JP3874655B2 - 半導体記憶装置、及び半導体記憶装置のデータアクセス方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、リフレッシュ動作が必要とされる半導体記憶装置に関するものであり、特に、スタンバイ時のリフレッシュ動作による消費電流の低減を図るためのデータアクセスの制御に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ダイナミックランダムアクセスメモリ(以下、DRAMと略記する)等のリフレッシュ動作が必要とされる半導体記憶装置では、読み出し動作、書き込み動作、及びリフレッシュ動作等のメモリセルへのアクセス動作に伴う消費電流の中で、センスアンプによるビット線への充放電電流が大きな比率を占めている。このため従来より、ビット線への充放電電流の低減が図られてきている
【0003】
この方策の1つとして、ビット線への充放電電荷をリサイクルして再利用することにより消費電流の低減を図る試みがなされている。1例として特開平8−249885号公報に開示されている電荷リサイクル方法を、図11の回路構成図と、図12の動作波形図として示す。
【0004】
図11では、VSSを基準電圧とした場合、イコライズ信号(/EQL0乃至/EQL(k−1))によりセンスアンプの両駆動線SAP、/SANがショートされて、ビット線対(BL0と/BL0乃至BL(m−1)と/BL(m−1))が(1/2)VCCにプリチャージされる回路仕様について開示されている。センスアンプ駆動線/SANに対して、第2のスイッチ素子(SEN00乃至SEN0(k−1))を介して、VSSと(1/2)VCCプリチャージの間の電位Vm2の大きなキャパシタC2を持つ電源が接続されている。さらに、センスアンプ駆動線SAPに対して、第4のスイッチ素子(/SEP00乃至/SEP0(k−1))を介して、VCCと(1/2)VCCプリチャージの間の電位Vm1の大きなキャパシタC1を持つ電源が接続されている。ここで、Vm1=(3/4)VCC、Vm2=(1/4)VCCが望ましい電圧値である。
【0005】
図11の回路構成図におけるアクセス動作例が図12である。図12では、1例としてセルアレイ0を例示している。メモリセルへの電荷の再書き込み動作であるリストア動作の際には、センスアンプによる増幅動作では、先ず、/SEP00がLowにSEN00がHighにされて、SAPがVm1に/SANがVm2にショートされる。このときセルアレイ0内の総ビット線のうち、半数についての浮遊容量の総和をCBとして、C1>>CB、C2>>CBの条件が成立すれば、SAPの電位は略Vm1に/SANの電位は略Vm2となる。即ち、センスアンプがVm1(=(3/4)VCC)とVm2(=(1/4)VCC)との間で駆動される。次に、/SEP00がHighにSEN00がLowに戻され、/SEP10がLowにSEN10がHighにされる。センスアンプがVCCとVSSとの間で駆動されてメモリセルにVCC電圧が書き込まれる。
【0006】
イコライズの際には、/SEP10がHighにSEN10がLowに戻され、/SEP00がLowにSEN00がHighにされる。これは、リストアの際、各々のキャパシタC1、C2からビット線に供給された電荷を戻す働きをする。即ち、電荷のリサイクルが行なわれる。この後、/SEP00がHighにSEN00がLowに戻され、/EQL0がHighにされて/SANとSAPがショートされる。
【0007】
/SAN側、SAP側の各々について、キャパシタC1、C2から電圧値にして(1/4)VCCの電荷がリサイクルされることとなる。従って、トータルとしてメモリセルへのリストア電圧の半分に当る(1/2)VCCの電荷のリサイクルが行なわれ、ビット線への充放電電流の低減を図っている。
【0008】
また、Vm1、Vm2の電位とは異なる複数の電位及びスイッチを持たせて多段階(例えば、n段階)に電位が切り替えられていくことにより、1/nのパワー低減を図ることが原理的には可能である。
【0009】
尚、特開平8−249885号公報には、ビット線のイコライズ電圧として上記の(1/2)VCCプリチャージ方式の他に、VCCプリチャージ方式及びVSSプリチャージ方式が開示されている。しかしながら、これらのプリチャージ電圧では、セルキャパシタの蓄積電荷がビット線に読み出されて電荷再分配が行なわれた後、相補のビット線との間でセンスアンプにより差動増幅されてデータが読み出される回路方式においては、各々“1”及び“0”データの読み出しマージンを確保することはできない。“1”、“0”何れのデータの読み出し余裕も確保するためには、ビット線のイコライズ電圧はVCCとVSSとの中間電位である必要がある。通常はVCCとVSSとの電圧を有するビット線対がショートされることにより得られる(1/2)VCC電圧をイコライズ電圧として回路設計されるのが一般的であり、図11に示した回路構成図もこの方式が採用されている。従って、図11に示す従来技術においては、(1/2)VCCのイコライズ電圧を前提とした電荷リサイクルによるビット線への充放電電流の低減が示されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
近年の携帯機器分野においては、搭載される機能の増大に伴い大容量の半導体記憶装置が要求されており、これを限られたスペースに現実的な価格で実装する必要から、携帯機器においても高集積でビット単価の安いDRAMあるいは同期型DRAM(以下、SDRAM)等が採用されるに至っている。一方、携帯電話やデジタルカメラ等のスタンバイ状態に維持されている時間が長い携帯機器においては、バッテリー駆動時の連続使用時間特性を向上させるために、スタンバイ状態での消費電流を極限まで低減することが求められている。従って、DRAM等には、スタンバイ時にも定期的に行なわれるセルフリフレッシュ動作等のリフレッシュ動作において消費電流の更なる低減が必須となっている。
【0011】
しかしながら、従来技術に示した回路構成図(図11)では、電荷リサイクル量は、VCC電圧に対して半分の(1/2)VCCである。消費電流の低減効果は、リフレッシュ動作に伴う全消費電流のうちビット線への充放電電流に係る消費電流の1/2に限定されており部分的な低減効果が得られるに留まり、これ以上の低減を図ることができず問題である。
【0012】
また、ハイ側電圧Vm1及びロー側電圧Vm2の2つの電圧を有する2つのキャパシタC1及びC2が、1組としてセンスアンプの両駆動線SAP、/SANの各々に接続されてセルアレイ0内のビット線対が差動増幅される。この時、ビット線の半数づつが、各々、略ハイ側電圧Vm1及び略ロー側電圧Vm2に充放電するためには、半数のビット線の総浮遊容量値CBに比して充分大きな容量値のキャパシタC1、C2が備えられなければならない。セルアレイ毎に2つの大容量キャパシタが備えられなければならず、現実的なダイサイズで実現することができないおそれがあり問題である。
【0013】
更に、n段階に電位が切り替えられていけば消費電流が1/nに低減されることも原理的には可能であることが示されている。しかしながら、各電位が供給されるためには電位毎にキャパシタとスイッチが必要である。n段階の電位が順次切り替えられるためには、SAP側と/SAN側との各々に電位毎にキャパシタが備えられなければならず、2n個の大容量キャパシタが必要となる。現実的なダイサイズで実現することができないおそれがあり問題である。
【0014】
また、スタンバイ時の消費電流としては、リフレッシュ動作による消費電流の占める比率が大きなものとなるため、スタンバイ時の低消費電流化に際しては、データ保持特性を改善してリフレッシュ周期を長くすることが必須となる。ここで、データ保持特性は、セルキャパシタに蓄積されたハイレベル電圧の蓄積電荷がリークにより時間と共に減少していく特性である。リークによりセルキャパシタのハイレベル電圧が徐々に低下していきビット線のイコライズ電圧を下回るまでの時間をデータ保持時間tREFとして定義している。データ保持時間tREF以後にセルキャパシタとビット線とが接続されると反転データが増幅されてしまうおそれがあり、データ保持時間tREF前にリフレッシュ動作をする必要がある。
【0015】
データ保持時間tREFを長くすることができれば、リフレッシュ周期が長くなり、リフレッシュ動作に伴う消費電流が低減できる。データ保持時間tREFを長くするためには、セルキャパシタへの“1”データの書き込み電圧が不変であると仮定した場合には、ビット線のイコライズ電圧を低下する必要がある。しかしながら、従来技術では、イコライズ信号/EQL0により、(3/4)VCC電圧のSAPと(1/4)VCC電圧の/SANとがショートされることによりビット線のイコライズ電圧が(1/2)VCCに固定されてしまい、ビット線のイコライズ電圧を低減することができず問題である。
【0016】
ここで、ビット線が(1/2)VCC電圧にイコライズされた後に更に低い電圧値に移行させようとすると、ビット線電圧が放電されなければならず、新たな電流消費を招いてしまい消費電流の低減に反することとなり問題である。また、もし仮に、イコライズ電圧を(1/2)VCCより低電圧に設定することができたと仮定しても、次のアクセス動作において電荷のリサイクル動作が正しく行なわれず問題である。
【0017】
また、携帯機器の限られたスペースに大容量の記憶容量が搭載される必要から、DRAM等は微細化・高集積化が図られることとなる。これにより、セルサイズは縮小を余儀なくされ、リーク等によるデータ保持時間tREFの悪化を招くおそれがある。このことからも、ビット線イコライズ電圧を低減してデータ保持時間tREFの改善を図る必要があり、これができない従来技術では問題である。
【0018】
本発明は前記従来技術の問題点を解消するためになされたものであり、電荷リサイクル技術によりビット線の充放電電流の低減を図りながら、セルキャパシタのデータ保持特性を改善して一定期間内のリフレッシュ動作回数を削減することにより、スタンバイ時の消費電流を低減することが可能な半導体記憶装置、及び半導体記憶装置のデータアクセス方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項1に係る半導体記憶装置は、ビット線対を差動増幅するセンスアンプの低電圧側駆動線を、低側電圧に接続する低側電圧スイッチ部と、センスアンプの高電圧側駆動線を、ビット線対のリストアレベルである第1電圧に接続する第1高側電圧スイッチ部と、第1高側電圧スイッチ部が導通するリストア期間の前段階および後段階において、高電圧側駆動線を、第1電圧より低電圧である第2電圧に接続する第2高側電圧スイッチ部と、イコライズ期間に、ビット線対を第1電圧の1/2より低電圧にイコライズするイコライズ部と、第2高側電圧スイッチ部により高電圧側駆動線に接続され、ビット線対のうち高電圧側のビット線を、第1電圧と第2電圧との間で充放電する際の電荷をリサイクルする電荷リサイクル手段とを備え、電荷リサイクル手段は、リーク補償部を備えることを特徴とする。
【0020】
上記の半導体記憶装置では、ビット線対は、イコライズ部によりメモリセルへのリストア電圧である第1電圧の1/2より低電圧にイコライズされる。また、リストア期間の前段階として、低側電圧スイッチ部によりセンスアンプの低電圧側駆動線が低側電圧に接続され、第2高側電圧スイッチ部により高電圧側駆動線が電荷リサイクル手段に接続される。電荷リサイクル手段から電荷が放出され、ビット線対のうち高電圧側のビット線が第1電圧より低電圧の第2電圧とされる。その後リストア期間に移行し、低側電圧スイッチ部によりセンスアンプの低電圧側駆動線が低側電圧に接続され、第2高側電圧スイッチ部に代えて第1高側電圧スイッチ部により高電圧側駆動線が第1電圧に接続されてビット線対が差動増幅され、高電圧側のビット線が第1電圧とされる。リストア期間の後段階では、低側電圧スイッチ部によりセンスアンプの低電圧側駆動線が低側電圧に接続され、再度、第1高側電圧スイッチ部に代えて第2高側電圧スイッチ部により高電圧側駆動線が電荷リサイクル手段に接続される。電荷リサイクル手段に対して電荷が供給され、ビット線対のうち高電圧側のビット線が第1電圧から第2電圧とされる。また、リーク補償部により、電荷リサイクル手段によりリサイクルされる第1電圧と第2電圧との間で充放電する電荷のリークによる消失が補われる。
【0021】
更に、請求項6に係る半導体記憶装置のデータアクセス方法は、センスアンプの低電圧側駆動線に低側電圧が供給され、高電圧側駆動線にビット線対のリストアレベルである第1電圧が供給されて、ビット線対が差動増幅され、ビット線対のイコライズ時には、イコライズに先立って高電圧側駆動線が第1電圧から第1電圧より低電圧である第2電圧に切り替えられ第1電圧から第2電圧への放電電荷が蓄積された後に、第1電圧の1/2より低電圧の中間電圧にイコライズされ、ビット線対のリストア時には、高電圧側駆動線が前記第2電圧に切り替えられ、イコライズ時に蓄積された電荷が再利用されて中間電圧から第2電圧への充電電荷が供給された後に、高電圧側駆動線が第1電圧に切り替えられ、第2電圧は、イコライズから次サイクルのリストアまでの間、消失する蓄積電荷分が補われ電圧値が維持されることを特徴とする。
【0022】
これにより、ビット線対への差動増幅に際し、センスアンプの高電圧側駆動線が、イコライズ電圧から第2電圧を介してメモリセルへのリストア電圧である第1電圧へ2段階に切り替えられることにより、ビット線対のうち高電圧側のビット線に対して、リストア時のイコライズ電圧から第2電圧への電荷の再利用と、イコライズ時の第1電圧から第2電圧への電荷の再蓄積とが、交互に繰り返されて電荷のリサイクルを行なうことができ、ビット線への充放電電流の低減を図ることができる。
【0023】
また、イコライズ電圧が第1電圧の1/2より低電圧に設定されているので、メモリセルへのリストア電圧、即ちメモリセルキャパシタに蓄積されている“1”データの電圧レベルである第1電圧との電圧差が広がり、データ保持時間が長くなってデータ保持特性を改善することができる。所定時間内のリフレッシュ回数を低減することができ、リフレッシュ動作に伴う消費電流を低減することができる。
【0024】
電荷リサイクルによるビット線への充放電電流の低減とデータ保持特性の改善とにより、半導体記憶装置が携帯機器等に使用される場合、スタンバイ時の消費電流を大幅に低減することができ、バッテリー駆動時の連続使用時間の大幅な改善を実現することができる。
【0025】
また、電荷リサイクルにより蓄積される電荷が長時間保持状態にある場合等に、リーク等によって蓄積された電荷の一部が消失してしまう場合にも、電荷分を補うことができる。
【0026】
図1に本発明の原理を示す。メモリセルへのリストアが行われる際のリストア動作波形と、ビット線対がイコライズされる際のイコライズ動作波形とを示す。イコライズ状態において、ビット線対は第1電圧(V1)の1/2電圧((1/2)V1)より低電圧である第2電圧(V2)の1/2電圧((1/2)V2)にイコライズされている。ワード線が活性化されて(不図示)リストア動作が開始されると、センスアンプ群の高電圧側駆動線が第2電圧(V2)に切り替えられてビット線対が差動増幅される(図1中、(A))。この時、第2電圧(V2)に備えられる電荷リサイクル手段(不図示)に蓄積されている電荷が、ビット線対の一方のビット線がイコライズ電圧((1/2)V2)から第2電圧(V2)に充電されるために利用される(図1中、(I))。次に、センスアンプ群の高電圧側駆動線が第2電圧(V2)から第1電圧(V1)に切り替えられてビット線対が差動増幅されメモリセルへのリストアが行なわれる(図1中、(B))。この時、ビット線対の一方が第2電圧(V2)から第1電圧(V1)に充電されるため、第1電圧(V1)から電荷が供給される。
【0027】
メモリセルがリストアされた後、ワード線が非活性化されて(不図示)イコライズ動作が開始される。第1の段階(図1中、(C))として、センスアンプ群の高電圧側駆動線が第1電圧(V1)から第2電圧(V2)に切り替えられる。この時、ビット線対の一方のビット線に第1電圧(V1)から供給されている電荷は、第2電圧(V2)に戻され電荷リサイクル手段への電荷の再蓄積が行なわれる(図1中、(II))。その後の第2の段階(図1中、(D))で、センスアンプ動作が停止されビット線対がショートされることによりイコライズされる。第2電圧(V2)と基準電圧(0)とのショートによりイコライズ電圧は第2電圧(V2)の1/2電圧((1/2)V2)となり、第1電圧(V1)の1/2電圧((1/2)V1)より低電圧にイコライズされる。また、イコライズ時の電荷再蓄積動作(図1中、(II))により蓄積された電荷は、次サイクルのリストア時の電荷再利用動作(図1中、(I))により再利用されることにより電荷のリサイクル動作が行なわれる。
【0028】
図2に、メモリセルキャパシタに、データ“1”電圧である第1電圧(V1)で蓄積されている電荷のリーク特性を示す。メモリセルキャパシタの蓄積電荷は、個々の半導体記憶装置の製造条件やデバイス条件に応じた特性で時間と共にリークし、セルキャパシタの電圧は時間と共に低下していく。“1”データの読み出しは、第1電圧(V1)のセルキャパシタがイコライズ電圧のビット線に読み出され、イコライズ電圧であるリファレンスのビット線との間で差動増幅されることにより行なわれる。従って、差動増幅が正しく行なわれるためにはビット線に読み出された際のビット線の電圧値がイコライズ電圧を下回らないことが必要条件となり、リフレッシュ動作はセルキャパシタの電圧がイコライズ電圧に至る前のタイミングで行なうことが必要となる。
【0029】
第1電圧(V1)を電源電圧VDD0と仮定すると、セルキャパシタ電圧が従来の一般的なイコライズ電圧の設定である(1/2)VDD0電圧に至るまでのtREF(=T1(0))に比して、イコライズ電圧が(1/3)VDD0電圧にされた場合のtREF(=T2(0))のほうが、tREF時間がΔT(0)だけ長くなる。このことはリフレッシュ周期の長周期化を意味しており、単位時間あたりのリフレッシュ動作回数が低減されスタンバイ時の低消費電流化を図ることができる。また、第1電圧(V1)が、VDD0から更に低電圧のVDDに低減された場合には(図2においては、VDD=(2/3)VDD0場合を例示している)、イコライズ電圧が(1/2)VDD電圧の場合のtREF(=T1)と(1/3)VDD電圧の場合のtREF(=T2)との時間差(ΔT)は更に大きなものとなる。リフレッシュ周期の長周期化による単位時間あたりのリフレッシュ動作回数の低減は更に大きなものとなり、スタンバイ時の低消費電流化の効果は大きなものとなる。
【0030】
このことは、イコライズ電圧が第1電圧(V1)の1/2より低電圧に設定されることによるデータ保持特性の改善効果が、メモリセルへのリストア電圧である第1電圧(V1)の低電圧化に伴い大きくなることを示している。特に携帯機器応用で強く求められている大容量化要求に伴う高集積化・微細化と低消費電力動作とを実現するために、必然的に駆動電圧が低電圧化されてきている。こうした背景において、リフレッシュ動作電流の削減によるスタンバイ時の低消費電流化について、イコライズ電圧の低電圧化は大きな効果を有するものであると共に、今後、駆動電圧の低電圧化が進展する携帯機器分野においてスタンバイ電流の低減を進めるに当り、その重要性は益々増大するものである。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体記憶装置、及び半導体記憶装置のデータアクセス方法について具体化した実施形態を図3乃至図10に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。
図3は、メモリセルアレイ構造を示すレイアウト模式図である。図4は、第1実施形態の回路図である。図5は、第1実施形態の動作を示す動作波形図である。図6は、第1実施形態の第1具体例を示す回路図である。図7は、第1実施形態の第2具体例を示す回路図である。図8は、第1実施形態の第3具体例を示す回路図である。図9は、第1実施形態の第4具体例を示す回路図である。図10は、第2実施形態の動作を示す動作波形図である。
【0032】
図3に示すレイアウト模式図は、半導体記憶装置におけるメモリセルアレイ構造の一部を模式的に拡大したものである。メモリセルアレイは所定ビット数毎にメモリセルアレイ領域MCとして纏められており、このメモリセルアレイ領域MCが活性単位としてデータアクセスの単位が構成されている。メモリセルアレイ領域MCには、図示しないメモリセルがマトリクス状に配置されており、所定メモリセル毎に、センスアンプ群SAにより差動増幅される複数のビット線対の各々のビット線に接続されている。メモリセルとビット線との導通制御は、ワード線ドライバ群WDにより択一的に選択される複数のワード線により行なわれる。複数のワード線の各々は、複数のビット線対のうち何れか一方のビット線に接続されているメモリセルが共通に選択されるように配線されており、隣接ワード線間でビット線対のうち互いに他方のビット線に接続されているメモリセルが同時に選択される。1ワード線による複数のメモリセルの選択により、各ビット線対の何れか一方のビット線とメモリセルとが導通され、センスアンプ群SAが同時に活性化される。各ビット線対に対して同時にりストア動作及びアクセス後のイコライズ動作が行なわれる。
【0033】
メモリセルアレイ領域MCにはワード線ドライバ群WDやセンスアンプ群SA、あるいは周辺制御回路領域(不図示)等の周辺領域には一般的に存在しないセルキャパシタ構造が個々のメモリセル毎にマトリクス状に備えられている。そして、このセルキャパシタ構造は容量値が確保される必要から、窒化膜等の特殊な酸化膜、及びトレンチ構造やスタック構造等の特殊なデバイス構造を有している。このため、メモリセルアレイ領域MCは周辺領域とは異なるデバイス構造となっており、半導体基板からの積層高さも異なっているのが一般的である。従って、メモリセルアレイ領域MCの構造の連続性が途切れるワード線ドライバ群WDやセンスアンプ群SA等の周辺領域との境界においては、セルキャパシタ等のデバイス特性にばらつきが生じやすい。このばらつきを避け均一なセルキャパシタが構成されるために、メモリセルアレイ領域の周辺部にセルキャパシタと同等な構造のダミーセルキャパシタが配置されたダミーセルアレイ領域DMCを備えることが一般的である。このダミーセルアレイ領域DMCにより、デバイス構造の違いが吸収されてメモリセルアレイ領域MCのデバイス特性の均一性が確保される。
【0034】
ワード線ドライバ群WDとセンスアンプ群SAとの交差領域Cには、センスアンプ群SAの活性化部が構成されている。センスアンプ群の低電圧側駆動線に基準電圧を供給する電圧供給部としてNMOSトランジスタが配置されると共に、センスアンプ群の高電圧側駆動線に第1及び第2電圧を供給する第1及び第2電圧供給部が配置されている。
【0035】
図4に示す第1実施形態では、センスアンプ群SAには複数のセンスアンプSA0乃至SAnが配置されており、各センスアンプSA0乃至SAnには差動増幅されるビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnが各々接続されている。ビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnは、ダミーセルアレイ領域DMCを越えてメモリセルアレイ領域MCまで配線されており、ワード線ドライバ群WDからのワード線WL0、WL1、WLk−1、WLkにより交互に導通制御されるメモリセルが接続されている。また、ビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnは、イコライズ信号BRSにより導通制御されるNMOSトランジスタT01乃至Tn1により接続されている。
【0036】
センスアンプSA0乃至SAnの高電圧側駆動線PSA及び低電圧側駆動線NSAは、センスアンプ群SA毎に纏められて配線されており、各々、交差領域CにおいてMOSトランジスタを介して高/低駆動電圧に接続されている。具体的には、低電圧側駆動線NSAは、制御信号SLEzで制御されるNMOSトランジスタMN1を介して低側電圧である基準電圧VSSに接続されている。また、高電圧側駆動線PSAは、制御信号SLE1xで制御されるPMOSトランジスタMP1を介して第1電圧である電源電圧VDDに接続されると共に、制御信号SLE2xで制御されるPMOSトランジスタMP2を介して電源電圧VDDより低電圧の第2電圧VIIDに接続されている。ここで、第2電圧VIIDには、基準電圧VSSとの間に電荷リサイクル手段としてリサイクルキャパシタCAP0が接続されている。尚、リサイクルキャパシタCAP0の配置位置については特に特定されてはいないが、交差領域Cに配置される場合の他、後述するようにセンスアンプ群SAにおける各センスアンプSA0乃至SAnの近傍領域、あるいはダミーセルアレイ領域DMC等に配置することができる。第2電圧VIIDは、半導体記憶装置の外部から供給される場合の他、内部降圧電源回路により電源電圧VDDから降圧されて生成されてもよい。また、第1電圧である電源電圧VDD及び第2電圧VIIDは、低側電圧である基準電圧VSSに対して設定されている。
【0037】
ここで、高電圧側駆動線PSAや各ビット線BL0乃至/BLnには浮遊容量が付随している。具体的には、高電圧側駆動線PSAには、センスアンプSA0乃至SAnを構成するPMOSトランジスタ(不図示)のソース端子が接続されており、個々のビット線BL0乃至/BLnには、DRAMの場合、ワード線WL0乃至WLkによりセルキャパシタとの導通制御を行なうNMOSトランジスタで構成されるトランスファゲートのドレイン端子が接続されている。これらの接合容量が浮遊容量として付加されることとなる。また、近年の大容量化に伴い、高電圧側駆動線PSAや1本のビット線BL0乃至/BLnに接続されるメモリセル数が増大してきた結果、接合容量に起因する浮遊容量は大きなものとなっている。また、大容量化に伴うダイサイズの増大によりビット線BL0乃至/BLnの配線長は長くなっており、微細化に伴う隣接配線等との線間容量や多層構造における層間容量に起因する浮遊容量も増大してきたこととも相俟って、浮遊容量は大きなものとなっている。
【0038】
但し、高電圧側駆動線PSAとビット線BL0乃至/BLnとの間の浮遊容量の比較においては、ビット線BL0乃至/BLnの浮遊容量がはるかに大きな値である。高電圧側駆動線PSAの浮遊容量がセンスアンプSA0乃至SAn数に依存することにとどまっているのに対して、ビット線BL0乃至/BLnの浮遊容量は、センスアンプSA0乃至SAn毎に接続されている1対のビット線BL0乃至/BLn毎に多数のメモリセルが接続されており、差動増幅された際、ビット線BL0乃至/BLn総数の1/2が浮遊容量として加算されるからである。
【0039】
図5に示す動作波形図に従い第1実施形態の動作について説明する。図5では便宜的にビット線対BL0と/BL0を例にとり説明しているが、回路構成上、活性単位であるメモリセルアレイ領域MCにある全てのビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnが同時に活性化制御されている。アクセス開始前のプリチャージ状態にありイコライズ電圧VPRにイコライズされているビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnは、イコライズ状態の終了に伴いイコライズ信号BRSがロー論理レベルに遷移してNMOSトランジスタT01乃至Tn1がオフ状態となることによりフローティング状態に移行する。
【0040】
その後、リストア動作が開始する。ワード線WL0が昇圧電圧VPPに活性化され、メモリセルからビット線BL0乃至BLnに蓄積電荷が再分配される。図5においては、“1”データの蓄積電荷が再分配されてビット線BL0の電圧がイコライズ電圧VPRから上昇する場合を示している。“0” データの蓄積電荷が再分配される場合はビット線の電圧がイコライズ電圧VPRより下降し相対的に相補のビット線の電圧が高電圧となる。ここで、セルキャパシタ容量に比してビット線の浮遊容量が大きいため、ビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLn間の電圧シフト量は微小電圧となる。
【0041】
次に、ビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnの微小電圧差がセンスアンプSA0乃至SAnで差動増幅される。制御信号SLEzが活性化されてNMOSトランジスタMN1がオン状態にされることによりセンスアンプSA0乃至SAnの低電圧側駆動線NSAに基準電圧VSSが供給されると共に、制御信号SLE2xが活性化されてPMOSトランジスタMP2がオン状態にされることにより、高電圧側駆動線PSAに第2電圧VIIDが供給されてリストア動作の第1段階が開始される。これにより、センスアンプSA0乃至SAnは、第2電圧VIIDと基準電圧VSSとの間でビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnが差動増幅される。
【0042】
ここで、センスアンプSA0乃至SAnにおける差動増幅とは、各々のビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnに付随している浮遊容量への充放電動作である。そのため、低電圧側のビット線については、基準電圧VSSへの電荷放電により基準電圧VSSまで降圧されるのに対して、高電圧側のビット線については、第2電圧VIIDに接続されているリサイクルキャパシタCAP0に蓄積されている電荷が、ビット線BL0乃至BLnの総和の浮遊容量を中心として高電圧側駆動線PSAの浮遊容量を加えた容量負荷に再分配されることにより行なわれる(図5中、(I))。
【0043】
ここで、再分配後の高電圧側駆動線PSAの電圧、即ち、高電圧側のビット線電圧が略第2電圧VIIDに維持されるために、浮遊容量の総和に比してリサイクルキャパシタCAP0の容量値を充分に大きくしておく。これにより、リサイクルキャパシタCAP0からの電荷の再分配後においても、高電圧側駆動線PSA及び高電圧側のビット線の電圧を略第2電圧VIIDに維持することができる。センスアンプSA0乃至SAnによる略第2電圧VIIDへの差動増幅動作であるリストア動作の第1段階は制御信号SLE2xが活性化されているの期間に行なわれ(図5中、(A))、この期間に高電圧側のビット線が略第2電圧VIIDまで充電される。
【0044】
制御信号SLE2xがハイ論理レベルに遷移し活性化状態が終了した後、制御信号SLE1xがロー論理レベルに遷移し、高電圧側駆動線PSAに接続される電圧源が第2電圧VIIDから第1電圧である電源電圧VDDに切り替えられてリストア動作の第2段階が開始される。リストア動作の第2段階では、略第2電圧VIIDに増幅されている高電圧側のビット線はセンスアンプSA0乃至SAnにより更に増幅されて電源電圧VDDにまで増幅され、リストア動作が完了する(図5中、(B))。この状態でワード線WL0は昇圧電圧VPPに活性化されているため、電源電圧VDDに維持されているビット線にはトランスファゲートを介してメモリセルキャパシタも導通されており、セルキャパシタが電源電圧VDDに充電されることによりメモリセルへのリストアが行なわれる。
【0045】
セルキャパシタへの書き込みが終了した後、イコライズ動作が開始する。制御信号SLE1xが非活性化され、制御信号SLE2xが再度ロー論理レベルに遷移して活性化され高電圧側駆動線PSAが第2電圧VIIDに接続されることにより、イコライズ動作の第1段階が開始される(図5中、(C))。リサイクルキャパシタCAP0の蓄積電荷はリストア動作の第1段階(図5中、(A))においてビット線に電荷供給をしたため蓄積電荷量が減少しているところ、高電圧側駆動線PSAの第2電圧VIIDへの接続時点では高電圧側駆動線PSA及び高電圧側のビット線は電源電圧VDDに維持されている。このため、ビット線の浮遊容量から高電圧側駆動線PSAを介してリサイクルキャパシタCAP0に電荷が移動することとなる。リサイクルキャパシタCAP0に電荷を戻すことにより高電圧側のビット線電圧が電源電圧VDDから略第2電圧VIIDに降圧される(図5中、(II))。高電圧側駆動線PSAが第2電圧VIIDに接続されることにより高電圧側のビット線が略第2電圧VIIDに戻されるリストア動作の第1段階動作は、リストア動作の第1段階(図5中、(A))と同様に、制御信号SLE2xが活性化されている期間に行なわれ(図5中、(C))、この期間に高電圧側のビット線が略第2電圧VIIDまで放電される。
【0046】
ここで、第2電圧VIIDの電圧レベルを、電源電圧VDDとイコライズ電圧VPRとの間の略中央の電圧レベルとすれば、リストア動作の第1段階(図5中、(A))におけるリサイクルキャパシタCAP0から高電圧側のビット線への電荷の供給量(図5中、(I))と、イコライズ動作の第1段階(図5中、(C))におけるリサイクルキャパシタCAP0への高電圧側のビット線からの電荷の供給量(図5中、(II))とが略等しくなり、リサイクルキャパシタCAP0の蓄積電荷を繰り返しリサイクルすることができる。具体的な数値例としては、例えば、第2電圧VIIDを電源電圧VDDの2/3とし、イコライズ電圧VPRを電源電圧VDDの1/3と設定することができる。
【0047】
電荷リサイクルの終了後、制御信号SLE2xがハイ論理レベルに遷移し活性化状態が終了した後、制御信号SLExがロー論理レベルに遷移し非活性となり、更にイコライズ信号BRSが昇圧電圧VPPに遷移してイコライズ動作の第2段階が開始される(図5中、(D))。イコライズ動作の第2段階では、略第2電圧VIIDと基準電圧VSSとに維持されているビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnがNMOSトランジスタT01乃至Tn1により各々ショートされる。これにより、ビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnのイコライズ電圧VPRは、略第2電圧VIIDの1/2電圧となる。リストア電圧である電源電圧VDDとの電圧差がより大きな電圧にイコライズされる。
【0048】
以下、高電圧側駆動線PSAへの電圧供給の具体的な構成について、第1乃至第4具体例に基づき説明する。図6に示す第1具体例では、高電圧側駆動線PSAに第2電圧VIIDを供給するPMOSトランジスタが、センスアンプSA0乃至SAn毎に設られる構成である。制御信号SLE2xで制御されるPMOSトランジスタがセンスアンプSA0乃至SAn毎に分散配置されるので、個々のPMOSトランジスタを介して駆動すべきビット線及び高電圧側駆動線PSAの浮遊容量は少なくなり、負荷を分散させることができる。また、個々のPMOSトランジスタが配置される領域が分散されるので各々充分なサイズのトランジスタ領域を確保することができ、PMOSトランジスタの駆動能力を高めることができる。これにより、電源電圧VDDより低電圧である第2電圧VIIDでの駆動能力を高めることができる。リストア動作の第1段階(図5中、(A))及びイコライズ動作の第1段階(図5中、(C))の高速化を図ることができる。
【0049】
なお、図6の第1具体例では、センスアンプSA0乃至SAn毎にPMOSトランジスタが分散配置される構成を示したが、これに限定されるものではなく、個々のPMOSトランジスタの駆動能力に応じて所定数のセンスアンプに対して1つのPMOSトランジスタを設ける構成としてもよく、逆に、1つのセンスアンプに対して複数のPMOSトランジスタを設ける構成とすることもできる。
【0050】
図7に示す第2具体例では、高電圧側駆動線PSAに第2電圧VIIDを供給するPMOSトランジスタと、電源電圧VDDを供給するPMOSトランジスタとを対として、2組のセンスアンプSA0とSA1乃至SAn−1とSAn毎に設ける構成である。制御信号SLE1x及びSLE2xで各々制御される1対のPMOSトランジスタをペアとして分散配置されるので、個々のPMOSトランジスタを介して駆動すべきビット線及び高電圧側駆動線PSAの浮遊容量は少なくなり、負荷を分散させることができる。また、個々のPMOSトランジスタを配置する領域が分散されるので各々充分なサイズのトランジスタ領域を確保することができ、PMOSトランジスタの駆動能力を高めることができる。これにより、第1電圧である電源電圧VDD及び第2電圧VIIDの供給能力を共に高めることができる。リストア動作の第1、第2段階(図5中、(A)、(B))及びイコライズ動作の第1、第2段階(図5中、(C)、(D))の各段階の動作の高速化を図ることができる。
【0051】
また、1対のPMOSトランジスタの配置頻度は、2組のセンスアンプ毎に配置する以外に所定数のセンスアンプ毎に配置してもよく、逆に1つのセンスアンプに対して複数対のPMOSトランジスタペアを配置する構成としてもよい。また、配置する各々のPMOSトランジスタについても、必ずしも1対で設ける必要はない。各々の配置は、各々のPMOSトランジスタの駆動能力や動作特性等に応じて配置数、配置位置を変更することができることは言うまでもない。
【0052】
図8に示す第3具体例では、リサイクルキャパシタCAP0に蓄積された電荷がリークする場合、リーク電荷を補うリーク補償機能を備えた構成である。リサイクルキャパシタCAP0の電荷蓄積端子には、制御信号ΦVGによりゲート電圧が制御されるPMOSトランジスタが電源電圧VDDとの間で接続されている。半導体記憶装置のリフレッシュ動作では、デバイス性能や回路仕様等に応じてリフレッシュ周期が決定されるが、この周期は一般的に長時間である。特に、イコライズ電圧が低電圧レベルに設定されてセルキャパシタのtREF特性が大幅に改善される場合には、リフレッシュ周期は益々長くなる。従って、この間のリサイクルキャパシタCAP0からの電荷リークにより第2電圧VIIDの電圧値が低下してしまう場合がある。また、デバイス外部からの電源ノイズ等の影響により第2電圧VIIDが変動してしまうことも考えられる。
【0053】
こうした第2電圧VIIDの電圧変動を防止するため、デバイスが非活性状態にある期間に制御信号ΦVGによりPMOSトランジスタがバイアスされて、電源電圧VDDから電荷の補給を行なっている。第3具体例においては、制御信号ΦVGはアナログ制御信号となる。PMOSトランジスタのゲート端子がアナログ制御電圧ΦVGでバイアスされることにより、PMOSトランジスタが電圧制御電流源として使用されリークした電荷の補給が行なわれている。この場合、リサイクルキャパシタCAP0の端子電圧をモニタしておき、アナログ制御電圧ΦVGの電圧値が制御されるフィードバック回路を備えることが好ましい。なお、制御信号ΦVGをディジタル制御信号として、PMOSトランジスタが内部降圧電源VIIDに接続される構成とすることもできる。
【0054】
図9に示す第4具体例では、リサイクルキャパシタが分散配置され、分散配置された各リサイクルキャパシタCAP00乃至CAP0nは、ヒューズ素子F0乃至Fnを介して基準電圧VSSに接続される構成である。
【0055】
各リサイクルキャパシタCAP00乃至CAP0nには、メモリセルアレイ領域MCの端部に配置されているダミーセルアレイ領域DMC(図3、参照)内のダミーセルを使用することができる。このダミーセルは、メモリセルキャパシタと同等の構成を有しているので単位面積あたり大きな容量値を有すると共に、デバイス構造上メモリセルアレイ領域MCと周辺領域との境界部に配置されているダミーセルアレイ領域DMC内のダミーセルをそのまま利用することができる。リサイクルキャパシタCAP0用として新たなキャパシタを配置する必要がない。従って、チップ面積に関するペナルティはなくリサイクルキャパシタCAP0を構成することができる。
【0056】
ここで、メモリセルアレイ領域MCと周辺領域とは、前述したようにデバイス構造が異なるため、半導体基板からの積層高さ等が異なっている。このような境界領域に配置されているダミーセルは、デバイス特性としてはばらつきが大きくなる可能性がある。また、積層高さの違いによる段差が存在するため欠陥率が高い場合がある。欠陥率が高くないとしても、ダミーセルキャパシタを構成する酸化膜はセルキャパシタを構成する窒化膜等の酸化膜と同等の酸化膜であり、一定の割合で欠陥が発生する可能性がある。
【0057】
リサイクルキャパシタCAP0は、ビット線等の総浮遊容量に比して充分大きな容量値が確保される必要があるので、誘電率の高い酸化膜が使用されているダミーセルが使用される場合でも多数のダミーセルキャパシタCAP00乃至CAP0nが並列接続される必要がある。そのため、このままでは1つのダミーセルが欠陥を有しているだけでリサイクルキャパシタCAP0がショートしてしまうこととなる。そこで、各ダミーセルキャパシタCAP00乃至CAP0nにヒューズ素子F0乃至Fnを備えておき、所定確率で発生する欠陥セルを個別に切り離すことにより、信頼性よくリサイクルキャパシタCAP0を構成することができる。
【0058】
ここで、第4具体例ではヒューズ素子F0乃至Fnが基準電圧VSS側に設置される構成について例示したが、反対側の端子に設置する構成とすることもできる。また、ヒューズ素子F0乃至Fnに代えて、MOSトランジスタやトランスファゲート等のスイッチ素子、その他のスイッチ回路等を備える構成とすることもできる。
【0059】
なお、メモリセルキャパシタ構造と同様な構造を有するキャパシタとしてダミーセルアレイ領域DMCに配置されているダミーセルキャパシタを利用する場合について説明したが、同等の構造を有するキャパシタをユニットとしてセンスアンプ群SAやワード線ドライバ群WD等の周辺領域に多数配置する構成としてもよい。この場合も、キャパシタ構成としてメモリセルキャパシタと同等の構成を有するメモリセル型キャパシタとすることにより、単位面積あたり大きな容量値を有するキャパシタ群とすることができ、面積効率よくリサイクルキャパシタCAP0を構成することができる。更に、ダミーセルキャパシタあるいはメモリセル型キャパシタを混在させることもできる。
【0060】
以上に説明した第1実施形態によれば、各ビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnの差動増幅に際し、センスアンプ群の高電圧側駆動線PSAが、イコライズ電圧VPRから第2電圧VIIDを介して第1電圧である電源電圧VDDへと2段階に切り替えられる。これにより、各ビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnのうち高電圧側のビット線に対して、メモリセルへのリストア時のイコライズ電圧VPRから第2電圧VIIDへの電荷の再利用と、イコライズ時の電源電圧VDDから第2電圧VIIDへの電荷の再蓄積とが、交互に繰り返されてリサイクルキャパシタCAP0の蓄積電荷のリサイクルを行なうことができ、ビット線BL0乃至/BLnへの充放電電流の低減を図ることができる。
【0061】
また、イコライズ電圧VPRが電源電圧VDDの1/2より低電圧に設定されているので、メモリセルキャパシタに蓄積されている“1”データの電圧レベルである電源電圧VDDとの電圧差が広がり、データ保持時間tREFが長くなってデータ保持特性を改善することができる。また、このときのイコライズ電圧VPRは、第2電圧VIIDと基準電圧VSSに維持されているビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnがショートされることにより容易に得ることができる。所定時間内のリフレッシュ回数を低減することができ、リフレッシュ動作に伴う消費電流を低減することができる。
【0062】
電荷リサイクルによるビット線BL0乃至BLnへの充放電電流の低減とデータ保持特性の改善とにより、第1実施形態の半導体記憶装置が携帯機器等に使用される場合、スタンバイ時の消費電流を大幅に低減することができ、バッテリー駆動時の連続使用時間の大幅な改善を実現することができる。
【0063】
また、第1実施形態の第1、第2具体例によれば、第1電圧供給部を構成する電源電圧VDDからの経路に接続されるPMOSトランジスタの供給能力に比して、第2電圧供給部を構成する第2電圧VIIDからの経路に接続されるPMOSトランジスタの供給能力を強化することができるので、電源電圧VDDより低電圧である第2電圧VIIDの駆動能力の低下を補うことができる。従って、2段階で行なわれるメモリセルへのリストア動作及び各ビット線対BL0と/BL0乃至BLnと/BLnのイコライズ動作のうち、センスアンプ群の高電圧側駆動線PSAが第2電圧VIIDであるリストア動作の第1段階(図5中、(A))及びイコライズ動作の第1段階(図5中、(C))の高速化を図ることができ、リストア動作及びイコライズ動作の高速化を図ることができる。
【0064】
また、第2電圧VIIDを供給するPMOSトランジスタ、又は電源電圧VDD及び第2電圧VIIDを供給する各々のPMOSトランジスタが、センスアンプ群の配置に応じて分散配置されることにより、第2電圧VIID、又は電源電圧VDD及び第2電圧VIIDの供給能力が、センスアンプSA0乃至SAn間でばらつくことはなく個々のセンスアンプSA0乃至SAnの駆動能力をバランスさせることができ、最適動作をさせることができる。
【0065】
また、第1実施形態の第3具体例によれば、リフレッシュ動作間の待機状態が長いスタンバイ状態において、リサイクルキャパシタCAP0のリークやノイズ等の影響で第2電圧VIIDが変動してしまうおそれがある場合にも、的確な電圧値VIIDを維持しておくことができる。
【0066】
また、第1実施形態の第4具体例によれば、メモリセルキャパシタと同等な構造を有する面積効率のよいキャパシタ構造が使用されながら、このキャパシタ構造を個々に接続・切り離しが可能なダミーセルCAP00乃至CAP0nやその他のキャパシタユニットとして接続することができるので、欠陥等が存在するキャパシタユニットを個別に切り離すことができ、リサイクルキャパシタCAP0を信頼性よく構成することができる。
【0067】
次に、図10により第2実施形態を示す。図10では、連続アクセスモードとしてバーストリード動作を例にとり説明している。図10において、“Function”の欄には半導体記憶装置の動作状態を示している。これらの動作は、非同期のDRAM等の場合には外部制御端子への信号入力により制御され、SDRAM等においてはシステムクロック信号に同期して入力されるコマンドにより制御される。従来技術での動作では、アクティブ動作(ACTV)において、イコライズ信号BRSが非活性化されてワード線WLが活性化された後、センスアンプによりビット線対BLと/BLが差動増幅されてメモリセルへのリストアが行なわれる。その後の連続するリード動作(READ)により、サイクル毎にビット線対が順次選択されていきデータの出力が行なわれる。所定ビット数のデータが出力された後、プリチャージ動作(PRE)が行なわれ、ワード線WLが非活性化されると共にイコライズ信号BRSが活性化されてビット線対BLと/BLがイコライズされバースト動作が終了する。
【0068】
本発明の半導体記憶装置においてバースト動作が行なわれる場合には、ワード線が活性化され、ビット線対BLと/BLがリサイクルキャパシタCAP0からの電荷の供給を受けながら(図10中、(I))2段階にリストア動作された段階(図10中、(A)、(B))で、連続読み出し動作(READ)が開始される。このとき読み出されるデータはビット線対BLと/BLに読み出されているデータである。
【0069】
連続読み出し動作と並行してワード線WLは非活性化されるが、この時点でビット線対BLと/BLは差動増幅されているので、セルキャパシタのデータはビット線BLあるいは/BLに読み出されており、ワード線WLが非活性化されても問題はない。その後引き続き高電圧側のビット線の第2電圧VIIDにして電荷の再蓄積(図10中、(II))をし、イコライズ動作の第1段階を先行して行っておく(図10中、(C))。ビット線対BLと/BLの差動電圧は電源電圧VDDから第2電圧VIIDに低下するが、第2電圧VIIDの電圧差を有しているので連続読み出し動作は問題なく継続される。読み出し動作の終了後、イコライズ信号BRSによりビット線対BLと/BLは第2電圧VIIDの1/2電圧にイコライズされる(図10中、(D))。
【0070】
2段階で行なわれるイコライズ動作のうち、第1段階の動作を連続読み出し期間内に埋め込ませて先行して行なわせることができるので、プリチャージ動作(PRE)の期間には第2段階のイコライズ動作のみを行なえばよく、バースト読み出し動作におけるイコライズ動作の高速化を図ることができ、バースト動作におけるサイクル時間の短縮を図ることができる。
【0071】
なお、図10の第2実施形態においては、バースト読み出し動作について説明したが、連続動作であれば通常のページ動作についても同様に適用することができる。バースト動作とページ動作とでは、コラムアドレスがシーケンシャルに変化するかアットランダムに変化するかが異なるだけであり、ビット線対BLと/BLの第1段階のイコライズ動作に関しては両動作モードにおいて共通であるからである。
【0072】
また、連続書き込み動作についても適用することができる。この場合、連続動作モードの初期段階であるアクティブ動作(ACTV)開始時やその後のタイミングにおいて、連続書き込みが行なわれる一連のデータをデバイス内のバッファ回路等のデータ一時保持手段に取り込んでおくことが考えられる。これにより、連続書き込みサイクルにおいてデータ一時保持手段から順次データが取り込まれてデータ書き込みが行なわれる。最終ビットの書き込みが完了した時点でイコライズ動作に先立ちワード線WLが非活性化されれば、連続読み出し動作の場合と同様にイコライズ動作の第1段階を連続書き込み動作に埋め込ませることができる。
【0073】
また、プリチャージ動作(PRE)の開始は、連続動作の終了に応じたタイミングで自動的に行なわれる構成、読み出しデータ用のバッファ回路等のデータ一時保持手段を備えておき、ワード線が非活性化されてビット線が第2電圧VIIDとなり電荷再蓄積の完了以後のタイミングで行なわれる構成、あるいは外部からのプリチャージコマンド等に応じて行なわれる構成の何れの構成とすることもできる。
【0074】
以上に説明した第2実施形態によれば、各ビット線対BLと/BLのうち高電圧側のビット線に対する電荷リサイクルによるビット線の充放電電流の低減と、イコライズ電圧が電源電圧VDDの1/2より低電圧に設定されることによるデータ保持特性の改善とを、連続アクセス動作に適用する際、2段階のイコライズ動作のうち第1の段階を連続アクセス動作の中に埋め込ませることができ、サイクルタイム特性等の改善を図ることができる。バースト動作等の連続アクセス動作を有する半導体記憶装置においても、スタンバイ時の消費電流を大幅に低減することができ、携帯機器に使用する場合、バッテリー駆動時の連続使用時間の大幅な改善を実現することができる。
【0075】
ここで、連続アクセス動作としては、連続読み出し動作及び連続書き込み動作の何れの場合も含んでいる。連続書き込み動作の場合、連続書き込み動作に先立ち、内部に取り込まれた所定ビット数の書き込みデータがバッファ回路等の一時的にデータが保持される書き込みデータ保持機能を有していれば、予め書き込みデータを内部に取り込んでおくことができる。
【0076】
また、ビット線対BLと/BLのイコライズのタイミングは、連続動作の終了以後のタイミング、ビット線が第2電圧VIIDとなり電荷再蓄積の完了以後のたタイミング、あるいは外部からのプリチャージコマンド等の入力のタイミングの何れにすることもできる。
【0077】
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは言うまでもない。
例えば、本実施形態においては、リサイクルキャパシタCAP0を基準端子VSSに接続する場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電荷を蓄積できる電圧であれば、電源電圧VDDやその他の固定電圧に接続することもできる。
また、第2電圧VIIDとして電源電圧VDDの2/3電圧であるとして説明したが、更に低い電圧に設定することもできる。この場合、tREF特性は更に改善する。
また、実施形態では、低側電圧を基準電圧VSSとし、第1電圧である電源電圧VDD及び第2電圧VIIDを低側電圧に対して設定した場合を例示したが、低側電圧を基準電圧VSSとは異なる電圧として設定することもできる。例えば、負電圧として構成こともできる。
【0078】
(付記1) 所定ビット線対毎に構成される活性化単位と、低電圧側駆動線に供給される低側電圧を基準電圧として前記活性化単位内の各ビット線対を差動増幅するセンスアンプ群と、前記センスアンプ群の高電圧側駆動線にメモリセルへのリストア電圧である第1電圧を供給する電圧供給部とを備える半導体記憶装置において、
前記第1電圧の1/2より低電圧の中間電圧に前記各ビット線対をイコライズするイコライズ部を備え、
前記電圧供給部は、
前記第1電圧を供給する第1電圧供給部と、
前記第1電圧より低電圧である第2電圧を供給する第2電圧供給部とを備えることを特徴とする半導体記憶装置。
(付記2) 前記イコライズ部は、
前記各ビット線対をショートするショート部を備え、
前記ショート部は、前記各ビット線対を構成するビット線の電圧が前記第2電圧及び前記低側電圧である状態で活性化されることを特徴とする付記1に記載の半導体記憶装置。
(付記3) 前記第1及び第2電圧供給部は、各々、
前記第1及び第2電圧と前記センスアンプ群の高電圧側駆動線との間を接続する第1及び第2スイッチ部を備え、
前記メモリセルへのリストアの際には、前記第2スイッチ部を選択した後、前記第2スイッチ部を非選択とすると共に前記第1スイッチ部を選択し、
前記各ビット線対のイコライズの際には、前記第1スイッチ部を非選択とすると共に前記第2スイッチ部を選択した後、前記第2スイッチ部を非選択とすることを特徴とする付記1に記載の半導体記憶装置。
(付記4) 前記第2電圧供給部は、
前記各ビット線対のうち高電圧側のビット線を前記第2電圧に充放電する際の電荷をリサイクルする電荷リサイクル手段を備えることを特徴とする付記1に記載の半導体記憶装置。
(付記5) 前記第2電圧供給部は、前記第1電圧供給部に比して多数配置されていることを特徴とする付記1に記載の半導体記憶装置。
(付記6) 前記第2電圧供給部は、前記センスアンプ群の配置に応じて、分散配置されていることを特徴とする付記5に記載の半導体記憶装置。
(付記7) 前記第1及び第2電圧供給部は、前記センスアンプ群の配置に応じて、交互に分散配置されていることを特徴とする付記1に記載の半導体記憶装置。
(付記8) 前記電荷リサイクル手段には、
リーク補償部が備えられていることを特徴とする付記4に記載の半導体記憶装置。
(付記9) 前記リーク補償部は、
前記電荷リサイクル手段への電荷の供給を制御するリーク補償スイッチ部を備えることを特徴とする付記8に記載の半導体記憶装置。
(付記10) 前記電荷リサイクル手段は、
メモリセルキャパシタと同等な構造を備えて構成されるメモリセル型キャパシタを含むことを特徴とする付記4に記載の半導体記憶装置。
(付記11) 前記メモリセル型キャパシタは、
前記活性化単位内に非メモリセルとして配置されているダミーセルキャパシタを含むことを特徴とする付記10に記載の半導体記憶装置。
(付記12) 前記電荷リサイクル手段は、多数配置されている前記メモリセル型キャパシタ又は前記ダミーセルキャパシタが相互に接続されて構成されており、
個々の前記メモリセル型キャパシタ又は前記ダミーセルキャパシタには、接続・切り離しを制御する接続制御スイッチ部が備えられていることを特徴とする付記10又は11に記載の半導体記憶装置。
(付記13) 前記第2電圧は、内部降圧電源部により生成される内部降圧電圧であることを特徴とする付記1に記載の半導体記憶装置。
(付記14) センスアンプ群の低電圧側駆動線に供給される低側電圧を基準電圧として、ビット線対が所定ビット線対毎に活性化制御されて前記センスアンプ群により差動増幅される際、メモリセルへのリストア電圧である第1電圧が前記センスアンプ群の高電圧側駆動線に供給される半導体記憶装置のデータアクセス方法において、
前記各ビット線対は、
イコライズ時には、前記高電圧側駆動線が前記第1電圧から前記第1電圧より低電圧である第2電圧に切り替えられ、前記第1電圧から前記第2電圧への放電に伴う電荷が蓄積された後に、前記第1電圧の1/2より低電圧の中間電圧にイコライズされ、
リストア時には、前記高電圧側駆動線が前記第2電圧に切り替えられて差動増幅され、前記中間電圧から前記第2電圧への充電に必要な電荷が前記蓄積されている電荷で再利用された後に、前記高電圧側駆動線が前記第1電圧に切り替えられて差動増幅されることを特徴とする半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記15) センスアンプ群の低電圧側駆動線に供給される低側電圧を基準電圧として、ビット線対が所定ビット線対毎に活性化制御されて前記センスアンプ群により差動増幅される際、メモリセルへのリストア電圧である第1電圧が前記センスアンプ群の高電圧側駆動線に供給される半導体記憶装置のデータアクセス方法において、
データのアクセスが、
ワード線が活性化されるワード線活性化工程と、
前記第1電圧より低電圧である第2電圧が前記高電圧側駆動線に供給されて前記センスアンプ群が活性化される電荷再利用活性化工程と、
前記各ビット線対が前記第2電圧に差動増幅された後に、前記第2電圧に代えて前記第1電圧が前記高電圧側駆動線に供給されて前記センスアンプ群が活性化されるリストア活性化工程と、
前記メモリセルが前記第1電圧にリストアされた後に、ワード線が非活性化されるワード線非活性化工程と、
前記第1電圧に代えて前記第2電圧が前記高電圧側駆動線に供給される電荷再蓄積工程と、
前記各ビット線対を構成するビット線の電圧が前記第2電圧及び前記低側電圧である状態で、前記高電圧側駆動線への電圧供給が停止されて前記センスアンプ群が非活性される非活性工程と、
前記各ビット線対が前記第1電圧の1/2より低電圧の中間電圧にイコライズされるイコライズ工程とが1サイクルとして行なわれることを特徴とする半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記16) 前記イコライズ工程は、
前記各ビット線対がショートされるショート工程を有し、
前記中間電圧は、前記第2電圧の1/2の電圧であることを特徴とする付記15に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記17) 前記電荷再蓄積工程において蓄積される電荷は、次サイクルの前記電荷再利用活性化工程において再利用されるまで、蓄積保持されていることを特徴とする付記15に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記18) 前記電荷再蓄積工程で蓄積され次サイクルの前記電荷再利用活性化工程で再利用されるまでの間に、消失してしまう電荷分を補う補償工程を有することを特徴とする付記17に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記19) ビット線対が所定ビット線対毎に活性化制御される活性化単位に対して、外部からのコマンドにより、ワード線が活性化され、センスアンプ群において低電圧側駆動線に供給される低側電圧を基準電圧としてメモリセルへのリストア電圧である第1電圧が高電圧側駆動線に供給されて前記所定ビット線対の差動増幅が行なわれ、その後の連続するアクセスコマンドに応じて所定ビット数のデータが連続してアクセスされる半導体記憶装置のデータアクセス方法において、
前記高電圧側駆動線が前記第1電圧より低電圧である第2電圧に駆動されて、前記各ビット線対がイコライズ電圧から前記第2電圧に充電される電荷の再利用が行なわれ、更に前記高電圧側駆動線が前記第1電圧に駆動されて、前記メモリセルがリストアされた後に、
前記所定ビット数のデータの連続アクセスと並行して、前記ワード線が非活性化されることに引き続き、前記高電圧側駆動線が前記第1電圧から前記第2電圧に切り替えられて、前記各ビット線対が前記第1電圧から前記第2電圧に放電される電荷の再蓄積が行なわれ、
前記電荷の再蓄積以後のタイミングで、前記各ビット線対が前記第1電圧の1/2より低電圧の中間電圧にイコライズされることを特徴とする半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記20) ビット線対が所定ビット線対毎に活性化制御される活性化単位に対して、外部からのコマンドにより、ワード線が活性化され、センスアンプ群において低電圧側駆動線に供給される低側電圧を基準電圧としてメモリセルへのリストア電圧である第1電圧が高電圧側駆動線に供給されて前記所定ビット線対の差動増幅が行なわれ、その後の連続するアクセスコマンドに応じて所定ビット数のデータが連続してアクセスされる半導体記憶装置のデータアクセス方法において、
前記第1電圧より低電圧である第2電圧が前記高電圧側駆動線に供給されて前記センスアンプ群が活性化される電荷再利用活性化工程と、
前記各ビット線対が前記第2電圧に差動増幅された後に、前記第2電圧に代えて前記第1電圧が前記高電圧側駆動線に供給されるリストア活性化工程とを有して前記メモリセルへのリストアが行われ、
その後、
前記所定ビット数のデータが連続してアクセスされる連続アクセス工程と、
前記連続アクセス工程と並行する、前記ワード線が非活性化されるワード線非活性化工程、及びこれに引き続く、前記第1電圧に代えて前記第2電圧が前記高電圧側駆動線に供給される電荷再蓄積工程と、
前記電荷再蓄積工程以後のタイミングで、前記高電圧側駆動線への電圧供給が停止されて前記センスアンプ群が非活性とされる非活性工程と、
前記各ビット線対が前記第1電圧の1/2より低電圧の中間電圧にイコライズされるイコライズ工程とを有することを特徴とする半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記21) 前記ワード線の非活性化動作又は前記ワード線非活性化工程は、
前記連続アクセス動作が連続読み出し動作である場合には、前記メモリセルへのリストアに引き続き、前記所定ビット数のデータの連続アクセス又は前記連続アクセス工程とは独立に並行して行なわれ、
前記連続アクセス動作が連続書き込み動作である場合には、前記所定ビット数のデータの連続アクセス又は前記連続アクセス工程における最後のデータの書き込み時に並行して行なわれることを特徴とする付記19又は20に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記22) 前記連続アクセスが連続書き込み動作である場合、該連続書き込み動作に先立ち、内部に取り込まれた前記所定ビット数の書き込みデータが一時的に保持される書き込みデータ保持工程を有することを特徴とする付記19又は20に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記23) 前記電荷の再蓄積以後又は前記電荷再蓄積工程以後のタイミングは、前記所定ビット数のデータの連続アクセスが完了するタイミングであることを特徴とする付記19又は20に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記24) 前記連続アクセスが連続読み出し動作である場合、前記各ビット線対に差動増幅された前記所定ビット数のデータが一時的に保持される読み出しデータ保持工程を有しており、
前記電荷の再蓄積以後又は前記電荷再蓄積工程以後のタイミングは、前記高電圧側駆動線が前記第1電圧から前記第2電圧に切り替えられるタイミングであることを特徴とする付記19又は20に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記25) 前記読み出しデータ保持工程において、前記データが保持される際の前記センスアンプ群の高電圧側駆動線は、前記第1電圧又は前記第2電圧で駆動されていることを特徴とする付記24に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
(付記26) 前記電荷の再蓄積以後又は前記電荷再蓄積工程以後のタイミングは、前記所定ビット数のデータの連続アクセスが完了した後の外部からのコマンドによることを特徴とする付記19又は20に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
【0079】
【発明の効果】
本発明によれば、電荷リサイクル技術によりビット線の充放電電流の低減を図りながら、セルキャパシタのデータ保持特性を改善して一定期間内のリフレッシュ動作回数を削減することにより、スタンバイ時の消費電流を低減することが可能な半導体記憶装置、及び半導体記憶装置のデータアクセス方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理を示すビット線対の波形図である。
【図2】 メモリセルキャパシタのデータ“1”電圧(第1電圧)の時間変化を示す特性図である。
【図3】 メモリセルアレイ構造を示すレイアウト模式図である。
【図4】 第1実施形態の回路図である。
【図5】 第1実施形態の動作を示す動作波形図である。
【図6】 第1実施形態の第1具体例を示す回路図である。
【図7】 第1実施形態の第2具体例を示す回路図である。
【図8】 第1実施形態の第3具体例を示す回路図である。
【図9】 第1実施形態の第4具体例を示す回路図である。
【図10】 第2実施形態の動作を示す動作波形図である。
【図11】 従来技術の回路図である。
【図12】 従来技術の動作を示す動作波形図である。
【符号の説明】
CAP0 リサイクルキャパシタ
CAP00、CAP01、CAP0n−1、CAP0n
ダミーセルキャパシタ
C 交差領域
DMC ダミーセルアレイ領域
F0、F1、Fn−1、Fn ヒューズ素子
MC メモリセルアレイ領域
MP1、MP2 PMOSトランジスタ
MN1、T01、Tn1 NMOSトランジスタ
SA センスアンプ群
SA0、SA1、SAn−1、SAn センスアンプ
WD ワード線ドライバ群
BL、/BL、BL0、/BL0、BLn、/BLn
ビット線
NSA 低電圧側駆動線
PSA 高電圧側駆動線
WL、WL0、WL1、WLk−1、WLk
ワード線
Claims (10)
- ビット線対を差動増幅するセンスアンプの低電圧側駆動線を、低側電圧に接続する低側電圧スイッチ部と、
前記センスアンプの高電圧側駆動線を、前記ビット線対のリストアレベルである第1電圧に接続する第1高側電圧スイッチ部と、
前記第1高側電圧スイッチ部が導通するリストア期間の前段階および後段階において、前記高電圧側駆動線を、前記第1電圧より低電圧である第2電圧に接続する第2高側電圧スイッチ部と、
イコライズ期間に、前記ビット線対を前記第1電圧の1/2より低電圧にイコライズするイコライズ部と、
前記第2高側電圧スイッチ部により前記高電圧側駆動線に接続され、前記ビット線対のうち高電圧側のビット線を、前記第1電圧と前記第2電圧との間で充放電する際の電荷をリサイクルする電荷リサイクル手段とを備え、
前記電荷リサイクル手段は、リーク補償部を備えることを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記イコライズ部は、
前記ビット線対をショートするショート部を備え、
前記ショート部は、前記ビット線対を構成するビット線の電圧が前記第2電圧及び前記低側電圧である状態で活性化されることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第2高側電圧スイッチ部は、前記第1高側電圧スイッチ部に比して多数配置されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記リーク補償部は、
前記電荷リサイクル手段への電荷の供給を制御するリーク補償スイッチ部を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記電荷リサイクル手段は、
メモリセルキャパシタと同等な構造を備えて多数配置されているメモリセル型キャパシタが相互に接続されて構成されており、
個々の前記メモリセル型キャパシタには、接続・切り離しを制御する接続制御スイッチ部が備えられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - センスアンプの低電圧側駆動線に低側電圧が供給され、高電圧側駆動線にビット線対のリストアレベルである第1電圧が供給されて、前記ビット線対が差動増幅される半導体記憶装置のデータアクセス方法において、
前記ビット線対のイコライズ時には、イコライズに先立って前記高電圧側駆動線が前記第1電圧から前記第1電圧より低電圧である第2電圧に切り替えられ前記第1電圧から前記第2電圧への放電に伴う電荷が蓄積された後に、前記第1電圧の1/2より低電圧の中間電圧にイコライズされ、
前記ビット線対のリストア時には、前記高電圧側駆動線が前記第2電圧に切り替えられ、前記イコライズ時に蓄積された電荷が再利用されて前記中間電圧から前記第2電圧への充電に必要な電荷が供給された後に、前記高電圧側駆動線が前記第1電圧に切り替えられ、
前記第2電圧は、前記イコライズから次サイクルの前記リストアまでの間、消失する蓄積電荷分が補われ電圧値が維持されることを特徴とする半導体記憶装置のデータアクセス方法。 - ワード線が活性化されるワード線活性化工程と、
前記第1電圧より低電圧である第2電圧が前記高電圧側駆動線に供給されて前記センスアンプが活性化される電荷再利用活性化工程と、
前記ビット線対が前記第2電圧に差動増幅された後に、前記第2電圧に代えて前記第1電圧が前記高電圧側駆動線に供給されて前記センスアンプが活性化されるリストア活性化工程と、
メモリセルが前記第1電圧にリストアされた後に、前記ワード線が非活性化されるワード線非活性化工程と、
前記第1電圧に代えて前記第2電圧が前記高電圧側駆動線に供給される電荷再蓄積工程と、
前記ビット線対の電圧が前記第2電圧及び前記低側電圧である状態で、前記低電圧側駆動線及び前記高電圧側駆動線への電圧供給が停止されて前記センスアンプが非活性される非活性工程と、
前記ビット線対が前記第1電圧の1/2より低電圧にイコライズされるイコライズ工程とを有することを特徴とする請求項6に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。 - 所定数のビット線対に対して差動増幅が行なわれ、その後の連続するアクセスコマンドに応じて所定数のビット数のデータが連続してアクセスされる場合、
前記高電圧側駆動線が前記第1電圧より低電圧である第2電圧に駆動されて、前記所定数のビット線対がイコライズ電圧から前記第2電圧に充電される電荷の再利用が行なわれ、更に前記高電圧側駆動線が前記第1電圧に駆動されて、メモリセルがリストアされた後に、
前記所定数のビット数のデータの連続アクセスと並行して、前記ワード線が非活性化されることに引き続き、前記高電圧側駆動線が前記第1電圧から前記第2電圧に切り替えられて、前記所定数のビット線対が前記第1電圧から前記第2電圧に放電される電荷の再蓄積が行なわれ、
前記電荷の再蓄積以後のタイミングで、前記所定数のビット線対が前記第1電圧の1/2より低電圧の中間電圧にイコライズされることを特徴とする請求項6に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。 - 所定数のビット線対に対して差動増幅が行なわれ、その後の連続するアクセスコマンドに応じて所定数のビット数のデータが連続してアクセスされる場合、
前記リストア活性化工程の後、前記ワード線非活性化工程及び前記電荷再蓄積工程と並行して、
前記所定数のビット数のデータが連続してアクセスされる連続アクセス工程を有することを特徴とする請求項7に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。 - 前記ワード線の非活性化動作又は前記ワード線非活性化工程は、
前記連続アクセス動作が連続読み出し動作である場合には、前記メモリセルへのリストアに引き続き、前記所定数のビット数のデータの連続アクセス又は前記連続アクセス工程とは独立に並行して行なわれ、
前記連続アクセス動作が連続書き込み動作である場合には、前記所定数のビット数のデータの連続アクセス又は前記連続アクセス工程における最後のデータの書き込み時に並行して行なわれることを特徴とする請求項8又は9に記載の半導体記憶装置のデータアクセス方法。
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