JP3722307B2 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリ回路と論理回路を同一の半導体チップ上に集積した半導体集積回路において、高速でかつメモリ容量やデータ入出力線数の変更が容易なメモリマクロを実現するための技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、LSIの高集積化が進み、1cm角程度の半導体チップ上に大容量のメモリと大規模な論理回路や演算回路を集積することが可能となりつつある。このようなチップでは、メモリのデータ入出力線(以下、I/O線という。)の本数を数百本以上とすることにより、メモリと論理回路や演算回路の間のデータ転送速度を1Gバイト/秒以上と非常に高速にすることができる。このため、メモリとの間で高速のデータ転送が必要な画像処理用途などで期待が集まっている。
【0003】
上記用途に適用可能な従来技術としては、例えば、Toshio Sunaga, et al., "DRAM Macros for ASIC Chips," IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUIT, VOL. 30, NO. 9, SEPTEMBER 1995に記載されたメモリマクロの例がある。従来技術によれば、メモリマクロ1個の容量は256Kビット〜1Mビットで、そこから8〜16本のI/O線を出している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記メモリマクロを用いて画像処理用のLSIを構成する場合を本発明者等が検討を行った。例えば、メモリマクロの容量を256Kビット、I/O線数を8本、LSIで必要なI/O線数を512本とすると、メモリマクロは64個必要になる。このときの容量は16Mビットになる。
【0005】
画像処理の分野で2次元のデータを処理する場合、例えば、ぼやけた画像を復元する場合や、文字や特定のパターンを認識する場合は、上記ほどのメモリ容量は必要としないが、高速性を要求される。この場合、速度だけを考慮するなら従来のメモリマクロを多数配置して並列動作させればよいが、それではメモリ容量が大きくなり過ぎチップサイズが大きくなってしまう。
【0006】
一方、3次元データを処理する場合は、多量のデータを高速に処理する必要がある。この場合には、上記のようにメモリマクロを多数並列動作させることで対応できる。しかし、家庭用か工業用かといった用途の違いやデータの種類によってはさらに多くのI/O線を必要としたり、さらに多くの容量を必要としたりする場合がある。
【0007】
以上のように、同じ画像処理の分野でも必要なデータ転送速度やメモリ容量がチップの用途やデータの種類によって様々なので、従来のメモリマクロではその度にメモリマクロを再設計する必要があるという問題がある。また、メモリマクロの中に動作に必要なすべての回路が入っているため多数のマクロを配置すると回路のオーバーヘッドが大きくなるという問題もある。
【0008】
以上のように従来のメモリマクロでは、メモリマクロの数を増やすことでI/O線の本数を増やしていたので、I/O線の本数とメモリ容量を自由に設定できないという問題がある。またメモリマクロの中に動作に必要なすべての回路が入っているため多数のメモリマクロを配置すると回路のオーバーヘッドが大きくなるという問題もある。
【0009】
本発明が解決しようとする課題は、メモリマクロを小容量から大容量まで自由に容量を可変にすることである。また、本発明が解決しようとする別の課題は、メモリマクロと論理回路モジュールとの間のデータ転送速度を高速にすることである。さらに、本発明が解決しようとする別の課題は、メモリマクロ内の回路のオーバーヘッドが少ないメモリマクロを実現することである。またさらに、本発明が解決しようとする別の課題は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)設計に適したメモリマクロ実現することにある。
【0010】
本発明の前記並びにその他の課題と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
【0012】
すなわち、バンクモジュール(BANK:第1モジュール)のメモリセルアレイ中にビット線方向に伸びる多数のI/O線(グローバルビット線(GBL))を配置する。メモリマクロ(MMACRO)をアンプモジュール(AMP:第2モジュール)、バンクモジュール(BANK)、電源モジュール(PS:第3モジュール)等の機能モジュールの組み合わせで構成する。バンクモジュールを複数用いる。各モジュールを隣接して配置するだけで接続される構成とする。さらに上記アンプモジュール内にそれらをバイト単位で活性化、非活性化できるような回路を設ける。複数のバンクモジュールのうちの1つのモジュールをROMモジュールとする。
【0013】
メモリマクロのワード線(W)とカラム選択線(YSi)は同方向に延ばす。メモリアレイの1辺のワードドライバ(WD)とカラムデコーダ(YD)を配置する。センスアンプ(SA)はメモリアレイの両辺に配置する。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係るメモリマクロを順次項目に従って説明する。
【0015】
1.メモリマクロの構成及びメモリマクロの応用例
図1にはメモリマクロMMACROの構成とメモリマクロMMACROの画像処理LSIへの適用例が示される。図1に示される半導体集積回路SICは、論理回路ブロックLOGICとメモリマクロMMACROとを1個の単結晶シリコンの半導体基板上に形成し、樹脂封止(プラスチックパッケージに封止)される。図1に示されるモジュールや回路の配置及び配線は半導体チップ上の配置(レイアウト)と概ね対応している。
【0016】
1.1 メモリマクロの構成
メモリマクロMMACROの特長は、それぞれ機能の異なる複数の種類のモジュールの組み合わせで構成されていることである。メモリマクロMMACROは、バンクモジュールBANK(BANK-0〜BANK-n)、アンプモジュールAMP、電源モジュールPSの3種類のモジュールから構成される。
【0017】
バンクモジュールBANKは、複数のサブメモリセルアレイSUBARY (SUBARY-00〜SUBARY-i7)と、バンク制御回路BNKCNT-1と、バンク制御回路BNKCNT-2とからなる。
【0018】
サブメモリセルアレイSUBARYは、複数対のビット線B、/Bと、複数本のワード線W(図1では図面の大きさの関係で1本のみが示されている。)と、複数のメモリセル(図1では丸印により表示)と、メモリセルの読み出し前にビット線の電位を予め所定のレベルにするビット線プリチャージ回路PSと、メモリセルからの信号を増幅するセンスアンプSAと、複数対のビット線B、/Bのうちの1対を選択するY選択回路(YスイッチY-SW)と、選択されたビット線B、/BをアンプモジュールAMPと接続するグローバルビット線GBL、/GBLとからなる。なお、サブメモリセルアレイSUBARYは、バンクモジュールBANK内のI/O線の分割単位である。なお、複数対のビット線B、/Bと、複数本のワード線Wと、複数のメモリセルとからなるものを通常はメモリセルアレイと呼ばれるので、本願においては必要に応じて使い分ける。
【0019】
バンク制御回路BNKCNT-1は、ワード線Wを選択するXデコーダ(ローデコーダ)XDとビット線B、/Bを選択するYデコーダ(カラムデコーダ)YDなどを含む。バンク制御回路BNKCNT-1は、後述のバンクアドレスや制御信号を受けてビット線プリチャージ、ワード線選択、センスアンプ起動等の一連のメモリセルの読み出し動作に必要な信号を自動的に発生する。XデコーダXDにより1本のワード線Wが選択され、それと交差する(n×8×i)対(図1では図面の大きさの関係で、n=2の場合が示されているが、本実施の形態ではn=8である。)ビット線B、/Bのうち(8×i)対がさらにYデコーダYDの出力信号YSiにより選択される。選択されたビット線B、/Bは、ビット線B、/Bと平行に配置されるグローバルビット線GBL、/GBLを通じてアンプモジュールAMPとデータの授受を行う。
【0020】
バンク制御回路BNKCNT-2は、センスアンプ制御信号があるレベルに到達したことを検出するセンサ群を含む。
【0021】
アンプモジュールAMPは、制御信号やアドレス信号等をクロック信号と同期してバンクモジュールBANKに供給する主制御回路MAINCNTと、上記バンクモジュール群(BANK-0BANK0n) へのデータの読み書きを制御するバイト制御回路BYTCNTとで構成される。メモリマクロMMACRO外からの(8×i)本データ入出力線DQ(DQ00, .., DQ07, .., DQi7, .., DQi7)はここを通じてメモリセルに入力される。ここで、バイト制御信号BEiは、データ入出力線DQをバイト単位で開閉する信号である。
【0022】
電源モジュールPSは、バンクモジュールBANKに供給されるワード線駆動回路WDに必要なワード線電圧VCH(>電源電圧VCC)を発生するVCH発生回路VCHG、ビット線プリチャージに必要な電圧HVC(電源電圧VCC/2)を発生するビット線プリチャージ電圧発生回路HVCG、アレイ内基板電圧(バックバイアス電圧)VBB(<電源電圧VSS(グランド電位))を発生するアレイ内基板電圧発生回路VBBG等の各種電圧を発生するモジュールである。なお、低消費電流化や素子の信頼性向上のために動作電圧を外部電圧より低くしたい場合には、電源モジュールPSに降圧回路を組み込めばよい。
【0023】
バンクモジュールBANKに必要な制御信号及びアドレス信号は、各バンクモジュールBANKに共通になるようにしてあり、バンクモジュールBANKの下辺にビット線方向にバス状に置かれている。従って、これらの制御信号及びアドレス信号はバンクモジュールBANKに含めることもできる。すなわち、各バンクモジュールBANKは、制御信号及びアドレス信号を含めて同一のセル構造にすることができる。
【0024】
但し、ロー(row)系バンクアドレスRiとカラム(column)系バンクアドレスCiは、各バンクモジュールBANKに固有な信号であるため、バンクモジュールBANKの数だけ必要である。従って、ロー系バンクアドレスRiとカラム系バンクアドレスCiの配線を含めて各バンクモジュールBANKを同一のセルにするためには、簡単な方法としてはロー系バンクアドレスRiとカラム系バンクアドレスCiの配線を図1のメモリマクロMMACROの下辺或いは上辺から入力する。
【0025】
一方、 論理回路ブロックLOGICとのインタフェースを容易にするためには、メモリマクロMMACROへの制御信号、アドレス信号、データ入出力線DQの全ての信号線を、セルの1辺(図1では左辺)に集中するのがよい。従って、図1のメモリマクロMMACROの左辺からロー系バンクアドレスRiとカラム系バンクアドレスCiの配線を入力するには、図16の(a)に示されるように配線をレイアウトする。なお、配線も含めて同一セルにする必要が無い場合は、図16の(b)に示されるように配線をレイアウトする。
【0026】
また、バンクモジュールBANKとアンプモジュールAMPと電源モジュールPSの各モジュールのセルの高さは同一であり、グローバルビット線GBL、/GBL、電源線等が同一ピッチで配置されている。
【0027】
これによって、バンクモジュールBANKをシステムで必要な容量に合わせてビット線方向に必要な数だけ並べて、さらに上記のアンプモジュールAMP、電源モジュールPSの各モジュールをその左右に配置するだけで、所望のメモリマクロモジュールが完成できる。
【0028】
本発明の実施の形態のバンクモジュールBANKは256本のワード線(Xアドレスが8本)、1ワード線に(8×8×i)対のビット線が交差し、Yデコーダで1/8(Yアドレスが3本)に選択され、(8×i)対のグローバルビット線が入出力する。例えばi=16にすると、1個のバンクモジュールBANKは256K(K=1024)ビットの容量で128ビット幅でデータが入出力する。すなわち、256Kビット単位の大きさで容量が可変なメモリマクロモジュールが得られる。
【0029】
例えば、4個のバンクモジュールで1M(M=1048576)ビットのメモリマクロが、8個のバンクモジュールで2Mビットのメモリマクロが得られる。つまり、従来の汎用ダイナミックRAM(DRAM)の256Kビット、1Mビット、4Mビット、16Mビット等のように4倍ずつ容量が増加するのではなく、アプリケーションに必要だけの容量のメモリマクロが得られる。
【0030】
1.2 メモリマクロの動作モード
メモリマクロMMACROの外部信号と動作モードの関係が図2に示される。メモリマクロMMACROは、クロック信号CLKに同期してデータの入出力、アドレスの入力及び制御信号の入力が行われる。ここでAiはアドレス信号でありXデコーダXDに入力されるXアドレスAXijとYデコーダYD入力されるYアドレスAYiを含む。従来の汎用DRAMのようにアドレス信号はX系とY系とでマルチプレクスされていない。
【0031】
バンクモジュルBANKを選択するロー系バンクアドレスRiとカラム系バンクアドレスCiは、バンクモジュール数が可変なため、デコードせず々のバンクモジュールBANKに固有の信号となっている。同一バンクモジュールBANK内におけるロー系、カラム系のコマンド信号の区別は、それぞれロー系バンクアドレスRiとカラム系バンクアドレスCiで行っている。制御信号としてCR、CC、RW、ACの4つがある。DQijは入出力用のI/O信号である。バイト制御信号BEiは、データ入出力線をバイトごとに独立に制御する信号で、これにより並列に読み書きするデータの量を1バイトから最大iバイトまでの範囲でバイト単位で増減できる。
【0032】
バンクモジュールBANKの活性(Bank Active)、閉鎖(Bank Close)は、クロック信号CLKの立ち上がりエッジでCR、ACとアドレス信号Aiを取り込むことにより行う。CR="H" (High level)、AC="H"で活性、CR="H"、AC="L"(Low level) で閉鎖となる。このとき、取り込むアドレス信号Aiはロー系のみでロー系バンクアドレスRiでバンクモジュールBANKの選択、アドレス信号Aiでワード線Wの選択を行う。図2のS0がバンクモジュールBANKの閉鎖状態を示している。S1はバンクモジュールBANKの活性状態を示している。また、S2は読み出し又は書き込み状態を示している。
【0033】
なお、図2に示されるLA2は、バンクモジュールBANKの活性コマンド入力から読み出し又は書き込みコマンドが入力可能なクロック数を示す。LAは、活性化されている同一バンクモジュールBANKでXアドレスを変更してから読み出し又は書き込みコマンドが入力可能なクロック数を示す。LRは、読み出し又は書き込みコマンド入力からバンクモジュールBANKの閉鎖コマンド入力可能クロック数を示す。
【0034】
図2の下部に示されるのはカラム系の制御信号と動作モードの関係である。こちらはクロック信号CLKの立ち上がりエッジでCC、BEi、RWとカラム系アドレス信号(上記アドレス信号Aiの残りとカラム系バンクアドレスCi)を取り込み、読み出し/書き込みを制御する。本実施の形態において読み出しコマンドを受けてからデータが出力されるまでのクロック数すなわちレイテンシ(Read latency)は2、書き込みコマンドを受けてから書き込みデータを入力するまでのレイテンシ(Write latency)は1である。これより、カラム系の制御信号は連続した読み出し、連続した書き込み、或いは書き込みから読み出し移る際にはNop状態を経由せずノンウエイトで入力できるが、読み出しから書き込みに移る際には一度Nop状態にする必要がある。なお、レイテンシについては上記のものが最適である訳では無く、システムの構成に応じて適当に変更することができる。
【0035】
1.3 センスアンプとビット線プリチャージ回路
図3にバンクモジュールBANKの1対のビット線に対応する部分のセンスアンプSAとプリチャージ回路PCの回路例を示す。Q1、Q2、Q3、Q4、Q7、Q8、Q9及びQ10はNチャネルMOS(N-MOS)トランジスタである。Q5とQ6はPチャネルMOS (P-MOS)トランジスタである。本例では、メモリセルとして、1トランジスタ(Q1)、1キャパシタ(MC)からなるダイナミックメモリセルを用いている。これに伴いビット線プリチャージ回路PCとCMOSクロスカップル型ダイナミックセンスアンプSAを使用している。ビット線プリチャージ回路PCは、ビット線プリチャージ信号FPCがハイレベルになるとビット線B、/Bを電圧HVCでプリチャージする。 CMOSクロスカップル型ダイナミックセンスアンプSAは、Pチャネルセンスアンプ共通駆動線CSPがハイレベルでNチャネルセンスアンプ共通駆動線CSNがローレベルの場合動作する。読み出し/書き込み動作は、通常の汎用DRAMと同じである。
【0036】
1.4 バンク制御回路
図4には図1に示された実施の形態のバンク制御回路BNKCNT-1の動作波形が示される。バンク制御回路BNKCNT-1の特長は、ロー系バンクアドレスRiと制御信号CR, ACを受けてビット線プリチャージ、ワード線選択、センスアンプ起動等の一連のメモリセルの読み出し動作に必要な信号を自動的に発生することである。すなわち、イベント・ドリブン型で制御が行われている。以下に動作を説明する。
【0037】
まず、CR="H"、AC="L"、Ri="H"のバンクモジュールBANKの閉鎖の場合を考える。CR="H"、AC="L"の状態でクロック信号CLKが立ち上がると主制御回路MAINCNT内でバンク閉鎖フラグDCS が立ち上がる。バンク閉鎖フラグDCSは各バンクモジュールBANKに入力される。このときロー系バンクアドレスRi="H"としたバンクモジュールBANKの中でロー系バンク選択信号iRiが立ち上がる。ロー系バンク選択信号iRiとバンク閉鎖フラグDCSの論理積はセット/リセットフリップフロップRS-1のセット端子Sに入力されているのでロー系バンクアドレスRi="H"となっているバンクモジュールBANKのセット/リセットフリップフロップRS-1の出力STiが"H"となる。
【0038】
一方上記の論理積の結果はもう一つのセット/リセットフリップフロップRS-2のリセット端子に論理和回路を通して入力されているので、その出力WLPiは"L"となる。WLPiが"L"となることによってまずバンク制御回路BNKCNT-1内のXデコーダXDの出力とYデコーダYDのゲート信号YGが"L"となり、続いてワードドライバWD出力が"L"となりメモリセルをビット線B、/Bから切り離す。
【0039】
次にNチャネルセンスアンプ起動信号FSAが"L"、 Pチャネルセンスアンプ起動信号FSABが"H"となりセンスアンプSAは動作を停止する。ここで、ダミーワード線DWLはワード線Wと同じ遅延時間を持つ遅延素子で、これによりセンスアンプSAをワード線Wのレベルが十分に低くなってから停止させることができる。これはセンスアンプSAが停止することによりビット線B、/Bの信号レベルが低下し、メモリセルへの再書き込みレベルが低下するのを防ぐためである。
【0040】
続いてバンクモジュールBANK上部のバンク制御回路BNKCNT-2に設けたレベルセンス回路がNチャネルセンスアンプ起動信号FSAの"L"を検出して出力REが"L"になる。この信号はバンクモジュールBANKの下部のバンク制御回路BNKCNT-1内のプリチャージ信号発生回路XPCに入力されその出力のビット線プリチャージ信号FPCが"H"になる。ビット線プリチャージ信号FPCはビット線B、/Bに設けられたプリチャージ回路PCに入力されビット線B、/Bはプリチャージ状態になる。ここまでの一連の状態をS0と名付ける。
【0041】
次に、状態S0からCR="H"、AC="H"、Ri="H"のバンクモジュールBANKの活性に移る場合を考える。CR="H"、AC="H"の状態でクロック信号CLKが立ち上がると主制御回路MAINCNT内でバンク活性化フラグDCA が立ち上がる。バンク活性化フラグDCAは各バンクモジュールBANKに入力される。このときロー系バンクアドレスRi="H"としたバンクモジュールBANKの中でロー系バンク選択信号iRiが立ち上がる。ロー系バンク選択信号iRiとバンク活性化フラグDCAの論理積はセット/リセットフリップフロップRS-1のリセット端子Rに入力されているのでロー系バンクアドレスRi="H"となっているバンクモジュールBANKのセット/リセットフリップフロップRS-1の出力STiが"L"となる。
【0042】
ロー系バンク選択信号iRiとバンク活性化フラグDCAの論理積は同時にXアドレスラッチ回路XLTに入力され、その"H"の期間にXアドレスAXijを取込み"L"でラッチする。STiはプリチャージ信号発生回路XPCに入力され、その出力のビット線プリチャージ信号FPCを"L"にする。ビット線プリチャージ信号FPCは、ビット線B、/Bのプリチャージを解除しながらバンク制御回路BNKCNT-2内のレベルセンス回路に到達する。このレベルがある一定値以下になったらその出力PCSENは、"H"になる。この信号PCSENはバンク制御回路BNKCNT-1内のワンショットパルス発生回路ONESHOTによって数ナノ秒の幅の狭いパルスに変換された後、セット/リセットフリップフロップRS-2のS入力端子に入力される。その結果出力WLPiは"H"となる。WLPiが"H"となることによってまずXアドレスAXijで選択されたXデコーダXDの出力が"H"となり、続いてそれに接続されたワードドライバWD出力が"H"となりメモリセルをビット線B、/Bと接続する。
【0043】
次にNチャネルセンスアンプ起動信号FSAが"H"、 Pチャネルセンスアンプ起動信号FSABが"L"となりセンスアンプSAが動作を開始する。ダミーワード線DWLによりセンスアンプSAをワード線Wのレベルが十分に高くなりビット線B、/Bに信号が十分に出てから動作させることができる。これはセンスアンプSAが信号が小さい内に動作し誤動作するのを防ぐためである。続いてバンクモジュールBANK上部のバンク制御回路BNKCNT-2に設けたレベルセンス回路がNチャネルセンスアンプ起動信号FSAのN-MOSトランジスタ側の共通駆動線の"L"を検出して出力REが"H"になる。信号REはバンクモジュールBANKの下部バンク制御回路BNKCNT-1内の論理積回路でWLPiと論理積をとられその出力YGが"H"になる。このYGはYデコーダ回路YDを使用可能にする。ここまでの一連の状態をS1と名付ける。
【0044】
次に、状態S1からCR="H"、AC="H"、Ri="H"のバンクモジュールBANKの活性に移る場合を考える。CR="H"、AC="H"の状態でクロック信号CLKが立ち上がると主制御回路MAINCNT内でバンク活性化フラグDCA が立ち上がる。バンク活性化フラグDCAは各バンクモジュールBANKに入力される。このときロー系バンクアドレスRi="H"としたバンクモジュールBANKの中でロー系バンク選択信号iRiが立ち上がる。ロー系バンク選択信号iRiとバンク活性化フラグDCAの論理積はセット/リセットフリップフロップRS-1のリセット端子Rに入力されるが前のサイクルでSTiが既に"L"となっているのでSTiは変化しない。ロー系バンク選択信号iRiとバンク活性化フラグDCAの論理積は同時にXアドレスラッチ回路XLTに入力され、その"H"の期間にXアドレスAXijを取込み"L"でラッチする。
【0045】
また上記論理積回路出力は、論理和回路を介してRS-2のR端子に入力され、WLPiを"L"にする。WLPiが"L"になることによって、S0と同様な順番でワード線W、Nチャネルセンスアンプ起動信号FSAの電圧が"L"になりREが"L"になる。REが"L"になるとプリチャージ信号発生回路XPC内のワンショットパルス発生回路ONESHOTから幅十数ナノ秒程度のパルスが出る。このパルスはプリチャージ信号発生回路XPCのドライブ回路に入力され、その幅のままでビット線プリチャージ信号FPCに出力される。この信号は、ビット線B、/Bのプリチャージを行いながらバンク制御回路BNKCNT-2内のレベルセンス回路に到達する。このレベルがある一定値以下になったらその出力PCSENは、"H"になる。この信号はバンク制御回路BNKCNT-1内のワンショットパルス発生回路ONESHOTで幅の狭いパルスに変換された後、セット/リセットフリップフロップRS-2のS入力端子に入力される。その結果出力WLPiは"H"となる。WLPiが"H"となることによってまずXアドレスAXijで選択されたXデコーダXDの出力が"H"となり、続いてそれに接続されたワードドライバWD出力が"H"となりメモリセルをビット線B、/Bと接続する。
【0046】
次にNチャネルセンスアンプ起動信号FSAが"H"、 Pチャネルセンスアンプ起動信号FSABが"L"となりセンスアンプSAが動作を開始する。この後の動作は上記のS1と同じである。以上の動作の後、バンクモジュールBANKは読み出し及び書き込みが可能な状態となるが、この状態をS2と名付ける。
【0047】
1.5 バイト制御回路
次にカラム系の動作について説明する。図5にはバイト制御回路BYTCNTの一例が示される。図1のアンプモジュールAMPの中にこのバイト制御回路BYTCNTがi個入る。
【0048】
図5において、WA-0〜WA-7は書き込み回路、RA-0〜RA-7は読み出し回路(メインアンプ)である。バイト制御回路BYTCNT内には、このように8個の書き込み回路WAと読み出し回路RAが配置されている。ここで、DQ-i0から入力された書き込みデータはバッファとして機能するインバータI1、I2およびスイッチSW1を介してグローバルビット線GBL-i0 、/GBL-i0に伝達される。グローバルビット線GBL-i0 、/GBL-0iは、図1に示すように各バンクモジュールBANK内の分割された入出力線IO、IOBと接続されているのでそこへ伝達され、YスイッチY-SWを介してビット線B、/Bへさらにメモリセルへと伝達される。ここで、スイッチSW1は読み出し時にグローバルビット線GBL-i0 、/GBL-0iをハイ・インピーダンスの状態にするために付いている。これは信号WAiにより制御される。
【0049】
メモリセルから読み出されたデータは、各バンクモジュールBANK内の入出力線IO、IOBからグローバルビット線GBL-i0 、/GBL-i0 、スイッチSW2を通してMOSトランジスタQA4〜QA8からなるメインアンプへ伝達される。ここでメインアンプはドレイン入力型のダイナミックアンプでグローバルビット線GBL-i0 、/GBL-0iから信号を読み出す前にその入力ノードはVCCにプリチャージされている。信号が伝達されるとその2つの入力端子間に電圧差が現れ、信号MAiによりメインアンプを活性化し、その差を増幅する。ここでスイッチSW2はメインアンプの動作直前までグローバルビット線GBL-i 、/GBL-i とメインアンプを接続し、動作時には切り離す。これはメインアンプの増幅時に負荷容量を軽くし高速動作を可能とするためである。スイッチSW2は信号MAGiにより制御される。メインアンプで増幅された信号は、次段のN1とN2から成るラッチ回路に入力され、さらにバッファアンプTI1を介して端子DQ-i0に出力される。
【0050】
信号DOEiはTI1出力のハイ・インピーダンス、ロー・インピーダンスを切り替える。書き込み時にはTI1出力はハイ・インピーダンスにされる。P-MOSトランジスタQA1〜QA3はグローバルビット線GBL-i 、/GBL-i のプリチャージ回路、 P-MOSトランジスタQA9〜QA10はメインアンプのプリチャージ回路を構成している。それぞれIOEQiB、MAEQiBにより制御される。また、上記制御信号はいずれも読み出し/書き込み制御回路ブロックRWCNT内で外部信号CC、BEi、RW、CLKにより作られる。ここで読み出し書き込み制御回路ブロックRWCNTRはバイト制御回路BYTCNTごとに設けられている。
【0051】
図6には上記カラム系信号のタイミングチャートが示される。クロック信号CLKの立ち上がりで、読み出しコマンド(CC="H", RW="H")及びバイト制御信号(BEi="H")が入力され、上記で説明した制御信号が図6に示されるように切り替わる。そして、DOEi="H"の期間にデータがメモリマクロMMACROの外に読み出される。"Byte dis."はBEi="L"であり、該DQ-I0〜DQ-i7は非選択のバイトであることを示している。
【0052】
1.6 主制御回路
図7には主制御回路MAINCNTの一例が示される。主制御回路MAINCNTでは、メモリマクロMMACROの外部から入力される制御信号CR、AC、CC、クロック信号CLK、アドレス信号Aiから、NAND回路やインバータ、D型フリップフロップ等の標準的な論理回路を組み合わせて、図1に示されたバンク閉鎖フラグDCS(図7ではその反転信号/DCS)、バンク活性化フラグDCA(図7ではその反転信号/DCA)、カラムアドレスイネーブル信号YP、ローアドレス信号(Xアドレス信号)AXij、カラムアドレス信号(Yアドレス信号)AYi等の信号が作られている。
【0053】
ここで、回路RSTCKTは、後述するバンク制御回路BNKCNTの電源投入時のリセット信号RSTを発生する回路で、電源投入時にワンショットのパルスを発生する。この回路RSTCKTの特長は、電源電圧が高速に立ち上がったときでもインバータIV1の入力端子の電圧が高速に立ち上がるように電源線とその端子の間にコンデンサを設けたことである。以下に動作を説明する。
まず電源電圧VCCが立ち上がるとN-MOSトランジスタQV3のゲート、ドレイン電圧が上昇する。この電圧がN-MOSトランジスタQV3、QV5のしきい電圧以下のときは、 N-MOSトランジスタQV3、QV5には電流が流れないのでインバータIV1の入力端子の電圧は電源電圧と同じ電圧で上昇する。次にN-MOSトランジスタQV3のゲート、ドレイン電圧がそのしきい電圧を越えるとN-MOSトランジスタQV3、QV5には電流が流れインバータIV1の入力端子の電圧は下がる。これにより、電源投入時にワンショットパルスを発生させることができる。ここでインバータIV1の入力端子の電圧が下がり始めるVCCの値は、大雑把にはQV2とQV3のしきい電圧で決定されVCC=VT(QV2)+VT(QV3)で表される。また、この値はP-MOSトランジスタQV4とN-MOSトランジスタQV5、 N-MOSトランジスタQV3とP-MOSトランジスタQV1、又はN-MOSトランジスタQV3とQV5のW/L比を変えることでさらに細かく調整できる。ここで、電源線とその端子の間にコンデンサQV6が接続されているがこれは、電源電圧が高速に立ち上がったときにインバータIV1の入力端子に付く容量によりその電圧の立上りが遅れインバータIV1の論理しきい値を越える前にQV5に電流が流れそのノードがインバータIV1の論理しきい値を越えなくなる現象を防ぐためである。以上のように本回路によれば電源が高速に立ち上がっても低速でも確実にパルスを発生することが出来る。
【0054】
1.7 読み出し/書き込み制御回路ブロック
図8には読み出し/書き込み制御回路ブロックRWCNTの一例が示される。ここでは、主制御回路MAINCNTと同様、メモリマクロMMACROの外部から入力される制御信号RW、CC、クロック信号CLK、バイト制御信号BEiから、NAND回路やインバータ、D型フリップフロップ等の標準的な論理回路を組み合わせて、図5に示されるMAEQiB、WAi、MAi、DOEi(図8ではその反転信号DOEiB)、MAGi(図8ではその反転信号MAGiB)等の信号を作っている。D1、D2、D3は遅延回路である。なお同図下部に示したCLK1B、CLK2B、CLK3B発生回路は読み出し/書き込み制御回路ブロックRWCNTごとに入れてもよいし、主制御回路ブロックMAINCNTに1個だけ入れてもよい。
【0055】
1.8 メモリセルアレイの他の例
図9には、バンクモジュールBANK内のメモリセルアレイMCA部の他の例が示される。本例の特徴は、ビット線1対ごとにセンスアンプSA及びビット線プリチャージ回路PCをメモリセルアレイMCAの左右に分けて配置したことである。これによってセンスアンプSAのレイアウトピッチが緩和されるのでセンスアンプSAのビット線方向の長さが短くなり、本発明のように多数のカラムセレクト信号YSiをワード線方向に通過させる方式には特に有効になる。すなわち、センスアンプSAのビット線方向の長さが短くなることによりその部分の寄生容量が小さくなり、メモリセルからの信号をより大きくできる。
【0056】
1.9 バンク制御回路ブロック
図10にはバンク制御回路ブロックBNKCNT-1の一例が示される。特に図9に示されるセンスアンプ交互配置のメモリセルアレイに適合している。上記読み出し/書き込み制御回路ブロックRWCNT同様、NAND回路やインバータ、D型フリップフロップ等の標準的な論理回路を組み合わせて、図1に示されるワード線W、ビット線プリチャージ信号FPC、カラムアドレスセレクト信号YSi、Nチャネルセンスアンプ起動信号FSA、 Pチャネルセンスアンプ起動信号FSAB等の信号を作っている。ここで(R)、(L)はそれぞれ右側のセンスアンプSAと左側のセンスアンプSAのための信号である。前述のパワーオンリセット回路の出力RSTは、WLPi、STi発生回路に入力されパワーオン時にそれらの出力をそれぞれS0状態と同じ"L"、"H"にする。これによりメモリセルアレイは、プリチャージ状態となり、センスアンプSAが動作することによるパワーオン電流の増加を押さえることができる。
【0057】
図10の下部は、バンク制御回路ブロックBNKCNT-2の一例である。ここで、PCSはビット線プリチャージ信号FPCのレベルセンサ、SASはセンスアンプSAのN-MOSトランジスタ側の共通駆動線のレベルセンサである。これらはそれぞれ、プリチャージの終了と信号増幅の終了点を検出するためのものである。本例の特徴は、入力信号が十分に下がりきる点を検出するためにそれらの信号を受けるCMOS論理回路の論理しきい値をN-MOSトランジスタのしきい電圧付近にまで下げていることである。これによりセンスアンプSAやメモリセルのしきい電圧がばらついてもある程度補償できるようになる。なお、このレベルセンサとして差動アンプを用いてもよい。この場合は、そのセンスレベルとなる基準電圧をN-MOSのしきい電圧よりばらつき分だけ低く設定しておけば、上記の論理しきい値方式と同様そのばらつきによる誤動作を防止できる。
【0058】
1.10 論理回路ブロック
図1に示される論理回路ブロックLOGICは、画像データの演算処理、画像メモリ(メモリマクロMMACRO)への描画、画像メモリから表示装置への読み出し等の機能の処理を行う。また、論理回路ブロックLOGICは、メモリマクロMMACROにアドレス信号Ai、ロー系バンクアドレスRi、カラム系バンクアドレスCi、データ入出力線DQ-i0〜DQ-i7、制御信号CC、AC、CR、RW、バイト制御信号BEi、クロック信号CLK等を供給する。さらに、論理回路ブロックLOGICは、メモリマクロMMACROにリフレッシュ動作の指示及びリフレッシュアドレスを前記制御線、アドレス信号等を用いて与える。
【0059】
また、半導体集積回路SICの外部へのインタフェースも論理回路ブロックLOGICが行う。外部には中央処理装置CPUや表示装置等が接続され、図1のI/O、Control signalによって、データやコマンドのやり取りが行われる。
【0060】
2.メモリ・論理混載LSIへの第2の適用例
図11には、メモリ・論理混載LSIへのもう一つの適用例が示される。本例の特徴は、本発明によるメモリマクロMMACROを4個搭載し、メモリマクロMMACROから出力されるすべてのデータを並列に論理回路ブロックLOGIC-1、LOGIC-2で処理していることである。これによりデータ転送および処理速度はメモリマクロMMACRO1個のみの場合の4倍にできる。また、マクロの数を増やすことによりさらにデータ処理速度を向上させることができる。ここで論理回路ブロックLOGIC-3は論理回路ブロックLOGIC-1、LOGIC-2での演算結果をチップ外部の素子に取り込みやすいデータ形式に加工したり、逆にチップ外部からのデータを演算しやすい形式に加工する機能を持つ。このように複数個のメモリマクロMMACROからのデータを並列に処理する方式は、3次元グラフィックスのような多量のデータを高速に処理する必要がある用途に特に有効である。
【0061】
また、本例のように同一容量のメモリマクロMMACROだけでなく、用途に応じて異なる容量のメモリマクロMMACROを用いても良い。例えば、マイクロプロセッサと共に用いる場合、メモリマクロMMACROのバンクモジュールBANKを1〜2個にしてさらにアンプモジュールAMPを高速タイプに変更して、キャッシュメモリとして使用することもできる。また、バンクモジュールBANKの数をもっと増やして低速か中速のアンプモジュールAMPを組み合わせメインメモリとして使用することもできる。ここで、メインアンプを低速か中速にするのはアンプの占有面積を小さくするためである。このように、本発明によればメモリマクロはモジュール方式なので自由にメモリ容量やアンプの能力を変更できる。
【0062】
3.メモリ・論理混載LSIへの第3の適用例
図12には内部のデータバス幅が小さい場合の適用例が示される。同図でデータ入出力線DQiはバイトごとに共通に結線されている。このため1つのメモリマクロMMACROからでる入出力線の数は8本のみである。データの切り替えは選択回路SELECTORからでるバイト制御信号BEiで行われる。このような結線を行うことにより、通常の8〜32ビットの1チップマイコンの内蔵メモリとしても本メモリマクロMMACROを使用することができる。
【0063】
4.ROMバンクモジュール
図13にはメモリマクロMMACROのバンクモジュールBANKの一部をROM (Read Only Memory)モジュールで置き換えた例が示される。この例の利点は、1チップマイコンの内蔵メモリとして用いた場合、ROMとRAMの制御回路(主制御回路MAINCNTを含むアンプモジュールAMP等)を共通化できるのでチップ面積を低減できることである。また、画像処理プロセッサやDSP(Digital Signal Processor)に内蔵した場合、例えば積和演算の係数をROMに入れておけばRAMとROMがすぐそばにあるので高速にデータを読み出し演算することができる。
【0064】
図14には本メモリマクロMMACROに適用するために適したROMモジュールのメモリアレイRMCAの回路例が示される。本例の特徴は、グローバルビット線の数とピッチをRAMモジュール(図1、図3、図9等に示されバンクモジュールBANK)と合わせるためにRAMモジュールと同じサイズのDRAMのメモリセルを一部変更してROMセルとして使用していることである。ROMセルとして用いるためには、例えばたメモリセルの絶縁膜を形成したあとに書き込むデータに合わせてその絶縁膜を除去するマスクを追加すればよい。これにより、絶縁膜を除去したセル(同図のMC1)はメモリセルの共通電極とショート状態になり除去しなかったセル(同図のMC2)は絶縁性を保つことで情報が書き込まれたことになる。
【0065】
ROMモジュールの動作を図14、15を用いて説明する。まずビット線プリチャージ信号FPCを"H"にすることでN-MOSトランジスタQR3、QR4、QR5、QR7がオンしビット線Bおよびセンスアンプの入力端子N1、N2がVCCの電圧になる。次にビット線プリチャージ信号FPCを"L"にしてワード線(本例ではW1)と転送信号SCを"H"(VCC以上)にする。そうするとN-MOSトランジスタQR1、QR6、QR8がオンするからN1のノードはHVCの電圧にまで下がり、N2のノードは3/4VCCの電圧にまで下がる。この電圧差をPチャネルセンスアンプ共通駆動線CSPを"H"、Nチャネルセンスアンプ共通駆動線CSNを"L"にすることによりセンスアンプ(QR9〜QR12)を動作させ増幅する。このままではN-MOSトランジスタQR1を通して電流が流れ続けるから転送信号SCを"L"にしてN-MOSトランジスタQR6、QR8をオフする。こうして、N1はVSSの電圧にN2はVCCの電圧になる。すなわち情報"0"が読み出される。ここでもし、W1のかわりにW2を立ち上げればN2のノードは3/4VCCの電圧と変わらないがN1のノードはメモリセルに電流が流れないためVCCの電圧になり電位関係は先程と逆転し今度はN1がVCCの電圧、N2がVSSの電圧になる。すなわち情報"1"が読み出される。ここで、YSiを"H"にすれば入出力線IO、IOBを介してグローバルビット線GBL、/GBLに信号が現れることになる。なおワード線を"L"にするタイミングは、SCを"L"にした時点からプリチャージを開始するまでの間ならどこでもよい。
【0066】
以上のように本例によれば、RAMと同じメモリセルパターンをROMとして使用できるので、グローバルビット線の数とピッチをRAMモジュールのそれに簡単に合わせることができる。なお、ここでは、例としてDRAMセルの絶縁膜を除去する方式について記載したが、別の方法たとえばメモリセルの蓄積電極を除去するといった方法でもよい。また、グローバルビット線のピッチさえ他のバンクモジュールBANKと同じにできれば従来のROMセルを用いても良い。
【0067】
ここでは、ROMとは、予め情報をチップ製造工程で書き込んでしまうプログラム固定のマスクROMでのことで、電源を切っても記憶情報が保持される不揮発性メモリである。また、RAMとは、データを随時書き換え、保持し、読み出すことができるメモリで、電源を切ると記憶情報が保持できない揮発性メモリである。
【0068】
以上ここまでは、RAMのメモリセルを図3に示されるDRAMセルとして説明してきたが、これはSRAMセルを用いてもなんら差し支えない。また、この場合ROMバンクモジュールのROMセルは、そのSRAMセルの一部を変更して作ればよい。
【0069】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。
【0070】
メモリマクロをアンプモジュール、バンクモジュール、電源等の機能モジュールの組み合わせで構成する。バンクモジュール内に独立して動作するロウ系回路とビット線方向に伸びる多数のI/O線を配置する。そのI/O線が各モジュールを隣接して配置するだけで接続される構成する。さらに上記アンプモジュール内でそれらをバイト単位で活性化、非活性化できるような回路を設ける構成とする。これにより、多数のI/O線を待ったままメモリセルアレーのモジュール数を増減できるので、データ転送速度の高速性を維持したまま、小容量から大容量まで自由に容量を可変できる。さらにアンプモジュール内でI/O線をバイト単位で活性化、非活性化できるので、メモリマクロ外部へ出るI/O線数をバイト単位で増減できる。また、電源、アンプは共用できるのでオーバーヘッドが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のメモリマクロの構成と画像処理LSIへの適用例を示す図。
【図2】本発明のメモリマクロの外部信号と動作モードの関係を示す図。
【図3】本発明のセンスアンプとプリチャージ回路の例を示す図。
【図4】本発明のバンク制御回路動作タイミングを示す図。
【図5】本発明のバイト制御回路の一例を示す図。
【図6】本発明の書き込み、読み出しタイミングを示す図。
【図7】本発明の主制御回路の一例を示す図。
【図8】本発明の読み出し書き込み制御回路の一例を示す図。
【図9】本発明のバンクモジュールの第2の例を示す図。
【図10】本発明のバンク制御回路の一例を示す図。
【図11】本発明のメモリ・論理混載LSIへの第2の適用例を示す図。
【図12】本発明のメモリ・論理混載LSIへの第3の適用例を示す図。
【図13】本発明のメモリマクロの第2の構成例を示す図。
【図14】本発明のROM-BANKモジュールの構成例を示す図。
【図15】本発明のROM-BANKモジュールの動作波形を示す図。
【図16】本発明のバンクアドレスの配線レイアウト例を示す図。
【符号の説明】
MMACRO…メモリマクロ
LOGIC…論理回路ブロック
AMP…アンプモジュール
BANK…バンクモジュール
PS…電源モジュール
MAINCNT…主制御回路ブロック
BYTCNT…バイトコントロールブロック
BNKCNT-1…下部バンクコントロールブロック
BNKCNT-2…上部バンクコントロールブロック
MCA…メモリセルアレー
SUBARY…サブメモリセルアレー(バンクモジュール内I/O線の分割単位)
SA…センスアンプ
PC…プリチャージ回路
MC1、MC2…メモリセル
WD…ワードドライバ
XD…Xデコーダ
YD…Yデコーダ
DWL…ダミーワード線
ONESHOT…ワンショットパルス発生回路
RS-1、RS-2…セット/リセットフリップフロップ
D-FF…遅延フリップフロップ(Dフリップフロップ)
XLT…Xアドレスラッチ回路
YLT…Yアドレスラッチ回路
XPC…プリチャージ信号発生回路
VCHG…VCH発生回路
VBBG…アレイ内基板電圧発生回路
HVCG…ビット線プリチャージ電圧発生回路
D1、D2、D3、D5、D15…遅延回路
Qi、QAi、QRi…MOSトランジスタ
VCC…電源電圧
VCH…ワード線電圧
VSS…電源電圧(グランド電位)
VBB…電源電圧
HVC…電源電圧の半分の電圧
B、/B…ビット線
GBLij、/GBLij…グローバルビット線
I/O…サブメモリセルアレイブロック内の入出力線
YSi…カラムアドレスセレクト信号
FPC…ビット線プリチャージ信号
FSA…Nチャネルセンスアンプ起動信号
FSAB…Nチャネルセンスアンプ起動信号
W、W1、W2…ワード線
CSP…Pチャネルセンスアンプ共通駆動線
CSN…Nチャネルセンスアンプ共通駆動線
DQ-ij…メモリマクロのデータ入出力線
BEi…バイト制御信号
CLK…クロック信号
DCA…バンク活性化フラグ
DCS…バンク閉鎖フラグ
YP…カラムアドレスイネーブル信号
AXij…ローアドレス信号(Xアドレス信号)
AYi…カラムアドレス信号(Yアドレス信号)
Ri…ロー系バンクアドレス
Ci…カラム系バンクアドレス
RST…パワーオン時リセット信号。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for realizing a memory macro in which a memory circuit and a logic circuit are integrated on the same semiconductor chip and a memory macro and a number of data input / output lines can be easily changed at high speed. is there.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high integration of LSIs has progressed, and it has become possible to integrate a large-capacity memory and a large-scale logic circuit or arithmetic circuit on a semiconductor chip of about 1 cm square. In such a chip, by setting the number of data input / output lines (hereinafter referred to as I / O lines) of the memory to several hundred or more, the data transfer speed between the memory and the logic circuit or the arithmetic circuit is 1 Gbyte. / Sec or more and can be very fast. For this reason, expectations are gathered for image processing applications that require high-speed data transfer to and from the memory.
[0003]
As a prior art applicable to the above-mentioned use, for example, it was described in Toshio Sunaga, et al., “DRAM Macros for ASIC Chips,” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUIT, VOL. 30, NO. 9, SEPTEMBER 1995. There are examples of memory macros. According to the prior art, the capacity of one memory macro is 256 K bits to 1 M bits, and 8 to 16 I / O lines are output therefrom.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors have examined the case where an LSI for image processing is configured using the memory macro. For example, if the capacity of the memory macro is 256K bits, the number of I / O lines is 8, and the number of I / O lines necessary for the LSI is 512, 64 memory macros are required. The capacity at this time is 16M bits.
[0005]
When processing two-dimensional data in the field of image processing, for example, when restoring blurred images, or when recognizing characters or specific patterns, the above memory capacity is not required, but high speed is achieved. Required. In this case, if only the speed is taken into consideration, a large number of conventional memory macros may be arranged and operated in parallel. However, this increases the memory capacity and increases the chip size.
[0006]
On the other hand, when processing three-dimensional data, it is necessary to process a large amount of data at high speed. This case can be dealt with by operating a large number of memory macros in parallel as described above. However, more I / O lines may be required or more capacity may be required depending on the difference in use such as home use or industrial use and the type of data.
[0007]
As described above, even in the same image processing field, the required data transfer speed and memory capacity vary depending on the application of the chip and the type of data, so the conventional memory macro needs to be redesigned each time. There is. In addition, since all the circuits necessary for the operation are contained in the memory macro, there is a problem that the circuit overhead increases when a large number of macros are arranged.
[0008]
As described above, in the conventional memory macro, since the number of I / O lines is increased by increasing the number of memory macros, there is a problem that the number of I / O lines and the memory capacity cannot be freely set. Further, since all the circuits necessary for the operation are contained in the memory macro, there is a problem that the circuit overhead increases if a large number of memory macros are arranged.
[0009]
The problem to be solved by the present invention is to freely change the capacity of the memory macro from a small capacity to a large capacity. Another problem to be solved by the present invention is to increase the data transfer speed between the memory macro and the logic circuit module. Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to realize a memory macro with less circuit overhead in the memory macro. Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to realize a memory macro suitable for ASIC (Application Specific Integrated Circuit) design.
[0010]
The above and other problems and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0012]
That is, a large number of I / O lines (global bit lines (GBL)) extending in the bit line direction are arranged in the memory cell array of the bank module (BANK: first module). The memory macro (MMACRO) is configured by a combination of functional modules such as an amplifier module (AMP: second module), a bank module (BANK), and a power supply module (PS: third module). Use multiple bank modules. The modules are connected by simply arranging them adjacent to each other. Furthermore, a circuit is provided in the amplifier module so that they can be activated and deactivated in byte units. One of the plurality of bank modules is a ROM module.
[0013]
The word line (W) and column select line (YSi) of the memory macro are extended in the same direction. A word driver (WD) and a column decoder (YD) on one side of the memory array are arranged. Sense amplifiers (SA) are arranged on both sides of the memory array.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The memory macro according to the embodiment of the present invention will be described in order according to the items.
[0015]
1. Memory macro configuration and memory macro application examples
FIG. 1 shows a configuration of the memory macro MMACRO and an application example of the memory macro MMACRO to an image processing LSI. In the semiconductor integrated circuit SIC shown in FIG. 1, a logic circuit block LOGIC and a memory macro MMACRO are formed on a single crystal silicon semiconductor substrate and sealed with a resin (sealed in a plastic package). The arrangement and wiring of modules and circuits shown in FIG. 1 generally correspond to the arrangement (layout) on the semiconductor chip.
[0016]
1.1 Memory macro configuration
The feature of the memory macro MMACRO is that it is composed of a combination of modules of different types. The memory macro MMACRO is composed of three types of modules: a bank module BANK (BANK-0 to BANK-n), an amplifier module AMP, and a power supply module PS.
[0017]
The bank module BANK includes a plurality of sub memory cell arrays SUBARY (SUBARY-00 to SUBARY-i7), a bank control circuit BNKCNT-1, and a bank control circuit BNKCNT-2.
[0018]
The sub memory cell array SUBARY includes a plurality of pairs of bit lines B and / B, a plurality of word lines W (only one is shown in FIG. 1 because of the size of the drawing), and a plurality of memory cells. (Indicated by a circle in FIG. 1), a bit line precharge circuit PS for preliminarily setting the potential of the bit line to a predetermined level before reading the memory cell, a sense amplifier SA for amplifying a signal from the memory cell, A Y selection circuit (Y switch Y-SW) that selects one of the paired bit lines B and / B, and a global bit line GBL that connects the selected bit lines B and / B to the amplifier module AMP, / Consists of GBL. The sub memory cell array SUBARY is an I / O line division unit in the bank module BANK. Note that what is composed of a plurality of pairs of bit lines B and / B, a plurality of word lines W, and a plurality of memory cells is usually called a memory cell array, and is used properly in the present application.
[0019]
The bank control circuit BNKCNT-1 includes an X decoder (row decoder) XD for selecting the word line W, a Y decoder (column decoder) YD for selecting the bit lines B and / B, and the like. The bank control circuit BNKCNT-1 automatically generates signals necessary for a series of memory cell read operations such as bit line precharge, word line selection, and sense amplifier activation in response to a bank address and control signal described later. One word line W is selected by the X decoder XD, and (n × 8 × i) pairs intersecting with it (FIG. 1 shows the case of n = 2 due to the size of the drawing. In the embodiment, n = 8.) Of the bit lines B and / B, (8 × i) pairs are further selected by the output signal YSi of the Y decoder YD. The selected bit lines B and / B exchange data with the amplifier module AMP through the global bit lines GBL and / GBL arranged in parallel with the bit lines B and / B.
[0020]
The bank control circuit BNKCNT-2 includes a sensor group that detects that the sense amplifier control signal has reached a certain level.
[0021]
The amplifier module AMP includes a main control circuit MAINCNT that supplies a control signal, an address signal, and the like to the bank module BANK in synchronization with the clock signal, and a byte control circuit that controls reading and writing of data to the bank module group (BANK-0BANK0n). Composed of BYTCNT. The (8 × i) main data input / output lines DQ (DQ00,..., DQ07,..., DQi7,..., DQi7) from outside the memory macro MMACRO are input to the memory cells through this. Here, the byte control signal BEi is a signal for opening and closing the data input / output line DQ in units of bytes.
[0022]
The power supply module PS includes a VCH generation circuit VCHG that generates a word line voltage VCH (> power supply voltage VCC) required for the word line drive circuit WD supplied to the bank module BANK, and a voltage HVC (power supply voltage) required for bit line precharging. Various voltages such as a bit line precharge voltage generation circuit HVCG that generates VCC / 2), an in-array substrate voltage generation circuit VBBG that generates an in-array substrate voltage (back bias voltage) VBB (<power supply voltage VSS (ground potential)) It is a module that generates If the operating voltage is desired to be lower than the external voltage in order to reduce current consumption and improve device reliability, a step-down circuit may be incorporated in the power supply module PS.
[0023]
Control signals and address signals necessary for the bank module BANK are common to the bank modules BANK, and are placed in the form of a bus in the bit line direction on the lower side of the bank module BANK. Therefore, these control signals and address signals can also be included in the bank module BANK. That is, each bank module BANK can have the same cell structure including the control signal and the address signal.
[0024]
However, the row system bank address Ri and the column system bank address Ci are signals unique to each bank module BANK, and therefore, are required by the number of the bank modules BANK. Therefore, in order to make each bank module BANK the same cell including the wiring of the row bank address Ri and the column system bank address Ci, a simple method is to wire the row bank address Ri and the column bank address Ci. Are input from the lower side or the upper side of the memory macro MMACRO in FIG.
[0025]
On the other hand, in order to facilitate the interface with the logic circuit block LOGIC, all signal lines of the control signal, address signal, and data input / output line DQ to the memory macro MMACRO are connected to one side of the cell (left side in FIG. 1). It is better to concentrate on. Therefore, in order to input the wiring of the row bank address Ri and the column bank address Ci from the left side of the memory macro MMACRO in FIG. 1, the wiring is laid out as shown in FIG. When there is no need to use the same cell including the wiring, the wiring is laid out as shown in FIG.
[0026]
Further, the cell heights of the bank module BANK, the amplifier module AMP, and the power supply module PS are the same, and the global bit lines GBL, / GBL, power supply lines, and the like are arranged at the same pitch.
[0027]
As a result, the bank modules BANK are arranged in the required number in the bit line direction according to the capacity required by the system, and the modules of the above-mentioned amplifier module AMP and power supply module PS are arranged on the left and right sides of the desired memory. A macro module can be completed.
[0028]
In the bank module BANK according to the embodiment of the present invention, 256 word lines (8 X addresses), (8 × 8 × i) pairs of bit lines intersect one word line, and 1/8 ( (3 Y addresses) are selected, and (8 × i) pairs of global bit lines are input and output. For example, if i = 16, one bank module BANK inputs and outputs data with a capacity of 256K (K = 1024) bits and a 128-bit width. That is, a memory macro module having a size of 256K bits and a variable capacity can be obtained.
[0029]
For example, a 1M (M = 1048576) bit memory macro is obtained with four bank modules, and a 2M bit memory macro is obtained with eight bank modules. That is, the capacity of the memory macro having a capacity necessary for the application can be obtained instead of increasing the capacity by four times as in the case of 256K bits, 1M bits, 4M bits, 16M bits, etc. of the conventional general purpose dynamic RAM (DRAM).
[0030]
1.2 Memory macro operation modes
The relationship between the external signal of the memory macro MMACRO and the operation mode is shown in FIG. In the memory macro MMACRO, data input / output, address input, and control signal input are performed in synchronization with the clock signal CLK. Here, Ai is an address signal and includes an X address AXij input to the X decoder XD and a Y address AYi input to the Y decoder YD. Unlike conventional general-purpose DRAMs, the address signal is not multiplexed in the X and Y systems.
[0031]
The row bank address Ri and the column bank address Ci for selecting the bank module BANK are signals specific to the bank module BANK without being decoded because the number of bank modules is variable. The row-related and column-related command signals in the same bank module BANK are distinguished by the row-related bank address Ri and the column-related bank address Ci, respectively. There are four control signals: CR, CC, RW, and AC. DQij is an input / output I / O signal. The byte control signal BEi is a signal for independently controlling the data input / output line for each byte, and by this, the amount of data read / written in parallel can be increased or decreased in units of bytes in the range from 1 byte to the maximum i bytes.
[0032]
The bank module BANK is activated (Bank Active) and closed (Bank Close) by fetching CR, AC and the address signal Ai at the rising edge of the clock signal CLK. Active when CR = “H” (High level) and AC = “H”, and closed when CR = “H” and AC = “L” (Low level). At this time, the address signal Ai to be captured is selected only for the row system, the bank module BANK is selected by the row system bank address Ri, and the word line W is selected by the address signal Ai. S0 in FIG. 2 indicates the closed state of the bank module BANK. S1 indicates the active state of the bank module BANK. S2 indicates a read or write state.
[0033]
Note that LA2 shown in FIG. 2 indicates the number of clocks to which a read or write command can be input from the activation command input of the bank module BANK. LA indicates the number of clocks to which a read or write command can be input after changing the X address in the activated same bank module BANK. LR indicates the number of clocks that can be closed command input of the bank module BANK from the read or write command input.
[0034]
The relationship between the column control signal and the operation mode is shown in the lower part of FIG. This takes in CC, BEi, RW and the column address signal (the rest of the address signal Ai and the column bank address Ci) at the rising edge of the clock signal CLK, and controls read / write. In the present embodiment, the number of clocks from when a read command is received until data is output, that is, the latency (Read latency) is 2, and the latency from when a write command is received until input of write data is 1 (Write latency). is there. As a result, the column-related control signal can be input non-waiting without going through the Nop state when reading continuously, writing continuously, or moving from writing to reading. There is a need to. Note that the above-mentioned latency is not optimal and can be appropriately changed according to the system configuration.
[0035]
1.3 Sense amplifier and bit line precharge circuit
FIG. 3 shows a circuit example of the sense amplifier SA and the precharge circuit PC corresponding to a pair of bit lines of the bank module BANK. Q1, Q2, Q3, Q4, Q7, Q8, Q9 and Q10 are N-channel MOS (N-MOS) transistors. Q5 and Q6 are P-channel MOS (P-MOS) transistors. In this example, a dynamic memory cell composed of one transistor (Q1) and one capacitor (MC) is used as the memory cell. Along with this, a bit line precharge circuit PC and a CMOS cross-coupled dynamic sense amplifier SA are used. The bit line precharge circuit PC precharges the bit lines B and / B with the voltage HVC when the bit line precharge signal FPC becomes high level. The CMOS cross-coupled dynamic sense amplifier SA operates when the P-channel sense amplifier common drive line CSP is at a high level and the N-channel sense amplifier common drive line CSN is at a low level. The read / write operation is the same as that of a normal general-purpose DRAM.
[0036]
1.4 Bank control circuit
FIG. 4 shows operation waveforms of the bank control circuit BNKCNT-1 of the embodiment shown in FIG. The bank control circuit BNKCNT-1 receives the row bank address Ri and the control signals CR and AC and receives signals necessary for a series of memory cell read operations such as bit line precharge, word line selection, and sense amplifier activation. It happens automatically. That is, control is performed in an event-driven type. The operation will be described below.
[0037]
First, consider a case where the bank module BANK with CR = "H", AC = "L", and Ri = "H" is closed. When the clock signal CLK rises with CR = "H" and AC = "L", the bank closing flag DCS rises within the main control circuit MAINCNT. The bank closing flag DCS is input to each bank module BANK. At this time, the row bank selection signal iRi rises in the bank module BANK with the row bank address Ri = "H". Since the logical product of the row bank selection signal iRi and the bank closing flag DCS is input to the set terminal S of the set / reset flip-flop RS-1, the bank module BANK having the row bank address Ri = "H" The output STi of the set / reset flip-flop RS-1 becomes “H”.
[0038]
On the other hand, since the result of the logical product is input to the reset terminal of another set / reset flip-flop RS-2 through the logical sum circuit, its output WLPi becomes "L". When WLPi becomes "L", the output of the X decoder XD in the bank control circuit BNKCNT-1 and the gate signal YG of the Y decoder YD become "L", then the word driver WD output becomes "L" and the memory cell Is disconnected from bit lines B and / B.
[0039]
Next, the N channel sense amplifier activation signal FSA becomes "L", the P channel sense amplifier activation signal FSAB becomes "H", and the sense amplifier SA stops operating. Here, the dummy word line DWL is a delay element having the same delay time as the word line W, so that the sense amplifier SA can be stopped after the level of the word line W becomes sufficiently low. This is to prevent the signal level of the bit lines B and / B from being lowered due to the stop of the sense amplifier SA and the level of rewriting to the memory cell from being lowered.
[0040]
Subsequently, the level sense circuit provided in the bank control circuit BNKCNT-2 above the bank module BANK detects “L” of the N-channel sense amplifier activation signal FSA, and the output RE becomes “L”. This signal is input to the precharge signal generation circuit XPC in the bank control circuit BNKCNT-1 below the bank module BANK, and the output bit line precharge signal FPC becomes “H”. The bit line precharge signal FPC is input to a precharge circuit PC provided on the bit lines B and / B, and the bit lines B and / B are in a precharge state. The series of states so far is named S0.
[0041]
Next, consider a case where the state S0 shifts to activation of the bank module BANK with CR = "H", AC = "H", and Ri = "H". When the clock signal CLK rises with CR = "H" and AC = "H", the bank activation flag DCA rises in the main control circuit MAINCNT. The bank activation flag DCA is input to each bank module BANK. At this time, the row bank selection signal iRi rises in the bank module BANK with the row bank address Ri = "H". Since the logical product of the row bank selection signal iRi and the bank activation flag DCA is input to the reset terminal R of the set / reset flip-flop RS-1, the bank module BANK having the row bank address Ri = "H" The output STi of the set / reset flip-flop RS-1 becomes "L".
[0042]
The logical product of the row-related bank selection signal iRi and the bank activation flag DCA is simultaneously input to the X address latch circuit XLT. STi is input to the precharge signal generation circuit XPC, and the output bit line precharge signal FPC is set to "L". The bit line precharge signal FPC reaches the level sense circuit in the bank control circuit BNKCNT-2 while releasing the precharge of the bit lines B and / B. When this level falls below a certain value, the output PCSEN becomes "H". This signal PCSEN is converted into a narrow pulse of several nanoseconds by the one-shot pulse generation circuit ONESHOT in the bank control circuit BNKCNT-1, and then input to the S input terminal of the set / reset flip-flop RS-2. As a result, the output WLPi becomes “H”. When WLPi becomes “H”, the output of the X decoder XD selected by the X address AXij first becomes “H”, then the word driver WD output connected thereto becomes “H”, and the memory cell is changed to the bit line B, Connect to / B.
[0043]
Next, the N channel sense amplifier activation signal FSA becomes “H”, the P channel sense amplifier activation signal FSAB becomes “L”, and the sense amplifier SA starts operating. The dummy word line DWL allows the sense amplifier SA to be operated after the level of the word line W becomes sufficiently high and signals are sufficiently output to the bit lines B and / B. This is to prevent the sense amplifier SA from operating and malfunctioning when the signal is small. Subsequently, the level sense circuit provided in the bank control circuit BNKCNT-2 above the bank module BANK detects "L" of the common drive line on the N-MOS transistor side of the N channel sense amplifier activation signal FSA, and the output RE is "H""become. The signal RE is ANDed with WLPi by the AND circuit in the lower bank control circuit BNKCNT-1 of the bank module BANK, and its output YG becomes "H". This YG enables the Y decoder circuit YD. The series of states so far is named S1.
[0044]
Next, consider a case where the state shifts from the state S1 to the activation of the bank module BANK with CR = "H", AC = "H", and Ri = "H". When the clock signal CLK rises with CR = "H" and AC = "H", the bank activation flag DCA rises in the main control circuit MAINCNT. The bank activation flag DCA is input to each bank module BANK. At this time, the row bank selection signal iRi rises in the bank module BANK with the row bank address Ri = "H". The logical product of the row bank selection signal iRi and the bank activation flag DCA is input to the reset terminal R of the set / reset flip-flop RS-1, but STi is already "L" in the previous cycle, so STi It does not change. The logical product of the row-related bank selection signal iRi and the bank activation flag DCA is simultaneously input to the X address latch circuit XLT.
[0045]
The AND circuit output is input to the R terminal of RS-2 via the OR circuit, and WLPi is set to “L”. When WLPi becomes “L”, the voltage of the word line W and the N-channel sense amplifier activation signal FSA becomes “L” and RE becomes “L” in the same order as S0. When RE becomes “L”, a pulse of about ten nanoseconds in width is output from the one-shot pulse generation circuit ONESHOT in the precharge signal generation circuit XPC. This pulse is input to the drive circuit of the precharge signal generation circuit XPC, and is output to the bit line precharge signal FPC without changing its width. This signal reaches the level sense circuit in the bank control circuit BNKCNT-2 while precharging the bit lines B and / B. When this level falls below a certain value, the output PCSEN becomes "H". This signal is converted into a narrow pulse by the one-shot pulse generation circuit ONESHOT in the bank control circuit BNKCNT-1, and then input to the S input terminal of the set / reset flip-flop RS-2. As a result, the output WLPi becomes “H”. When WLPi becomes “H”, the output of the X decoder XD selected by the X address AXij first becomes “H”, then the word driver WD output connected thereto becomes “H”, and the memory cell is changed to the bit line B, Connect with / B.
[0046]
Next, the N channel sense amplifier activation signal FSA becomes “H”, the P channel sense amplifier activation signal FSAB becomes “L”, and the sense amplifier SA starts operating. The subsequent operation is the same as S1 described above. After the above operation, the bank module BANK is ready for reading and writing, and this state is named S2.
[0047]
1.5 byte control circuit
Next, the column system operation will be described. FIG. 5 shows an example of the byte control circuit BYTCNT. I byte control circuits BYTCNT are included in the amplifier module AMP in FIG.
[0048]
In FIG. 5, WA-0 to WA-7 are write circuits, and RA-0 to RA-7 are read circuits (main amplifiers). In the byte control circuit BYTCNT, eight write circuits WA and read circuits RA are arranged in this way. Here, the write data input from DQ-i0 is transmitted to global bit lines GBL-i0 and / GBL-i0 via inverters I1 and I2 functioning as buffers and switch SW1. Since the global bit lines GBL-i0 and / GBL-0i are connected to the divided input / output lines IO and IOB in each bank module BANK as shown in FIG. 1, they are transmitted to the Y switch Y-SW. Then, the data is further transferred to the bit lines B and / B to the memory cell. Here, the switch SW1 is attached to bring the global bit lines GBL-i0 and / GBL-0i into a high impedance state at the time of reading. This is controlled by the signal WAi.
[0049]
Data read from the memory cell is transmitted from the input / output lines IO and IOB in each bank module BANK to the main amplifier including MOS transistors QA4 to QA8 through the global bit lines GBL-i0 and / GBL-i0 and the switch SW2. The Here, the main amplifier is a drain input type dynamic amplifier, and its input node is precharged to VCC before signals are read from the global bit lines GBL-i0 and / GBL-0i. When a signal is transmitted, a voltage difference appears between the two input terminals, the main amplifier is activated by the signal MAi, and the difference is amplified. Here, the switch SW2 connects the global bit lines GBL-i, / GBL-i and the main amplifier until just before the main amplifier operates, and disconnects them during the operation. This is to reduce the load capacitance during amplification of the main amplifier and to enable high-speed operation. The switch SW2 is controlled by the signal MAGe. The signal amplified by the main amplifier is input to the latch circuit composed of N1 and N2 in the next stage, and further output to the terminal DQ-i0 via the buffer amplifier TI1.
[0050]
Signal DOEi switches between high impedance and low impedance of the TI1 output. The TI1 output is set to high impedance when writing. P-MOS transistors QA1 to QA3 constitute a precharge circuit for global bit lines GBL-i and / GBL-i, and P-MOS transistors QA9 to QA10 constitute a precharge circuit for a main amplifier. Controlled by IOEQiB and MAEQiB, respectively. All the control signals are generated by external signals CC, BEi, RW, and CLK in the read / write control circuit block RWCNT. Here, the read / write control circuit block RWCNTR is provided for each byte control circuit BYTCNT.
[0051]
FIG. 6 shows a timing chart of the column signal. As the clock signal CLK rises, a read command (CC = "H", RW = "H") and a byte control signal (BEi = "H") are input, and the control signals described above are shown in FIG. Switch to Then, data is read out of the memory macro MMACRO during the period of DOEi = "H". “Byte dis.” Is BEi = “L”, indicating that DQ-I0 to DQ-i7 are non-selected bytes.
[0052]
1.6 Main control circuit
FIG. 7 shows an example of the main control circuit MAINCNT. The main control circuit MAINCNT combines standard logic circuits such as NAND circuits, inverters, and D-type flip-flops from the control signals CR, AC, CC, clock signal CLK, and address signal Ai input from the outside of the memory macro MMACRO. The bank closing flag DCS (inverted signal / DCS in FIG. 7), bank activation flag DCA (inverted signal / DCA in FIG. 7), column address enable signal YP, row address signal (X Signals such as an address signal (AXij) and a column address signal (Y address signal) AYi are generated.
[0053]
Here, the circuit RSTCKT generates a reset signal RST when the bank control circuit BNKCNT described later is turned on, and generates a one-shot pulse when the power is turned on. The feature of this circuit RSTCKT is that a capacitor is provided between the power supply line and its terminal so that the voltage of the input terminal of the inverter IV1 rises at high speed even when the power supply voltage rises at high speed. The operation will be described below.
First, when the power supply voltage VCC rises, the gate and drain voltages of the N-MOS transistor QV3 rise. When this voltage is less than or equal to the threshold voltage of the N-MOS transistors QV3 and QV5, no current flows through the N-MOS transistors QV3 and QV5, so the voltage at the input terminal of the inverter IV1 rises at the same voltage as the power supply voltage. Next, when the gate and drain voltages of the N-MOS transistor QV3 exceed the threshold voltage, current flows through the N-MOS transistors QV3 and QV5, and the voltage at the input terminal of the inverter IV1 decreases. Thereby, a one-shot pulse can be generated when the power is turned on. Here, the value of VCC at which the voltage at the input terminal of the inverter IV1 begins to drop is roughly determined by the threshold voltages of QV2 and QV3 and is expressed as VCC = VT (QV2) + VT (QV3). This value can be further adjusted by changing the W / L ratio of P-MOS transistor QV4 and N-MOS transistor QV5, N-MOS transistor QV3 and P-MOS transistor QV1, or N-MOS transistors QV3 and QV5. . Here, the capacitor QV6 is connected between the power supply line and its terminal. This is because the rise of the voltage is delayed due to the capacity of the input terminal of the inverter IV1 when the power supply voltage rises at high speed. This is to prevent a phenomenon in which a current flows through QV5 before the threshold value is exceeded and the node does not exceed the logic threshold value of inverter IV1. As described above, according to the present circuit, it is possible to reliably generate a pulse even at a low speed even when the power supply rises at a high speed.
[0054]
1.7 Read / write control circuit block
FIG. 8 shows an example of the read / write control circuit block RWCNT. Here, as with the main control circuit MAINCNT, standard logic such as NAND circuits, inverters, D-type flip-flops, etc. from the control signals RW, CC, clock signal CLK, byte control signal BEi input from the outside of the memory macro MMACRO The circuit is combined to produce signals such as MAEQiB, WAi, MAi, DOEi (inverted signal DOEiB in FIG. 8), MAGe (inverted signal MAgiB in FIG. 8), etc. shown in FIG. D1, D2, and D3 are delay circuits. The CLK1B, CLK2B, and CLK3B generation circuits shown in the lower part of the figure may be provided for each read / write control circuit block RWCNT, or only one may be provided for the main control circuit block MAINCNT.
[0055]
1.8 Other examples of memory cell arrays
FIG. 9 shows another example of the memory cell array MCA portion in the bank module BANK. The feature of this example is that the sense amplifier SA and the bit line precharge circuit PC are arranged separately on the left and right sides of the memory cell array MCA for each pair of bit lines. As a result, the layout pitch of the sense amplifiers SA is relaxed, so that the length of the sense amplifiers SA in the bit line direction is shortened. become. That is, when the length of the sense amplifier SA in the bit line direction is shortened, the parasitic capacitance of that portion is reduced, and the signal from the memory cell can be increased.
[0056]
1.9 Bank control circuit block
FIG. 10 shows an example of the bank control circuit block BNKCNT-1. In particular, it is suitable for the memory cell array in which sense amplifiers are alternately arranged as shown in FIG. Like the above read / write control circuit block RWCNT, the word line W, bit line precharge signal FPC, column address select signal shown in FIG. YSi, N channel sense amplifier start signal FSA, P channel sense amplifier start signal FSAB, etc. are made. Here, (R) and (L) are signals for the right side sense amplifier SA and the left side sense amplifier SA, respectively. The output RST of the aforementioned power-on reset circuit is input to the WLPI and STi generation circuits, and at the time of power-on, these outputs are set to the same “L” and “H” as in the S0 state, respectively. As a result, the memory cell array enters a precharged state, and an increase in power-on current due to the operation of the sense amplifier SA can be suppressed.
[0057]
The lower part of FIG. 10 is an example of the bank control circuit block BNKCNT-2. Here, PCS is a level sensor for the bit line precharge signal FPC, and SAS is a level sensor for the common drive line on the N-MOS transistor side of the sense amplifier SA. These are for detecting the end of precharge and the end of signal amplification, respectively. The feature of this example is that the logic threshold value of the CMOS logic circuit receiving these signals is lowered to the vicinity of the threshold voltage of the N-MOS transistor in order to detect the point where the input signal is sufficiently lowered. . As a result, even if the threshold voltage of the sense amplifier SA or the memory cell varies, it can be compensated to some extent. A differential amplifier may be used as this level sensor. In this case, if the reference voltage at the sense level is set lower than the threshold voltage of the N-MOS by the amount of variation, it is possible to prevent malfunction due to the variation as in the above-described logic threshold method.
[0058]
1.10 Logic circuit block
The logic circuit block LOGIC shown in FIG. 1 performs processing of functions such as arithmetic processing of image data, drawing to an image memory (memory macro MMACRO), and reading from the image memory to a display device. In addition, the logic circuit block LOGIC includes an address signal Ai, a row bank address Ri, a column bank address Ci, data input / output lines DQ-i0 to DQ-i7, control signals CC, AC, CR, RW, A byte control signal BEi, a clock signal CLK, and the like are supplied. Further, the logic circuit block LOGIC gives a refresh operation instruction and a refresh address to the memory macro MMACRO using the control line, the address signal, and the like.
[0059]
The logic circuit block LOGIC also performs an interface to the outside of the semiconductor integrated circuit SIC. A central processing unit CPU, a display device, and the like are connected to the outside, and data and commands are exchanged by I / O and control signals in FIG.
[0060]
2. Second example of application to memory / logic mixed LSI
FIG. 11 shows another application example to a memory / logic mixed LSI. The feature of this example is that four memory macros MMACRO according to the present invention are mounted, and all data output from the memory macro MMACRO are processed in parallel by the logic circuit blocks LOGIC-1 and LOGIC-2. As a result, the data transfer and processing speed can be quadrupled compared to the case of only one memory macro MMACRO. Further, the data processing speed can be further improved by increasing the number of macros. Here, the logic circuit block LOGIC-3 processes the calculation results of the logic circuit blocks LOGIC-1 and LOGIC-2 into a data format that is easy to import into the elements outside the chip, and conversely a format that makes it easy to calculate data from outside the chip. Has the ability to process. Such a method of processing data from a plurality of memory macros MMACRO in parallel is particularly effective for applications that require high-speed processing of a large amount of data such as three-dimensional graphics.
[0061]
Further, not only the memory macro MMACRO having the same capacity as in this example, but also a memory macro MMACRO having a different capacity depending on the application may be used. For example, when used with a microprocessor, the bank module BANK of the memory macro MMACRO can be changed to one or two, and the amplifier module AMP can be changed to a high-speed type to be used as a cache memory. It is also possible to increase the number of bank modules BANK and use a low-speed or medium-speed amplifier module AMP as a main memory. Here, the reason why the main amplifier is set to low speed or medium speed is to reduce the occupied area of the amplifier. Thus, according to the present invention, since the memory macro is modular, the memory capacity and the amplifier capacity can be freely changed.
[0062]
3. Third example of application to memory / logic mixed LSI
FIG. 12 shows an application example when the internal data bus width is small. In the figure, the data input / output line DQi is commonly connected for each byte. Therefore, the number of input / output lines from one memory macro MMACRO is only 8. Data switching is performed by a byte control signal BEi output from the selection circuit SELECTOR. By performing such connections, the memory macro MMACRO can be used as a built-in memory of a normal 8- to 32-bit one-chip microcomputer.
[0063]
4). ROM bank module
FIG. 13 shows an example in which a part of the bank module BANK of the memory macro MMACRO is replaced with a ROM (Read Only Memory) module. The advantage of this example is that when used as a built-in memory of a one-chip microcomputer, the ROM and RAM control circuits (such as the amplifier module AMP including the main control circuit MAINCNT) can be shared, so that the chip area can be reduced. Further, when it is built in an image processor or DSP (Digital Signal Processor), for example, if the product-sum operation coefficient is stored in the ROM, the RAM and the ROM are close to each other, so that data can be read and operated at high speed.
[0064]
FIG. 14 shows a circuit example of a memory array RMCA of a ROM module suitable for application to the memory macro MMACRO. The feature of this example is that some DRAM memory cells of the same size as the RAM module are used in order to match the number and pitch of the global bit lines with the RAM module (the bank module BANK shown in FIGS. 1, 3, 9 etc.). It is changed and used as a ROM cell. For use as a ROM cell, for example, a mask for removing the insulating film may be added in accordance with data to be written after the insulating film of the memory cell is formed. As a result, the cell from which the insulating film was removed (MC1 in the figure) was short-circuited with the common electrode of the memory cell, and the cell that was not removed (MC2 in the figure) was written by maintaining insulation. become.
[0065]
The operation of the ROM module will be described with reference to FIGS. First, by setting the bit line precharge signal FPC to “H”, the N-MOS transistors QR3, QR4, QR5, QR7 are turned on, and the bit line B and the input terminals N1, N2 of the sense amplifier become the voltage of VCC. Next, the bit line precharge signal FPC is set to “L”, and the word line (W1 in this example) and the transfer signal SC are set to “H” (VCC or higher). Then, the N-MOS transistors QR1, QR6, and QR8 are turned on, so that the node of N1 is lowered to the voltage of HVC, and the node of N2 is lowered to the voltage of 3 / 4VCC. This voltage difference is amplified by operating the sense amplifiers (QR9 to QR12) by setting the P channel sense amplifier common drive line CSP to "H" and the N channel sense amplifier common drive line CSN to "L". If the current continues to flow through the N-MOS transistor QR1, the transfer signal SC is set to "L" to turn off the N-MOS transistors QR6 and QR8. Thus, N1 becomes VSS voltage and N2 becomes VCC voltage. That is, information “0” is read out. If W2 is raised instead of W1, the node of N2 will not be changed to 3 / 4VCC voltage, but the current of N1 node will be VCC voltage because the current does not flow through the memory cell, and the potential relationship will be reversed. This time, N1 becomes the VCC voltage and N2 becomes the VSS voltage. That is, information “1” is read out. Here, when YSi is set to “H”, signals appear on the global bit lines GBL and / GBL via the input / output lines IO and IOB. The timing at which the word line is set to “L” may be anywhere from when SC is set to “L” to when precharge is started.
[0066]
As described above, according to this example, since the same memory cell pattern as that of the RAM can be used as the ROM, the number and pitch of the global bit lines can be easily matched with those of the RAM module. Although the method of removing the insulating film of the DRAM cell has been described here as an example, another method, for example, a method of removing the storage electrode of the memory cell may be used. A conventional ROM cell may be used as long as the pitch of the global bit line can be made the same as that of other bank modules BANK.
[0067]
Here, the ROM is a program-fixed mask ROM in which information is written in advance in the chip manufacturing process, and is a non-volatile memory that retains stored information even when the power is turned off. The RAM is a memory that can rewrite, hold, and read data at any time, and is a volatile memory that cannot hold stored information when the power is turned off.
[0068]
Up to this point, the RAM memory cell has been described as the DRAM cell shown in FIG. 3, but an SRAM cell may be used. In this case, the ROM cell of the ROM bank module may be created by changing a part of the SRAM cell.
[0069]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0070]
A memory macro is composed of a combination of functional modules such as an amplifier module, a bank module, and a power supply. A row system circuit that operates independently and a large number of I / O lines extending in the bit line direction are arranged in the bank module. The I / O line is configured to be connected only by arranging the modules adjacent to each other. Further, a circuit is provided in the amplifier module that can activate and deactivate them in byte units. As a result, the number of memory cell array modules can be increased or decreased while waiting for a large number of I / O lines, so that the capacity can be varied freely from a small capacity to a large capacity while maintaining high data transfer speed. Furthermore, since I / O lines can be activated and deactivated in byte units in the amplifier module, the number of I / O lines that go outside the memory macro can be increased or decreased in byte units. In addition, since the power supply and amplifier can be shared, there is little overhead.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a memory macro according to the present invention and an application example to an image processing LSI.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an external signal and an operation mode of the memory macro of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a sense amplifier and a precharge circuit of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing operation timing of a bank control circuit according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a byte control circuit according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing write and read timings according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a main control circuit of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a read / write control circuit of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a second example of the bank module of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing an example of a bank control circuit of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a second application example to the memory / logic mixed LSI according to the present invention;
FIG. 12 is a diagram showing a third application example to the memory / logic mixed LSI according to the present invention;
FIG. 13 is a diagram showing a second configuration example of the memory macro of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of a ROM-BANK module of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing operation waveforms of the ROM-BANK module of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a bank address wiring layout example of the present invention;
[Explanation of symbols]
MMACRO ... Memory macro
LOGIC ... Logic circuit block
AMP ... Amplifier module
BANK ... Bank module
PS… Power supply module
MAINCNT ... Main control circuit block
BYTCNT ... Byte control block
BNKCNT-1… Lower bank control block
BNKCNT-2… Upper bank control block
MCA ... Memory cell array
SUBARY ... Sub memory cell array (I / O line division unit in bank module)
SA ... Sense amplifier
PC: Precharge circuit
MC1, MC2 ... memory cells
WD ... Word driver
XD ... X decoder
YD ... Y decoder
DWL ... Dummy word line
ONESHOT ... One-shot pulse generator
RS-1, RS-2 ... set / reset flip-flop
D-FF ... Delay flip-flop (D flip-flop)
XLT ... X address latch circuit
YLT ... Y address latch circuit
XPC: Precharge signal generator
VCHG ... VCH generation circuit
VBBG ... Array substrate voltage generator
HVCG: Bit line precharge voltage generator
D1, D2, D3, D5, D15 ... delay circuit
Qi, QAi, QRi ... MOS transistors
VCC ... Power supply voltage
VCH: Word line voltage
VSS: Power supply voltage (ground potential)
VBB ... Power supply voltage
HVC: half the power supply voltage
B, /B...bit line
GBLij, /GBLij...Global bit line
I / O: I / O lines in the sub memory cell array block
YSi: Column address select signal
FPC: Bit line precharge signal
FSA: N channel sense amplifier start signal
FSAB ... N channel sense amplifier start signal
W, W1, W2 ... Word line
CSP ... P channel sense amplifier common drive line
CSN: N channel sense amplifier common drive line
DQ-ij: Memory macro data input / output line
BEi ... Byte control signal
CLK: Clock signal
DCA ... Bank activation flag
DCS ... Bank closing flag
YP ... Column address enable signal
AXij: Row address signal (X address signal)
AYi: Column address signal (Y address signal)
Ri ... low bank address
Ci: Column bank address
RST ... Power-on reset signal.

Claims (18)

複数の第1モジュールと、第2モジュールと、第3モジュールと、論理回路ブロックとが単一の半導体基板に形成された半導体集積回路において、
前記複数の第1モジュールの夫々は、
複数のビット線と、複数のワード線と、前記複数のビット線と前記複数のワード線の交点に設けられた複数のメモリセルとを有するメモリアレイと、
前記複数のビット線の信号を増幅するために、前記複数のビット線の夫々に接続される複数のセンスアンプと、
前記複数のワード線を選択的に駆動するための複数のワードドライバと、
Yスイッチを介して前記複数のビット線に共通に接続されるデータ入出力線と、
前記データ入出力線と接続され、前記メモリアレイ上を前記ビット線と同一方向に伸びるグローバルビット線と、
前記Yスイッチを制御することにより、前記複数のビット線の中から所定数のビット線を選択して前記グローバルビット線に接続するためのカラム選択信号を出力するカラムデコーダとを含み、
前記第2モジュールは、
前記グローバルビット線を伝達する前記複数のメモリセルからの信号を増幅するためのアンプと、前記グローバルビット線を介して前記複数のメモリセルへデータを書き込むための書き込み回路とを含み、
前記第3モジュールは、
前記複数の第1モジュールと前記第2モジュールで使用する電圧を発生するための回路を含み、
前複数の第1モジュールは、互いに近接して一列に並ぶように配置され、互いに前記グローバルビット線により接続され、
前記複数の第1モジュールが並べられた列の一端に前記第2モジュールが配置され、
前記論理回路ブロックは前記第2モジュールとデータのやりとりを行うことを特徴とする半導体集積回路。
In a semiconductor integrated circuit in which a plurality of first modules, second modules, third modules, and logic circuit blocks are formed on a single semiconductor substrate,
Each of the plurality of first modules is
A memory array having a plurality of bit lines, a plurality of word lines, and a plurality of memory cells provided at intersections of the plurality of bit lines and the plurality of word lines;
A plurality of sense amplifiers connected to each of the plurality of bit lines to amplify the signals of the plurality of bit lines;
A plurality of word drivers for selectively driving the plurality of word lines;
A data input / output line commonly connected to the plurality of bit lines via a Y switch;
A global bit line connected to the data input / output line and extending in the same direction as the bit line on the memory array;
A column decoder that outputs a column selection signal for selecting a predetermined number of bit lines from the plurality of bit lines and connecting to the global bit lines by controlling the Y switch;
The second module includes
An amplifier for amplifying signals from the plurality of memory cells that transmit the global bit line; and a write circuit for writing data to the plurality of memory cells via the global bit line;
The third module includes
A circuit for generating a voltage used in the plurality of first modules and the second module;
The plurality of first modules are arranged in a row in close proximity to each other, connected to each other by the global bit line,
The second module is disposed at one end of a row in which the plurality of first modules are arranged,
2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the logic circuit block exchanges data with the second module.
請求項1において、
前記複数の第1モジュールの夫々は、同時に活性化されないことを特徴とする半導体集積回路。
In claim 1,
Each of the plurality of first modules is not activated at the same time.
請求項1又は2において、
前記第2モジュールは、バイト単位でデータの入出力を制御できることを特徴とする半導体集積回路。
In claim 1 or 2,
The semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein the second module is capable of controlling data input / output in byte units.
請求項1から3の何れか一つにおいて、
前記複数のメモリセルは、ダイナミックメモリセルであることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claim 1 to 3,
The semiconductor integrated circuit, wherein the plurality of memory cells are dynamic memory cells.
請求項1から3の何れか一つにおいて、
前記複数の第1モジュールのうち少なくとも1つのモジュールに含まれる複数のメモリセルは、ROMセルであり、その他の前記複数の第1モジュールに含まれる複数のメモリセルは、RAMセルであることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claim 1 to 3,
A plurality of memory cells included in at least one of the plurality of first modules are ROM cells, and a plurality of memory cells included in the other plurality of first modules are RAM cells. A semiconductor integrated circuit.
請求項5において、
前記ROMセルは、前記RAMセルと同一のプロセスにデータを書き込むプロセスを追加することにより作成されるものであることを特徴とする半導体集積回路。
In claim 5,
The ROM cell is created by adding a process of writing data to the same process as the RAM cell.
請求項1から6の何れか一つにおいて、
前記複数のワード線と前記カラム選択信号を伝達するためのカラム選択信号線は、同じ方向に延びることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claims 1-6,
The semiconductor integrated circuit, wherein the plurality of word lines and a column selection signal line for transmitting the column selection signal extend in the same direction.
請求項1から7の何れか一つにおいて、
前記カラムデコーダと前記複数のワードドライバは、前記メモリアレイの一辺に沿って配置されることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claims 1-7,
The semiconductor integrated circuit, wherein the column decoder and the plurality of word drivers are arranged along one side of the memory array.
請求項1から8の何れか一つにおいて、
前記半導体集積回路は、ASICであることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claims 1-8,
The semiconductor integrated circuit is an ASIC.
請求項1から9の何れか一つにおいて、
前記複数の第1モジュールは、前記第2モジュールと前記第3モジュールの間に配置されることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claims 1 to 9,
The plurality of first modules are arranged between the second module and the third module.
複数の第1モジュールと、第2モジュールと、第3モジュールと、前記複数の第1モジュールから出力されるデータを処理する論理回路ブロックとが単一の半導体基板に形成された半導体集積回路において、
前記複数の第1モジュールの各々は、
複数のビット線と、複数のワード線と、前記複数のビット線と前記複数のワード線の交点に設けられた複数のメモリセルとを有するメモリアレイと、
前記複数のビット線の夫々に接続される複数のYスイッチと、
第1方向に延び複数のグローバルビット線と、
前記複数のワード線に接続されるローデコーダと前記複数のYスイッチの制御ノードに接続されるカラムデコーダとを含む制御回路と、
前記第1方向に延び、前記制御回路に接続される複数のアドレス信号線とを具備し、
前記第2モジュールは、
前記グローバルビット線を伝達する前記複数のメモリセルからの信号を増幅するためのアンプと、前記グローバルビット線を介して前記複数のメモリセルへデータを書き込むための書き込み回路とを含み、
前記第3モジュールは、
前記複数の第1モジュールと前記第2モジュールで使用する電圧を発生するための回路を含み、
前記複数の第1モジュールは、前記第1方向に一列に配置され、
前記複数のグローバルビット線の夫々は、前記複数のYスイッチのうち対応する複数個のYスイッチに共通にデータ入出力線を介して接続され、
前記複数の第1モジュールの夫々に含まれる前記複数のグローバルビット線の夫々は、前記複数の第1モジュールのうち隣接して配置される第1モジュールに含まれる前記複数のグローバルビット線のうち対応するグローバルビット線に前記複数の第1モジュール上で接続され、
前記複数の第1モジュールに含まれる前記複数のアドレス信号線の夫々は、前記複数の第1モジュールのうち隣接して配置された第1モジュールに含まれる前記複数のアドレス信号線のうち対応するアドレス信号線に前記複数の第1モジュール上で接続されることを特徴とする半導体集積回路。
In a semiconductor integrated circuit in which a plurality of first modules, a second module, a third module, and a logic circuit block that processes data output from the plurality of first modules are formed on a single semiconductor substrate.
Each of the plurality of first modules includes:
A memory array having a plurality of bit lines, a plurality of word lines, and a plurality of memory cells provided at intersections of the plurality of bit lines and the plurality of word lines;
A plurality of Y switches connected to each of the plurality of bit lines;
A plurality of global bit lines Ru extending in a first direction,
A control circuit including a row decoder connected to the plurality of word lines and a column decoder connected to a control node of the plurality of Y switches;
A plurality of address signal lines extending in the first direction and connected to the control circuit;
The second module includes
An amplifier for amplifying signals from the plurality of memory cells that transmit the global bit line; and a write circuit for writing data to the plurality of memory cells via the global bit line;
The third module includes
A circuit for generating a voltage used in the plurality of first modules and the second module;
The plurality of first modules are arranged in a row in the first direction,
Each of the plurality of global bit lines is connected to a plurality of corresponding Y switches among the plurality of Y switches via a data input / output line.
Each of the plurality of global bit lines included in each of the plurality of first modules corresponds to one of the plurality of global bit lines included in the first module arranged adjacent to among the plurality of first modules. Connected to the global bit line on the plurality of first modules,
Each of the plurality of address signal lines included in the plurality of first modules corresponds to a corresponding address among the plurality of address signal lines included in the first module arranged adjacent to among the plurality of first modules. A semiconductor integrated circuit connected to a signal line on the plurality of first modules.
請求項11において、
前記複数の第1モジュールの夫々は、ロー系バンクアドレスを受けるための第1ノードと、カラム系バンクアドレスを受けるための第2ノードを更に有することを特徴とする半導体集積回路。
In claim 11,
Each of the plurality of first modules further includes a first node for receiving a row bank address and a second node for receiving a column bank address.
請求項11又は12において、
前記複数の第1モジュールの夫々は、前記第1方向に延び、前記制御回路に接続されるクロック信号線を更に有し、
前記クロック信号線は、前記第1モジュール上で前記制御回路に接続されることを特徴とする半導体集積回路。
In claim 11 or 12,
Each of the plurality of first modules further includes a clock signal line extending in the first direction and connected to the control circuit,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the clock signal line is connected to the control circuit on the first module.
請求項11から13の何れか一つにおいて、
前記複数のメモリセルの夫々は、1つのトランジスタと1つのキャパシタとを有するDRAMセルであることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of claims 11 to 13,
Each of the plurality of memory cells is a DRAM cell having one transistor and one capacitor.
請求項11から13の何れか一つにおいて、
前記複数の第1モジュールの一つに含まれる複数のメモリセルの夫々は、SRAMセル又はROMセルであり、
他の前記複数の第1モジュールに含まれる複数のメモリセルの夫々は、一つのトランジスタと一つのキャパシタとを有するDRAMセルであることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of claims 11 to 13,
Each of the plurality of memory cells included in one of the plurality of first modules is an SRAM cell or a ROM cell,
Each of the plurality of memory cells included in the other plurality of first modules is a DRAM cell having one transistor and one capacitor.
請求項11から15の何れか一つにおいて、
前記半導体集積回路は、複数のメインアンプを含む第2モジュールを更に具備し、
前記第2モジュールは、前記複数の第1モジュールの列の端に配置されたモジュールに隣接して配置されることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of claims 11 to 15,
The semiconductor integrated circuit further includes a second module including a plurality of main amplifiers,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the second module is disposed adjacent to a module disposed at an end of a row of the plurality of first modules.
請求項11から16の何れか一つにおいて、
前記半導体集積回路は、電圧発生回路を有する第3モジュールを更に具備し、
前記第3モジュールは、前記複数の第1モジュールの一つに隣接して配置され、
前記複数の第1モジュールは、前記第1方向に伸びた複数の電源供給線を更に有し、
前記複数の第1モジュールの夫々は、前記複数の第1モジュール上で接続され、
前記複数の電源供給線の夫々は、対応する前記電圧発生回路に接続されることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of claims 11 to 16,
The semiconductor integrated circuit further includes a third module having a voltage generation circuit,
The third module is disposed adjacent to one of the plurality of first modules,
The plurality of first modules further include a plurality of power supply lines extending in the first direction,
Each of the plurality of first modules is connected on the plurality of first modules;
Each of the plurality of power supply lines is connected to the corresponding voltage generation circuit.
請求項11から17の何れか一つにおいて、
前記カラムデコーダと前記複数のYスイッチの制御ノードは、複数のカラム選択信号線を介して接続されることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claims 11 to 17,
The column decoder and the control nodes of the plurality of Y switches are connected via a plurality of column selection signal lines.
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