JP3996703B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体メモリ装置に関するものであり、より詳しくはSOI基板上に形成されるランダムアクセスメモリ装置のワードライン駆動回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高集積化されることによって、低い電源電圧下で、半導体ダイナミックランダムアクセスメモリ装置(semiconductor dynamic random access memory device)における高速動作の具現がより求められている。特に、DRAMセルの読出動作で、アドレス信号によってアドレシングされたメモリセルの電荷伝達トランジスタ(charge transfer transistor)を活性化させるためのワードライン駆動回路(word line driving ciucuit)における駆動能力(driving capability)は、DRAMの速度性能を向上させるために重要な要因となる。従来技術によるワードライン駆動回路を示す回路図を図1に示す。図2は、従来技術によるワードライン駆動回路の動作時のタイミング図を示すものである。
【0003】
図1を参照すると、従来技術によるバルク(bulk)DRAM装置のワードライン駆動回路3は、アドレス信号によってアドレシングされるサブワードラインに対して接続されるメモリセル(memory cell)MCの電荷伝達トランジスタTrを活性化させるためのものである。即ち、ワードライン駆動回路3は、アドレス信号Aiを受け取ったメインワードラインデコーダ(main word line decoder)1からの選択信号ΦSに応答して、アドレス信号Ajを受け取ったドライバデコーダ(driver decoder)2から駆動信号ΦXiをサブワードラインに供給する。
【0004】
図1に示したように、バルクDRAMのワードライン駆動回路3は、4つのNMOSトランジスタM1、M2、M3、そしてM4を含む。NMOSトランジスタM1は、電源電圧Vccが印加されるゲート電極と、メインワードラインデコーダ1、即ち接続点N1に接続されるドレーン電極と、接続点N2に結合されるソース電極とを有し、NMOSトランジスタM2のゲート電極をメインワードラインデコーダ1からメインワードラインMWLに対して供給される選択信号ΦSの電圧レベルにチャージする。メインワードラインデコーダ1によって1つのワードラインが選択される、即ち選択信号ΦSの電圧レベルが接地電圧レベルから電源電圧レベルに上昇されると、NMOSトランジスタM2のゲート電極にチャージされる電圧レベルはVcc−Vth1になる。なお、前記の記号Vth1は、NMOSトランジスタM1のスレショルド電圧(threshold voltage )を意味する。
【0005】
NMOSトランジスタM2は、駆動信号ΦXiが印加されるドレーン電極と、サブワードラインSWL又はN3に接続されるソース電極と、接続点N2に結合されるゲート電極とを有し、トランジスタM1を介して伝達される電圧Vcc−Vth1に応答してサブワードラインSWLを駆動信号ΦXiの電圧レベルにチャージする。即ち、図2に示したように、トランジスタM2のゲート電極に対して電圧Vcc−Vth1がチャージされた後、駆動信号ΦXiが印加されると、トランジスタM2のゲート電圧は、駆動信号ΦXiの電圧レベルによってセルフブースティングされ電圧{Vcc−Vth1+a・VΦXi}に昇圧される。なお、前記aは、セルフブースティング比(self-boosting ratio)を示すものである。従って、駆動信号ΦXiの電圧レベルがサブワードラインSWLに対して伝達され、電荷伝達トランジスタTrが活性化され、そして電荷貯蔵キャパシタCとビットラインBLの間に電荷共有(charge shring)が発生するにことによって、データ記入又は読出が実行される。
【0006】
NMOSトランジスタM3は、接続点N1とサブワードラインSWLの間に形成されるソース‐ドレーンチャンネル(source‐drainchannel)、即ち電流通路(current path)と駆動信号ΦXiが印加されるゲート電極とを有する。そして、NMOSトランジスタM4は、駆動信号ΦXiの相補信号ΦXinが印加されるゲート電極と、サブワードラインSWLと接地の間に形成される電流通路とを有し、相補信号ΦXinが高レベルに印加される際に、サブワードラインSWLを接地させる。
【0007】
回路構成を持つワードライン駆動回路で、ワードライン電圧、即ち接続点N3の電圧が昇圧されることにより、NMOSトランジスタM2のスレショルド電圧Vth2は、ボディー効果(body effect:ここで、ボディー効果というのはMOSトランジスタのバルク電圧が上昇することによって、そのMOSトランジスタのスレショルド電圧が上昇する現象を称する。)を得て図2に示したように増加する。このように、NMOSトランジスタM2のスレショルド電圧Vth2が増加することにより、NMOSトランジスタM2の電流駆動能力が低下してしまうことが従来の問題点である。ゆえに、電荷伝達トランジスタTrが活性化される時間は、図2に示したように、時間Td程度遅延してしまう。このような遅延現象は、低い電源電圧で動作する半導体メモリ装置では、更に深刻な問題となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、低い電源電圧で高速動作が可能なSOI(Silicon On Insulator)DRAM装置のワードライン駆動回路を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述のような目的を達成するための本発明の特徴として、第1発明は、メインワードラインとサブワードラインとが階層的なワードライン構造から成り、情報ビットの貯蔵のためのメモリセルのセルアレイと、アドレス信号をデコーディングして前記アレイのメインワードラインのうち、1つを選択するための選択信号を発生するワードライン選択手段と、前記アドレス信号をデコーディングしてサブワードラインを駆動するための駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、前記ワードライン選択手段によって選択されたメインワードラインに関連されたサブワードラインのうち、1つを前記駆動信号により駆動するためのサブワードライン駆動手段を含み、前記駆動手段は、プルダウントランジスタ,プルアップトランジスタ,伝達トランジスタ,ボディーブースタトランジスタを含み、前記プルダウントランジスタは、前記駆動信号の相補信号が印加されるゲート電極と、サブワードラインおよび接地の間に形成される電流通路とを有し、前記駆動信号の相補信号に応答してサブワードラインを接地させ、前記プルアップトランジスタは、前記駆動信号が印加されるドレーン電極と、サブワードラインに接続されるソース電極と、伝達トランジスタのソース電極側に接続されるゲート電極とを有し、前記駆動信号を前記サブワードラインに伝達し、前記伝達トランジスタは、電源電圧が印加されるゲート電極と、前記選択信号が印加されるドレーン電極と、プルアップトランジスタのゲート電極側に接続されるソース電極とを有し、電源電圧に応答して前記選択信号を前記プルアップトランジスタのゲートに伝達し、前記ボディーブースタトランジスタは、前記駆動信号が印加されるドレーン電極と、前記選択信号が印加されるゲート電極と、プルアップトランジスタのボディに接続されるソース電極とを有し、前記選択信号に応答して前記駆動信号の電圧レベルが前記サブワードラインに充分に伝達されるように前記駆動信号の電圧レベルに前記プルアップトランジスタのボディー電圧を昇圧する、ことを特徴とする。
【0010】
第2発明は、前記第1発明において、駆動信号に応答して選択信号の入力端子とワードラインを接続させるためのスイッチトランジスタを付加的に含むことを特徴とする。
【0011】
第3発明は、前記第1発明において、ボディーブースタトランジスタは駆動信号が印加されるドレーン電極とプルアップトランジスタのボディーに接続されるソース電極及び選択信号が印加されるゲート電極を持つnMOSFETを含むことを特徴とする。
【0012】
第4発明は、前記第1発明において、選択信号の電圧レベルは電源電圧レベルであり、駆動信号の電圧レベルは選択信号の電圧レベルより高いことを特徴とする。
【0013】
第5発明は、ワードライン、ビットライン、および情報を貯蔵するためのメモリセルを備えているセルアレイと、外部からのアドレス信号をデコーディングして前記アレイの行を選択するための選択信号を発生する手段と、前記選択されたワードラインを駆動するための駆動信号を発生する手段と、前記選択信号によって選択されるワードラインを前記駆動信号に駆動するための駆動手段を含み、前記駆動手段は、プルダウントランジスタ,プルアップトランジスタ,チャージトランジスタ,スイッチトランジスタ,ブースタトランジスタを含み、前記プルダウントランジスタは、前記駆動信号の相補信号が印加されるゲート電極と、サブワードラインおよび接地の間に形成される電流通路とを有し、前記駆動信号の相補に応答してワードラインを接地させ、前記プルアップトランジスタは、前記駆動信号が印加されるドレーン電極と、サブワードラインに接続されるソース電極と、チャージトランジスタのソース電極側に接続されるゲート電極とを有し、前記駆動信号をワードラインに伝達し、前記チャージトランジスタは、電源電圧が印加されるゲート電極と、前記選択信号が印加されるドレーン電極と、プルアップトランジスタのゲート電極側に接続されるソース電極とを有し、電源電圧に応答して前記選択信号の電圧レベルに前記プルアップトランジスタのゲートをチャージし、前記スイッチトランジスタは、前記選択信号の入力端子およびワードラインの間に形成される電流通路と、前記駆動信号が印加されるゲート電極とを有し、前記駆動信号に応答して前記選択信号の入力端子とワードラインを接続させ、前記ブースタトランジスタは、前記駆動信号が印加されるドレーン電極と、前記選択信号が印加されるゲート電極と、プルアップトランジスタのボディに接続されるソース電極とを有し、記入および読出動作の間に、前記駆動信号の電圧レベルがワードラインに充分に伝達されるように前記選択信号に応答して前記プルアップトランジスタのボディー電圧を昇圧させるによってそのもののスレショルド電圧を一定に維持させる、ことを特徴とする。
【0015】
以上示したような回路によって、ボディーブースタトランジスタを介してプルアップトランジスタのボディー電圧を昇圧させることによりプルアップトランジスタのボディー効果によるスレショルド電圧の上昇が抑制できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図3から図5基づいて詳細に説明する。
【0017】
本発明の実施の形態におけるSOI(Silicon On Insulator)半導体DRAM装置のワードライン駆動回路103は、図3(詳細を後述する)に示したように、アドレス信号Ai及びAjによってアドレシングされサブワードラインに駆動信号ΦXiを伝達するためのNMOSトランジスタM102のボディー(body)に対して接続されるボディーブースタトランジスタM105を提供するものである。従って、駆動信号ΦXiの電圧レベルがサブワードラインに伝達されることができる程度にNMOSトランジスタM102のゲート電圧がセルフブースティングされると共に、ボディーブースタトランジスタM105を介してNMOSトランジスタM102のボディー電圧が電圧Vcc−Vth105に昇圧されるため、NMOSトランジスタM102のスレショルド電圧が一定に維持される。その結果、NMOSトランジスタM102を介して、選択されるサブワードラインに対して駆動信号ΦXiを早く伝達することによって、電荷伝達トランジスタTrのスイッチング速度を向上させることができる。
【0018】
図3は、本発明の好ましい実施例におけるSOI半導体DRAM装置のワードライン駆動回路及びこれに関連された周辺回路を示す回路図である。
【0019】
図3に示すように、本発明によるSOIDRAM装置のワードライン駆動回路103は、アドレス信号(address signals)Ai及びAjによってアドレシングされるサブワードラインに関連されたメモリセルMCの電荷伝達トランジスタTrを活性化するため、アドレス信号Aiを受け取ったメインワードラインデコーダ101からの選択信号ΦSに応答してアドレス信号Ajを受け取ったドライバデコーダ2からの駆動信号ΦXiを、アドレシングされたサブワードラインに供給する。後述するように、本発明の好ましい実施例におけるワードライン駆動回路103は、SOI基板上に形成される5つのNMOSトランジスタM101,M102,M103,M104,そしてM1O5を含む。
【0020】
NMOSトランジスタM101は、電源電圧Vccが印加されるゲート電極と、メインワードラインデコーダ101の出力接続点N101に接続されるドレーン電極と、接続点N102に結合されるソース電極とを有し、NMOSトランジスタM2のゲート電極をメインワードラインデコーダ101から出力される選択信号ΦSの電圧レベルにチャージするものである。メインワードラインデコーダ101によって1つのメインワードラインが選択されると、即ち、選択信号ΦSの電圧レベルが低レベルから高レベルに上昇すると、NMOSトランジスタM102のゲートにチャージされる電圧レベルはVcc−Vth101になる。なお、前記記号Vth101は、NMOSトランジスタM101のスレショルド電圧を示すものである。
【0021】
NMOSトランジスタM102は、駆動信号ΦXiが印加されるドレーン電極と、サブワードラインSWLに接続されるソース電極、即ち、接続点N104と、接続点N102に結合されるゲート電極とを有し、トランジスタM102のゲート電圧が電圧Vcc−Vth101にチャージされ、駆動信号ΦXiが印加される際に、サブワードラインSWLを駆動信号ΦXiの電圧レベルにチャージするためのものである。NMOSトランジスタM103は、接続点N101とサブワードラインSWLとの間に形成される電流通路と、駆動信号ΦXiが印加されるゲート電極とを有するものである。そして、NMOSトランジスタM104は、駆動信号ΦXiの相補信号ΦXinが印加されるゲート電極と、サブワードラインSWLと接地との間に形成される電流通路とを有し、相補信号ΦXinが高レベルに印加される際に、サブワードラインSWLを接地させるものである。
【0022】
NMOSトランジスタ(又はボディーブースタトランジスタ)M105は、駆動信号ΦXiが印加されるドレーン電極と、メインワードラインデコーダ101の出力段、即ち、接続点N101に接続されるゲート電極及びNMOSトランジスタM102のボディーと接続されるソース電極とを有する。メインワードラインデコーダ101からの選択信号ΦSが出力されることによってNMOSトランジスタM102のゲート電圧が電圧VΦs−Vth101にチャージされると共に、駆動信号ΦXiが印加されることによってトランジスタM102のゲート電圧が初期チャージされた電圧レベルより高い電圧に昇圧されて、駆動信号ΦXiがワードラインWLに伝達される。即ち、図1に基づいて説明したように、トランジスタM102のゲート電圧がセルフブースティングされる。これと同時に、メインワードラインデコーダ101の出力段N101に接続されたボディーブースタトランジスタM105によってトランジスタM102のソース電圧が増加するにことよって、そのトランジスタM102のボディー電圧(body voltage)においても電圧Vcc−Vth105に昇圧される。ゆえに、トランジスタM102のスレショルド電圧が増加することを抑制することができ、そしてNMOSトランジスタM102の電流駆動能力を向上させることができる。
【0023】
図4はSOI基板上に形成された図4のトランジスタの構造を示す断面図である。
【0024】
図4に示すように、図3の各トランジスタM101〜M105は、SOI基板(silicon on insulator substrate)上にボディー(body:導電チャネル)を間に介してソース領域(source region)とドレーン領域(drain region)とが形成され、ボディー上にはゲート酸化膜(図5中の斜線部)を間に介してポリシリコン膜(ゲート電極)が形成されている。このような構造を特徴としたSOI技術は、少ない接合キャパシタンスとラッチアップ問題の解消等により注目されている技術である。特に、低い電源電圧で動作するDRAMの高速性能の具現ができるため、多くのディーラムに応用されている。
【0025】
図5は、本発明におけるワードライン電圧時の信号の電圧レベル、及び従来のワードライン電圧が乗圧される時間を比較するためのタイミング図を示すものである。この図5(および図3)により、本発明によるワードライン駆動回路の動作について以下説明することができる。
【0026】
アドレス信号Aiを受け取ったメインワードラインデコーダ101から電源電圧レベルの選択信号ΦSが出力されると、NMOSトランジスタM101のソース、即ち、NMOSトランジスタM102のゲートは、図5に示したように、トランジスタM101のゲート電圧(好ましい実施例の場合、電源電圧)でNMOSトランジスタM101のスレショルド電圧Vth101が減圧されレベルVcc−Vth101にチャージされる。その後、駆動信号ΦXiがNMOSトランジスタM102のドレーン電極に対して印加されると、トランジスタM102のゲート電圧は、カップリングキャパシタとして、そのトランジスタM102のゲート酸化膜を介して駆動信号ΦXiの電圧レベルVΦXiにセルフブースティングされ電圧{Vcc−Vth101+a・VΦXi}に昇圧されて、駆動信号ΦXiはアドレシングされるサブワードラインSWLに対して伝達される。これと同時に、NMOSトランジスタM105を介してトランジスタM102のボディー電圧がVcc−Vth105に昇圧される。
【0027】
従来のワードライン駆動回路の場合、NMOSトランジスタM102のソース、即ち、サブワードラインSWLが駆動信号ΦXiの電圧レベルにチャージされる際、ボディー効果によってそのNMOSトランジスタM102のスレショルド電圧が増加し、その結果、図5に示したように、サブワードラインSWLが駆動信号ΦXiの電圧レベルにチャージされる時間が、Td程度遅延する問題が発生した。一方、本発明におけるワードライン駆動回路の場合、上述の本発明によるNMOSトランジスタ(ボディーブースタトランジスタ)M105を介してトランジスタM102のソース電圧が昇圧される際、そのトランジスタM102のボディー電圧においても昇圧されるため、図5に示したように、従来のようにスレショルド電圧が増加することを防止できるようになった。ゆえに、選択されるメモリセルに関連されたワードライン又はサブワードラインを所望の電圧レベルに早くチャージすることが可能なワードライン駆動回路を提供することができると共に、低電源電圧下で高速動作ができるSOI(Silicon On Insulator)DRAM装置の具現が可能となる。
【0028】
【発明の効果】
上記のように、プルアップトランジスタM102のボディーに接続されたボディーブースタトランジスタM105を提供することによって、プルアップトランジスタにおけるスレシュルド電圧の上昇を防止することでき、低電源電圧下で高速動作ができるSOI(Silicon On Insulator)DRAM装置の具現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来バルク半導体RAM装置のワードライン駆動回路とこれに関連された周辺回路を示す回路図。
【図2】図1のワードライン電圧印加時、制御信号の電圧を示すタイミング図。
【図3】本発明の好ましい実施例によるSOI半導体RAM装置のワードライン駆動回路及びこれに関連された周辺回路を示す回路図。
【図4】SOI基板上に形成されたトランジスタ構造を示す断面図。
【図5】図3のワードライン電圧印加時、制御信号の電圧を示すと同時に従来のワードライン電圧が乗圧される時間を比較するためのタイミング図。
【符号の説明】
1,101…メインワードラインデコーダ
2,102…ドライバデコーダ
3,103…ワードライン駆動回路
Claims (5)
- メインワードラインとサブワードラインとが階層的なワードライン構造から成り、情報ビットの貯蔵のためのメモリセルのセルアレイと、
アドレス信号をデコーディングして前記アレイのメインワードラインのうち、1つを選択するための選択信号を発生するワードライン選択手段と、
前記アドレス信号をデコーディングしてサブワードラインを駆動するための駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
前記ワードライン選択手段によって選択されたメインワードラインに関連されたサブワードラインのうち、1つを前記駆動信号により駆動するためのサブワードライン駆動手段を含み、
前記駆動手段は、プルダウントランジスタ,プルアップトランジスタ,伝達トランジスタ,ボディーブースタトランジスタを含み、
前記プルダウントランジスタは、前記駆動信号の相補信号が印加されるゲート電極と、サブワードラインおよび接地の間に形成される電流通路とを有し、前記駆動信号の相補信号に応答してサブワードラインを接地させ、
前記プルアップトランジスタは、前記駆動信号が印加されるドレーン電極と、サブワードラインに接続されるソース電極と、伝達トランジスタのソース電極側に接続されるゲート電極とを有し、前記駆動信号を前記サブワードラインに伝達し、
前記伝達トランジスタは、電源電圧が印加されるゲート電極と、前記選択信号が印加されるドレーン電極と、プルアップトランジスタのゲート電極側に接続されるソース電極とを有し、電源電圧に応答して前記選択信号を前記プルアップトランジスタのゲートに伝達し、
前記ボディーブースタトランジスタは、前記駆動信号が印加されるドレーン電極と、前記選択信号が印加されるゲート電極と、プルアップトランジスタのボディに接続されるソース電極とを有し、前記選択信号に応答して前記駆動信号の電圧レベルが前記サブワードラインに充分に伝達されるように前記駆動信号の電圧レベルに前記プルアップトランジスタのボディー電圧を昇圧する、
ことを特徴とするボディーブースタトランジスタを含む半導体装置。 - 前記駆動信号に応答して前記選択信号の入力端子とワードラインを接続させるためのスイッチトランジスタを付加的に含む請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ボディーブースタトランジスタは前記駆動信号が印加されるドレーン電極と前記プルアップトランジスタのボディーに接続されるソース電極及び前記選択信号が印加されるゲート電極を持つnMOSFETを含む請求項1に記載の半導体装置。
- 前記選択信号の電圧レベルは電源電圧レベルであり、前記駆動信号の電圧レベルは前記選択信号の電圧レベルより高い請求項3に記載の半導体装置。
- ワードライン、ビットライン、および情報を貯蔵するためのメモリセルを備えているセルアレイと、
外部からのアドレス信号をデコーディングして前記アレイの行を選択するための選択信号を発生する手段と、
前記選択されたワードラインを駆動するための駆動信号を発生する手段と、
前記選択信号によって選択されるワードラインを前記駆動信号に駆動するための駆動手段を含み、
前記駆動手段は、プルダウントランジスタ,プルアップトランジスタ,チャージトランジスタ,スイッチトランジスタ,ブースタトランジスタを含み、
前記プルダウントランジスタは、前記駆動信号の相補信号が印加されるゲート電極と、サブワードラインおよび接地の間に形成される電流通路とを有し、前記駆動信号の相補に応答してワードラインを接地させ、
前記プルアップトランジスタは、前記駆動信号が印加されるドレーン電極と、サブワードラインに接続されるソース電極と、チャージトランジスタのソース電極側に接続されるゲート電極とを有し、前記駆動信号をワードラインに伝達し、
前記チャージトランジスタは、電源電圧が印加されるゲート電極と、前記選択信号が印加されるドレーン電極と、プルアップトランジスタのゲート電極側に接続されるソース電極とを有し、電源電圧に応答して前記選択信号の電圧レベルに前記プルアップトランジスタのゲートをチャージし、
前記スイッチトランジスタは、前記選択信号の入力端子およびワードラインの間に形成される電流通路と、前記駆動信号が印加されるゲート電極とを有し、前記駆動信号に応答して前記選択信号の入力端子とワードラインを接続させ、
前記ブースタトランジスタは、前記駆動信号が印加されるドレーン電極と、前記選択信号が印加されるゲート電極と、プルアップトランジスタのボディに接続されるソース電極とを有し、記入および読出動作の間に、前記駆動信号の電圧レベルがワードラインに充分に伝達されるように前記選択信号に応答して前記プルアップトランジスタのボディー電圧を昇圧させるによってそのもののスレショルド電圧を一定に維持させる、
ことを特徴とするブースタトランジスタを含む半導体装置。
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