出線、76と77は二組の中間電圧発生回路、74と75は二組の中間電圧発生回路から各メモリ・ブロックに中間電圧HVC1とHVC2を供給する信号線、71〜73は二つの信号線の内のいずれかをメモリ・ブロックに供給するように各ブロック毎に設けたスイッチである。また、メモリ・ブロックMB0は、メモリセルを二次元に配列したメモリセルアレーMA0、メモリセルから読出した信号を増幅して外部に出力したり外部からの信号をメモリセルに書き込んだりする入出力制御回路ブロックMC0、入出力回路67等から構成される。DL0、DL0 ̄、DLj ̄はメモリセルに信号を伝送するデータ線、63は蓄積容量の対向電極を成すプレート電極、64は非選択時にデータ線を中間電圧にするために配されたプリチャージ電圧供給線、PCはプリチャージ信号線、SA0〜SAjはメモリセルから読出した信号を検知増幅するセンスアンプ、65と66は入出力回路67と各データ線との間の信号伝送を行なう共通入出力線対、IO0〜IOjはアドレス指定信号によって選択されたデータ線対と共通入出力線対との間の接続を制御するIOゲートである。
【0137】
今、仮にi+1個のメモリ・ブロックの内、一つブロックMB0のみが選択され、動作状態になる場合を考える。この時、ワード線選択回路60によってMA0の中の一本のワード線が選択され、高レベルに遷移する。と同時に、スイッチ71が制御され、中間電圧引出線68は中間電圧供給用の信号線75に接続される。一方、非選択状態にあるメモリ・ブロックMB1〜MBiからの引出線69や70は、中間電圧供給用の信号線74に接続される。このようにすると、中間電圧発生回路76にはi個のメモリ・ブロックの負荷が接続されるのに対して、中間電圧発生回路77には一つのメモリ・ブロックの負荷しか接続されない。例えば、i=15とすると、中間電圧発生回路77が駆動する負荷容量は、中間電圧発生回路76が駆動する負荷容量の15分の1になる。したがって、仮に76と77に同じ回路を用いても、選択されたブロックMB0の中間電圧は非選択ブロックの中間電圧に比べて15倍高速に動作するようになる。回路の性能の点からに、非選択のメモリ・ブロックの応答速度はメモリの性能には無関係であるから、過渡電流をほとんど増大させることなく、メモリ全体の性能向上を図ることができる。図37はメモリ動作の間に電源電圧が変動した場合の中間電圧の時間変化を示している。すなわち、時刻t0からt2の間に電圧VCCが低下したとする。また、時刻t0からt1の間および時刻t3以後はメモリ・ブロックMB0が、時刻t1からt3の間はメモリ・ブロックMB1が選択されるとする。時刻t0からt1の間は、ブロックMB1は非選択であるため、中間電圧V(69)はゆっくり応答しているのに対して、ブロックMB0は選択されているため、中間電圧V(68)は高速に追従している。時刻t1でブロックMB1が選択、ブロックMB0が非選択に切り替わると、今度はV(69)が設定すべき電圧に向け、速やかに変化する。このように、本実施例によれば、ダイナミックメモリの中間電圧のような大容量の負荷を、過渡電流をほとんど増大させることなく、実質的に高速に駆動することが可能になる。なお、この例では、ダイナミックメモリの中間電圧に本発明を適用した例について説明したが、適用範囲はこれに限るものではなく、同種のブロックで構成され、動作時はその内の一部が活性化されるような集積回路一般に適用することができる。
【0138】
以上、各実施例によって本発明の詳細を説明したが、本発明の適用範囲はこれらに限定されるものではない。例えば、ここではCMOSトランジスタによりLSIを構成する場合を主に説明したが、バイポーラトランジスタを用いたLSI、接合型FETを用いたLSI、CMOSトランジスタとバイポーラトランジスタを組合せたBiCMOS型のLSI、さらにはシリコン以外の材料、例えばガリウムの砒素などの基板に素子を形成したLSIなどでも、そのまま適用できる。
【0139】
また本実施例の中では電流増幅回路としてカレントミラー回路を用いたが、他の電流増幅回路を用いることもできる。
【0140】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、データ線とI/O線とを接続する入出力制御回路をメモリセルアレーの左右に交互に配置し、かつ、データ線とI/O線との伝達インピーダンスを読みだし動作と書き込み動作とで変化させる回路構成にしたことで、低電圧でも高速にしかも安定に動作させることができる。
【0141】
また、本発明は並列テストにも適しており、テスト時間の大幅な短縮が実現できる。
【0142】
さらに、本発明によればワード線のドライブトランジスタは、そのゲート電圧がLowレベルで動作するので、電源電圧が低下してもワードドライバとして安定に動作する。またデータ線電圧VLを、常に、データ線電圧VLよりメモリセルのスイッチトランジスタのしきい値電圧VT分以上高い電圧VCHに昇圧してワードドライバの電源として動作している電圧変換回路は、その整流用トランジスタのゲート電圧をそのドレイン電圧よりしきい値電圧以上高くでき、さらに電荷の逆流も防ぐことができるのでその出力電圧を倍電圧発生回路の理論値である2VLにまで高めることができる。また、RC遅延を利用した発振回路およびタイミング発生回路を用いることにより発振周波数、タイミング相互の遅延時間が電源電圧変動に対し安定になるので電圧変換効率を常に最良の状態にしておくことができる。さらにトランジスタのしきい値電圧3種に選択することにより、低電圧での安定化、高速化、低消費電力化を図ることができる。そしてこれらによって、電源電圧が電池1個分の起電力でも安定に動作する半導体集積回路を実現できる。
【0143】
また、さらに本発明によれば、超高集積のLSIにおいて、高い電圧精度で大きな負荷容量を高速に駆動する回路構成、あるいは、大きな過渡電流を流すことなく、大きな負荷容量を高速に駆動する回路方式を提供できる。 例えば、従来回路ではトランジスタのしきい値電圧差が0.2Vあると出力電圧が0.75Vに対して約13%変動するような場合に、本発明によれば約1%に抑制されるというように電圧精度が一桁以上向上し、また、電源投入後の出力電圧の立上り時間が従来回路に対して約一桁以上改善されるように高速応答性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す図。
【図2】本発明の第1の実施例を示す図。
【図3】本発明の第1の実施例を示す図。
【図4】本発明の第1の実施例を示す図。
【図5】本発明の第1の実施例を示す図。
【図6】本発明の第1の実施例を示す図。
【図7】本発明の効果を示す図。
【図8】本発明の効果を示す図。
【図9】図1〜図6を用いたことによる効果を更に高めた実施例を示す図。
【図10】複数のメモリセルアレーが存在した場合の実施例を示す図。
【図11】並列テストの実施例を示す図。
【図12】並列テストの実施例を示す図。
【図13】並列テストの実施例を示す図。
【図14】並列テストの実施例を示す図。
【図15】並列テストの実施例を示す図。
【図16】並列テストの実施例を示す図。
【図17】メモリセルへ任意の書き込み電圧を書き込むための実施例を示す図。
【図18】本発明の実施例。
【図19】タイミングチャート。
【図20】従来例とそのタイミングチャートである。
【図21】従来例とそのタイミングチャートである。
【図22】本発明の実施例。
【図23】タイミングチャート。
【図24】本発明の実施例。
【図25】タイミングチャート。
【図26】本発明の実施例。
【図27】本発明の実施例。
【図28】図22の実施例の効果を示す図。
【図29】(a)は本発明の基本概念を説明する実施例。
(b)はその過渡時の動作を説明する図。
【図30】DRAM用中間電圧発生回路の従来例。
【図31】本発明をDRAMの中間電圧発生回路に適用した具体的実施例。
【図32】本発明の効果を説明する図。
【図33】(a)は本発明の他の基本概念を説明する実施例。(b)はその動作を説明する図。
【図34】DRAMの中間電圧発生回路に適用した具体的実施例。
【図35】その効果を説明する図。
【図36】本発明の他の基本概念をDRAMの中間電圧駆動方式に適用した具体的実施例を説明する図。
【図37】メモリ動作の間に電源電圧が変動した場合の同図(a)の実施例の中間電圧変化を説明する図である。
【符号の説明】
MA…メモリセルアレー、CKT…入出力制御回路、RG0,RG1…読みだしゲート、WG0,WG1…書き込みゲート、SA0,SA1…センスアンプ、SWR0,SWR1…読みだしスイッチ、SWW0,SWW1…書き込みスイッチ、RO,RO ̄…読みだし線、WI,WI ̄…書き込みI/O線、dy…データ線ピッチ、WD…ワードドライバ、XD…Xデコーダ、VLG…メモリアレー用電圧変換回路、VCHG…ワード線用電圧変換回路、W…ワード線、φ ̄P…プリチャージ信号、FX…ワード線駆動パルス発生回路、φX…ワード線駆動パルス、CP…チャージポンプ回路、RECT…整流回路、VL…データ線電圧あるいは内部(アレー用)電源電圧、VCH…ワード線用電圧変換回路出力電圧、φ、φ ̄、PA、PA ̄、PB、PB ̄…ワード線用電圧変換回路用昇圧パルス、OSC…リングオシレータ出力パルス、C、C1、C2、C3、C4、CA、CB、CD…コンデンサ、R、R1、R2…抵抗、QD1、QP、Q9、Q10…PチャネルMOSトランジスタ、QT、QD2、QS、QD、QA、QB、QC、QP、Q1、Q8、Q11、Q19…NチャネルMOSトランジスタ、I1、I25、I30、I33…インバータ、NA1、NA2…NAND回路、NO1…NOR回路、VEXT…外部電源電圧、1、31、40…第一のコンプリメンタリ・プッシュプル回路、2、32…カレントミラー型プッシュプル増幅回路、3、33…第二のコンプリメンタリ・プッシュプル回路、30、50…基準電圧発生回路、41、52…トライステート・バッファ、AMP1、AMP2…差動型増幅回路、MB0〜MBi…メモリ・ブロック、60〜62…ワード線選択回路、71〜73…スイッチ、76、77…中間電圧発生回路(駆動回路)、MA0…メモリセルアレー、MC0…信号増幅および入出力制御回路群、SA0〜SAj…検知増幅回路(センスアンプ)、IO0〜IOj…入出力ゲート、67…入出力回路。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, particularly to a high-speed, highly integrated semiconductor device which is constituted by fine elements and which operates at a low voltage and is suitable for a semiconductor integrated circuit which can operate on a battery.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art The integration degree of a semiconductor integrated circuit (LSI = Large Scale Inegration) has been promoted by miniaturization of a MOS transistor as a constituent element thereof. In the case of a so-called deep sub-micron LSI having a device size of 0.5 μm or less, a problem arises in that the breakdown voltage of the device decreases and the power consumed by the LSI increases. To solve such a problem, it is considered that reducing the operating power supply voltage with miniaturization of the element is an effective means. As the power supply voltage of the current LSI is 5 V, the technology of mounting a voltage conversion circuit for stepping down an external power supply voltage on an LSI chip has been developed as a means for configuring an LSI with fine elements.・ E-Journal of Solid-State Circuits, Vol. 21, No. 5, pp. 605-611 (1986) (IEEE Jounal of Solid-State Circuits, vol. 21, No. 5, pp. 605-611) , October 1986). In this case, the values of the external power supply voltage and the internal power supply voltage are 5 V and 3.5 V, respectively. As described above, the problem of power consumption is becoming apparent in a dynamic RAM (DRAM = Dynamic Random Access Memory) having the highest integration among LSIs. In accordance with such a tendency, there is a movement to reduce the external voltage itself of the LSI. For example, in a 64-Mbit DRAM using a processing technique of 0.3 microns, the external power supply voltage will be reduced to about 3.3V. As the degree of integration increases, the external power supply voltage may further decrease.
[0003]
In recent years, with the spread of portable electronic devices, there has been an increasing demand for low-voltage, low-power-consumption LSIs capable of operating a battery and retaining information in the battery. For such applications, an LSI operating at a minimum of 1 to 1.5 V is required. In particular, in the case of a dynamic memory, the degree of integration has already reached the megabit level, and there has been a movement to use the semiconductor memory also in the field of large-capacity storage devices which could only use magnetic disk devices in the past. . For that purpose, it is necessary to back up with a battery so that data is not lost even if the power is turned off. This backup period usually needs to be guaranteed for weeks to years. For this reason, it is necessary to reduce the current consumption of the memory as much as possible. To reduce the power, it is effective to reduce the operating voltage. However, if the operating voltage is set to around 1.5 V, only one dry battery is required as a backup power source, so that the cost is low and the occupied space is small.
[0004]
In a CMOS (Complementary MOS) LSI composed of only an inverter and various digital logic circuits, for example, a processor, even if the power supply voltage is reduced to about 1.5 V, even if the constant and the threshold voltage of the MOS transistor are properly selected. It is possible to operate with a power supply voltage as low as about 1.5 V without causing a significant decrease in performance. However, in addition to the external power supply voltage (VCC or VSS), an intermediate voltage thereof or a voltage exceeding these ranges is generated on the LSI, and in an LSI using the same, the reduction of the power supply voltage is crucial. The performance was reduced. A representative example of such an LSI is a DRAM. Therefore, when an information device that operates at a low voltage is constituted by a plurality of types of LSIs such as a processor and a memory, a voltage other than the power supply voltage is generated on the LSI and used for the operation as represented by DARM. Low-voltage operation of the LSI is essential.
[0005]
When the DRAM is operated at a low voltage, problems occur mainly in the following three cases which have been conventionally used.
[0006]
(1) A circuit for reading a small signal read from a memory.
[0007]
(2) A circuit for generating a high voltage for driving a word line necessary for transmitting a signal without loss by setting a MOS transistor constituting a memory cell to a sufficiently high conductive state.
[0008]
(3) A circuit that generates an intermediate voltage (VCC / 2) that becomes a reference voltage when detecting a read signal from a memory cell storage capacitor plate electrode and a memory cell.
[0009]
These conventional examples will be described below in order.
[0010]
(1) is as follows. As the integration and scale of LSIs increase, the parasitic capacitance of signal wirings increases, and the problem that the operation speed decreases is becoming apparent. In the case of a dynamic memory, the speed at which a small signal read from each memory cell onto a data line is amplified by a sense amplifier, and an input / output control line (common I / O) for reading information from a selected data line The operation speed of the line occupies a large proportion of the operation speed of the whole memory, and a technique for increasing the operation speed is indispensable for improving the performance of the memory. Conventional I / O control circuits include, for example, IEE, Journal of Solid State Circuits, SC22 (1987), pages 663 to 667 (IEEE, Journal of Solid-State Circuits). As described in State Circuits, Vol. To control the connection between the data line pair and the common I / O line pair.
[0011]
FIG. 20 shows a conventional example of (2). This shows circuits related to a memory cell array (MA) and a word driver (WD) of a DRAM. FIG. 21 shows the waveform of each part. This circuit is described, for example, in IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. sc-21, NO. 3, JUNE 1986, pp. 381-387.
[0012]
The conventional example of (3) is as follows. The DRAM system in which data lines are precharged to a VCC / 2 voltage has become the mainstream of 1-Mbit and higher DRAMs together with CMOS circuits due to features such as high speed, low power consumption, and noise resistance. An example of a conventional intermediate voltage generating circuit for generating this VCC / 2 voltage is disclosed in IEEJ Journal of Solid State Circuits, Vol. 21, No. 5, pp. 643-648. (1986) (IEEE Jounal of Solid-State Circuits, vol. 21, No. 5, pp. 643-648, Octorber 1986).
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Problems to be solved by the present invention with respect to the above conventional example are as follows.
[0014]
First, the conventional example (1) is as follows. FIGS. 7A and 7C show examples of the conventional method. This method is effective for reducing the area of the entire memory because it can be constituted by a minimum number of transistors, but has the following disadvantages. (A) If the MIS-FETs (T50, T51) for I / O control are made conductive before the signal voltage of the data line (D0, D0 #) is sufficiently amplified, the operation of the sense amplifier SA0 is hindered. Causes malfunction.
[0015]
(B) For the above-described reason, it is necessary to provide a time delay (timing margin) between the input of the selection signal Y01 and the conduction of the MIS-FET after the operation of the sense amplifier, thereby lowering the operation speed. FIG. 7 (c)).
[0016]
(C) In order to prevent such a malfunction, there is a design constraint on the ratio of the channel conductance (conductivity between drain and source) of the MIS-FET to the channel conductance of the MIS-FET constituting the sense amplifier. I do. Generally, it is necessary to make the former smaller than the latter, and it is difficult to increase the driving capability of the common I / O lines (IO0, IO0 #). Therefore, in addition to (b), the operation speed further decreases.
[0017]
(D) As the degree of integration of memories increases, the internal power supply voltage tends to decrease in order to cope with a reduction in power consumption and a decrease in withstand voltage of elements. Therefore, the driving capability of the MIS-FET is further reduced, and the operation speed is further reduced.
[0018]
(E) It is difficult to write or read in parallel between one common I / O line and a plurality of data lines connected to it, mainly due to the reason (c) above. Limited in terms of test functions.
[0019]
For this reason, the conventional input / output circuit system cannot provide a circuit system suitable for a highly integrated memory that operates at high speed even at a low voltage.
[0020]
Next, the conventional example of (2) is as follows. As shown in FIG. 20, the word driver includes transistors QD and QT. Here, when the X decoder output N1 becomes High level (VL), the gate N2 of the QD is charged through the QT, and the QD is turned on. At this time, the voltage of N2 becomes VL-VT. Next, when the word line drive signal φX (amplitude is equal to or more than VL + VT) generated by the peripheral circuit FX goes to a high level, a current flows from the drain to the source of the QD, and the word line W goes to a high level. At this time, the potential difference between the gate of QT and N1 is 0, and N2 is Vt, so that QT is cut off. Therefore, when φX rises, the voltage of N2 rises together with φX due to the coupling between the gate and source capacitance of QD. Here, when the gate-source voltage of QD is equal to or higher than VT when φX reaches the maximum value, the voltage of the word line becomes equal to φX. On the other hand, if φX becomes lower than VT during the rise, the capacitance between the gate and the source of QD becomes 0, and the rise of N2 stops at that point, and VL−VT + α as shown in FIG. (VL-2VT) / (1-α). The word line voltage is (VDL-2VT) / (1−α). Here, α is the ratio of the gate capacitance of the QD to the total capacitance of the node N2.
[0021]
Here, consider the case where VL drops to 1.1 V due to battery consumption. If α = 0.9 and VT = 0.5 (V), the voltage of N2 is 1.5 V from the above equation. Therefore, the word line voltage only rises to 1.0V. Normally, the threshold voltage of the switch transistor QS of the memory cell is higher than that of the peripheral circuit and becomes 0.5 V or more, so that the amount of charge stored in the memory cell is less than half of the maximum value (CS × 1.1) ( CS × 0.5), which significantly reduces the soft error resistance and the S / N of the sense amplifier. That is, the stored data is likely to be destroyed.
[0022]
As described above, when an attempt is made to operate a DRAM with a battery using the conventional technique, if the electromotive force of the battery drops to almost twice the threshold voltage VT of the MOS transistor, a malfunction in the word driver causes a malfunction in the memory cell. There is a problem that the writing voltage is lowered and data is likely to be destroyed, and there is a problem that needs to be solved.
[0023]
Regarding (3), the following two problems occur in the conventional intermediate voltage generation circuit due to the lower voltage and higher integration. (A) As the power supply voltage decreases, the voltage setting accuracy decreases, and the signal-to-noise (S / N) ratio deteriorates.
[0024]
(B) Since the element operates in the source-follower mode, the response speed is determined by the value of the drive capability and the load capacitance of the transistor. Therefore, the load capacitance is increased due to high integration, and the voltage is further reduced. As a result, the response speed decreases due to the reduction in the driving capability of the element.
[0025]
FIG. 30 shows a conventional example of a DRAM intermediate voltage generating circuit. Hereinafter, the above problem will be described with reference to FIG. In FIG. 30, TN5 and TN6 are N-channel MIS FETs, TP5 and TP6 are P-channel MIS FETs, R1 and R2 are resistors, and CL is a load capacitance. The circuit of FIG. 30 is a kind of a complementary push-pull circuit. TN6 and TP6 constitute a voltage dividing circuit for dividing a power supply voltage VCC (VSS is a ground potential) to an intermediate voltage of HVC, and a bias voltage is applied to these gates. And TN5 and TP5 for providing a bias circuit constitute a bias circuit. In a DRAM of the VCC / 2 precharge type, the load capacity is almost equal to the capacity of all data lines. The value of the degree. In this circuit, a small current is constantly passed through each FET, so that the output is stabilized to a constant voltage. If the current is small, the voltage difference between the terminal 20 and the terminal 22, ie, V (20) −V (22), is almost equal to the threshold voltage VTN of the FET TN5, and the voltage difference between the terminal 22 and the terminal 21, ie, V (22). -V (21) becomes substantially equal to the absolute value VTP of the threshold voltage of the FET TP5. The gate width-to-gate length ratio W / L of the FETs TN6 and TP6 is selected to be several times to several tens times the W / L of the TN5 and TP5, respectively. Therefore, the bias current of TN6 is several times to several tens times the bias current of TN5.
[0026]
First, the first problem will be described. Now, assuming that there is no difference in element characteristics (for example, threshold voltage, channel conductance per unit gate width, etc.) between the FET pair TN5 and TN6 and TP5 and TP6, the output HVC has the terminal 22 Is obtained. The output voltage is
V (HVC) = R2 / (R1 + R2) × VCC-R2 / (R1 + R2) × VTN + R1 / (R1 + R2) × VTP
It is expressed as Here, it is assumed that VSS is at the ground potential. Under the standard condition, when the values of VTN and VTP are designed to be almost equal and R1 = R2,
V (HVC) = VCC / 2−VTN / 2 + VTP / 2
That is, if the difference between VTN and VTP is negligible compared to VCC,
V (HVC) ≒ VCC / 2
It becomes. In general, the variation in the threshold voltage of the element is considered to be constant without being reduced even by the high integration, and therefore, as VCC is lowered, the setting accuracy of V (HVC) decreases. For example, assuming that VTN and VTP fluctuate ± 0.1 V with respect to the standard value, respectively, when the power supply voltage is 5 V (HVC is 2.5 V), the fluctuation of the intermediate voltage is about ± 4%. When the power supply voltage is 1.5 V (HVC is 0.75 V), the fluctuation of the intermediate voltage reaches about ± 13%, which hinders the stable operation of the memory.
[0027]
Next, the second problem will be described. When the load is charged and discharged, the output MISFET operates in the saturation region.
ID = β / 2 × (VGS−VT)Two
It is expressed as Here, VGS is the gate-source voltage, VT is the gate threshold voltage of the MISFET, and β is a constant determined by the structure and dimensions of the element. Now, in the conventional circuit, the time required to raise the voltage of the load (load capacity = CL) from 0 V to 90% of the intermediate voltage VCC / 2.
tr is
tr = 18CL / β × 1 / (VCC / 2)
It is expressed as It is assumed that the number of memory cells connected to one data line is 256 and the capacitance value per data line is 0.5 pF. Since these values are almost constant with higher integration of the memory, the value of the load capacity increases by four times for each generation. For example, CL 、 48.2 nF for a 4 Mbit DRAM, CL ≒ 33 nF for a 16 Mbit, and CL ≒ 131 nF for a 64 Mbit. On the other hand, when the power supply voltage decreases from 5 V to 3.3 V to 1.5 V for each generation, β of the MISFET becomes 10 mA / VTwo, The rise time tr increases by about 10 times from 5.9 μs → 36 μs → 314 μs for each generation. In order to keep the response speed constant, it is necessary to increase the β of the MISFET by 10 times for each generation. However, there is a side effect of increasing the layout area and the steady-state current. It is impossible to keep tr constant.
[0028]
It is an object of the present invention to solve the conventional problems described above and to provide a semiconductor device that operates stably at high speed even at a low voltage. More specifically, the following three objects are aimed.
[0029]
(1) To provide a method of an input / output control circuit of an ultra-highly integrated memory that operates at high speed even at a low voltage, has excellent operation stability, and has a parallel test function.
[0030]
(2) To provide a circuit capable of generating a sufficiently high word line voltage so that data destruction does not occur even when the electromotive force of the battery decreases.
[0031]
(3) To provide a voltage supply circuit (voltage follower) that operates with high accuracy and high speed even in an LSI with a high integration and a low power supply voltage.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object (1), input / output control circuits for reading information from a data line or writing information to a data line are alternately arranged on the left and right sides of a memory array, and The circuit configuration is such that the transfer impedance between the I / O line and the data line is changed between when reading and writing information. Further, as a sense circuit for detecting a signal on the read line (RO line), a current-voltage conversion means using a MISFET complementary to a MISFET for selection is provided. This means is to operate at high speed even at a low voltage.
[0033]
In order to achieve the object (2), the following measures were taken as described in the claims. That is,
(A) An output of a data line power supply and a word driver for applying a voltage 1.5 to 2 times the threshold voltage of a switch transistor of the memory cell array to the data line as a minimum operating voltage applied to the memory cell array and the data line And a voltage conversion circuit for converting the data line power supply voltage to a voltage higher than the data line voltage by at least the threshold voltage of the switch transistor of the memory cell array, and using the output of the voltage conversion circuit as a power supply. A word line drive is provided with an operating static word driver.
[0034]
(B) The voltage conversion circuit according to the first aspect includes a charge pump circuit and a rectifier circuit.
[0035]
(C) The charge pump circuit according to the second aspect includes first, second, third, and fourth MOS transistors and first and second capacitors, and the second, third, and fourth capacitors are provided. The drain of the MOS transistor serves as a power supply, the gate of the second MOS transistor serves as the source of the fourth MOS transistor, the source of the third MOS transistor serves as the source of the second MOS transistor, and the third and fourth MOS transistors. Is connected to the power supply, one terminal of the first capacitor is connected to the source of the fourth MOS transistor, and one terminal of the second capacitor is connected to the source of the second MOS transistor. The other end of the second capacitor is connected to a charge pump circuit to which a pulse of the opposite phase is input. The on to power, the source of the fourth MOS transistor to the source, it was decided to combine the gate to the source of the second MOS transistor.
[0036]
This means is to speed up the rise of the charge pump circuit even at a low power supply voltage and to further increase its output voltage.
[0037]
(D) In the rectifier circuit according to the above item (2), the rectifier element is constituted by a MOS transistor, and the drain of the MOS transistor is input and the source is output, and the input is the charge pump circuit according to item (3). The source is connected to a circuit for transmitting electric charge from the output, a capacitor for storing the electric charge, and a circuit for transmitting the electric charge to a power supply. When the input voltage is at a high level, one end of the capacitor is set to a high level. The gate voltage of the MOS transistor is set to be equal to or higher than the sum of the input voltage and the threshold voltage of the MOS transistor. When the input voltage is low, one end of the capacitor is set to a low level, and at the same time, the gate voltage of the MOS transistor is lowered. The power supply voltage was set.
[0038]
This means is to reduce the voltage drop of the rectifying transistor and obtain a high output voltage.
[0039]
(E) In the means of the first or second item, the threshold value of the MOS transistor used for the memory cell array, the word driver and the voltage conversion circuit is set to three types, the threshold value of the memory cell array is the highest, and that of the word driver is the highest. The voltage conversion circuit was set to be the lowest among those in the middle.
[0040]
The present means achieves further stabilization, higher speed and lower power consumption as an integrated circuit even at a low power supply voltage.
[0041]
Furthermore, in order to achieve the object of (3), in the semiconductor device of the present invention, the input of the reference voltage equal to the intermediate voltage and at least two first and second complementarys whose outputs are connected in parallel to the same load. A push-pull circuit and a push-pull current amplifying circuit for amplifying and outputting a reference current, wherein the first complementary push-pull circuit adds an input of the reference voltage to the bias circuit and the input to the input; A bias voltage source for applying a bias voltage to the gate of the voltage dividing transistor of the push-pull circuit; the voltage dividing circuit of the push-pull circuit forms a reference current circuit of the current amplifying circuit; The output terminal of the circuit is connected to the bias circuit of the second complementary push-pull circuit.
[0042]
That is, a generator of a reference voltage equal to the intermediate voltage is separately provided from the bias circuit of the complementary push-pull circuit, and the load is driven in parallel by at least two complementary push-pull circuits. The voltage difference is detected as a current flowing through one push-pull circuit, and the other push-pull circuit is driven by an amplified current substantially proportional to the current.
[0043]
Here, it is preferable that the bias voltage of the first and second complementary push-pull circuits is substantially equal to the gate threshold voltage of the transistor of the push-pull circuit to which the voltage is applied. This suppresses the current flowing through these transistors to a low value in a steady state.
[0044]
Alternatively, if the current amplifying circuit is a current mirror type push-pull amplifying circuit, a high driving capability can be easily obtained with a simple circuit configuration with little variation.
[0045]
Alternatively, it is preferable to configure the first and second complementary push-pull circuits with field-effect transistors because they can be operated at a low power supply voltage.
[0046]
According to the semiconductor device of the present invention for achieving the object (3) more effectively, an input of a reference voltage equal to the intermediate voltage and at least two first and second outputs connected in parallel to the same load. Complementary push-pull circuit and tri-state drive circuit, and a push-pull current amplifier circuit that amplifies and outputs a reference current, the first complementary push-pull circuit, the bias circuit, the input of the reference voltage And a bias voltage source added to the input, wherein the voltage dividing circuit of the push-pull circuit forms a reference current circuit of the current amplifying circuit, and the output terminal of the current amplifying circuit is connected to the second complementary push-pull circuit. Connected to a bias circuit of a pull circuit, and the tri-state drive circuit further comprises a first circuit which is lower than a voltage of the input. A constant voltage and a second determination voltage higher than the input voltage are provided.The output is charged when the output voltage is lower than the first determination voltage, and the output is charged when the output voltage is higher than the second determination voltage. It is characterized by having means for discharging.
[0047]
That is, in the present invention, the tri-state drive circuit is connected in parallel to the load together with the complementary push-pull circuit to supplement the driving capability of the push-pull circuit.
[0048]
Here, the bias voltage of the first and second complementary push-pull circuits is set to a voltage substantially equal to the gate threshold voltage of the transistor of the push-pull circuit to which the voltage is applied, or the current amplifier circuit Is a current mirror type push-pull amplifier circuit, or the first and second complementary push-pull circuits are preferably constituted by field effect transistors, as described above.
[0049]
Here, it is preferable that the input and output voltages are set to a half of the power supply voltage in terms of appropriateness for a circuit such as a DRAM.
[0050]
Further, an integrated circuit (LSI) including at least a plurality of blocks of the same type and operating one or a plurality of blocks selected by a block selection signal during operation, and a unit for supplying and driving a voltage using the blocks as a load In the case of a semiconductor device having: a first and a second drive circuit, and a block provided for each block in an operating state as the above-described drive means for driving a block in order to achieve a high-speed response. Is provided with switching means for respectively connecting a block in a non-operating state to the second drive circuit.
[0051]
Such a means is suitable for an integrated circuit such as a large-capacity dynamic memory.
[0052]
In such a case, the block includes at least a memory cell array, and the load includes a common electrode of a memory cell storage capacitor and a precharge voltage supply line of a data line transmitting a signal from the memory cell to a signal detection circuit. It is good to include at least.
[0053]
Here, it is preferable for the application to the DRAM that the driving circuit generates a voltage of one half of the power supply voltage.
[0054]
Further, if the semiconductor device of the present invention is used as the driving circuit, high accuracy and high speed can be achieved even for a large-capacity LSI.
[0055]
Regarding (1), with the above configuration, the input / output control circuit can be laid out at a pitch twice as large as the data line pitch. Can be taken. As a result, the operation margin of the input / output circuit is remarkably improved, and stable and high-speed operation can be performed even at a low voltage. Further, since the operation is stable even when writing and reading are performed in parallel, a parallel test with a high degree of parallelism can be performed.
[0056]
Regarding (2), in the static word driver, a P-channel transistor is connected to the power supply side, and an N-channel transistor is connected to the ground side. Therefore, if the gate is set to the ground level (0 V) at the time of driving the word line, the P-channel transistor is always on if the power supply voltage is equal to or higher than the threshold voltage VT, and its output voltage rises to the power supply voltage. In this way, the static word driver operates stably even at a low power supply voltage because the gate voltage of the drive transistor operates at a low level.
[0057]
Therefore, by using the output of the voltage conversion circuit as the power supply of the word driver, it becomes possible to apply a voltage higher than the data line voltage by the threshold voltage of the switch transistor of the memory cell array by at least the threshold voltage of the memory cell array. This makes it possible to stabilize the memory operation even when the power supply voltage drops to about 1V.
[0058]
Further, the charge pump circuit of the present invention feeds back its output voltage to the precharge transistor. By using this in the voltage conversion circuit, it is possible to obtain a fast rise and a high output voltage even with a low power supply voltage. become.
[0059]
The rectifier circuit according to the fourth aspect of the present invention synchronizes the gate voltage of the rectifying transistor with the output voltage of the charge pump circuit, and when the output, that is, the drain voltage of the transistor is at a high level, sets the gate voltage to a higher level. The voltage is increased by the value voltage or more, and when it is at the low level, the two are set to the same level. This makes it possible to reduce the voltage drop of the rectifying transistor and to prevent the backflow of charges.
[0060]
When the threshold voltage of a transistor is lowered, the driving capability of the transistor generally increases. Therefore, it is effective to use such a transistor in a voltage conversion circuit that is not so large as described in the fifth means of the above means. However, as will be described later, in the case where a large number of transistors are used like a word driver, on the contrary, the leakage current flowing when the transistor is in the off state cannot be ignored, so that a standard threshold current is used. Further, when the threshold voltage of the transistor of the memory cell array is lowered, the refresh interval is shortened as described later, which leads to an increase in power consumption. Therefore, it is preferable to use a transistor having a higher than standard voltage.
[0061]
That is, the fifth term of the above-mentioned means operates to further stabilize the integrated circuit even at a low power supply voltage, to increase the speed, and to reduce the power consumption.
[0062]
Regarding (3), by dividing the generation section of the reference voltage equal to the intermediate voltage from the bias circuit of the complementary push-pull circuit, the voltage can be set independently of the bias circuit, and the output of the intermediate voltage can be increased. It is possible to improve accuracy.
[0063]
Also, by converting the voltage difference between the input and output to a current through the transistor of the first complementary push-pull circuit, and driving the second complementary push-pull circuit with an amplified current proportional to the current, As long as there is a voltage difference between the input and output, the driving capability of the push-pull circuit is increased to charge and discharge the load capacitance at high speed. In addition, the charging and discharging driving capacities at that time can be made uniform, so that it is possible to provide a voltage supply circuit (voltage follower) that operates stably at high speed even at a low voltage.
[0064]
Furthermore, if the bias voltage of the complementary push-pull circuit is substantially equal to the threshold voltage of the voltage application transistor and the current of the push-pull circuit is suppressed to a low value as described above, the steady-state power of the semiconductor device is thereby reduced. While it is small, it is possible to obtain a high driving capability when the output voltage fluctuates.
[0065]
In addition, if a current mirror type amplifier circuit is used as the current amplifier circuit, current amplification can be performed with a simple circuit configuration. Driving capability can be easily obtained with little variation.
[0066]
Since the gate threshold voltage of the field effect transistor can be reduced by controlling the impurity concentration, the power supply voltage is reduced by configuring the first and second complementary push-pull circuits with the field effect transistor. The required operation can be easily obtained.
[0067]
Further, according to the above-mentioned means of connecting the tri-state drive circuit to the load in parallel with the complementary push-pull circuit, the load capacitance is charged when the voltage error between the input and the output becomes larger than the judgment voltage. Alternatively, by discharging, the voltage error is converged within the determination voltage, thereby compensating for the operation of the push-pull circuit to further increase the response speed in the transient state.
[0068]
According to the means of the present invention, in which a plurality of blocks of the same type are included in an integrated circuit and only a part of the blocks is operated, only the blocks in operation are switched to be selected as loads. Even in such a case, since a part of the load is substantially carried, a high-speed response is possible without flowing a large transient current. Furthermore, if the device of the present invention is used in this drive circuit, it is possible to more effectively obtain high-accuracy high-speed response as described above.
[0069]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to examples. In the following description, an example in which the present invention is applied to a dynamic memory (DRAM) will be described. However, the present invention can be similarly applied to, for example, a static memory (SRAM) and a read-only memory (ROM). . In addition to the memory using the MIS type FET element, a memory using the bipolar element, a so-called BiCMOS type memory combining the bipolar element and the MIS-FET, and further using a semiconductor material other than silicon. The same can be applied to a memory.
[0070]
1 to 6 show one embodiment of the memory circuit of the present invention. 1 to 6, MA denotes a memory cell array in which a plurality of memory cells each including one MIS-FET and one storage capacitor are two-dimensionally arranged, and CKT0 and CKT1 detect a memory cell signal and read a read line. Or an input / output control circuit for exchanging information with the outside of the memory through a write line, a data line pair for transmitting signals between the memory cells and the input / output control circuit, D0 and D0 ̄, D1 and D1 ̄, WD is a word line drive circuit for designating a row address in the memory cell array and supplying a drive signal to one word line, W0 to Wm are word lines, and YD is a column address in the memory cell array. Y (column) decoder, and Y01 represents a column selection signal line. In the input / output control circuit, SA0 and SA1 are detection circuits (sense amplifiers) for detecting minute signal voltages on data lines, and CSN0 and CSP0, and CSN1 and CSP1 are for driving detection circuits SA0 and SA1, respectively. A signal line, CD0 or CD1 is a drive signal generation circuit of a detection circuit; PR0, PR1 are precharge circuits for short-circuiting a data line pair and setting to a voltage convenient for operation of a sense amplifier in a non-operation state; RG0 or RG1 is a read gate for reading a signal (voltage difference) appearing on the data line pair to the outside of the memory array, T1 to T4 are N-channel MIS-FETs constituting the read gate, and WG0 or WG1 is an external. A write gate for driving a data line according to information, and T5 to T8 constitute one write gate N Channel MIS-FETs, RO0, RO0 ̄, RO1, RO1 ̄ are read lines, WI0, WI0 ̄, WI1, WI1 ̄ are write lines, RCS0, RCS0 ̄, RCS1, RCS1 ̄ are read control lines, WR0, WR0 {, WR1, WR1} indicate write control lines, respectively. SWR0 and SWR1 are switch circuits for connecting read lines to common read lines CRO and CRO #, SWW0 and SWW1 are switch circuits for connecting write lines and common write lines CWI and CWI #, SEL0 and SEL1 are signals for selecting either the left or right switch. AMP is a sense amplifier for detecting and amplifying signals appearing on CRO # and CRO, DOB is an output buffer, and DIB is an input buffer. In this embodiment, the input / output control circuits CKT0 and CKT1 are alternately arranged on the left and right sides of the memory cell array for each data line pair, and the I / O lines in the input / output control circuit are read out lines (RO lines). And a write line (WI line). Hereinafter, specific configurations and effects thereof will be described.
[0071]
FIG. 2 shows a plan layout diagram of the read gate and write gate circuits. In general, as the degree of integration of memories increases, it becomes difficult to lay out the input / output control circuits Ci at the data line pitch. However, by arranging the input / output control circuits alternately on the left and right sides of the memory cell array as in this embodiment, the layout pitch of the input / output control circuits can be twice the data line pair pitch, that is, 2 dy, so that the chip area is greatly increased. The layout is possible without having to do it. In a highly integrated memory, for example, IEE Journal of Solid-State Circuits, 23 (1988), pp. 1113 to 1119 (IEEE, Journal of Solid-State Circuits, vol. As described in No. 5, October 1988, pp. 1113-1119), there is a problem that the signal-to-noise ratio is significantly reduced due to capacitive coupling between adjacent data lines. It is known that the capacitance coupling noise in the memory cell array can be reduced by crossing the data lines in the middle of the memory cell array, but in the input / output control circuit, the coupling capacitance between adjacent data lines depends on the location. Due to the non-uniformity, noise could not be sufficiently reduced. In this embodiment, by arranging a shield wiring between the data line pairs of the input / output control circuit, it is possible to significantly reduce the line-to-line capacitive coupling noise as compared with the related art. Hereinafter, this will be described. In the layout of the input / output control circuit section as shown in FIG. 2, another signal wiring formed simultaneously with the data line is arranged between the data line pair. Here, for example, the read lines RO, RO # and the read control lines RCS, RCS #, which are wired in a direction perpendicular to the data lines in the read gate RGi, are connected to wiring materials formed simultaneously with the data lines through through holes. Connected and arranged in parallel with the data lines. By doing so, the parasitic capacitance between the data line and the adjacent data line can be reduced, the noise accompanying the reading operation can be minimized, and a stable operation can be expected.
[0072]
Next, specific configurations of the read switch SWR0, the write switch SWW0, and the sense amplifier circuit AMO will be described.
[0073]
FIG. 3A shows a configuration example of the read switch SWRi (i = 0, 1). This circuit selectively connects one of the plurality of read lines ROi, ROi # to common read lines CRO, CRO # and controls the voltage of read control lines RCSi, RCSi # of the selected memory block. Then, a signal is taken out to the read line. In the figure, T10 to T17 denote N-channel MISFETs, INV100 denotes an inverter, and NAND1 denotes a two-input inversion AND circuit that outputs a low level only when both inputs are in a high level combination. When the memory block is selected and the selection signal SELi is at a high level, and the memory is in a read state and the write signal WE is at a high level, the MISFETs T10 to T13 are turned on and T14 to T17 are turned off. Therefore, read lines ROi, ROi # are connected to common read lines CRO, CRO #, respectively, and read control lines RCSi, RCSi are grounded. Thus, for example, when the column selection signal Y01 goes high in FIG. 1, T3 and T4 become conductive, and the read control lines RCS0 and RCS0 from the read lines RO0 and RO0 # according to the voltage difference between the data line pair D0 and D0 #. A signal is obtained as the difference between the currents flowing through  ̄. Here, read control lines RCS0, RCS0 # are not necessarily separated in consideration of only the read operation, but they are indispensable when a parallel test is performed as described later.
[0074]
When the memory block is deselected and the selection signal SELi is at a low level, or the memory is in a write state and the write signal WE # is at a low level, the MISFETs T10 to T13 are turned off and T14 to T17 are turned on. Therefore, read lines ROi, ROi # and read control lines RCSi, RCSi # are connected to the same voltage (here, intermediate voltage HVL). Thus, for example, even if the column selection signal Y01 goes high in FIG. 1 and T3 and T4 become conductive, no current flows from the read lines ROi, ROi # to the read control lines RCSi, RCSi #. As described in FIG. 10, it is convenient when one column selection signal line selects column addresses of a plurality of memory blocks (including a selected block and an unselected block).
[0075]
FIG. 3B is a configuration example of the write switch SWWi (i = 0, 1). This circuit selectively connects one of the plurality of write lines WIi, WIi # to the common write line CWI, CWI #, and sets the write control line WRi of the selected memory block to a high level to perform the write operation. I do it. In the figure, T20 and T23 to T26 denote N-channel MISFETs, T21 and T22 denote P-channel MISFETs, INV101 to INV103 denote inverters, and NAND2 denotes a two-input inverted AND circuit. When a memory block is selected and the selection signal SELi is at a high level, and the memory is in a write state and the write signal WE is at a high level, the MISFETs T20 to T23 become conductive and T24 to T26 become nonconductive. Therefore, write lines WIi, WIi # are connected to common write lines CWI, CWI #, respectively, and a high level is output to write control line WRi. Thus, for example, when the column selection signal Y01 goes high in FIG. 1, T5 and T6 conduct, the data line pair D0, D0 # is connected to the write lines WI0, WI0 #, and the write information on the write line is the data line. Is written to.
[0076]
When the memory block is deselected and the selection signal SELi is at a low level, or the memory is in a read state and the write signal WE is at a low level, the MISFETs T20 to T23 are nonconductive and T24 to T26 are conductive. Therefore, write lines WIi, WIi # are connected to the same voltage (here, intermediate voltage HVL), and write control line WRi goes low. Thereby, for example, even if the column selection signal Y01 goes high in FIG. 1 and T5 and T6 are turned on, the data line and the writing line are not turned on. For example, as described in FIG. This is convenient when a column address of a plurality of memory blocks (including a selected block and an unselected block) is selected by a signal line.
[0077]
Next, FIG. 4 shows a configuration of a sense amplifier circuit for amplifying a signal read on the common read lines CRO, CRO #. In the figure, amp1 is a first sense amplifier circuit that inputs common read lines CRO and CRO # and outputs d1 and d1. Amp2 is a second sense amplifier circuit that inputs d1 and d1 # and outputs d2 and d2 #. A sense amplifier circuit, amp3 is a third sense amplifier circuit which inputs d2, d2 # and d3, d3 # is an output, and T42, T43 are MISFETs for initializing the third sense amplifier circuit before operation. . The first sense amplifier circuit amp1 is composed of two current-voltage conversion circuits having the same configuration. The current-voltage conversion circuit includes a differential amplifier circuit DA1, a P-channel MISFET T30, and an N-channel MISFET T31. The second sense amplifier circuit amp2 is composed of two differential amplifier circuits DA3 and DA4 having the same configuration. The third sense amplifier circuit amp3 includes two inverting OR circuits MOR1, NOR2 and two inverters INV105, INV106.
[0078]
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to the operation waveforms of FIGS. Here, an example will be described in which information read out to data lines D0, D0 # is read, or information from the outside is written into D0, D0 #, but the same operation is performed for all the data in the memory array. It is obvious that the operation can be selectively performed on the memory cell. Although the case where the operating voltage is 1.5 V is described here, the present invention is not limited to this, and the present invention can be similarly applied and the same effect can be obtained even when operating at another voltage.
[0079]
First, the read operation will be described with reference to FIG. The control signal PC of the precharge circuit unit PR0 falls at time t0, and the precharge operation for the data line ends. Subsequently, the selected word line W0 rises at t1, and a signal is read from the memory cell to data lines D0, D0 #. Next, at t3, the sense amplifier drive signal CSP is changed from the intermediate potential to the high level, and CSN is changed from the intermediate potential to the low level, and the sense amplifier SA0 is driven. Thus, the signal read out to the data line is amplified to High and Low by the sense amplifier. Here, in this embodiment, the data line is connected to the gates of the transistors T1 and T2 in the read gate RG0, and is connected to the read lines RO0 and RO0 # through the transistors T3 and T4. The read control lines RCS0, RCS0 # of the selected input / output circuit CKT0 are driven low at t1. With this configuration, the data line and the read line are separated. Therefore, during the amplification before the data line is fixed to the High and Low levels, the information of the data line is input even if the column selection signal line Y01 is input at t3 here. There is no destruction. Therefore, since the information on the data line can be transmitted to the read line without destroying the data line, the speed of the read operation can be increased. The reason why the speed can be increased as compared with the related art and the effect will be described later in detail. Here, the signal voltage of the read line and the common read line, that is, the voltage difference between RO0 and RO0 # and the voltage difference between CRO and CRO # is about 20 mV, and the output signal amplitude of the first sense amplifier circuit (voltage difference between d1 and d1 #). Is about 200 mV, and the output signal amplitude (voltage difference between d2 and d2 ̄) of the second sense amplifier circuit is about 1 to 1.5V. That is, the voltage gain of the first sense amplifier is about 10 and the voltage gain of the second sense amplifier is about 5 to 7. The voltage amplification rate of the third sense amplifier circuit is about 1-2. However, the third sense amplifier circuit has a function of storing output information, a so-called latch function. That is, by amplifying the input signal and setting both inputs low, an output corresponding to the previous input is held until the next input is input. Thus, it is not necessary to always put all of the first to third amplifier circuits into operation, and after output, the first or second or both amplifier circuits are put into a non-operation state to reduce power consumption. can do.
[0080]
This figure also shows an example of a so-called static column operation in which a column address is switched and another information is read after reading one piece of information. That is, the information is read out by raising Y23 next to the column selection signal Y01. According to the present embodiment, the voltage amplitude of the read line and the common read line is reduced to 20 mV, which is 1/10 of the conventional voltage, by making the input of the sense amplifier circuit a current as described later. As a result, the time required for charging and discharging the parasitic capacitance of the read line and the common read line can be reduced to about 1/10, and the delay from switching the address to outputting the information can be extremely reduced.
[0081]
Next, an example in which a write operation is performed after a read operation will be described with reference to FIG. In the figure, the first read operation is the same as in FIG. When WE becomes high at t4, the column selection signal line Y01 remains High,
The control signal line RCS0 of RG0 becomes HVL (0.75V), and the control signal line WR0 of the write gate WG0 becomes ゛ High. At the same time, when write data is applied to the write input / output lines WI0, WI0 #, data is written to the data lines D0, D0 # through the transistors T5, T7 and T6, T8 in the write gate WG0.
[0082]
As shown in the above example, as one means for changing the transfer impedance between the I / O line and the data line in the write operation and the read operation, the read operation margin is obtained by separating the read line and the write line. And the write operation margin can be individually set, so that the operation can be speeded up and stabilized even at a low voltage operation.
[0083]
Next, the effects of the sense amplifier circuit used in this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7A schematically shows a configuration of a conventional sense amplifier circuit, and FIG. 7B schematically shows a configuration of a sense amplifier circuit according to the present invention. FIG. 7C schematically shows operation waveforms of the conventional sense amplifier circuit and the sense amplifier circuit according to the present invention. In the conventional circuit, a small signal read from the memory cell MC to the data line (D0, D0 #) is amplified by the sense amplifier SA0, and then the MISFETs T50, T51 # controlled by the column selection signal Y01 are turned on. And transmitted to the read lines (IO0, IO0 #). Conventional circuits have two problems that hinder speeding up. One is that it is necessary to turn on the MISFET after it has been sufficiently amplified by the sense amplifier. Otherwise, since there is a capacitance difference of several tens of times between the data line (CD about 0.3 pF) and the read line (CR about 8 pF), a large charge flows from the read line, and the information that has been amplified is destroyed. This is because The other is that it is necessary to amplify a read line having a large parasitic capacitance to a large voltage of 200 mV by a sense amplifier having a small driving capability. This is due to the signal detection sensitivity of the second sense amplifier circuit in the next stage.
[0084]
Therefore, in the present invention, the NMOS transistors T1 and T2 which receive the signal of the data line at the gate are provided, and the sense amplifier and the read line are separated. As a result, the MISFETs T3 and T4 controlled by the column selection signal can be turned on without waiting for the data line to be sufficiently amplified, so that the voltage information on the data line is converted into current information and read at high speed. Can be served. Further, a current sense circuit, which is achieved by a P-channel MISFET and an amplifier circuit, is provided so as to be suitable for low-voltage operation, so that a voltage output proportional to a current input can be obtained. By using the current input, the voltage amplitude of the signal line can be reduced by about one digit (200 mV → 20 mV) as compared with the conventional case, and the time required for charging and discharging the parasitic capacitance CR is greatly reduced, thereby increasing the speed. Is done.
[0085]
FIG. 8 compares the operation speeds of the conventional sense amplifier circuit and the sense amplifier circuit according to the present invention based on computer simulation results. Here, the sense time is a delay time from when the signals CSN and CSP for starting the sense amplifier are applied to when a signal voltage of 200 mV is obtained on the I / O line (in the case of the related art), or the first time. It is defined as the delay time until an output of 200 mV is obtained as the output of the sense amplifier circuit (in the case of the present invention). With the circuit of the present invention, the speed is increased by 20 ns at 1.5 V as compared with the conventional example, and thus it was shown that the present invention operates at low voltage and at high speed.
[0086]
As described above, in this embodiment, the input / output control circuits are alternately arranged on the left and right sides of the memory cell array, and the input / output lines for reading and writing are separated, so that the operation can be performed even in the low voltage operation. Speeding up and stabilization can be achieved. Further, the first sense amplifier circuit for detecting the signal on the read line is constituted by a current-voltage conversion circuit, and the MISFET for driving the read line and the MISFET for converting the voltage of the data line to the current of the read line are complementary. With this configuration, it is possible to provide a sense amplifier circuit that operates at high speed even with a low power supply voltage of about 1 to 2 V.
[0087]
FIG. 9 shows an embodiment for further stabilizing the operation. As described above, in the input / output control circuit section, the parasitic capacitance between the data lines could be reduced. Here, the operation is further stabilized by balancing the parasitic capacitance between the data lines in the memory cell array section. That is, the data lines intersect at the center of the memory cell array for each line pair. The parasitic capacitance between D1 and D1 # and data line D0 # is Cc01, respectively.L, Cc01RHowever, since Cc01L and Cc01R match, the parasitic capacitance between D1, D1 # and data line D0 # can be made equal. Similarly, since the parasitic capacitance between D1, D1 # and the data line D2 can be equalized, the parasitic capacitance between adjacent data lines can be balanced between the paired data lines. Therefore, the reading operation can be further stabilized in the memory cell array.
[0088]
FIG. 10 shows an embodiment in the case where a plurality of memory cell arrays exist. Here, the reading operation will be described. The input / output control circuit CKTij is shared by the left and right memory cell arrays, switch transistors T60 to T63 are connected between CKTij and each memory cell array, and their gates are SHRij which is a selection signal of the memory cell array. Is entered. SWRi is a switch connected to a read line RO and a common read line CRO shared by a plurality of RO lines, and a memory cell array selection signal SHRij is also input to this switch. SHRij is set to High in advance. For example, when memory cell array MA2 is selected, SHR1 is set to SHR1.R, SHR3LOnly low. Here, assuming that column selection signal Y01 is selected, signals read out to data lines D1, D1 # and D0, D0 # are read out to RO12, RO12 #, RO23, RO23 # through input / output control circuits CKT12, CKT23. Be sent out. These are further read out to common I / P lines CRO0, CRO0 #, CRO1, CRO1 # through switches SWR1 and SWR2. In this way, even when a plurality of memory cell arrays exist, the input / output control circuits are alternately arranged on the left and right sides of the memory cell array and shared by the left and right memory cell arrays without greatly increasing the chip area. The improvement of the characteristics described above can be realized.
[0089]
FIG. 11 shows an embodiment of a parallel test using the present invention. The parallel test is performed by simultaneously selecting a plurality of column selection signals (multiple selection). That is, during the parallel test, the column selection signal is multiplexed by the test signal TEST. As a result, in the read operation, the read signals of the data lines are simultaneously read to the read lines according to the multiplicity. If the information of the data lines read simultaneously coincides, one of the read lines RO and RO # has a "High" voltage level and the other has a "Low" voltage level according to the read information. . If at least one erroneous information is read, both RO and RO # are at the "Low" voltage level. On the other hand, in a write operation, data is written to a data line connected to a write gate selected from input / output lines for writing. Here, in the present invention, even in the case of the parallel test, the parallel test can be performed without providing a new test I / O line, and information is transmitted from the data line to the AMP in the same manner as in the normal test. In addition, since the read signal line and the write signal line are separated, the operation margin can be set individually for the read operation and the write operation as described above, and the limitation in increasing the multiplicity is limited. And allow for a high degree of parallel read / write. In the figure, the drive signal RCS of the read gate RG is paired to separate the RCS connected to the read lines RO, RO # in the read operation. This is an effective means for determining one erroneous reading even when the multiplicity is increased. When the multiplicity is increased, it is necessary to increase the current flowing from the RO to the RCS. On the other hand, the current flowing from RCS to GND saturates at a certain constant due to the wiring resistance of the read line. In other words, the potential of RCS rises. Therefore, unless the RCS is separated, the signal current of the I / O line on the side where the erroneous reading has occurred decreases with an increase in the multiplicity, making detection difficult. By separating the RCS, the potential of the RCS on the side where the erroneous reading was performed does not increase, and only the current flowing from the RO to the RCS need be detected, so that more accurate detection can be performed. As described above, the present invention enables a high-level parallel test, so that the test time can be significantly reduced.
[0090]
FIG. 12 shows an embodiment of a specific circuit for determining the multiplicity. Normally, Y0 to Yn-1 are input to the column decoder YD. Yn-1 divides the column direction into two, Yn-2 further divides each into two, and so on. Y0 repeats "0" (Low) and "1" (High) for each column selection signal. Here, the test signal TEST is set to High, and the OR gate output signals of Yn-1 ̄, Yn-1 and TEST are set to AYn-1, AYn-1 '. By inputting to the decoder, both AYn-1 and AYn-1 'can be made high irrespective of High and Low of Yn-1 and two column selection signals can be selected, so that the multiplicity can be made two.
[0091]
FIG. 13 shows an embodiment in which the multiplicity is set to 4. The NAND gate outputs of Yn-1 and Yn-2 are input to the NAND gate together with TEST, and their outputs are changed from AYn-20 to 3, and if they are input to the column decoder, the multiplicity can be set to 4. As described above, based on the embodiments shown in FIGS. 12 and 13, column decoders can be multiplexed during a parallel test, and one column select signal can be selected during a normal test by setting test signal TEST to Low. . FIG. 14 shows an embodiment of a sense amplifier circuit for realizing a parallel test. A method of outputting a test result at the time of the parallel test will be described with reference to FIG. In a normal read operation, the outputs after the current-voltage conversion are input as they are to the inversion and non-inversion inputs of the two differential amplifier circuits DA4 and DA5 constituting the amp2T, and those outputs are input to the amp3. At the time of the parallel test, the non-inverting inputs of the two differential amplifier circuits DA4 and DA5 have V as a reference voltage.RTEnter In the parallel test, if at least one erroneous information is included in the multiplexed data lines, a current flows through both RO and RO #. Therefore, the current-to-voltage conversion outputs d1, d1 # of the first sense amplifier circuit amp1 both have a low level. On the other hand, the reference voltage VRTIs set to a voltage between the high level and the low level of the current-voltage conversion output. In this way, when at least one erroneous information is included, a high level is output to the outputs of the two differential amplifier circuits DA4 and DA5. That is, when both d2 and d2 are high, it can be determined that the information read in parallel contains erroneous information. At the time of the parallel test, these outputs are taken into the judgment circuit TEJ by making TEST # low. TEJ outputs High or Low to ERR according to the output voltage of d2, d2 #. That is, if the results of the parallel tests are all correct, ERR outputs Low, and if at least one is incorrect, it outputs High. The determination of the parallel test result with the multiplicity increased in this way can be performed using the input / output circuit system and the sense amplifier circuit according to the present invention.
[0092]
FIG. 15 shows the reference voltage V used for the parallel test.RT5 is an embodiment of a generation circuit. In the same figure, the current-voltage conversion circuit described above is used, and during the parallel test, the parallel test signalRTHas occurred. In this circuit, a reference current corresponding to about half of the signal current is applied to the input of the current-voltage conversion circuit. As a result, when a signal current flows through both RO lines, the converted voltage becomes VRTSmaller. If the result of the parallel test is correct, one of the converted voltages is VRTLarger than. Therefore, the test result can be determined by comparing the converted voltage with VRT.
[0093]
FIG. 16 shows a specific example of the write switch SWW. WE is a write signal. The present embodiment is based on FIG. 10 when there are a plurality of memory cell arrays, and it is assumed that the memory cell array on the right side of the SWW operates (SELR is high and SELL is low). During the parallel test, TEST is low. During the reading operation, WE is low, and WI and WI # are kept at the same potential by the circuit WST. When the write operation is started, WE goes high. Since all signals input to the GR become High in the reading operation, WER becomes Low and one WEL becomes High. Accordingly, the write control signal WR goes high, and data is written from CWI, CWI to WI, WI # through the N-channel MISFETs T77, T78 and the P-channel MISFETs T75, T76.
[0094]
FIG. 17 shows an embodiment in which the voltage level of the power supply line on the high voltage side of the sense amplifier for detecting and amplifying the signal read from the memory cell to the data line can be arbitrarily set. The write voltage level when writing "1" to the memory cell is the voltage level of the power supply line on the high voltage side of the sense amplifier. Therefore, it is only necessary that the voltage level of the power supply line on the high voltage side can be arbitrarily set. Here, two types of power supply lines on the high voltage side are provided, and one of the power supply lines isDLUsed for normal writing. The other power supply wiring VDMCan be set arbitrarily from outside the chip, for example. As a result, if the signals MT0 and MT1 are made low, the drive signal CSP of the sense amplifier becomes VDLOn the contrary, if the signals MT0 and MT1 are set to High, the drive signal CSP of the sense amplifier becomes VDMCan be. According to the present embodiment, only the voltage level of the information “1” can be set arbitrarily. Further, the voltage level of the information “1” can be set by changing every other pair. Therefore, as in the case of testing the coupling noise between data lines, a voltage can be written as soon as the information is inverted every other pair, which is effective when a margin test is desired. Further, there is an effect that the test time for the information retention characteristics of the memory cell can be shortened.
[0095]
18 and 19 show one embodiment of the word drive circuit according to the present invention. The feature of this embodiment is that a static word driver including QD1, QD2, QP and QT is used instead of the conventional dynamic word driver. Further, a voltage conversion circuit VCHG which always generates a voltage higher than the data line voltage VL by VT of the switch transistor QS of the memory cell is provided as the power supply. Hereinafter, the operation of this embodiment will be described.
[0096]
First, when the X-decoder XD is selected by the address signal Ai, its output N1 goes low. Then, the electric charge at the node of N2 is extracted through the transistor QT, so that N2 also becomes Low level. Then, the transistor QD1 turns on, and the word line W rises to the level of VCH. Since the level of VCH is equal to or higher than VL + VT (QS), a maximum VL voltage is written to the memory cell CS.
[0097]
Next, in the precharge cycle, first, φ と な り P goes low, which turns on QP and sets node N2 to VCH. Then, since QD1 is turned off and QD2 is turned on, the word line W is at the Low level, and the charge is held in the memory cell.
[0098]
As described above, in this embodiment, since the gate voltage of the drive transistor operates at the low level, the word transistor operates stably even when the power supply voltage decreases.
[0099]
FIG. 22 shows a specific embodiment of the word line voltage conversion circuit VCHG of FIG. FIG. 23 shows an internal waveform and input timing at the time of activation of the circuit. A feature of this embodiment is that in the charge pump circuit, the output voltage is pre-charged to the output voltage precharge transistor (QB in FIG. 22) in order to obtain a fast rise and a high output voltage even at a low power supply voltage. The operation will be described below.
[0100]
First, consider the case where the input pulses φ and φ ̄ are High and Low, respectively. At this time, since the voltage of the node B is charged from VL through QC, it becomes VL-VT. On the other hand, the node A has a value determined by the electric charge stored in the capacitors CA and CD and the amplitude of φ. In this embodiment, this voltage is assumed to be VL. Next, when the voltages φ and φ are switched, the node B is boosted by CB and becomes VL−VT + αVL. Here, α is the ratio of the total capacity of CB and node B. At this time, the voltage at the node A becomes a voltage VL−2VT + αVL lower than the voltage at B by the VT of QA.
[0101]
Next, when the voltages φ and φ # are switched again, the voltage of the node A is boosted again. At this time, if it is higher than VL by δ, the voltage of node B is precharged to VL-VT by QC, so that QB is turned on and the voltage of node B is further raised by δ. Therefore, in the next cycle, the voltage of the node B is further increased, and the voltage of the node A is further increased. By repeating the above, the voltage of the node A rises, and finally, reciprocates between VL and 2VDL.
[0102]
When this output is connected to a rectifier circuit indicated by 2, that is, a diode-connected MOS transistor QD, and further including a smoothing capacitor CD in the output, a boosted DC voltage VCH is obtained. This output voltage becomes 2VL-VT in a no-load state.
[0103]
Here, the circuit connecting QA and CA is divided into two, and the output point of each circuit, that is, one of the connection points between QA and CA is connected to the rectifier circuit 2 and the other is connected to the gate of QB. Is separated from the load circuit, the gate voltage becomes high enough that no current flows through the load circuit, and the voltage of the node A can rise more quickly.
[0104]
The feature of this circuit is that, as described above, the precharge voltage is increased by feeding back the output voltage to the precharge circuit, and a high output voltage can be obtained even with a low power supply voltage. For example, assuming that VL = 0.8 (V) and VT = 0.5 (V), when there is no feedback, that is, when there is no QB, the maximum voltage of the node B is 1.1 V (when α = 1, 2VL −VT), and as a result, node A becomes 1.4V (3VL−2VT) and VCH becomes 0.9V (3VL−3VT). On the other hand, when there is a QB, 1.6V (2VL), 1.6V (2VL), and 1.1V (2VL-VT) are all higher than the former.
[0105]
FIG. 28 shows the result of a comparison of the boosting rate between the case where the feedback transistor QB exists (the present invention) and the case where the feedback transistor QB does not exist (the conventional method) by computer simulation. Here, a solid line indicates a transistor having a standard threshold voltage, and a broken line indicates a transistor having a low threshold voltage. From this figure, it can be seen that the power supply voltage drops sharply between 1 and 1.5 V in the conventional method, whereas it is constant up to 0.8 V in the present invention and operates stably even at a low power supply voltage. . Note that the rectifier circuit has no voltage effect due to the threshold voltage of the transistor.
[0106]
The embodiment shown in FIGS. 24 and 25 is a circuit for obtaining a higher output voltage. The feature of this embodiment is that the gate voltage is synchronized with the output voltage of the charge pump circuit in order to reduce the voltage drop in the rectifying transistor, and when the output is at High level (2 VL), it is higher than VT by more than VT. When the level is (VL), it is set to VL.
[0107]
In FIG. 24, CP and QD are the aforementioned charge pump circuit and rectifier circuit. Q1 to Q19 and C1 to C4 are added elements, Q1 is a rectifying transistor, Q3 to Q10, C1 to C3 are circuits for controlling the gate voltage of Q1, and Q11 to Q13, Q15 to Q18, and C4 are gate boosters. A charging circuit for the capacitor C3 for use, Q19 is a precharge transistor for accelerating the rise of VCH. PA and PA # are control signals of the charge pump circuit, and PB and PB # are control signals of the gate voltage control circuit. The operation will be described below.
[0108]
1 is a charge pump described above, in which PA and PA alternately become High and Low, so that the voltage of the node A is boosted and reciprocates between VL and βVL (β ≒ 2). At this time, PA and PA # are set so that the High periods do not overlap each other as shown in FIG. This is because, when φ 図 corresponding to PA ̄ in FIG. 22 has not completely dropped to 0 V and the voltage at node B is still VL + VT or more, φ corresponding to PA 上 記 rises and the voltage at node A rises. Then, because the QA is in the ON state, the charge stored in the CA leaks to the power supply side through the QA.
[0109]
Next, as for the rectifier circuit, when PA and PB are Low and PA # and PB # are High, the gate of Q4 is boosted to VL + VT or more by C1 so that the voltage of the gate G of Q1 is equal to VL. . At this time, since node A is at VL, there is no backflow from VCH to node A. Further, the gate of Q11 precharges C4 to VCH (2VL) -VT by Q13 and Q18, and then boosts the voltage at PA) (VL), so that 3VL-VT is obtained. Therefore, if VL ≧ 2VT, the voltage is raised to VCH (2VL) + VT or more, and the node C becomes VCH. At this time, since the voltage between the gate and the source of Q10 exceeds VT at VCH-VL, it turns on, and the gate voltage of Q9 becomes equal to the node C. Therefore, Q9 turns off and no current flows from node C to node G.
[0110]
Next, when PA and PB become High and PA # and PB # become Low, the node A becomes 2VL and the node C becomes VL + VCH. On the other hand, the gate of Q7 is boosted to VL + VT or more by C3, so that the source is VL. That is, since the gate of Q9 becomes VL, the voltage between its gate and source becomes VCH, Q9 turns on, and the gate of Q1 becomes VL + γVCH (γ ≒ 1). Therefore, 2VL is output as it is without lowering by VT as in the embodiment of FIG.
[0111]
In this embodiment, PB is set to a low level before PA. However, when the gate voltage of Q1 is still equal to or higher than VL + VT, PA becomes low, the voltage of node A becomes VL, and the output from the output becomes VL. This is to prevent the charge from flowing back to the node A. The reason why the minimum potential of the gate control circuit is set to VL like the sources of Q4 and Q7 is to reduce the potential difference between the electrodes of the transistors. As a result, the potential difference between the electrodes becomes 2 VL or less, and the same fine transistor as other portions can be used.
[0112]
The above is the feature of the embodiment shown in FIG. 24. In FIG. 24, the same effect can be obtained by removing Q7 and Q10 and connecting the gate of Q9 to the gate of Q4. For example, when PB is VL and PB # is 0, the node C is at VCH + VL, and the gates of Q4 and Q9 are at VL, so Q4 is off, Q9 is on, and node G is at VCH + VL. On the other hand, when PB is 0 and PB # is VL, node C is at VCH (2 VL), and the gates of Q4 and Q9 are at 2 VL, so that Q4 is on and Q9 is off, and node G is at VL.
[0113]
26 and 27 show circuits for generating the timing shown in FIG. In FIG. 26, inverters I5 to I8, resistor R2, capacitor C2, NAND gate NA2, and NOR gate NO1 are circuits for preventing duplication of PA and PA #, and I2, I3, R1, and C1 are delays for the fall of PA and PB. Circuits for determining time, I9 to I13 and NA3, are circuits for creating a delay at the time of the fall of PA and PB. I14 to I25 are buffer inverters. This may be any number of stages as long as the odd number of stages is the same, and may be adjusted according to the magnitude of the load. FIG. 27 is an example of a circuit for generating the input pulse OSC of the circuit. This circuit is generally called a ring oscillator. The feature of this circuit is that the time constants of R and C are made sufficiently larger than the delay time of the inverter in order to suppress the fluctuation of the oscillation frequency due to the power supply voltage. Therefore, the oscillation frequency becomes stable even if the ratio of the VT of the transistor to the power supply voltage is 1: 3 or less and the power supply voltage dependence of the delay time of the inverter is large.
[0114]
In addition to the above countermeasures, by lowering the VT of the transistors in the embodiments of FIGS. 22 and 24, the operation at a lower voltage becomes more stable. This is because the driving capability of the transistor is increased by lowering the VT. Although the sub-threshold current also increases due to the reduction in VT, the number of elements of the voltage conversion circuit is at most about several tens, so that it can be almost neglected in the whole chip. On the other hand, the driving capability of word drivers and memory cells also increases due to the reduction in VT.Three-10FourSince a plurality of transistors are used, a leakage current flowing when the transistor is off cannot be ignored. In the latter case, there is a problem that the charge holding time is shortened and the refresh interval must be shortened. This leads to the greatest increase in power consumption. Therefore, it is best that VT is set lower in the voltage conversion circuit, word driver is set as standard, and memory cell is set higher than standard.
[0115]
As described above, according to the present embodiment, the gate voltage of the rectifying transistor can be made higher than the drain voltage by the threshold voltage VT or more, and furthermore, the backflow of charges can be prevented. The value can be increased to the value of 2VL. Further, by using the oscillation circuit and the timing generation circuit using the RC delay, the delay time between the oscillation frequency and the timing becomes stable with respect to the power supply voltage fluctuation, so that the voltage conversion efficiency can always be kept in the best state. Further, by providing three types of VTs for the transistors, the voltage conversion circuit is low, the word driver is standard, and the memory cell is higher than the standard, it is possible to achieve low voltage stabilization, high speed, and low power consumption. Therefore, a semiconductor integrated circuit that operates stably even when the power supply voltage is the electromotive force of one battery can be realized.
[0116]
Next, an embodiment in which the present invention is applied to an intermediate voltage generating circuit will be described. In the following description of the embodiment, although VCC is used as a symbol representing the higher power supply voltage, it does not need to be different from the VL used so far, and may be replaced with VL as it is. Further, although HVC is used as a symbol representing the intermediate voltage, it does not need to be different from the HVL used so far, and may be replaced with HVL as it is. FIG. 29 is a configuration example of a voltage follower circuit according to the present invention. This circuit outputs a voltage substantially equal to the voltage applied to the input, and drives a large load capacitance. Referring to FIG. 1A, reference numeral 1 denotes a first complementary push-pull circuit, which includes an N-channel MOS transistor TN2, a P-channel MOS transistor TP2, and bias voltage sources VN1 and VP1. Reference numeral 2 denotes a current-mirror push-pull amplifier circuit, which comprises a pair of N-channel MOS transistors TN1 and TN3 and a pair of P-channel MOS transistors TP1 and TP3 forming a current mirror circuit. Reference numeral 3 denotes a second complementary push-pull circuit, which includes an N-channel MOS transistor TN4, a P-channel MOS transistor TP4, and bias power supplies VN2 and VP2.
[0117]
The constant setting of various transistors and voltage sources of this circuit and the operation in a steady state will be described. The values of the voltage sources VN1 and VP1 are selected to be substantially equal to the gate threshold voltages of the transistors TN2 and TP2, respectively. This prevents both the transistors TN2 and TP2 from being simultaneously cut off under any operating conditions. For this reason, it is possible to prevent the output impedance from becoming high and the potential from being unstable or the output voltage from fluctuating depending on the load condition. By making the value of the voltage source substantially equal to the gate threshold voltage of the transistor, the current flowing through the two transistors in the steady state is suppressed to a low value, and the standby power of the integrated circuit is reduced while the power is increased. The load drive capability is obtained. Operation under such a bias condition is generally referred to as class AB operation. Now, assuming that the current values flowing through TN2 and TP2 are IC1 and ID1, respectively, these currents are converted into TP3 by a current mirror circuit including P-channel MOS transistor pairs TP1 and TP3 and N-channel MOS transistor pairs TN1 and TN3. Is converted to a current ID2 flowing through the TN3 and a current IC2 flowing through the TN3. The current ratio between IC1 and IC2 is almost equal to the β ratio between transistors TP1 and TP3, and the current ratio (mirror ratio) between ID1 and ID2 is almost equal to the β ratio between transistors TN1 and TN3. That is,
Mp= IC2 / IC1 = βTP3/ ΒTP1
MN= ID2 / ID1 = βTN3/ ΒTN1
It is. By setting this ratio to a value of 1 or more, the current can be amplified and the driving capability of the next stage load (terminals 6 and 7) can be increased. In the present invention, this ratio is selected to a value of about 1 to 10. Like the first push-pull circuit, the values of the voltage sources VN2 and VP2 are set to be substantially equal to the gate threshold voltages of the transistors TN4 and TP4, respectively. Thus, the second push-pull circuit also performs the class AB operation.
[0118]
Now, what happens when the first push-pull circuit deviates from the steady state, that is, the state where IC1 = ID1 holds, will be described. The current value when the output voltage is forcibly changed from the steady state by the voltage δV is expressed as follows.
[0119]
IC1-ID1 =-(√ (2βNI) + √ (2βPI)) × δV + (βN−βP) / 2 × δVTwo
Where βNAnd βPIndicates the β of the transistors TN2 and TP2, respectively, and I indicates the current flowing through the first push-pull circuit in a steady state (that is, I = IC1 = ID1).
[0120]
Now, for the sake of simplicity, the characteristics of TN2 and TP2 are almost complete, and βNAnd βPAre equal (β = βN= ΒP), The above equation gives
IC1-ID1 ≒ -2√ (2βI) × δV
It becomes. Also, the mirror ratio of the two current mirror circuits is equal (M = MN= MP)
IC2-ID2 ≒ -2 × M × √ (2βI) × δV
It becomes.
[0121]
For example, M = 5, β = 1 mA / VTwo, I = 0.2 μA, IC2-ID2 = 20 μA when the output voltage drops by 0.1 V (δV = −0.1 V).
[0122]
In other words, a driving current of 20 μA, which is sufficiently large with respect to the steady current of 1 μA (0.2 μA × 5) of IC2 and ID2, is obtained even for a small change of 0.1 V in the output voltage. Therefore, the terminal 6 can be driven to the minimum VSS and the terminal 7 can be driven to the maximum VCC even for a slight change in the output voltage, to the limit of the power supply voltage range. In the driving direction, the terminal 7 is driven to VCC when the output voltage decreases, and the terminal 6 is driven to VSS when the output voltage increases. Accordingly, when there is an error in the output voltage, the second push-pull circuit is driven by the signal obtained by amplifying the error, and the operation is performed to eliminate the error in the output voltage. Therefore, a significantly higher driving capability can be provided as compared with the case of simply driving with a source follower circuit as in the conventional example. Further, even if the bias current in the steady state is suppressed to a sufficiently low value, a high drive current can be obtained by amplifying the error. Further, as can be easily understood from the above equation, this circuit operates symmetrically with respect to the direction of the error, so that the same driving capability can be obtained for charging and discharging of the output.
[0123]
Next, the accuracy of the present circuit as a voltage follower will be described. In this circuit, an error in the output voltage is detected by the first push-pull circuit, and the amplified signal is used to drive the second push-pull circuit. Therefore, the output voltage accuracy (input / output voltage difference) is determined by the voltage accuracy (input / output voltage difference) of the first push-pull circuit. In the first push-pull circuit, when a steady state, that is, a condition in which IC1 = ID1 holds, is obtained, a relationship between the input voltage V (IN) and the output voltage V (OUT) is obtained, and the following equation is obtained.
[0124]
V (OUT) −V (IN) = β × (VN1−VTN) − (VP1−VTP) / (βR+1)
here
βR= √ (βTN2/ ΒTP2)
, And VTN and VTP are the absolute values of the gate threshold voltages of the N-channel and P-channel MOS transistors, respectively. As is apparent from this equation, by giving VN1 and VP1 characteristics that change in accordance with changes in VTN and VTP, and by appropriately selecting the β of the transistor, the N-channel transistor and the P Even if the element characteristics of the channel transistor change independently, the voltage difference between the output and the input can be made zero. The voltage source as described above can be easily configured by connecting the gate and the drain of each channel conductivity type MOS transistor and flowing a predetermined current through it, as described in the next embodiment. In general, even if there are variations in characteristics between elements of different conductivity types, since the transistors of the same conductivity type go through the same manufacturing process, the characteristic difference between the elements can be suppressed to a sufficiently small value. In particular, when the gate width and the gate length are designed to have sufficiently large values compared to the processing accuracy with respect to variations in the processing shape, the characteristic difference between the element pairs can be further reduced. For example, taking the gate threshold voltage as an example, the difference between pairs of elements of the same conductivity type can be easily reduced to about 20 to 30 mV or less, but the difference between the elements of different conductivity types can be easily reduced. Generally, the variation is about 200 mV at the maximum, which is about one digit larger. As described above, the voltage accuracy (input / output voltage difference) of the first push-pull circuit is suppressed to about 20 to 30 mV, which is determined by the threshold voltage difference between the transistor pair, which is about one digit lower than the conventional method.
[0125]
Now, a transient operation will be described with reference to FIG. Now, consider a case where the input voltage V (IN) decreases from time t0 to t1 and increases from time t4 to t5. Since the output does not immediately follow immediately after the input voltage drops, the transistor TN2 is cut off from the time t1 to the time t2, and the value of the current IC1 becomes almost zero. On the other hand, ID1 increases, and the voltage V (6) at the terminal 6 drops to almost VSS (0V). As a result, the driving capability of the transistor TP4 increases, and the output OUT is discharged at a high speed. After the time t2, when the difference between the output voltage and the input voltage decreases, the transistor TN2 starts to conduct, and finally at the time t2 when the voltage difference between the input and the output disappears, IC1 = ID1, and a steady state is established. When the input voltage rises, symmetrically, the voltage at terminal 7 rises to VCC, charging the output at high speed.
[0126]
As described above, according to the present invention, even if there is a variation in the manufacturing process, the error between the input and output voltages is small, and the voltage follower that can charge and discharge a large-capacity load at high speed in a transient state. Can be provided. In addition to the application as a voltage follower, the present circuit can be used as a high-performance current detection circuit by inputting a signal current to the output terminal OUT and extracting an output from the terminal 6 or 7.
[0127]
Next, an embodiment in which the above-described circuit is applied to an intermediate voltage (VCC / 2) generating circuit of a dynamic memory will be described with reference to FIGS. FIG. 31 shows a configuration example of the intermediate voltage generation circuit according to the present invention. In the figure, 30 is a reference voltage generating circuit, 31 is a first complementary push-pull circuit, 32 is a current mirror type amplifier circuit, and 33 is a second complementary push-pull circuit. The reference voltage generation circuit generates an intermediate voltage at the terminal 34 by dividing the power supply voltage in half by two resistors R3 and R4 having the same resistance value. By using the same type of elements for the resistors R3 and R4, a fairly accurate value can be obtained for the intermediate voltage. It should be noted that the element for obtaining the intermediate voltage is not limited to a resistor, and it is obvious that a similar circuit can be formed using, for example, a MOS transistor or the like. The first push-pull circuit is basically the same as the push-pull circuit 1 shown in FIG. Here, a resistor R5 and an N-channel MOS transistor TN10 are used instead of the voltage source VN1, and a resistor R6 and a P-channel MOS transistor TP10 are used instead of the voltage source VP1. Thus, as described in the previous embodiment, the voltage of terminal 35 is always automatically set to a value higher than input terminal 34 by almost the gate threshold voltage of the N-channel MOS transistor. Can be. The resistance value is selected so that the current flowing through R5 or R6 becomes a small value of about a fraction to one-tenth of the current flowing through R3 or R4. This is because even if the characteristics of the N-channel transistor and the P-channel transistor vary independently and the current value flowing (or flowing) from the push-pull circuit to the reference voltage generating circuit fluctuates, the voltage at the terminal 34 is affected. This is to prevent fluctuation. The current mirror type amplifier circuit 32 has exactly the same configuration as the current mirror type amplifier circuit 2 shown in FIG. The second push-pull circuit is basically the same as the push-pull circuit 3 shown in FIG. Here, an N-channel MOS transistor TN14 is used instead of the voltage source VN2, and a P-channel MOS transistor TP14 is used instead of the voltage source VP2. By doing so, similarly to the first push-pull circuit, the value of the bias current flowing through the push-pull circuit is kept from changing with the change in the threshold voltage of the transistor. With the above-described circuit configuration, a high-precision intermediate voltage can be obtained for the output HVC, and the load capacitance CL can be charged and discharged at high speed.
[0128]
32 (a) and 32 (b) show the results obtained by computer analysis of the performance comparison between the present circuit system shown in FIG. 31 and the conventional circuit system shown in FIG. In FIG. 32A, the horizontal axis represents the difference between the absolute values of the gate threshold voltages of the N-channel transistor and the P-channel transistor, and the vertical axis represents the value of the intermediate voltage. From this result, in the conventional circuit, when the threshold voltage difference fluctuates by ± 0.2 V, the output voltage fluctuates by about ± 100 mV (about ± 13% with respect to 0.75 V). In the circuit (1), the output voltage fluctuation is about ± 8 mV (about ± 1% with respect to 0.75 V), which can be reduced by one digit or more compared to the related art. FIG. 32 (b) plots the rise time of the output voltage after the power is turned on against the power supply voltage. The rise time is defined as the time when the output voltage reaches 90% of the steady value. The value of the load capacity is assumed to be the total capacity of the bit line precharge power supply and the plate electrode of the 64M bit DRAM. As can be seen from this analysis result, according to the circuit of the present invention, the load can be raised in about one digit shorter time than the conventional circuit.
[0129]
FIG. 33A is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 40 denotes a complementary push-pull type voltage follower circuit, and reference numeral 41 denotes a tri-state buffer. The voltage follower circuit is basically the same as the push-pull circuit 1 in FIG. Here, the tri-state buffer operates so as to supplement the driving capability of the push-pull circuit. The tri-state buffer includes a P-channel transistor TP21 and an N-channel transistor TN21 for driving a load, two differential amplifier circuits (comparators) AMP1 and AMP2 for driving these transistors, and two voltages for setting an offset amount. It comprises a source VOSL and a VOSH. The operation of this circuit depends on which of the following three voltage conditions applies.
[0130]
(1) V (OUT)> V (IN) + VOSH
(2) V (IN) + VOSH> V (OUT)> V (IN) -VOSL
(3) V (IN) −VOSL> V (OUT)
Under the voltage condition (1), the voltage of the output OUT becomes higher than the voltage of the terminal 43, and the voltage of the terminal 45 becomes a high voltage level (VCC). Further, the voltage of the terminal 44 also becomes a high voltage level (VCC). Therefore, the N-channel transistor TN21 conducts, the P-channel transistor TP21 cuts off, and discharges the load. Under the voltage condition (2), the voltage of the output OUT becomes lower than the voltage of the terminal 43, and the voltage of the terminal 45 becomes a low voltage level (VSS). Further, the voltage of the terminal 44 maintains a high voltage level (VCC). Therefore, the two transistors TN21 and TP21 are both cut off, and the output is in a high impedance state. Under the voltage condition (3), the voltage of the output OUT becomes lower than the voltage of the terminal 42, and the voltage of the terminal 44 becomes a low voltage level (VSS). Further, the voltage of the terminal 45 maintains a low voltage level (VSS). Therefore, the N-channel transistor TN21 is cut off and the P-channel transistor TP21 becomes conductive, charging the load. Thus, there are three states (discharge when the output voltage increases beyond a certain range around the input voltage, charging when the output voltage decreases below a certain range, and neither charging nor discharging if within the certain range) ( (Tri-state). The operation of this circuit during a transition is shown in FIG. Now, consider the case where the input voltage V (IN) drops at time t0 and rises at time t2. At the time of falling, the voltage of the terminal 45 becomes VCC from time t0 to time t1 when the output voltage becomes equal to “(voltage in a steady state) + VOSH”, the transistor TN21 is turned on, and the load is discharged. Further, at the time of rising, the voltage of the terminal 44 becomes VSS from time t2 to time t3 when the output voltage becomes equal to “(voltage in a steady state) −VOSL”, the transistor TP21 is turned on, and the load is charged. .
[0131]
In this way, by combining the push-pull circuit with the tri-state buffer, when the voltage error between the input and the output becomes larger than a certain level, the transistor having a high driving capability is turned on to increase the response speed in the transient state. be able to. It is possible to speed up the convergence to the set voltage by setting the values of the two voltage sources VOSL and VOSH as small as possible for setting the offset amount. However, in order to avoid malfunction, the differential amplifier circuit (comparator) AMP1 is used. And a value sufficiently higher than the input offset voltage of AMP2. When a circuit is constituted by MOS transistors, this value is desirably 50 mV or more. The circuit configuration of the tri-state buffer is not limited to the example shown here, and any other system may be used as long as the same function is realized.
[0132]
Next, an embodiment in which a voltage follower using a tri-state buffer is applied to an intermediate voltage (VCC / 2) generating circuit of a dynamic memory will be described with reference to FIGS. FIG. 34 shows a configuration example of the intermediate voltage generation circuit according to the present invention. 34, reference numeral 50 denotes a reference voltage generation circuit, 51 denotes a voltage follower circuit described with reference to FIG. 29, and 52 denotes a tri-state buffer. In this case, by adding a tri-state buffer to the intermediate voltage generating circuit shown in FIG. 31, the restoration ability when the voltage error between input and output becomes large is enhanced. Hereinafter, the configuration and operation of the tri-state buffer will be described. The feature of this embodiment lies in that the first push-pull circuit is used as it is, an error voltage is detected using the difference in the mirror ratio of the current mirror circuit, and the tri-state buffer is activated. In FIG. 34, TP36 and TP37 are P-channel MOS transistors, TN36 and TN37 are N-channel MOS transistors INV1 and INV2 are inverters, TP38 is a P-channel MOS transistor configured to drive a load by the output of the inverter INV1, and TN38 is an inverter INV2. N-channel MOS transistors adapted to drive a load with the output of FIG. TP32 and TP36 and TP32 and TN37 each constitute a current mirror circuit. Here, the current flowing through the transistor TN31 is denoted by IC1, the current flowing through the transistor TP31 is denoted by ID1, the current flowing through the transistor TN36 is denoted by ID2, and the current flowing through the transistor TP36 is denoted by IC2. The relationship between the output voltage error δV and IC1 and ID1 is as described above.
IC1-ID1 ≒ -2√ (2βI) × δV
Can be approximated. The mirror ratio of the current mirror circuit is
MP1= IC2 / IC1 = βTP36/ ΒTP32
MN1= ID2 / ID1 = βTN36/ ΒTP32
Then, the following expression is obtained.
IC2 / MP1-ID2 / MN1{-2} (2βI) × δV
Now, when an offset voltage Vos is applied to the output, it is assumed that IC2 = ID2, and the current value at that time is I2TwoAnd the offset voltage Vos is
Vos @ ITwo/ (2 × α) × (MP1-MN1) / (MN1× MP1)
It is expressed as here,
α = √ (2βI1)
Further, β is β, I of a transistor constituting the first push-pull circuit.1Is a current flowing through the first push-pull circuit in a steady state. For example, I1= 0.2 μA, ITwo= 1 μA, β = 1 mA / VTwo, MN1= 1, MP1Assuming that = 0.2, the offset voltage Vos becomes -100 mV. That is, when the output voltage drops from the steady value by 100 mV or more, the input voltage of the inverter INV1 transitions from the low level to the high level, and the output voltage transitions from the high level to the low level, thereby turning on the driving P-channel MOS transistor TP38, Charge the load. Similarly, by appropriately selecting the constants of the transistors TP37 and TN37, the N-channel MOS transistor TN38 can be turned on to discharge the load when there is a predetermined positive offset.
[0133]
As described above, by adopting the circuit configuration as shown in this embodiment, the same function as that shown in FIG. 33 can be realized. Further, in this circuit method, since the offset amount is determined by the mirror ratio of the current mirror circuit, the offset amount can be accurately set if care is taken to reduce the characteristic difference between the transistor pair. Further, since there is no need to separately provide a high-precision differential amplifier circuit, high performance can be realized with low power consumption and a simple configuration.
[0134]
FIG. 35 shows a result obtained by computer analysis of the performance comparison between the present circuit system and the conventional circuit system shown in FIG. FIG. 35 is a graph in which the rise time of the output voltage after the power is turned on is plotted against the power supply voltage. The rise time is defined as the time when the output voltage reaches 90% of the steady value. The value of the load capacity is assumed to be the total capacity of the bit line precharge power supply and the plate electrode of the 64M bit DRAM. As can be seen from this analysis result, according to the circuit of the present invention, the rise time can be further reduced by about half an order as compared with the embodiment shown in FIG. The load can be started up in about one and a half times shorter than the conventional circuit. As described above, by combining the tri-state buffer with the push-pull circuit, it becomes possible to provide a voltage follower circuit capable of following the input at a higher speed. Since the voltage setting accuracy is determined by the push-pull circuit, the voltage error between the available powers can be made extremely small, as in the case of the previous embodiment.
[0135]
In the above embodiment, the circuit configuration for driving a large-capacity load in an integrated circuit (LSI) at high speed has been described. However, if an attempt is made to drive at a higher speed, a transient current during charging / discharging becomes a serious problem. For example, the load capacitance of the intermediate voltage generating circuit of a DRAM of about 64 Mbits is about 115 nF, but the current value when driving this with an amplitude of 1 V for 5 μs reaches 23 mA. This is equivalent to the current consumption value of the DARM. Driving at a higher speed causes an influence on main circuit characteristics, for example, generation of noise in a power supply line and reduction in reliability of a drive signal line. Not preferred due to danger. In general, in an ultra-highly integrated LSI, particularly in a memory, the entire LSI is often configured with a plurality of blocks of the same type, and at the time of operation, a configuration is often adopted in which only some of the blocks are activated. In such an LSI, it is effective to apply the embodiment described below.
[0136]
FIGS. 36 and 37 show an embodiment in which the present invention is applied to an intermediate voltage supply system of a dynamic memory (DRAM). In FIG. 36, MB0, MB1 to MBi are i + 1 memory blocks, 60 to 62 are word line selection circuits, 68 to 70 are intermediate voltage leads from each memory block, and 76 and 77 are two sets of intermediate voltages. Generating circuits, 74 and 75 are signal lines for supplying intermediate voltages HVC1 and HVC2 to each memory block from two sets of intermediate voltage generating circuits, and 71 to 73 are for supplying one of two signal lines to the memory block. This is a switch provided for each block. The memory block MB0 includes a memory cell array MA0 in which memory cells are two-dimensionally arranged, an input / output control for amplifying a signal read from the memory cell, outputting the amplified signal to the outside, and writing an external signal to the memory cell. It comprises a circuit block MC0, an input / output circuit 67 and the like. DL0, DL0 #, DLj # are data lines for transmitting signals to the memory cells, 63 is a plate electrode forming a counter electrode of the storage capacitor, and 64 is a precharge voltage arranged to make the data line an intermediate voltage when not selected. Supply lines, PC is a precharge signal line, SA0 to SAj are sense amplifiers for detecting and amplifying signals read from memory cells, and 65 and 66 are common input / outputs for transmitting signals between the input / output circuit 67 and each data line. Line pairs IO0 to IOj are IO gates for controlling connection between a data line pair selected by an address designating signal and a common input / output line pair.
[0137]
Now, let us consider a case where only one block MB0 is selected from the (i + 1) memory blocks to be in an operation state. At this time, one word line in MA0 is selected by the word line selection circuit 60, and transitions to a high level. At the same time, the switch 71 is controlled, and the intermediate voltage lead line 68 is connected to the intermediate voltage supply signal line 75. On the other hand, the lead lines 69 and 70 from the unselected memory blocks MB1 to MBi are connected to the intermediate voltage supply signal line 74. Thus, the load of i memory blocks is connected to the intermediate voltage generating circuit 76, whereas the load of only one memory block is connected to the intermediate voltage generating circuit 77. For example, when i = 15, the load capacity driven by the intermediate voltage generating circuit 77 is 1/15 of the load capacity driven by the intermediate voltage generating circuit 76. Therefore, even if the same circuit is used for 76 and 77, the intermediate voltage of the selected block MB0 operates 15 times faster than the intermediate voltage of the non-selected block. From the viewpoint of circuit performance, the response speed of the unselected memory block is independent of the performance of the memory. Therefore, the performance of the entire memory can be improved with almost no increase in transient current. FIG. 37 shows a temporal change of the intermediate voltage when the power supply voltage changes during the memory operation. That is, it is assumed that the voltage VCC has dropped between time t0 and time t2. It is also assumed that memory block MB0 is selected from time t0 to t1 and after time t3, and memory block MB1 is selected from time t1 to t3. From time t0 to time t1, block MB1 is not selected, so that intermediate voltage V (69) responds slowly, whereas block MB0 is selected, so that intermediate voltage V (68) is low. Following fast. When the block MB1 is switched to the selection and the block MB0 is switched to the non-selection at the time t1, the voltage V (69) immediately changes toward the voltage to be set. As described above, according to the present embodiment, a large-capacity load such as an intermediate voltage of a dynamic memory can be driven at a substantially high speed without substantially increasing a transient current. In this example, an example in which the present invention is applied to an intermediate voltage of a dynamic memory has been described. However, the application range is not limited to this. The present invention can be generally applied to integrated circuits.
[0138]
Although the details of the present invention have been described with reference to the embodiments, the scope of the present invention is not limited thereto. For example, the case where an LSI is constituted by CMOS transistors has been mainly described here. However, an LSI using a bipolar transistor, an LSI using a junction type FET, a BiCMOS type LSI combining a CMOS transistor and a bipolar transistor, and a silicon Other materials, for example, LSI in which elements are formed on a substrate of gallium arsenide or the like can be applied as they are.
[0139]
In this embodiment, a current mirror circuit is used as a current amplifier circuit, but another current amplifier circuit can be used.
[0140]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the input / output control circuits connecting the data lines and the I / O lines are alternately arranged on the left and right sides of the memory cell array, and the transfer impedance between the data lines and the I / O lines is reduced. By adopting a circuit configuration that changes between the reading operation and the writing operation, it is possible to operate stably at high speed even at a low voltage.
[0141]
Further, the present invention is also suitable for a parallel test, and can greatly reduce the test time.
[0142]
Furthermore, according to the present invention, since the gate transistor of the word line drive transistor operates at a low level, it operates stably as a word driver even if the power supply voltage decreases. In addition, the voltage conversion circuit which constantly raises the data line voltage VL to a voltage VCH higher than the data line voltage VL by the threshold voltage VT of the switch transistor of the memory cell and operates as a power supply of the word driver has its rectifier. The gate voltage of the transistor for use can be higher than the drain voltage by a threshold voltage or more, and the backflow of charges can be prevented, so that the output voltage can be increased to 2 VL which is the theoretical value of the voltage doubler generation circuit. Further, by using the oscillation circuit and the timing generation circuit using the RC delay, the delay time between the oscillation frequency and the timing becomes stable with respect to the power supply voltage fluctuation, so that the voltage conversion efficiency can always be kept in the best state. Further, by selecting three types of threshold voltages of the transistors, it is possible to achieve low voltage stabilization, high speed, and low power consumption. Thus, a semiconductor integrated circuit that operates stably even when the power supply voltage is the electromotive force of one battery can be realized.
[0143]
Further, according to the present invention, in a highly integrated LSI, a circuit configuration for driving a large load capacitance at high speed with high voltage accuracy, or a circuit for driving a large load capacitance at high speed without flowing a large transient current We can provide a method. For example, in the conventional circuit, if the output voltage fluctuates by about 13% with respect to 0.75 V when the threshold voltage difference of the transistor is 0.2 V, according to the present invention, it is suppressed to about 1%. Thus, the voltage accuracy is improved by one digit or more, and the high-speed response is obtained so that the rise time of the output voltage after the power is turned on is improved by about one digit or more compared with the conventional circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing an effect of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the effect of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing an embodiment in which the effect obtained by using FIGS. 1 to 6 is further enhanced.
FIG. 10 is a diagram showing an embodiment when a plurality of memory cell arrays exist.
FIG. 11 is a diagram showing an embodiment of a parallel test.
FIG. 12 is a diagram showing an example of a parallel test.
FIG. 13 is a diagram showing an embodiment of a parallel test.
FIG. 14 is a diagram showing an example of a parallel test.
FIG. 15 is a diagram showing an embodiment of a parallel test.
FIG. 16 is a diagram showing an embodiment of a parallel test.
FIG. 17 is a diagram showing an embodiment for writing an arbitrary write voltage to a memory cell.
FIG. 18 shows an embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a timing chart.
FIG. 20 shows a conventional example and a timing chart thereof.
FIG. 21 shows a conventional example and its timing chart.
FIG. 22 shows an embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a timing chart.
FIG. 24 shows an embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a timing chart.
FIG. 26 shows an embodiment of the present invention.
FIG. 27 shows an embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a view showing the effect of the embodiment in FIG. 22;
FIG. 29A is an example for explaining the basic concept of the present invention.
(B) is a diagram for explaining the operation during the transition.
FIG. 30 shows a conventional example of an intermediate voltage generating circuit for a DRAM.
FIG. 31 is a specific example in which the present invention is applied to an intermediate voltage generating circuit of a DRAM.
FIG. 32 illustrates an effect of the present invention.
FIG. 33 (a) is an embodiment for explaining another basic concept of the present invention. (B) is a diagram illustrating the operation.
FIG. 34 shows a specific embodiment applied to an intermediate voltage generating circuit of a DRAM.
FIG. 35 is a diagram illustrating the effect.
FIG. 36 is a view for explaining a specific embodiment in which another basic concept of the present invention is applied to an intermediate voltage driving method for a DRAM.
FIG. 37 is a diagram for explaining a change in the intermediate voltage in the embodiment of FIG.
[Explanation of symbols]
MA: memory cell array, CKT: input / output control circuit, RG0, RG1: read gate, WG0, WG1: write gate, SA0, SA1: sense amplifier, SWR0, SWR1: read switch, SWW0, SWW1: write switch, RO, RO ̄: read line, WI, WI ̄: write I / O line, dy: data line pitch, WD: word driver, XD: X decoder, VLG: voltage conversion circuit for memory array, VCHG: for word line Voltage conversion circuit, W: word line, φ ̄P: precharge signal, FX: word line drive pulse generation circuit, φX: word line drive pulse, CP: charge pump circuit, RECT: rectifier circuit, VL: data line voltage or Internal (for array) power supply voltage, VCH ... Word line voltage conversion circuit output voltage, φ, φ ̄, PA, PA ̄ PB, PB ̄: step-up pulse for word line voltage conversion circuit, OSC: ring oscillator output pulse, C, C1, C2, C3, C4, CA, CB, CD: capacitor, R, R1, R2: resistor, QD1, QP, Q9, Q10: P-channel MOS transistors, QT, QD2, QS, QD, QA, QB, QC, QP, Q1, Q8, Q11, Q19: N-channel MOS transistors, I1, I25, I30, I33: inverters, NA1, NA2 NAND circuit, NO1 NOR circuit, VEXT external power supply voltage, 1, 31, 40 ... first complementary push-pull circuit, 2, 32 ... current mirror type push-pull amplifier circuit, 3, 33 ... Two complementary push-pull circuits, 30, 50 ... reference voltage generating circuits, 41, 52 ... tri-state bus AMP1, AMP2: Differential amplifier circuit, MB0 to MBi: Memory block, 60 to 62: Word line selection circuit, 71 to 73: Switch, 76, 77 ... Intermediate voltage generation circuit (drive circuit), MA0 ... Memory cell array, MC0: signal amplification and input / output control circuit group, SA0 to SAj: detection amplification circuit (sense amplifier), IO0 to IOj: input / output gate, 67: input / output circuit.

Claims (10)

複数のワード線と複数のデータ線の交点に設けられた複数のメモリセルと、前記複数のワード線に対応して設けられた複数のワードドライバと、
第1電位を受けて第2電位を発生させる電圧変換回路とを有し、
前記複数のワードドライバの動作電圧は常にデータ線電圧より前記メモリセル内のトランジスタのしきい値以上に高い電圧であり、
前記複数のワード線の一つが選択されるとき、対応する前記ワードドライバは、前記第2電位を、スイッチ手段を介して選択されたワード線に印加し、
前記電圧変換回路は、第1ノードと第2ノードを持つ第1キャパシタと、
前記第1電位と前記第2ノードの間に結合されたソース・ドレイン経路を持つ第1MOSトランジスタと、
第3ノードと第4ノードを持つ第2キャパシタと、
前記第1電位と前記第4ノードの間に結合されたソース・ドレイン経路を持つ第2MOSトランジスタと、
第5ノードと第6ノードを持つ第3キャパシタと、
前記第1電位と前記第6ノードの間に結合されたソース・ドレイン経路を持つ第3MOSトランジスタとを具備し、
前記第1MOSトランジスタのゲートは、前記第4ノードに接続され、
前記第2MOSトランジスタのゲートは、前記第2ノードに接続され、
前記第3MOSトランジスタのゲートは、前記第4ノードに接続されることを特徴とする半導体装置。
A plurality of memory cells provided at intersections of a plurality of word lines and a plurality of data lines, and a plurality of word drivers provided corresponding to the plurality of word lines;
A voltage conversion circuit that receives the first potential and generates a second potential,
The operating voltage of the plurality of word drivers is always higher than a data line voltage by a threshold value of a transistor in the memory cell or more,
When one of the plurality of word lines is selected, the corresponding word driver applies the second potential to the selected word line via switch means;
The voltage conversion circuit, a first capacitor having a first node and a second node,
A first MOS transistor having a source / drain path coupled between the first potential and the second node;
A second capacitor having a third node and a fourth node;
A second MOS transistor having a source / drain path coupled between the first potential and the fourth node;
A third capacitor having a fifth node and a sixth node,
A third MOS transistor having a source / drain path coupled between the first potential and the sixth node;
A gate of the first MOS transistor is connected to the fourth node;
A gate of the second MOS transistor is connected to the second node;
The semiconductor device according to claim 1, wherein a gate of the third MOS transistor is connected to the fourth node.
請求項1において、
前記スイッチ手段はP形MOSトランジスタを具備し、
前記電圧変換回路は、前記第1電位と前記第2ノードの間に結合されたソース・ドレイン経路を持ち、そのゲートが前記第1電位に接続される第4MOSトランジスタと、
前記第1電位と前記第4ノードの間に結合されたソース・ドレイン経路を持ち、そのゲートが前記第1電位に接続される第5MOSトランジスタとを更に具備することを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The switch means comprises a P-type MOS transistor;
A fourth MOS transistor having a source / drain path coupled between the first potential and the second node, the gate of which is connected to the first potential;
A semiconductor device, further comprising: a fifth MOS transistor having a source / drain path coupled between the first potential and the fourth node and having a gate connected to the first potential.
請求項1又は2において、
前記電圧変換回路は、前記第1電位と前記第6ノードの間に結合されたソース・ドレイン経路を持ち、そのゲートが前記第1電位に接続される第6MOSトランジスタを更に具備することを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or 2,
The voltage conversion circuit further includes a sixth MOS transistor having a source / drain path coupled between the first potential and the sixth node, and having a gate connected to the first potential. Semiconductor device.
請求項1から3のいずれかにおいて、
前記第1ノードは、所定の周期で前記ハイレベルとロウレベルに駆動され、
前記第3ノードは、前記第1ノードがハイレベルで駆動される時はロウレベルで駆動され、前記第1ノードがロウレベルで駆動されるときはハイレベルに駆動され、
記第5ノードは、前記第1ノードがハイレベルで駆動される時はハイレベルで駆動され、前記第1ノードがロウレベルで駆動されるときはロウレベルに駆動されることを特徴とする半導体装置。
In any one of claims 1 to 3,
The first node is driven to the high level and the low level in a predetermined cycle,
The third node is driven at a low level when the first node is driven at a high level, and is driven at a high level when the first node is driven at a low level.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the fifth node is driven at a high level when the first node is driven at a high level, and is driven at a low level when the first node is driven at a low level.
請求項1から4のいずれかにおいて、
前記電圧変換回路は、前記第6ノードと前記第2電位を出力するための出力ノードとの間に結合されたソース・ドレイン経路を持つ整流用トランジスタを更に具備することを特徴とする半導体装置。
In any one of claims 1 to 4,
The semiconductor device, wherein the voltage conversion circuit further includes a rectifying transistor having a source / drain path coupled between the sixth node and an output node for outputting the second potential.
請求項5において、
前記電圧変換回路は、前記第2電位より高い第3電位を出力するための第2チャージポンプ回路を更に具備し、
前記第2チャージポンプ回路の出力ノードは、整流用トランジスタのゲートに接続されることを特徴とする半導体装置。
In claim 5,
The voltage conversion circuit further includes a second charge pump circuit for outputting a third potential higher than the second potential,
An output node of the second charge pump circuit is connected to a gate of a rectifying transistor.
請求項6において、
前記第2チャージポンプ回路は、前記5ノードがハイレベルとされる期間に前記整流用トランジスタのゲートに前記第1電圧よりも大きな電圧を印加することを特徴とする半導体装置。
In claim 6,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the second charge pump circuit applies a voltage higher than the first voltage to a gate of the rectifying transistor during a period when the five nodes are at a high level.
請求項1から7のいずれかの半導体装置はアドレス信号を受けるデコーダを更に具備し、
前記メモリセルはダイナミック型メモリセルであり、
前記ワードドライバはスタティック型のワードドライバで、前記デコーダの出力を受け、前記電圧変換回路の出力を動作電圧とすることを特徴とする半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a decoder for receiving an address signal.
The memory cell is a dynamic memory cell,
The semiconductor device, wherein the word driver is a static word driver, receives an output of the decoder, and uses an output of the voltage conversion circuit as an operating voltage.
請求項1から8のいずれか一つにおいて、
前記第1電位は、1.5V以下であることを特徴とする半導体装置。
In any one of claims 1 to 8,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first potential is 1.5 V or less.
請求項1乃至請求項9のいずれかにおいて、
前記第1から第3MOSトランジスタのそれぞれはN形MOSトランジスタであることを特徴とする半導体装置。
In any one of claims 1 to 9,
A semiconductor device, wherein each of the first to third MOS transistors is an N-type MOS transistor.
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