JP4470183B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体記憶装置に関し、特に、データのバースト出力又はバースト入力が可能な半導体記憶装置に関する。
近年のDRAM(Dynamic Random Access Memory)は、クロックに同期して動作するシンクロナス型が主流である。シンクロナス型のDRAMに使用されるクロックは年々高速化しているが、DRAMコアは、プリチャージ動作やセンス動作などが必要であるため、クロック周波数に比例して高速化することは不可能である。このため、シンクロナス型のDRAMでは、DRAMコアと入出力ピンとの間に「プリフェッチ回路」を設け、プリフェッチ回路でパラレル−シリアル変換を行うことによって、見かけ上の高速動作を実現している(特許文献1〜5参照)。
例えば、DDR2型のシンクロナスDRAMでは、プリフェッチ回路にて4ビットのプリフェッチを行い、DDR3型のシンクロナスDRAMでは、プリフェッチ回路にて8ビットのプリフェッチを行うことにより、外部に対して高いデータ転送レートを実現している。
より具体的に説明すると、DDR3型のシンクロナスDRAMでは、リード時においてDRAMコアから8ビットのデータを一度に読み出し、これら8ビットのデータをプリフェッチ回路にて一時的に保持した後、外部へバースト出力する。逆にライト時には、外部からバースト入力された8ビットのデータをプリフェッチ回路にて一時的に保持した後、これら8ビットのデータをDRAMコアに一度に書き込む。このような動作を行うため、シンクロナスDRAMでは、プリフェッチ数は基本的に最小バースト長として定義される。
特開2004−164769号公報 特開2004−310989号公報 特開2004−133961号公報 特開2003−272382号公報 特開2004−310918号公報
しかしながら、より高速なデータ転送レートを実現するためには、必然的にプリフェッチ数を増やす必要がある。このため、プリフェッチ数を最小バースト長として定義すると、従来のシンクロナスDRAMとの互換性が確保できなくなってしまう。DDR3型のシンクロナスDRAMの例で言えば、最小バースト長を8に設定すると、DDR2型のシンクロナスDRAMにて可能であったバースト長=4の動作を行うことができなくなり、互換性が失われてしまう。
このような問題を解決する方法として、「バーストチョップ機能」が提案されている。バーストチョップ機能とは、リードコマンド発行時やライトコマンド発行時において、バースト動作が途中で停止するよう、あらかじめ指定する機能である。したがって、DDR3型のシンクロナスDRAMにバーストチョップ機能を搭載した例を想定すると、リードコマンド発行時やライトコマンド発行時における指定によって、バースト長=8をバースト長=4として利用することができる。これにより、プリフェッチ数が増大しても、従来の製品(DDR2型)に対する互換性を確保することが可能となる。
しかしながら、バーストチョップ機能は、あくまでバースト動作を途中で停止させる機能であることから、コマンドの入力サイクルを短縮できるわけではない。つまり、プリフェッチ数が8ビットであるDDR3型のシンクロナスDRAMでは、4クロックごとにコマンドを受け付けることが可能であるが(tCCD=4)、バーストチョップ時においては、前半の2クロックで入出力動作が完了し、後半の2クロックは待ち時間となってしまう。つまり、バーストチョップ機能を用いてバースト長を4ビットに短縮したとしても、これによりコマンドの入力サイクルが2クロック(tCCD=2)に短縮されるわけではなく、コマンドの入力サイクルは4クロックのままである。このため、バーストチョップを行うとデータの転送効率が悪化するという問題があった。
このような問題を解決する方法として、コマンドデコーダやアドレスカウンタを2組設け、両者を2クロック分ずらして動作させる方法が考えられる。しかしながら、この方法ではカラムアドレス配線やデータバスの数が2倍となることから、チップ面積が大幅に増大してしまう。例えば、同時に入出力するデータが16ビットであるチップ(×16品)を想定すると、プリフェッチ数が8の場合、通常のチップであればデータバスの数は128本(16×8)であるのに対し、上記のチップにおいては128本のデータバスが2組、つまり256本も必要となってしまう。
しかもこの方法では、バースト長=8に設定した場合には一方の回路のみを動作させればよいが、バースト長=4に設定した場合には両方の回路を動作させる必要が生じる。このため、バースト長=4に設定すると、データバスなどの充放電電流がバースト長=8の場合の2倍となり、消費電力が増大するという問題もあった。
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものである。したがって、本発明の目的は、バーストチョップを行うことなく、バースト長をプリフェッチ数よりも少なく設定可能な改良された半導体記憶装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、回路規模の増大を抑制しつつ、バースト長をプリフェッチ数よりも少なく設定可能な半導体記憶装置を提供することである。
また、本発明のさらに他の目的は、消費電力の増大を抑制しつつ、バースト長をプリフェッチ数よりも少なく設定可能な半導体記憶装置を提供することである。
また、本発明のさらに他の目的は、コマンドの入力サイクルをプリフェッチ数に対応したクロックサイクル数よりも少なく設定可能な改良された半導体記憶装置を提供することである。
本発明による半導体記憶装置は、mビットのデータをラッチし該データをデータ入出力端子からバースト出力するパラレル−シリアル変換のFIFO回路群と、前記データ入出力端子を介してバースト入力され又はバースト出力するn(>m)ビットのデータをメモリアレイとの間で並列に入出力する転送回路と、前記転送回路と前記FIFO回路群との間でデータ転送を行うm本のデータバスと、バースト長を設定するためのモードレジスタとを備え、前記モードレジスタに設定可能な最小バースト長がmであり、前記転送回路は、前記バースト長にかかわらず前記データバスを用いたデータの転送をmビット単位で行うことを特徴とする。
本発明による半導体記憶装置は、複数のグループに分割されたメモリアレイと、メモリアレイの複数のグループからそれぞれnビットのデータを出力するメインアンプとをさらに備えることが好ましい。この場合、転送回路は、メインアンプから出力されたnビットのデータの中から、グループごとにmビットのデータを選択し、選択したmビットのデータをデータバスを介してFIFO回路群に供給することが好ましい。
転送回路は、モードレジスタに設定されたバースト長がnである場合には、同一グループに属するメモリアレイから読み出されたnビットのデータをmビットずつ、データバスを介して順次FIFO回路群に供給する。一方、モードレジスタに設定されたバースト長がmである場合には、異なるグループに属するメモリアレイから読み出されたmビットのデータをデータバスを介して順次FIFO回路群に供給する。
本発明によれば、モードレジスタに設定されたバースト長にかかわらず、データバスを用いたデータの転送を最小バースト長であるmビット単位で行っていることから、バーストチョップを行うことなく、バースト長をプリフェッチ数よりも少なく設定することが可能となる。しかも、コマンドの入力サイクルに関わらず、データバスを用いたデータ転送サイクルが一定であることから、回路規模の増大や消費電力の増大を抑制することも可能となる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の好ましい実施形態による半導体記憶装置の主要部の構成を示すブロック図である。図1には、本実施形態による半導体記憶装置の特徴部分であるカラム系回路及びデータ系回路のみを示し、ロウ系回路などについては省略してある。
本実施形態による半導体記憶装置は、DDR3型のシンクロナスDRAMであり、プリフェッチ数は8ビットである。また、バースト長(BL)については、少なくともBL=4,BL=8を選択可能であり、最小バースト長はBL=4である。
図1に示すように、本実施形態による半導体記憶装置は、大部分の回路が2つのグループ(グループGAとグループGB)に分割されている。但し、アドレスカウンタ121、モードレジスタ122、FIFO回路群123についてはグループ化されておらず、2つのグループに対して共通に設けられている。
具体的に説明すると、コマンド端子CMDを介して供給されたコマンドは、コマンドデコーダ101A,101Bに共通に供給される。一方、アドレス端子ADDを介して供給されたカラムアドレスは、アドレスカウンタ121に供給される。アドレスカウンタ121の必要な台数Nは、アディティブレイテンシをAL、CASライトレイテンシをCWL、バースト長をBL、コマンドの最小入力サイクルをtCCDとした場合、
N=1+{AL+CWL+(BL/2)+tCCD}/tCCd
となる。一例として、
AL=10
CWL=8
BL=4
tCCD=2
とすると、
N=12となり、12台のアドレスカウンタ121が必要である。
アドレスカウンタ121の出力であるカラムアドレスは、グループGA,GBに共通に供給される。このため、カラムアドレス配線は1組でよい。カラムアドレスは、コマンドデコーダ101A,101Bの制御により、アドレスラッチ回路102A,102Bのいずれか一方にラッチされる。これにより、カラムアドレスはグループGA,GBのいずれか一方に対して有効となる。
グループGAに供給されたカラムアドレスは、アドレスラッチ回路102A,プリデコーダ103A、Yデコーダ104Aへと供給され、カラムスイッチ105Aを制御する。カラムスイッチ105Aには、メモリアレイ100Aから読み出されたデータが供給されており、Yデコーダ104Aによる制御により、選択されたデータがメインアンプ106Aに供給される。メインアンプ106Aの出力は、時分割転送回路107Aに供給される。グループGBに関しても同様である。
図2は、メインアンプ106A,106Bからデータ入出力端子DQまでの回路をより詳細に示す回路図である。図2に示す回路は、1つのデータ入出力端子DQに関する部分であり、したがって、同時に入出力するビット数分だけ同じ回路が必要となる。例えば、同時に入出力するデータが16ビットであるチップ(×16品)であれば、図2に示す回路が16台必要となる。
図2に示すように、メインアンプ106A、106Bからは、いずれもプリフェッチ数と同数である8ビットのデータが出力される。これらデータのカラムアドレスは上位ビットが共通であり、下位3ビットのみが異なる。メインアンプ106A、106B内に示した3ビットの値は、カラムアドレスの下位3ビットを指している。メインアンプ106A,106Bは、相補形式である信号を単一信号に変換する役割を有している。
メインアンプ106A、106Bの出力は、それぞれ時分割転送回路107A,107Bに供給される。時分割転送回路107Aは、4台のマルチプレクサ211A〜214Aと、8台のスイッチ221A〜228Aと、4台のバッファ231A〜234Aと、4台のスイッチ241A〜244Aとを備えている。時分割転送回路107Bも同様の回路構成を有している。
マルチプレクサ211A〜214Aは、メインアンプ106Aより供給される2ビットのデータとスイッチ221A〜228Aとの対応関係を切り替える回路である。その切り替えはプリフェッチアドレスPAによって制御される。例えば、マルチプレクサ211Aに関して言えば、下位3ビットが「000」であるデータをスイッチ221A又はスイッチ222Aに出力し、下位3ビットが「100」であるデータをスイッチ222A又はスイッチ221Aに出力する。時分割転送回路107Bに含まれるマルチプレクサ211B〜214Bについても同様である。
図2に示すように、スイッチ221A,223A,225A,227Aの出力はそのままデータバスRWBSに供給される一方、スイッチ222A,224A,226A,228Aの出力は、それぞれ231A〜234A及びスイッチ241A〜244Aを介してデータバスRWBSに供給される。スイッチ221A〜228Aは制御信号φ0に応答して導通する回路であり、スイッチ241A〜244Aは制御信号φ1に応答して導通する回路である。したがって、制御信号φ0,φ1のタイミングに基づき、メインアンプ106Aより供給される8ビットのデータを4ビットずつ時分割してデータバスRWBSに供給することができる。上記の構成及び動作は、時分割転送回路107Bにおいても同様である。
また、データバスRWBSは、時分割転送回路107A,107Bに対して共通に設けられている。このため、データバスRWBSの本数は4本である。したがって、×16品であればデータバスRWBSの本数は64本(=4×16)となり、従来に比べて本数が削減されている。つまり、バーストチョップを行うタイプの半導体記憶装置であれば、データバスRWBSが128本(=8×16)必要であることから、1/2に削減されている。さらに、コマンドデコーダやアドレスカウンタを単純に2組設けるタイプの半導体記憶装置であれば、既に説明したようにデータバスRWBSが256本(=8×16×2)必要であることから、1/4に削減されることになる。
図2に示すように、データバスRWBSはFIFO回路群123に接続されている。FIFO回路群123は、マルチプレクサ130と4台のFIFO回路131〜134とを含んでいる。マルチプレクサ130は、データバスRWBSを介して供給される4ビットのデータと、FIFO回路131〜134との対応関係を切り替える回路である。その切り替えはプリフェッチアドレスPAによって制御される。
FIFO回路131〜134は、CASレイテンシをCLとした場合、それぞれ(CL+BL/2)/2のリードデータを保持可能な回路である。したがって、BL=8とすると、少なくとも2ビットのリードデータを保持することができ、これにより、FIFO回路131〜134は、プリフェッチ数と同じ8ビットのリードデータを保持することができる。そして、データ出力時においては、FIFO回路131〜134に格納されたリードデータが外部クロック(CK)に同期してこの順に出力される。
図3は、本実施形態による半導体記憶装置の模式的なレイアウト図である。本例は、プリフェッチ数が8ビットであり、入出力ビット数が16ビット(×16品)である512Mビットのメモリを示している。
図3に示すように、本例では、メモリアレイが8つのバンク(バンク0〜バンク7)に分割されており、このうちバンク0〜3がグループGAに属し、バンク4〜7がグループGBに属している。各バンク0〜7は4つのメモリマットに分割されており、同時に入出力される16ビットのデータは、これら4つのメモリマットに4ビットずつ割り当てられる。また、本実施形態による半導体記憶装置はプリフェッチ数が8ビットであることから、各メモリマットからは、32ビット(=4×8)のデータが同時に入出力されることになる。
次に、本実施形態による半導体記憶装置の動作について説明する。
図4は、バースト長を8ビット(BL=8)に設定した場合の動作を示すタイミング図である。バースト長の設定は、モードレジスタセットのコマンドを発行した後、図1に示すモードレジスタ122にバースト長を示すモード信号を設定することにより行う。
図4に示すように、BL=8に設定した場合、コマンド(図4に示す例ではリードコマンド)の入力サイクルは4クロックとなる。つまり、4クロックごとにコマンドを受け付けることができる(tCCD=4)。
まず、1回目のリードコマンドが発行されると、コマンドデコーダ101Aは内部コマンドRDを生成し、これに応答してグループGA内でリード動作が開始される。また、BL=8に設定されている場合、コマンドデコーダ101Aは、内部コマンドRDを生成した後、2クロック遅れて内部コマンドRD8を生成する。
内部コマンドRDに応答して読み出された1DQ当たり8ビットのデータは、メインアンプ106Aにて増幅され、時分割転送回路107Aに供給される。その後、内部コマンドRDに応答した制御信号φ0が活性化し、さらに2クロック遅れて、内部コマンドRD8に応答した制御信号φ1が活性化する。制御信号φ0が活性化すると、データバスRWBSには読み出された8ビット中の4ビットが供給され、これら4ビットのデータがFIFO回路群123に転送される。
これら4ビットのリードデータは、FIFO回路131〜134にそれぞれ格納され、外部クロックCKに同期してバースト出力される。このようなバースト出力を行っている間に、今度は制御信号φ1が活性化し、データバスRWBSには残りの4ビットが供給される。そして、前半4ビットのバースト出力に続いて、後半4ビットをバースト出力する。これにより、BL=8が実現される。
そして、1回目のリードコマンドの発行から4クロック後に2回目のリードコマンドを発行すると、上記と同様の動作が行われる。
図4に示す例では、バーストタイプがシーケンシャルモードの場合を示しており、1回目のリードコマンドに対応するカラムアドレスの下位3ビットが「000」であり、2回目のリードコマンドに対応するカラムアドレスの下位3ビットが「111」である。このため、1回目のリードコマンドに対応するバースト出力はカラムアドレスの下位3ビットが「000」であるデータから出力され、2回目のリードコマンドに対応するバースト出力はカラムアドレスの下位3ビットが「111」であるデータから出力されている。このような制御は、図2に示したプリフェッチアドレスPAに基づき、マルチプレクサ211A〜214A,211B〜214B,130を制御することにより行うことが可能である。
このように、BL=8に設定されている場合、グループGA,GBの一方のみが動作し、他方は動作しない。また、データバスRWBSを用いたデータの転送は4ビット単位で行われる。このため、データバスRWBSの動作周波数は従来の2倍となる。しかしながら、データバスRWBSの本数削減により、隣接するデータバス間にシールド配線を設けることが可能となることから、動作周波数が2倍となることによる信号品質の低下はほとんど生じない。
つまり、64本のデータバスRWBS間にそれぞれシールド配線を介在させると、配線本数としては、バーストチョップを行う従来例と同様、128本となる。しかしながら、シールド配線は信号線ではなく、例えば電源配線を用いることができることから、データバスRWBSよりも細い配線を用いることができる。その分、データバスRWBSの配線幅を太くすることが可能となる。
具体例を挙げると、バーストチョップを行う従来例におけるデータバスRWBSのL/S(ラインアンドスペース)が1.0/1.0μmであるとすると、本実施形態による半導体記憶装置では、データバスRWBSのL/Sを1.2/1.2μmに拡大することができる。これにより、信号遅延が減少するばかりでなく、隣接配線間のカップリングノイズも減少することから、動作周波数の増大によって信号品質が劣化することはほとんどない。
図5は、バースト長を4ビット(BL=4)に設定した場合の動作を示すタイミング図である。
図5に示すように、BL=4に設定した場合、コマンド(図5に示す例ではリードコマンド)の入力サイクルは2クロックとなる。つまり、2クロックごとにコマンドを受け付けることができる(tCCD=2)。
まず、1回目のリードコマンドが発行されると、コマンドデコーダ101Aは内部コマンドRDを生成し、これに応答してグループGA内でリード動作が行われる。BL=4に設定されている場合、内部コマンドRD8の生成は行われない。
内部コマンドRDに応答して読み出された1DQ当たり8ビットのデータは、メインアンプ106Aにて増幅され、時分割転送回路107Aに供給される。その後、内部コマンドRDに応答して制御信号φ0が活性化すると、データバスRWBSには読み出された8ビット中の4ビットが供給され、これら4ビットのデータがFIFO回路群123に転送される。一方、BL=4の場合は制御信号φ1が活性化しないことから、残りの4ビットはデータバスRWBSに供給されない。
そして、1回目のリードコマンドの発行から2クロック後に2回目のリードコマンドを発行すると、今度はコマンドデコーダ101Bが内部コマンドRDを生成し、これに応答してグループGB内でリード動作が行われる。これにより読み出された1DQ当たり8ビットのデータは、メインアンプ106Bにて増幅され、時分割転送回路107Bに供給される。その後、内部コマンドRDに応答して制御信号φ2が活性化すると、データバスRWBSには読み出された8ビット中の4ビットが供給され、これら4ビットのデータがFIFO回路群123に転送される。この場合も、制御信号φ3は活性化せず、したがって残りの4ビットはデータバスRWBSに供給されない。
以下同様にして、グループGA,GBを交互に動作させることにより、BL=4を実現することが可能となる。このように、本実施形態による半導体記憶装置では、BL=4の動作においても、データバスRWBSを用いたデータの転送が4ビット単位で行われる。
図5に示す例では、バーストタイプがシーケンシャルモードの場合を示しており、1回目のリードコマンドに対応するカラムアドレスの下位3ビットが「000」であり、2回目のリードコマンドに対応するカラムアドレスの下位3ビットが「100」であり、3回目のリードコマンドに対応するカラムアドレスの下位3ビットが「111」である。このため、1回目のリードコマンドに対応するバースト出力は、カラムアドレスの下位3ビットが「000」であるデータから出力され、下位3ビットが「100」〜「111」であるデータは出力されない。同様に、2回目又は3回目のリードコマンドに対応するバースト出力は、カラムアドレスの下位3ビットが「100」又は「111」であるデータから出力され、下位3ビットが「000」〜「011」であるデータは出力されない。
以上説明したように、本実施形態による半導体記憶装置では、バースト長にかかわらずデータバスRWBSを用いたデータの転送を最小バースト長である4ビット単位で行っていることから、バーストチョップを行う必要がなくなる。しかも、コマンドの入力サイクルに関わらず、データバスを用いたデータ転送サイクルが一定であることから、回路規模の増大や消費電力の増大を抑制することも可能となる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
本発明の好ましい実施形態による半導体記憶装置の主要部の構成を示すブロック図である。 メインアンプ106A,106Bからデータ入出力端子DQまでの回路をより詳細に示す回路図である。 図1に示す半導体記憶装置の模式的なレイアウト図である。 バースト長を8ビット(BL=8)に設定した場合の動作を示すタイミング図である。 バースト長を4ビット(BL=4)に設定した場合の動作を示すタイミング図である。
符号の説明
100A,100B メモリアレイ
101A,101B コマンドデコーダ
102A,102B アドレスラッチ回路
103A,103B プリデコーダ
104A,104B Yデコーダ
105A,105B カラムスイッチ
106A,106B メインアンプ
107A,107B 時分割転送回路
121 アドレスカウンタ
122 モードレジスタ
123 FIFO回路群
130,211A〜214A,211B〜214B マルチプレクサ
131〜134 FIFO回路
221A〜228A,241A〜244A,221B〜228B,241B〜244B スイッチ
ADD アドレス端子
CMD コマンド端子
DQ データ入出力端子
GA,GB グループ
RWBS データバス

Claims (5)

  1. mビット又はnビットのデータをラッチし該データをデータ入出力端子からバースト出力するパラレル−シリアル変換のFIFO回路群と、
    複数のグループに分割されたメモリアレイと、
    前記データ入出力端子を介してバースト入力され又はバースト出力するn(>m)ビットのデータを前記メモリアレイとの間で並列に入出力する転送回路と、
    前記転送回路と前記FIFO回路群との間でデータ転送を行うm本のデータバスと、
    バースト長を設定するためのモードレジスタと、
    前記メモリアレイの前記複数のグループからそれぞれnビットのデータを出力するメインアンプと、を備え、
    前記モードレジスタに設定可能な最小バースト長がmであり、
    nとmは、n=2のk乗×mの関係を有し、
    前記転送回路は、前記バースト長にかかわらず前記データバスを用いたデータの転送をmビット単位で行い、
    前記転送回路は、前記モードレジスタに設定されたバースト長がnである場合には、同一グループに属する前記メモリアレイから読み出された前記nビットのデータをmビットずつ、2のk乗回前記データバスを介して順次前記FIFO回路群に供給し、
    前記転送回路は、前記モードレジスタに設定されたバースト長がmである場合には、異なるグループに属する前記メモリアレイから読み出された前記nビットの中からmビットのデータを選択して、前記データバスを介して順次前記FIFO回路群に供給することを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 前記データバスを用いたデータの転送は、リードコマンドによってmビット単位で行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
  3. 隣接するデータバス間にシールド配線が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体記憶装置。
  4. 前記シールド配線のラインアンドスペースは、前記データバスのラインアンドスペースよりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の半導体記憶装置。
  5. 前記シールド配線が電源配線であることを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体記憶装置。
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