JP4531150B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
DRAM等の半導体記憶装置は,データを格納するメモリセルがマトリクス状に配列されて成るメモリセルアレイ部,および,ビット線対に接続され,メモリセルから読み出されたデータを検知,増幅するセンスアンプ部を備えている。かかるDRAMにおいて,ロウアドレス(行アドレス)信号によって一のワード線が選択され,選択されたワード線に接続されているメモリセルに格納されているデータがビット線対に読み出される。ビット線対に読み出されたデータは,センスアンプ部で検知,増幅された後,カラムスイッチ回路を介してデータバスへ出力されることになる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来のDRAM等の半導体記憶装置には,以下の解決すべき課題があった。
【0004】
アクセスサイクル毎に,選択されたメモリセルアレイにかかるすべてのビット線対の電位差を最大(この,最大電位差を以下,「アレイ動作電圧」という。)とするため,ビット線対の一方が0Vに,他方がアレイ動作電圧VDDarrayに充放電される。DRAMの消費電力を低減させるためには,アレイ動作電圧VDDarrayを低く抑えることが望ましいが,確実な読み出し動作のためには,ビット線対に生じる読み出し電位差ΔVを十分な値とすることが必要があった。以上のように,従来のDRAMにおいて,読み出し動作の安定化と省電力化を両立させることは困難であった。
【0005】
上記の課題を解決すべく,センスアンプ部にプリアンプおよびメインアンプを備えたDRAMが開発されている。このプリアンプは,通常,ゲートに所定の電位がバイアスされることによってビット線対とメインアンプとを飽和領域のオフ状態に近い動作点で導通させるトランジスタ対で構成されており,ビット線対間に生じる読み出し電位差ΔVを増幅しメインアンプに転送する機能を有するものである。
【0006】
しかし,プリアンプを備えたDRAMにおいても解決すべき課題があった。プリアンプを構成するトランジスタ対のゲートに与えるべき電位の許容範囲が数十mVと狭く,安定な動作を得るためには製造品質を高いレベルに維持する必要があり,製造コストに影響がおよぶ場合があった。
【0007】
また,従来のDRAMの場合,メインアンプによるビット線対の電位差増幅に先だって行われるプリアンプによるビット線対の電位差増幅,いわゆるプリセンス動作に100ns程度の時間が必要とされていた。このため,読み出し動作サイクルが50ns以下となっている最近のDRAMにおいては,100nsの時間を要するプリセンス動作は意味を失いつつあった。
【0008】
また,メインアンプによるビット線対の電位差増幅,いわゆるメインセンス動作の開始時,ビット線対において,充電電流に先行して放電電流が生じる場合があり,これに伴うノイズによってDRAMが誤動作するおそれがあった。
【0009】
さらに,プリアンプを構成するには,通常,PMOSトランジスタとNMOSトランジスタといった異なるタイプのトランジスタが必要であり,このように異なるタイプのトランジスタをウェハ上にレイアウトする場合,同タイプのトランジスタをレイアウトする場合と比較して,トランジスタのラッチアップを防止するためのスペースが広くなってしまっていた。かかるスペースは,DRAMの集積化を阻害する一因となっていた。
【0010】
本発明は,上記のような問題点に鑑みてなされたものであり,その目的は,低消費電力が低減され,安定的に動作し,さらに製造が容易で,かつ,高集積化が可能な半導体記憶装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために,複数のワード線と複数のビット線対との交差部に形成されたメモリセルがマトリクス状に配列されて成るメモリセルアレイ部と,ビット線対に接続され,メモリセルからの読み出しデータを検出,増幅するセンス回路部とを備えた半導体記憶装置が提供される。そして,この半導体記憶装置に備えられたセンス回路部は,請求項1に記載のように,ビット線対の電位差を増幅するプリアンプ部と,プリアンプ部によって増幅された電位差をさらに増幅するメインアンプ部とを含み,プリアンプおよびメインアンプは,以下の特徴を備えている。
【0012】
プリアンプ部は,ビット線対の一方のビット線を電気的に遮断することが可能な第1のスイッチ手段と,ビット線対の他方のビット線を電気的に遮断することが可能な第2のスイッチ手段と,第1のスイッチ手段に直列に接続され,一方のビット線を電気的に遮断することが可能な第3のスイッチ手段と,第2のスイッチ手段に直列に接続され,他方のビット線を電気的に遮断することが可能な第4のスイッチ手段と,一方の電極が第3のスイッチ手段の一方の端子に接続され,他方の電極が第3のスイッチ手段の他方の端子に接続され,制御電極が第4のスイッチ手段の一方の端子に接続された第1のトランジスタと,一方の電極が第4のスイッチ手段の一方の端子に接続され,他方の電極が第4のスイッチ手段の他方の端子に接続され,制御電極が第3のスイッチ手段の一方の端子に接続された第2のトランジスタとを備えたことを特徴としている。
【0013】
メインアンプ部は,ソースが第1の電源電位の供給ラインに接続され,ドレインが一方のビット線に接続され,ゲートが他方のビット線に接続された第1のPチャネル型トランジスタと,ソースが第1の電源電位の供給ラインに接続され,ドレインが他方のビット線に接続され,ゲートが一方のビット線に接続された第2のPチャネル型トランジスタと,ソースが第5のスイッチ手段を介して第2の電源電位の供給ラインに接続され,ドレインが一方のビット線に接続され,ゲートが他方のビット線に接続された第1のNチャネル型トランジスタと,ソースが第5のスイッチ手段を介して第2の電源電位の供給ラインに接続され,ドレインが他方のビット線に接続され,ゲートが一方のビット線に接続された第2のNチャネル型トランジスタとを備えたことを特徴としている。
【0014】
かかる構成によれば,第1のスイッチ手段および第2のスイッチ手段をオン/オフ制御することによってプリセンス動作を行うことが可能となる。すなわち,プリアンプ部に対して高精度に調整された電位を与えることなく,半導体記憶装置の動作を安定化させることが可能となる。また,第1のトランジスタと第2のトランジスタは,相互に正帰還がかかるように構成されているため,プリセンス動作に要する時間が短縮される。
【0015】
請求項2に記載のように,第1のスイッチ手段,第2のスイッチ手段,第3のスイッチ手段,および第4のスイッチ手段を,第1のトランジスタおよび第2のトランジスタと同じ伝導型のトランジスタで構成することによって,センス回路部に要する面積が減少し,結果的に半導体記憶装置の小型化が可能となる。
【0016】
さらに,請求項3に記載のように,センス回路部に対して,第3のトランジスタおよび第4のトランジスタから構成されビット線対をプリチャージ電位にプリチャージする機能を有するビット線プリチャージ手段を備えるようにしてもよい。かかる構成によれば,ビット線対は,ビット線プリチャージ手段によって予め所定の電位にプリチャージされるため,センス動作時のノイズの発生を抑制することが可能となる。そして,第3のトランジスタおよび第4のトランジスタを,第1のトランジスタおよび第2のトランジスタと同じ伝導型とすることによって,ビット線プリチャージ手段にかかる回路面積を最小限に抑えることが可能となる。
【0017】
また,請求項4に記載のように,プリチャージ電位を第1の電源電位の1/2以下とすることによって,センス回路部の省電力化が実現する。
【0018】
請求項5に記載のように,センス回路部に対して,第1のスイッチ手段と第3のスイッチ手段との接続ノードの電位,および,第2のスイッチ手段と第4のスイッチ手段との接続ノードの電位を等化するイコライズ手段を備えるようにしてもよい。かかる構成によれば,半導体記憶装置の製造ばらつき等にともない,トランジスタ間にスレショルド電位の差が生じた場合であっても,イコライズ手段によって,かかるスレショルド電位差を吸収することが可能となる。
【0019】
また,請求項6によれば,第3のスイッチ手段と第1のトランジスタは,第1の不純物拡散領域に形成され,第4のスイッチ手段と第2のトランジスタは,第2の不純物拡散領域に形成され,第3のスイッチ手段を構成するトランジスタの制御電極は,ワード線に沿って形成された一の制御信号供給ラインに接続され,第4のスイッチ手段を構成するトランジスタの制御電極は,ワード線に沿って形成された他の制御信号供給ラインに接続されたことを特徴とする半導体記憶装置が提供される。例えば,第1の不純物拡散領域と第2の不純物拡散領域をビット線方向に列べてレイアウトすることによって,請求項1,2,3,4,5に記載の半導体記憶装置を最小の面積で構成することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら,本発明にかかる半導体記憶装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,以下の説明において,略同一の機能および構成を有する構成要素については,同一符号を付することにより,重複説明を省略することにする。
【0021】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態にかかるDRAM100を図1に示す。このDRAM100は,アレイ部A100およびセンス回路部SS100を備えるものである。
【0022】
アレイ部A100は,複数のワード線WL0,WL1,・・・,および,複数のビット線対BL,BLb,・・・を備えており,各ワード線と各ビット線対の交差部には,メモリセルMCが交互配置されている。メモリセルMCは,MOSトランジスタTとストレージ容量Csから構成されており,トランジスタTのゲートは,各ワード線に接続され,ソースは,ストレージ容量Csの一端に接続され,ドレインは,各ビット線に接続されている。また,ストレージ容量Csの他端は,電位供給端子VCPに接続されている。なお,電位供給端子VCPは,DRAM100の動作期間,所定の電位にバイアスされる。
【0023】
各ビット線対BL,BLbに接続されているセンス回路部SS100は,ビット線プリチャージ手段BPC100,プリアンプ部PSA100,およびメインアンプ部MSA100から構成されている。
【0024】
ビット線プリチャージ手段BPC100は,ビット線BLとプリチャージ電位VBLの供給ラインとの間に備えられたスイッチ素子SW110,および,ビット線BLbとプリチャージ電位VBLの供給ラインとの間に備えられたスイッチ素子SW111から構成されており,ビット線対BL,BLbをプリチャージ電位VBLにプリチャージする機能を有するものである。
【0025】
プリアンプ部PSA100は,各ビット線対BL,BLbが接続される入出力端子対Pin,Pinb,および,メインアンプ部MSA100が接続される入出力端子対Pout,Poutbを備えている。そして,入出力端子対Pin,Pinbとプリセンス回路部内部ノード対(以下,「プリセンスノード対」という。)PS100,PS101との間には,スイッチ手段TGS100が備えられ,プリセンスノード対PS100,PS101と入出力端子対Pout,Poutbとの間には増幅手段PCA100が備えられている。スイッチ手段TGS100は,入出力端子PinとプリセンスノードPS100との間に設けられた第1のスイッチ手段としてのスイッチ素子SW102と,入出力端子PinbとプリセンスノードPS101との間に設けられた第2のスイッチ手段としてのスイッチ素子SW103とで構成されている。また,増幅手段PCA100は,ゲートとドレインが互いに交差接続された第1,2のトランジスタとしてのNチャネル型MOSトランジスタ(以下,「NMOSトランジスタ」という。)N100,N101,および,第3,4のスイッチ手段としてのスイッチ素子SW104,SW105から構成されている。NMOSトランジスタN100のソースは,プリセンスノードPS100に接続され,ゲートは,入出力端子Poutbに接続され,ドレインは,入出力端子Poutに接続されている。NMOSトランジスタN101のソースは,プリセンスノードPS101に接続され,ゲートは,入出力端子Poutに接続され,ドレインは入出力端子Poutbに接続されている。スイッチ素子SW104は,プリセンスノードPS100と入出力端子Poutとの間に備えられ,スイッチ素子SW105は,プリセンスノードPS101と入出力端子Poutbとの間に備えられている。以上のように構成されたプリアンプ部PSA100は,ビット線対BL,BLbの電位差を部分的に増幅し,増幅した電位差をメインアンプ部MSA100に伝達する機能を有するものである。
【0026】
メインアンプ部MSA100は,プリアンプ部PSA100によって増幅されたビット線対BL,BLbの電位差をさらに増幅するものである。このメインアンプ部MSA100には,プリアンプ部PSA100の入出力端子対Pout,Poutbに接続された入出力端子対MN10,MN10bが設けられている。入出力端子MN10は,メインセンスノードMS110を介して入出力端子MN11に対してフィードスルー的に接続されており,入出力端子MN10bは,メインセンスノードMS111を介して入出力端子MN11bに対してフィードスルー的に接続されている。
【0027】
メインセンスノードMS110,MS111には,センスラッチ手段SL100,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC100,およびデータ転送手段RW100が並列に接続されている。
【0028】
センスラッチ手段SL100は,ゲートとドレインが互いに交差接続された第1,2のNチャネル型トランジスタとしてのNMOSトランジスタN120,N121,ゲートとドレインが互いに交差接続された第1,2のPチャネル型トランジスタとしてのPチャネル型MOSトランジスタ(以下,「PMOSトランジスタ」という。)P120,P121,およびセンスラッチ手段SL100をオン/オフ制御する第5のスイッチ手段としてのNMOSトランジスタN122から構成されている。NMOSトランジスタN120,N121のソースは,NMOSトランジスタN122のドレインに接続されている。NMOSトランジスタN122のゲートは,制御信号SLNGの供給ラインに接続され,ソースは,第2の電源電位としての電源電位VSS(=0V)に接続されている。PMOSトランジスタP120,P121のソースは,第1の電源電位としての電源電位SAVDDの供給ラインに接続されている。
【0029】
メインセンスノード用プリチャージ手段MPC100は,メインセンスノードMS110とプリチャージ電位PCVDDの供給ラインの間に備えられたスイッチ素子SW130,および,メインセンスノードMS111とプリチャージ電位PCVDDの供給ラインとの間に備えられたスイッチ素子SW131から構成されている。ここで,プリチャージ電位供給ラインによって供給されるプリチャージ電位PCVDDは,電源電位SAVDDより十分に高くなるように調整される。
【0030】
データ転送手段RW100は,メインセンスノードMS110,MS111とデータバス線対DBとの間に設けられたNMOSトランジスタN140,N141で構成されている。
【0031】
なお,以上のように構成された第1の実施の形態にかかるDRAM100は,図1に示すように,アレイ部A100とセンス回路部SS100が一対一で設けられた構成とされているが,図2に示すように構成することによって,隣接する複数のアレイ部に対して一のセンス回路部を共有させることが可能となる。
【0032】
この場合,センス回路部は,第1のビット線プリチャージ手段BPC100,第2のビット線プリチャージ手段BPC101,第1のプリアンプ部PSA100,第2のプリアンプ部PSA101,およびメインアンプ部MSA100から構成される。ここで,第1のビット線プリチャージ手段BPC100,および,第2のビット線プリチャージ手段BPC101の内部回路は,略同一に構成されている。同様に,第1のプリアンプ部PSA100,および,第2のプリアンプ部PSA101の内部回路は,略同一に構成されている。
【0033】
ビット線対BLl,BLlbは,第1のビット線プリチャージ手段BPC100の入出力端子対,および,第1のプリアンプ部PSA100の入出力端子対Pin,Pinbに接続されている。第1のプリアンプ部PSA100の入出力端子対Pout,Poutbは,メインアンプ部MSA100の入出力端子対MN10,MN10bに接続されている。メインアンプ部MSA100の入出力端子対MN11,MN11bは,第2のプリアンプ部PSA101の入出力端子対Pout,Poutbに接続されている。第2のプリアンプ部PSA101の入出力端子対Pin,Pinbは,第2のビット線プリチャージ手段BPC101の入出力端子対,および,ビット線対BLr,BLrbに接続されている。かかる構成によって,一のセンス回路部は,隣接するアレイ部に共有されることになる。
【0034】
以上のように構成された第1の実施の形態にかかるDRAM100の動作について図3を用いて説明する。図3は,このDRAM100の読み出し動作および書き込み動作を示すタイミングチャートである。なお,本実施の形態にかかるDRAM100に対して,アレイ動作電圧VDDarrayとして電源電位SAVDDが用いられている。
【0035】
読み出し動作の初期状態(時刻t0)では,各ワード線WL0,WL1,・・・は,0Vにバイアスされている。ビット線プリチャージ手段BPC100に備えられたスイッチ素子SW110,SW111は,オン状態とされており,ビット線対BL,BLbは,ビット線プリチャージ手段BPC100によってプリチャージ電位VBLにバイアスされている。ここで,プリチャージ電位VBLは,電源電位SAVDDの1/2となるように設定されている。また,スイッチ手段TGS100に備えられたスイッチ素子SW102,SW103,および,増幅手段PCA100に備えられたスイッチ素子SW104,SW105は,オフ状態とされ,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC100に備えられたスイッチ素子SW130,SW131は,オン状態とされている。さらに,センスラッチ手段SL100に供給される制御信号SLNGは0Vとされている。この結果,メインセンスノード対MS110,MS111は,プリチャージ電位PCVDDにプリチャージされ,プリセンスノード対PS100,PS101は,プリチャージ電位VPSPC(>SAVDD/2)にプリチャージされ,増幅手段PCA100,および,センスラッチ手段SL100は,いずれもオフ状態とされる。ここで,プリチャージ電位VPSPCは,スイッチ素子SW104,SW105がNMOSトランジスタで構成されている場合,PCVDD−VTN(VTN:NMOSトランジスタのスレショルド電位)となる。
【0036】
次に,アレイ部A100,および,センス回路部SS100の活性化の手順を説明する。時刻t1で,外部からアドレス信号が入力されると,一のアレイ部としてアレイ部A100が選択され,対応するビット線プリチャージ手段BPC100に備えられたスイッチ素子SW110,SW111,および,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC100に備えられたスイッチ素子SW130,SW131がオフ状態となる。
【0037】
時刻t2において,入力されたアドレスに基づくワード線WL0は,電位VPP(>電源電位VDD+スレショルド電位VTN)までドライブされ,ビット線対BL,BLbの間,および,プリセンスノード対PS100,PS101の間に読み出し電位差ΔVが生じる。図3は,メモリセルMCにデータ”1”が格納されている場合の動作を示しいる。そして,ビット線BLの電位は,読み出し電位差ΔV+SAVDD/2とされ,ビット線BLbの電位は,SAVDD/2とされている。
【0038】
時刻t3において,プリアンプ部PSA100が活性化され,プリセンス動作が開始される。スイッチ手段TGS100に備えられたスイッチ素子SW102,SW103がオン状態とされ,ビット線対BL,BLbの間の電位差がプリセンスノード対PS100,PS101に転送される。
【0039】
一般に,接続される素子数の関係から,プリセンスノードの容量は,ビット線の容量に比べ十分小さくすることが可能である。このため,プリセンスノード対PS100,PS101の電位は,対応するビット線BL,BLbの電位にほぼ等しくなる。そして,プリセンスノードPS100の電位VPSは,プリチャージ電位VPSPCからΔV+SAVDD/2に低下し,プリセンスノードPS101の電位VPSbは,プリチャージ電位VPSPCからSAVDD/2に急速に低下する。
【0040】
プリセンスノードPS100,PS101の電位VSP,VSPbが低下し始めると,増幅手段PCA100に備えられたNMOSトランジスタN100,N101は,オン状態となる。このとき,NMOSトランジスタN100,N101のゲート・ソース間電圧は,PCVDD−SAVDD/2(>>VTN)近くになるため,オン抵抗は,ともに十分小さいものとなる。
【0041】
また,プリセンスノードPS100に対して電位の低いプリセンスノードPS101に接続されているNMOSトランジスタN101は,先にオン状態とされ,NMOSトランジスタN101を流れる電流は,NMOSトランジスタN100を流れる電流より大きくなる。この結果,プリアンプ部PSA100の入出力端子Poutの電位,すなわちメインセンスノードMS110の電位は,あまり変化しないのに対して,入出力端子Poutbの電位,すなわちメインセンスノードMS111の電位は,プリセンスノードPS101の電位まで急速に低下する。
【0042】
以上のように,メインセンスノード対MS110,MS111からプリセンスノード対PS100,PS101を介してビット線対BL,BLbへ電荷が移動し,プリセンスノード対PS100,PS101とビット線対BL,BLbの電位が上昇し始める。プリセンスノード対PS100,PS101とビット線対BL,BLbの容量の合計(ただし,ビット線対BL,BLbの容量は,プリセンスノード対PS100,PS101の容量に対して十分大きいため,これらの合計は,ほぼビット線対BL,BLbの容量CBに等しいと考えてよい。)は,メインセンスノード対MS110,MS111の容量CSAより十分大きいため,プリセンスノード対PS100,PS101とビット線対BL,BLbの電位の上昇分は,メインセンスノード対MS110,MS111の電位の降下分より小さくなる。
【0043】
NMOSトランジスタN101のソースに接続されているプリセンスノードPS101の電位上昇分は小さく,ゲートに接続される入出力端子Poutの電位の低下もゆるやかであるため,このNMOSトランジスタN101のオン抵抗が大きく変化することはない。その結果,入出力端子Poutbの電位(メインセンスノードMS111の電位)は,プリセンスノードPS101の電位と等しくなるまで低下し続ける。一方,NMOSトランジスタN100のソースに接続されるプリセンスノードPS100の電位上昇分は小さいものの,ゲートに接続される入出力端子Poutbの電位が急速に低下するため,このNMOSトランジスタN100は,オン抵抗が急速に大きくなりオフ状態となる。この結果,入出力端子Poutの電位(メインセンスノードMS110の電位)は高い値で維持される。そして,メインセンスノード対MS110,MS111において,増幅された読み出し電位差ΔVSA(>>ΔV)が得られ,プリセンス動作が終了する。
【0044】
このとき,NMOSトランジスタN101は,オン状態を維持しており,入出力端子Poutの電位は,プリセンスノードPS101の電位とスレショルド電位VTNの和以上の高い状態となる。結果的に読み出し電位差ΔVSAは,スレショルド電位VTNより高くなる(ΔVSA>VTN)。
【0045】
以上のように,第1の実施の形態にかかるDRAM100によれば,高精度に調整された電位を与えることなく,内部に備えられたスイッチ素子のオン/オフ制御によって,大きなノイズの発生を伴うビット線の充放電より先にビット線対BL,BLbに生じた読み出し電位差ΔVを増幅しメインアンプ部MSA100へ転送することが可能となる。
【0046】
また,第1の実施の形態にかかるDRAM100によれば,プリセンス動作が開始する際,増幅手段PCA100に備えられたNMOSトランジスタN100,N101のオン抵抗は小さく,さらに,これらNMOSトランジスタN100,N101のドレイン電流の初期差分が互いのゲートへ正帰還されセンス動作を加速させるため,数ns以内にプリセンス動作を終了させることが可能となる。そして,このNMOSトランジスタN100,N101の正帰還動作によって,メインセンスノード対MS110,MS111のプリチャージ電位PCVDDを特に高電位に設定することなく,大きな読み出し電位差ΔVSAを得ることが可能となる。また,メインセンスノード対MS110,MS111の高電位側ノードの電位は,PCVDD−δvとされ,低電位側ノードの電位は,PCVDD−ΔVSA−δv(δv<<ΔVSA)とされている。
【0047】
時刻t4において,メインアンプ部MSA100が活性化される。すなわち,センスラッチ手段SL100に供給される制御信号SLNGが高電位(例えば,電源電位SAVDD)とされ,センスラッチ手段SL100に備えられたNMOSトランジスタN120,N121によってセンス動作が開始される。この結果,メインセンスノード対MS110,MS111のうち電位の低い方のノード(MS111)の電位がさらに低下する。この電位がSAVDD−VTP(VTP:PMOSトランジスタのスレショルド電位の絶対値)以下に達すると,センスラッチ手段SL100に備えられたPMOSトランジスタP120,P121もセンスラッチとして機能し,高電位側のノード(MS110)は,電源電位SAVDDにプルアップされることになる。また,高電位側のノード(MS110)の電位は,低電位側のノード(MS111)の電位に対して,スレショルド電位VTNだけ高いため,低電位側のビット線BLbからセンスラッチ手段SL100に対して,NMOSトランジスタN121を介して電流が流れ,ビット線BLbの電荷は,電源電位VSS(=0V)に放電される。したがって,センス動作におけるNMOSトランジスタN121の電流の極性は,プリセンス動作時に対して反転することになる。
【0048】
時刻t6において,プリアンプ部PSA100に備えられたスイッチ素子SW104,SW105は,オン状態とされる。この結果,センスラッチ手段SL100から高電位側のビット線BLに対して,スイッチ素子SW104を介して電流が流れ,ビット線BLの電荷は,電源電位SAVDDに放電される。そして,メモリセルMCへデータがリストアされ,アレイ動作電圧VDDarrayは,電源電位SAVDDと等しくなる。
【0049】
次に,第1の実施の形態にかかるDRAM100の書き込み動作の説明をする。
【0050】
書き込み動作においては,予めデータバスDBに所定の書き込みデータが印加されている。時刻t6において,カラム線CLが高電位(VDD)とされ,データバスDB上のデータがセンスラッチ手段SL100に転送される。このとき,書き込みデータがセンスラッチ手段SL100の保持データと異なる場合,図3に示したように,センスラッチ手段SL100の状態,すなわちメインセンスノード対MS110,MS111の電位が反転する。センスラッチ手段SL100のデータは,プリアンプ部PSA100に備えられたスイッチ素子SW104,SW105を介してビット線対BL,BLbに転送され,メモリセルへの書き込みが終了する。データ転送終了後,カラム線CLは,低電位(=0V)に戻される。
【0051】
次に,アレイ部A100,および,センス回路部SS100の非活性化の動作について説明する。
【0052】
時刻t7において,ワード線WL0が非活性化される。
【0053】
時刻t8において,プリアンプ部PSA100に備えられたスイッチ素子SW102,SW103がオフされ,さらに,制御信号SLNGが0Vとされ,これによって,センスラッチ手段SL100が非活性化されることになる。
【0054】
時刻t9において,ビット線プリチャージ手段BPC100に備えられたスイッチ素子SW110,SW111,および,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC100に備えられたスイッチ素子SW130,SW131がオン状態とされ,ビット線対BL,BLbは,SAVDD/2にプリチャージされ,メインセンスノード対MS110,MS111は,プリチャージ電位PCVDDにプリチャージされる。この結果,プリセンスノード対PS100,PS101は,所定の電位にプリチャージされる。なお,このプリチャージされる電位は,スイッチ素子SW104,SW105がNMOSトランジスタであるため,VPP−VTNとなる。ただし,SAVDD>VPP−VTNである場合は,電源電位SAVDDである。
【0055】
その後,プリアンプ部PSA100に備えられたスイッチ素子SW104,SW105はオフ状態とされ,DRAM100における各ノードは,初期状態と同電位にプリチャージされる。なお,ビット線プリチャージ手段BPC100をオンするタイミングは,時刻t8以降であれば,例えば,時刻t9以前であってもよい。
【0056】
以上のように,本発明の第1の実施の形態にかかるDRAM100によれば,ビット線対BL,BLbが予めアレイ動作電圧VDDarrayの1/2にプリチャージされ,その後,かかるビット線対BL,BLbに対して充放電がなされるため,センス動作時のノイズの発生を抑制することが可能となる。
【0057】
そして,ノイズの発生を伴うビット線対BL,BLbの充放電以前にプリセンス動作が行われ,ビット線対BL,BLbの読み出し電位差ΔVが増幅されるため,読み出し電位ΔVが低い場合であっても安定したセンス動作が実現される。しかも,上述の通り,ノイズの発生が抑制されているため,アレイ動作電圧VDDarrayを低くすることが可能である。
【0058】
また,プリセンス動作終了時,メインセンスノード対MS110,MS111の高電位側ノードは,PCVDD−δvとされ,低電位側ノードは,PCVDD−ΔVSA−δv(δv<<ΔVSA)とされる。すなわち,メインセンスノード対MS110,MS111には,増幅された読み出し電位差ΔVSAが出力される。したがって,プリチャージ電位PCVDDを電源電位SAVDDに対して高く設定することにより,センスラッチ手段SL100の動作条件,PCVDD−δv>PCVDD−ΔVSA−δv>VTNを満足させつつ,電源電位SAVDDを低減させることが可能となる。
【0059】
さらに,本発明の第1の実施の形態にかかるDRAM100によれば,スイッチ手段TGS100に備えられたスイッチ素子SW102,SW103のオン/オフ制御するだけでプリセンス動作を実行することが可能となる。すなわち,プリアンプ部PSA100に対して高精度に調整された電位を与えることなく,製造バラツキが生じた場合であっても,安定した動作が実現される。
【0060】
ところで,増幅手段PCA100を構成するNMOSトランジスタN100,N101のオン抵抗は小さく,また,これらNMOSトランジスタN100,N101には相互に正帰還がかかるように構成されている。このため,DRAM100のプリセンス動作が数ns以内に終了することになる。
【0061】
また,上述のように,NMOSトランジスタN100,N101による正帰還増幅が行われるため,メインセンスノード対MS110,MS111に対するプリチャージ電位PCVDDを特に高く設定することなく高い読み出し電位差ΔVSAを得ることが可能となる。
【0062】
また,NMOSトランジスタN120,N121,および,PMOSトランジスタP120,P121を含むセンスラッチ手段SL100が接続されるメインセンスノード対MS110,MS111において,プリセンス動作終了時,十分な電位差が得られる。このため,一方のトランジスタ対(例えば,PMOSトランジスタP120,P121)を活性化するタイミングを他方のトランジスタ対(例えば,NMOSトランジスタN120,N121)の活性化に対して遅らせる必要がない。本発明の実施の形態にかかるDRAM100によれば,PMOSトランジスタP120,P121は,メインセンスノード対MS110,MS111の電位低下に応じて自ずと活性化される。したがって,メインセンス動作開始時におけるセンスラッチ手段SL100と電源電位SAVDDとの間の充電電流と放電電流の不平衡を抑制することが可能となる。
【0063】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態にかかるDRAMについて説明する。この第2の実施の形態にかかるDRAMは,第1の実施の形態にかかるDRAM100に対して,センス回路部SS100がセンス回路部SS400に置き換えられた構成を有するものである。このセンス回路部SS400の構成を図4に示す。
【0064】
ビット線対BL,BLbに接続されるセンス回路部SS400は,ビット線対BL,BLbをプリチャージ電位VBLにプリチャージするビット線プリチャージ手段BPC400,ビット線対BL,BLbの電位差を部分的に増幅しメインアンプ部MSA400に転送するプリアンプ部PSA400,およびプリアンプ部PSA400にて増幅された電位差をさらに増幅するメインアンプ部MSA400で構成されている。
【0065】
このビット線プリチャージ手段BPC400は,第1の実施の形態にかかるDRAM100を構成するビット線プリチャージ手段BPC100に対応するものであり,第3,4のトランジスタとしてのNMOSトランジスタN110,N111から構成されている。ビット線プリチャージ手段BPC400におけるNMOSトランジスタN110は,ビット線プリチャージ手段BPC100におけるスイッチ素子SW110に対応し,NMOSトランジスタN111は,スイッチ素子SW111に対応している。これらNMOSトランジスタN110,N111のゲートは,制御信号EQAの供給ラインに接続されている。
【0066】
プリアンプ部PSA400には,ビット線対BL,BLbが接続される入出力端子対Pin,Pinb,および,メインアンプ部MSA400が接続される入出力端子対Pout,Poutbが設けられている。入出力端子対Pin,Pinbとプリセンスノード対PS400,PS401との間にはスイッチ手段TGS400が設けられており,プリセンスノード対PS400,PS401と入出力端子対Pout,Poutbとの間には増幅手段PCA400が設けられている。
【0067】
スイッチ手段TGS400は,第1の実施の形態にかかるDRAM100を構成するスイッチ手段TGS100に対応するものであり,NMOSトランジスタN102,N103から構成されている。スイッチ手段TGS400におけるNMOSトランジスタN102は,スイッチ手段TGS100におけるSW102に対応し,NMOSトランジスタN103は,スイッチ素子SW103に対応している。これらNMOSトランジスタN102,N103のゲートは,制御信号TGの供給ラインに接続されている。
【0068】
増幅手段PCA400は,第1の実施の形態にかかるDRAM100を構成する増幅手段PCA100に対応するものであり,NMOSトランジスタN100,N101,N104,N105から構成されている。増幅手段PCA400におけるNMOSトランジスタN104は,増幅手段PCA100におけるSW104に対応し,NMOSトランジスタN105は,スイッチ素子SW105に対応している。これらNMOSトランジスタN104,N105のゲートは,制御信号WTの供給ラインに接続されている。
【0069】
メインアンプ部MSA400は,プリアンプ部PSA400の入出力端子対Pout,Poutbが接続される入出力端子対MN40,MN40bを備えている。入出力端子MN40は,メインセンスノードMS410を介して入出力端子MN41に対してフィードスルー的に接続され,入出力端子MN40bは,メインセンスノードMS411を介して入出力端子MN41bに対してフィードスルー的に接続されている。
【0070】
メインセンスノード対MS410,MS411には,センスラッチ手段SL400,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400,およびデータ転送手段RW100が並列に接続されている。
【0071】
メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400は,第1の実施の形態にかかるDRAM100を構成するメインセンスノード用プリチャージ手段MPC100に対応するものであり,PMOSトランジスタP130,P131から構成されている。メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400におけるPMOSトランジスタP130は,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC100におけるSW130に対応し,PMOSトランジスタP131は,スイッチ素子SW131に対応している。これらPMOSトランジスタP130,P131のゲートは,制御信号PCの供給ラインに接続されており,サブストレートゲートは,プリチャージ電位PCVDDの供給ラインに接続されている。
【0072】
センスラッチ手段SL400は,第1の実施の形態にかかるDRAM100を構成するセンスラッチ手段SL100に対応するものである。センスラッチ手段SL400は,センスラッチ手段SL100と同様に,PMOSトランジスタP120,P121,NMOSトランジスタN120,N121,N122から構成されており,回路構成も略同一である。ただし,センスラッチ手段SL100と異なり,センスラッチ手段SL400に備えられたPMOSトランジスタP120,P121のサブストレートゲートは,プリチャージ電位PCVDDの供給ラインに接続されている。
【0073】
ここでプリチャージ電位PCVDDは,電源電位SAVDDより高電位(PCVDD>>SAVDD)とされている。また,データ転送手段RW100は,第1の実施の形態にかかるDRAM100に備えられたものと略同一である。
【0074】
なお,以上のセンス回路部SS400は,図5に示すように構成することによって,隣接する複数のアレイ部に対してセンス回路部の一部(メインアンプ部MSA400)を共有させることが可能となる。かかる回路構成は,第1の実施の形態にかかるDRAM100について,隣接するアレイ部(図示せず。)に対してメインアンプ部MSA100を共有させた回路構成と略同一である(図2参照)。
【0075】
この場合のセンス回路部は,第1のビット線プリチャージ手段BPC400,第2のビット線プリチャージ手段BPC401,第1のプリアンプ部PSA400,第2のプリアンプ部PSA401,およびメインアンプ部MSA400から構成される。第1のビット線プリチャージ手段BPC400,および,第2のビット線プリチャージ手段BPC401の内部回路は,略同一に構成されている。同様に,第1のプリアンプ部PSA400,および,第2のプリアンプ部PSA401の内部回路は,略同一に構成されている。
【0076】
ビット線対BLl,BLlbは,第1のビット線プリチャージ手段BPC400の入出力端子対,および,第1のプリアンプ部PSA400の入出力端子対Pin,Pinbに接続されている。第1のプリアンプ部PSA400の入出力端子対Pout,Poutbは,メインアンプ部MSA400の入出力端子対MN40,MN40bに接続されている。メインアンプ部MSA400の入出力端子対MN41,MN41bは,第2のプリアンプ部PSA401の入出力端子対Pout,Poutbに接続されている。第2のプリアンプ部PSA401の入出力端子対Pin,Pinbは,第2のビット線プリチャージ手段BPC401の入出力端子対とビット線対BLr,BLrbに接続されている。かかる構成によれば,一のセンス回路部が隣接するアレイ部に共有されることになり,DRAMの小規模化が実現される。
【0077】
また,第1のプリアンプ部PSA400および第2のプリアンプ部PSA401は,同タイプのトランジスタ,例えばNMOSトランジスタのみで構成されているため,センス回路部は,小さいスペースにレイアウト可能となり,結果的にDRAMの一層の小規模化が可能となる。
【0078】
以上のように構成された第2の実施の形態にかかるDRAMの動作について図6を用いて説明する。図6は,第2の実施の形態にかかるDRAMの読み出し動作および書き込み動作を示すタイミングチャートである。なお,第2の実施の形態にかかるDRAMの動作は,第1の実施の形態にかかるDRAM100と基本的に同様である。
【0079】
読み出し動作の初期状態(時刻t0)において,制御信号EQAは,電源電位SAVDDとされ,ビット線プリチャージ手段BPC400を構成するNMOSトランジスタN110,N111は,オン状態とされている。
【0080】
制御信号TGは,電源電位VSS(=0V)とされており,スイッチ手段TGS400を構成するNMOSトランジスタN102,N103は,オフ状態とされている。
【0081】
制御信号WTは,電源電位VSS(=0V)とされており,増幅手段PCA400に備えられたNMOSトランジスタN104,N105は,オフ状態とされている。
【0082】
制御信号PCは,電源電位VSS(=0V)とされており,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400を構成するPMOSトランジスタP130,P131は,オン状態とされている。
【0083】
なお,メインアンプ部MSA400に備えられたセンスラッチ手段SL400は,時刻t0において非活性化されている。
【0084】
時刻t1において,制御信号EQAは,電源電位VSS(=0V)とされ,制御信号PCは,プリチャージ電位PCVDDとされる。これによって,ビット線プリチャージ手段BPC400を構成するNMOSトランジスタN110,N111,および,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400を構成するPMOSトランジスタP130,P131は,オフ状態とされる。
【0085】
時刻t2において,ワード線(図示せず。)が活性化された後,時刻t3において,制御信号TGが電位VPP(>SAVDD)とされ,プリセンス動作が開始される。まず,スイッチ手段TGS400に備えられたNMOSトランジスタN102,N103はオン状態とされ,ビット線対BL,BLbの間の電位差がプリセンスノード対PS400,PS401に転送される。この電位差は,増幅手段PCA400に備えられたNMOSトランジスタN100,N101の正帰還作用によって増幅され,その結果,メインセンスノード対MS410,MS411に大きな読み出し電位差ΔVSA(>>ΔV)が得られることになる。そして,以上のプリセンス動作は,数ns以内に終了する。
【0086】
時刻t4において,メインアンプ部MSA400が活性化される。そして,時刻t5において,制御信号WTは電位VPPとされ,プリアンプ部PSA400に備えられたNMOSトランジスタN104,N105はオン状態とされる。この結果,ビット線対BL,BLbの電位は,読み出しデータに基づき復元されることになる。なお,書き込み動作は,第1の実施の形態にかかるDRAM100と略同一である。
【0087】
次に,アレイ部(図示せず。),および,センス回路部SS400の非活性化の動作について説明する。
【0088】
時刻t7において,ワード線WL0が非活性化される。
【0089】
時刻t8において,制御信号TGは,電源電位VSS(=0V)とされ,プリアンプ部PSA400に備えられたNMOSトランジスタN102,N103はオフ状態とされる。そして,制御信号SLNGは0Vとされ,メインアンプ部MSA400は,非活性化されることになる。
【0090】
時刻t9において,制御信号EQAは,電源電位SAVDDとされ,制御信号PCは,電源電位VSS(=0V)とされる。これによって,ビット線プリチャージ手段BPC400を構成するNMOSトランジスタN110,N111,および,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400を構成するPMOSトランジスタP130,P131は,オン状態とされ,ビット線対BL,BLb,メインセンスノード対MS410,MS411,およびプリセンスノード対PS400,PS401はプリチャージされることになる。その後,制御信号WTは,電源電位VSS(=0V)とされ,プリアンプ部PSA400に備えられたNMOSトランジスタN104,N105はオフ状態とされる。
【0091】
以上のように,本発明の第2の実施の形態にかかるDRAMによれば,第1の実施の形態にかかるDRAM100と同様に,高速な動作を維持しつつアレイ動作電圧VDDarrayを低く設計することが可能となる。
【0092】
また,第2の実施の形態にかかるDRAMによれば,上述の通り,図5に示すように構成することによって,隣接する複数のアレイ部に対して一のセンス回路部を共有させることが可能となる。しかも,隣接するアレイ部に対して必要となる第1のプリアンプ部PSA400および第2のプリアンプ部PSA401は,同タイプのトランジスタ,例えばNMOSトランジスタのみで構成可能である。したがって,素子間隔を狭くレイアウトすることが可能となり,結果的に,より小面積化,低消費電力化が実現される。
【0093】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態にかかるDRAMについて説明する。この第3の実施の形態にかかるDRAMは,第2の実施の形態にかかるDRAMに対して,センス回路部SS400がセンス回路部SS500に置き換えられた構成を有するものである。このセンス回路部SS500の構成を図7に示す。
【0094】
センス回路部SS500は,センス回路部SS400に対してプリアンプ部PSA400がプリアンプ部PSA500に置き換えられ,メインアンプ部MSA400がメインアンプ部MSA500に置き換えられた構成を有するものである。
【0095】
プリアンプ部PSA500は,プリアンプ部PSA400に対して,イコライズ手段EQP500が追加されており,メインアンプ部MSA500は,メインアンプ部MSA400に対して,イコライズ手段EQM500が追加されたものである。
【0096】
以下,第3の実施の形態にかかるDRAMに備えられたセンス回路部SS500の構成について詳述する。
【0097】
このセンス回路部SS500は,ビット線対BL,BLbをプリチャージ電位VBLにプリチャージするビット線プリチャージ手段BPC400,ビット線対BL,BLbの電位差を部分的に増幅しメインアンプ部MSA500に転送するプリアンプ部PSA500,およびプリアンプ部PSA500にて増幅された電位差をさらに増幅するメインアンプ部MSA500で構成されている。
【0098】
上述のように,プリアンプ部PSA500は,イコライズ手段EQP500を備えており,メインアンプ部MSA500は,イコライズ手段EQM500を備えている。イコライズ手段EQP500は,ドレインがプリセンスノードPS400に接続され,ソースがプリセンスノードPS401に接続され,ゲートが制御信号EQPAの供給ラインに接続されたNMOSトランジスタN550で構成されている。また,イコライズ手段EQM500は,ドレインがメインセンスノードMS410に接続され,ソースがメインセンスノードMS411に接続され,ゲートが制御信号EQMAの供給ラインに接続されたNMOSトランジスタN551で構成されている。
【0099】
以上のように構成された第3の実施の形態にかかるDRAMの動作について図8を用いて説明する。図8は,第3の実施の形態にかかるDRAMの読み出し動作および書き込み動作を示すタイミングチャートである。なお,第3の実施の形態にかかるDRAMの動作は,第2の実施の形態にかかるDRAMと基本的に同様である。以下,第2の実施の形態にかかるDRAMの動作との相違点を中心に説明する。
【0100】
読み出し動作の初期状態(時刻t0)において,制御信号EQAは,電源電位SAVDDとされており,制御信号TG,制御信号WT,制御信号PC,制御信号SLNG,制御信号EQPA,および制御信号EQMは,すべて電源電位VSS(=0V)とされている。これによって,ビット線プリチャージ手段BPC400とメインセンスノード用プリチャージ手段MPC400は,オン状態とされる。そして,プリアンプ部PSA500に備えられたスイッチ手段TGS400,および増幅手段PCA400に備えられたNMOSトランジスタN104,N105は,オフ状態とされている。また,センスラッチ手段SL400は,非活性状態とされており,イコライズ手段EQP500,EQM500は,ともにオフ状態とされている。
【0101】
時刻t1において,制御信号EQAは,電源電位VSS(=0V)とされ,制御信号PCは,プリチャージ電位PCVDDとされる。これによって,ビット線プリチャージ手段BPC400,および,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400は,ともにオフ状態とされる。
【0102】
時刻t2において,制御信号EQPAは,高電位(PCVDD−VTN以上)とされる。これによって,プリアンプ部PSA500に備えられたNMOSトランジスタN100,N101の製造ばらつきによるトランジスタ間のスレショルド電位の差εvt(以下,「VTスキュー」という。)が低減されることになる。なお,このVTスキューを低減させる動作(以下,「VTスキュー補償動作」という。)の詳細については後述する。
【0103】
時刻t3において,制御信号EQPAは,電源電位VSS(=0V)とされる。なお,VTスキュー補償動作の間に,所定のワード線を活性化するようにしてもよい。
【0104】
ビット線対BL,BLbに読み出し電位差が得られた時点(時刻t4)で,制御信号TGは,電位VPP(>SAVDD)とされ,プリセンス動作が開始される。
【0105】
時刻t5において,メインアンプ部MSA500が活性化される。そして,時刻t6において,制御信号WTは電位VPPとされ,プリアンプ部PSA500に備えられたNMOSトランジスタN104,N105はオン状態とされる。この結果,ビット線対BL,BLbの電位は,読み出しデータに基づき復元されることになる。
【0106】
次に,アレイ部(図示せず。),および,センス回路部SS500の非活性化の動作について説明する。
【0107】
時刻t7において,ワード線が非活性化され,制御信号TGと制御信号WTは,電源電位VSS(=0V)とされる。
【0108】
時刻t8において,制御信号SLNGは0Vとされ,メインアンプ部MSA500は非活性化される。
【0109】
時刻t9において,制御信号EQPAと制御信号EQMAは,高電位(電源電位SAVDD以上)とされ,プリセンスノード対PS400,PS401と,メインセンスノード対MS410,MS411は,それぞれイコライズされることになる。かかるイコライズの目的は,プリセンスノード対PS400,PS401を電源電位SAVDD以下に調整し,後のプリチャージ動作において,電荷の移動がプリセンスノードPS400,プリセンスノードPS401のいずれに対しても行われるようにすることにある。
【0110】
時刻t10において,制御信号EQPAと制御信号EQMAは,電源電位VSS(=0V)とされる。その後,制御信号PCは,電源電位VSS(=0V)とされ,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400はオン状態とされる。また,メインセンスノード対MS410,MS411,および,プリセンスノード対PS400,PS401は,プリチャージされる。なお,ビット線プリチャージ手段BPC400をオンするタイミングは,時刻t7以降であれば,例えば,時刻t8以前であってもよい。
【0111】
次に,VTスキュー補償動作について説明する。ここで,NMOSトランジスタN100のスレショルド電位VTN100は,
VTN100=VT0+εvt/2(V)
であり,
NMOSトランジスタN101のVTN101は,
VTN101=VT0−εvt/2(V)
であると仮定する。
これによって,VTスキューは,
|VTN100−VTN101|=εvt(V)
となる。
【0112】
この場合,プリセンスノードPS400は,
PCVDD−(VT0+εvt/2)(V)
にプリチャージされ,
プリセンスノードPS401は,
PCVDD−(VT0−εvt/2)(V)
にプリチャージされる。
【0113】
また,メインセンスノードMS410,および,メインセンスノードMS411の電位は,ともにプリチャージ電位PCVDDとされている。制御信号EQPAを電源電位SAVDDとしてVTスキュー補償動作が開始されると,各ノード電位は以下のように変化する。
【0114】
プリセンスノード対PS400,PS401は,イコライズされ,その電位は,ともにPCVDD−VT0(V)とされる。このとき,メインセンスノード対MS410,MS411に接続されているトランジスタは,全てオフ状態とされており,メインセンスノード対MS410,411は,高インピーダンス状態となる。そして,メインセンスノード対MS410,MS411は,NMOSトランジスタN100,N101のゲート容量を介して,プリセンスノード対PS400,PS401の電位変化の影響を受ける。これによって,メインセンスノード対MS410,MS411の電位は変化することになる。
【0115】
NMOSトランジスタN100,N101のゲート容量をともにCgとし,メインセンスノードMS410,MS411の容量をともにCMSAとすると,メインセンスノード対MS410,MS411の電位は,以下のように変化する。
【0116】
プリセンスノードPS400の電位がεvt/2(V)上昇することによって,メインセンスノードMS411の電位VM1は,
VM1=PCVDD+εvtCg/{2(Cg+CMSA)}(V)
となる。
【0117】
一方,プリセンスノードPS401の電位がεvt/2(V)下降したことによって,メインセンスノードMS410の電位VM0は,
VM0=PCVDD−εvtCg/{2(Cg+CMSA)}(V)
となる。
【0118】
ここで説明の容易化のため,Cg=CMSAとすると,メインセンスノードMS411の電位VM1,および,メインセンスノードMS410の電位VM0は,それぞれ,
VM1=PCVDD+εvt/4
VM0=PCVDD−εvt/4
となる。
【0119】
VTスキュー補償動作が終了した時点で,スレショルド電位がεv/2高いNMOSトランジスタN100のゲート・ソース電圧VGS100は,
VGS100=VT0+εvt/4
となり,
スレショルド電位がεv/2低いNMOSトランジスタN101のゲート・ソース電圧VGS101は,
VGS101=VT0−εvt/4
となる。
【0120】
ところで,VTスキュー補償動作が行われない場合,NMOSトランジスタN100のゲート・ソース電圧VGS100,および,NMOSトランジスタN101のゲート・ソース電圧VGS101をVTスキュー補償動作が行われる場合の値と同等とするためには,
NMOSトランジスタN100のスレショルド電位VTN100が
VTN100=VT0+εvt/4(V)
であり,
NMOSトランジスタN101のスレショルド電位VTN101が
VTN101=VT0−εvt/4(V)
である必要がある。すなわち,VTスキュー補償動作によって,VTスキューが実質的にεvt/2(V)まで低減されたことになる。
【0121】
また,プリセンス動作が開始された直後のプリセンスノード対PS400,PS401の電位差は,ビット線対BL,BLbの読み出し電位差ΔVと略同一とされる。すなわち,第3の実施の形態にかかるDRAMによれば,センスミスを防ぐための読み出し電位差ΔVの条件は,ΔV>εvt/2とされる。したがって,第3の実施の形態にかかるDRAMによれば,従来のDRAMに対して読み出し電位差を1/2としても読み出し動作が可能となり,結果的に,製造ばらつきや動作ノイズが生じた場合であっても安定した動作が実現される。
【0122】
上述のように,第3の実施の形態にかかるDRAMは,メインセンスノード対MS410,MS411,および,プリセンスノード対PS400,PS401それぞれに対してイコライズ手段EQP500,EQM500が接続された構成を有するものであるが,イコライズ手段EQM500は,センス回路部SS500を非活性化させる際,イコライズ手段EQP500の動作を補助するためのものであり,省略可能な構成要素である。イコライズ手段EQM500が省略された場合,時刻t8から時刻t9におけるイコライズ動作において,プリセンスノード対PS400,PS401は,電位SAVDD/2よりやや低い電位にイコライズされる。また,メインセンスノード対MS410,MS411のうち低電位側ノードは,電位SAVDD/2まで上昇し,高電位側ノードは,電位SAVDD/2に保持される。かかるメインセンスノード対MS410,MS411の電位の変化は,イコライズ動作の期間中,NMOSトランジスタN100,N101の一方がオン状態とされ,他方がオフ状態とされていることに起因するものである。その後,イコライズ手段EQM500が備えられた場合と同様に,メインセンスノード対MS410,MS411,および,プリセンスノード対PS400,PS401へのプリチャージが実施される。
【0123】
以上のように,本発明の第3の実施の形態にかかるDRAMによれば,プリセンスノード対PS400,PS401に対してイコライズ手段EQP500が接続され,VTスキュー補償動作が実施されるため,第1,2の実施の形態にかかるDRAMが有する効果に加えて以下の効果が得られる。
【0124】
ビット線の読み出し電位差ΔVが小さく,例えば,プリアンプ部PSA500に備えられたNMOSトランジスタN100とNMOSトランジスタN101の間のVTスキューの1/2程度であっても,センスミスのない動作が可能となる。換言すれば,製造ばらつきによってNMOSトランジスタN100とNMOSトランジスタN101の間のVTスキューが大きくなった場合であっても,安定的な動作が実現されることになる。
【0125】
また,読み出し電位差ΔVが小さい場合であってもセンスミスが防止されるため,アレイ部(図示せず。)の動作に必要な電源電位SAVDDを低下させることが可能となる。
【0126】
さらに,VTスキュー補償動作は,1つのNMOSトランジスタN550によって構成されたイコライズ手段EQP500を追加することによって実現される。したがって,素子レイアウトに対する影響を最小限におさえつつ,動作の安定化を阻害する原因となり得る製造ばらつきを吸収することが可能となる。
【0127】
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態にかかるDRAMについて説明する。この第4の実施の形態にかかるDRAMは,図9に示すように,第2の実施の形態にかかるDRAMと同様に,センス回路部SS400を備え,さらに,かかるセンス回路部SS400に接続されたドライバDVTG,DVWT,DVPCを備えるものである。
【0128】
第4の実施の形態にかかるDRAMを構成するセンス回路部SS400の外部との接続内容は,第2の実施の形態にかかるDRAMに対して以下の点において異なる。
【0129】
まず,メインアンプ部MSA400に関しては,メインセンスノード用プリチャージ手段MPC400に備えられたPMOSトランジスタP130,P131のソースとサブストレートゲート,および,センスラッチ手段SL400に備えられたPMOSトランジスタP120,P121のソースとサブストレートゲートが電源電位VDDに接続されている。
【0130】
また,制御信号TG,WT,PCの各供給ラインには,ドライバDVTG,DVWT,DVPCが接続されており,これによって,制御信号TG,WT,PCは,電源電位VDDと0Vの間で振幅することになる。
【0131】
各ワード線(図示せず。)は,電源電圧VDDと0Vの間で振幅する所定のドライバで駆動される。また,プリチャージ電位VBLは,
(VDD−VTN)/2
と等しくなるように設定される。
【0132】
以上のように構成された第4の実施の形態にかかるDRAMの動作について,第2の実施の形態にかかるDRAMの動作を示す図6を用いて説明する。なお,第4の実施の形態にかかるDRAMの動作は,図6において,プリチャージ電位PCVDDおよび電位VPPを電源電位VDDに置き換え,また,電位VDD/2を電位(VDD−VTN)/2に置き換えることによって説明される。
【0133】
まず,第4の実施の形態にかかるDRAMにおけるアレイ動作電圧VDDarrayについて説明する。メインアンプ部MSA400が活性化された状態において,メインセンスノード対MS410,MS411のうち高電位側ノードは,電源電位VDDとされ,低電位側ノードは,0Vとされる。各電位は,プリアンプ部PSA400に備えられたNMOSトランジスタN102,N104,および,NMOSトランジスタN103,N105を介してビット線対BL,BLbに与えられる。このとき,NMOSトランジスタN102,N104,N103,N105の各ゲートは,電源電位VDDとされる。したがって,低電位となるべきビット線は,0Vまで低下するが,高電位となるべきビット線は,電位VDD−VTNまでしか上昇せず,結果的にアレイ動作電圧VDDarrayは,VDD−VTN(V)とされる。
【0134】
その後,アレイ部(図示せず。)を非活性化する際,ビット線対BL,BLbはイコライズされるため,ビット線対BL,BLbのプリチャージ電位は,(VDD−VTN)/2(V)とされる。また,メインセンスノード対MS410,MS411のプリチャージ電位は,VDD(V)とされ,プリセンスノード対PS400,PS401のプリチャージ電位は,VDD−VTN(V)とされる。
【0135】
ところで,プリセンス動作を開始するためには,プリアンプ部PSA400に備えられたNMOSトランジスタN100,N101がオンする必要がある。また,ビット線対BL,BLbの読みだし電位差をΔVとすると,プリセンス動作開始時のビット線BL,BLbの電位は,ΔV+(VDD−VTN)/2(V)以下である。したがって,第4の実施の形態にかかるDRAMにおいて,プリセンス動作が安定的に行われるためには,NMOSトランジスタN100,N101のスレショルド電位VTNが,
VTN<VDD−(ΔV+(VDD−VTN)/2)
すなわち,
VTN<VDD−2ΔV
を満足すればよいことになる。
かかる条件は,通常の半導体装置の製造によって達成可能なものであり,特別な設計手段・製造工程を導入する必要がなくなる。
【0136】
また,プリセンス動作を完全に終了させるためには,メインセンスノード対MS410,MS411のうちの高電位側ノードの電位低下がδvであるとして,NMOSトランジスタN100,N101のスレショルド電位VTNが,
VDD−δv>VTN+(VDD−VTN)/2
すなわち,
VTN<VDD−2δv
を満足すればよいことになる。
【0137】
上述のように,メインセンスノードMS410,MS411のうちの高電位側ノードから,対応するプリセンスノードへの放電は,低電位側ノードの電位低下によって速やかに停止することになる。したがって,第4の実施の形態にかかるDRAMによれば,電位低下δvを小さく設計することが可能となり,
VTN<VDD−2δv
の条件を容易に満足させることが可能となる。
【0138】
以上のように,第4の実施の形態にかかるDRAMによれば,第1,2,3の実施の形態にかかるDRAMと同様の効果の他,以下の効果が得られる。
【0139】
プリアンプ部PSA400が備えられているため,ビット線対BL,BLbのプリチャージ電位と各センスノードのプリチャージ電位が一致していないことによる問題が生じることはなく,アレイ動作電圧VDDarrayをメインセンスノード対MS410,MS411のプリチャージ電位に対し低く設定することが可能となる。具体的には,ビット線対BL,BLbのプリチャージ電位をセンスラッチ手段SL400の電源電位VDDの1/2より低く設定することが可能となる。したがって,従来必要とされていた各種の昇圧回路が削除可能となり,回路規模の縮小化および省電力化が実現されることになる。
【0140】
さらに,ビット線対BL,BLbのプリチャージ電位は,イコライズされることによって得られるため,ビット線対BL,BLbにおける放電と充電の不平衡に起因するノイズが生じることはなく,DRAMの安定した動作が実現される。
【0141】
(第5の実施の形態)
以上の第1,2,3,4の実施の形態にかかるDRAMに備えられたセンス回路部SS100,SS400,SS500の回路レイアウトについて,図10を用いて説明する。なお,ここでは,第3の実施の形態にかかるDRAMに備えられたセンス回路部SS500を構成するプリアンプ部PSA500を代表的に説明する。
【0142】
図10において,破線に囲まれている部分は,不純物拡散領域を示し,白抜きの丸印は,第1配線層と不純物拡散領域との接続箇所を示し,黒い丸印は,第2配線層と不純物拡散領域またはゲート電極との接続箇所を示している。
【0143】
また,ビット線プリチャージ手段BPC400は,第1配線層Po1,Po2によって形成されたビット線対BL,BLbを介してセルアレイ部(図示せず。)に接続されている。さらに,ビット線対BL,BLbに対してワード線(図示せず。)が交差配置されている(図1参照)。
【0144】
ビット線プリチャージ手段BPC400に備えられたNMOSトランジスタN110,N111は,不純物拡散領域D1およびワード線(図面縦)方向に形成されたゲート電極GEQAによって構成される。
【0145】
プリアンプ部PSA400に備えられたスイッチ手段TGS400を構成するNMOSトランジスタN102,N103は,不純物拡散領域D1およびワード線方向に形成されたゲート電極GTGによって構成される。
【0146】
イコライズ手段EQP500を構成するNMOSトランジスタN550は,不純物拡散領域D1およびワード線方向に形成されたゲート電極GEQPAによって構成される。
【0147】
プリアンプ部PSA500に備えられた増幅手段PCA400は,以下のようにパターンレイアウトされる。
【0148】
NMOSトランジスタN100,および,このNMOSトランジスタN100に対して並列に接続されるNMOSトランジスタN104は,T字形の第1の不純物拡散領域としての不純物拡散領域D2に形成される。NMOSトランジスタN100に交差接続されたNMOSトランジスタN101,および,このNMOSトランジスタN101に対して並列に接続されるNMOSトランジスタN105は,T字形の第2の不純物拡散領域としての不純物拡散領域D3に形成される。
【0149】
NMOSトランジスタN104のゲートは,ワード線方向に形成された一の制御信号供給ラインとしてのゲート電極GWT0に接続され,NMOSトランジスタN105のゲートは,同じくワード線方向に形成された他の制御信号供給ラインとしてのゲート電極GWT1に接続される。
【0150】
DRAMは,通常,プリアンプ部PSA500を含むセンス回路部を複数備えており,各センス回路部は,ワード線方向に繰り返し配列される。そして,各センス回路部は,ワード線方向に形成された複数の電極によって所定の信号および電位が供給される。
【0151】
図10に示すように,不純物拡散領域D1の一部は,ワード線方向に伸びており,各プリアンプ部PSA500に備えられている不純物拡散領域D1は,プリチャージ電位VBLとされている。
【0152】
また,ワード線方向に伸びているゲート電極GEQAは,制御信号EQAが供給され,電極GTGは,制御信号TGが供給され,ゲート電極GEQPAは,制御信号EQPAが供給されている。ゲート電極GWT0およびゲート電極GWT1は,センス回路部の配列の外側において,制御信号WTが供給されている。
【0153】
次に,プリアンプ部PSA500の内部接続について説明する。
【0154】
第1配線層Po1によって形成されたビット線BLは,不純物拡散領域D1に形成されたNMOSトランジスタN110およびNMOSトランジスタN102の共有部分に接続され,第1配線層Po2によって形成されたビット線BLbは,不純物拡散領域D1に形成されたNMOSトランジスタN111およびNMOSトランジスタN103の共有部分に接続される。
【0155】
第1配線層Po3によって形成されたプリセンスノードPS400には,不純物拡散領域D1に形成されたNMOSトランジスタN102およびNMOSトランジスタN550の共有部分,並びに,不純物拡散領域D2に形成されたNMOSトランジスタN104のソースおよびNMOSトランジスタN100のソースが接続される。
【0156】
第1配線層Po4によって形成されたプリセンスノードPS401には,不純物拡散領域D1に形成されたNMOSトランジスタN103およびNMOSトランジスタN550の共有部分,並びに,不純物拡散領域D2に形成されたNMOSトランジスタN105のソースおよびNMOSトランジスタN101のソースが接続される。
【0157】
第2配線層Me1によって形成されたメインセンスノードMS410は不純物拡散領域D2に形成されたNMOSトランジスタN100のゲート,並びに,不純物拡散領域D3に形成されたNMOSトランジスタN105およびNMOSトランジスタN101の共有部分に接続される。なお,第2配線層Me1は,メインアンプ部MSA400(図示せず。)へと延びている。
【0158】
第2配線層Me2によって形成されたメインセンスノードMS411は,不純物拡散領域D2に形成されたNMOSトランジスタN104およびNMOSトランジスタN100の共有部分,並びに,不純物拡散領域D3に形成されたNMOSトランジスタN101のゲートに接続される。なお,第2配線層Me2は,第1配線層Me2と同様に,メインアンプ部MSA400へと延びている。
【0159】
以上のように,プリアンプ部PSA500に備えられた増幅手段PCA400を構成するNMOSトランジスタN100,N101,N104,N105は,2つの分離された不純物拡散領域D2,D3に配置されている。そして,各NMOSトランジスタN100,N101,N104,N105は,2本のゲート電極GWT0,GWT1から制御信号WTが共通して供給されるように構成されている。また,図10に示すように,ビット線方向に形成される配線の本数は,センス回路部SS500における第1配線層Po1,Po2,Po3,Po4,第2配線層Me1,Me2ごとに2本ずつとされている。すなわち,各センス回路部に接続されるビット線対BL,BLbの配線本数に等しくなる。さらに,各配線と各素子の接続箇所もワード線方向の同一直線上に2個までとされている。したがって,第5の実施の形態にかかるDRAMは,従来のDRAMと同等の配線密度で形成されることになり,微細パターンの形成等,特別な工程を要することなく製造可能である。
【0160】
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0161】
アレイ部については,図1に示したアレイ部A100に限定されず,センス回路部SS100,SS400,SS500に備えられた一対の入出力端子対Pin,Pinbの一方から読み出し電位が与えられ,他方から参照電位が与えられる構成を有するものであればよい。例えば,メモリセルMCがNAND型に接続されてなるアレイ部であってもよい。
【0162】
また,ビット線プリチャージ手段BPC100は,イコライズ用トランジスタを含む構成としてもよい。
【0163】
また,本発明は,各種電位を以下のように設定した場合であっても適用可能である。プリチャージ電位PCVDDと電位VPPは,等しくなるよう外部入力される電源電位EVDDから昇圧され生成されるようにしてもよい(PCVDD=VPP>EVDD)。この場合,電源電位SAVDDは,
SAVDD<PCVDD=VPP
を満足していれば,電源電位EVDDと等しくてもよく,あるいは,電源電位EVDDを降圧させることによって得られたものであってもよい。
【0164】
また,電源電位EVDDを昇圧させることによってプリチャージ電位PCVDDを生成し(PCVDD>EVDD),電源電圧EVDDから,直接,電位VPPおよび電源電位SAVDDを生成するようにしてもよい。このとき,アレイ動作電圧VDDarrayは,
VDDarray=EVDD−VTN
とされ,プリチャージ電位VBLは,
VBL=(EVDD−VTN)/2
とされる。
【0165】
このように各種電位を設定することによって,昇圧回路の負担が低減されるため,昇圧回路にかかる面積を縮小することが可能となる。また,昇圧回路が消費していた分の電力が低減されることになる。
【0166】
【発明の効果】
以上説明したように,本発明にかかる半導体記憶装置によれば,センス動作時のノイズの発生が抑制され,製造ばらつきがあった場合であっても動作が安定化される。
【0167】
また,高速動作を維持しつつアレイ動作電圧を低く設計することが可能となるとともに,素子間隔を狭くレイアウトすることが可能となり,結果的に,より小面積化,低消費電力化が実現される。
【0168】
さらに,微細パターンの形成等,特別な工程を要することなく製造することが可能となる。
【0169】
なお,本発明にかかる半導体記憶装置によれば,アレイ動作電圧を従来と同様とする場合であっても,従来に対して小さな読み出し電位差でセンスミスなく動作させることが可能化されるため,歩留りが向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態にかかるDRAMの構成を示す回路図である。
【図2】図1に示したセンス回路部を複数のアレイ部に共有させた場合のブロック図である。
【図3】図1に示したDRAMの動作を説明するタイミングチャートである。
【図4】本発明の第2の実施の形態にかかるDRAMの構成を示す回路図である。
【図5】図4に示したセンス回路部を複数のアレイ部に共有させた場合のブロック図である。
【図6】図4に示したDRAMの動作を説明するタイミングチャートである。
【図7】本発明の第3の実施の形態にかかるDRAMの構成を示す回路図である。
【図8】図7に示したDRAMの動作を説明するタイミングチャートである。
【図9】本発明の第4の実施の形態にかかるDRAMの構成を示す回路図である。
【図10】本発明の第5の実施の形態にかかるDRAMのレイアウトを説明する平面図である。
【符号の説明】
100 DRAM
A100 アレイ部
BL,BLb ビット線対
BPC100 ビット線プリチャージ手段
D1 不純物拡散領域
D2 不純物拡散領域
EQM500 イコライズ手段
EQP500 イコライズ手段
MPC100 メインセンスノード用プリチャージ手段
MS110,MS111 メインセンスノード対
MSA100 メインアンプ部
Me1 第2配線層
Me2 第2配線層
PCA100 増幅手段
PS100,PS101 プリセンスノード対
PSA100 プリアンプ部
Po1,Po2,Po3,Po4 第1配線層
SL100 センスラッチ手段
SS100 センス回路部
TGS100 スイッチ手段
WL0 ワード線

Claims (6)

  1. 複数のワード線と複数のビット線対との交差部に形成されたメモリセルがマトリクス状に配列されて成るメモリセルアレイ部と,
    前記ビット線対に接続され,前記メモリセルからの読み出しデータを検出,増幅するセンス回路部と,
    を備えた半導体記憶装置であって,
    前記センス回路部は,前記ビット線対の電位差を増幅するプリアンプ部と,前記プリアンプ部によって増幅された電位差をさらに増幅するメインアンプ部とを含み,
    前記プリアンプ部は,
    前記ビット線対の一方のビット線を電気的に遮断することが可能な第1のスイッチ手段と,
    前記ビット線対の他方のビット線を電気的に遮断することが可能な第2のスイッチ手段と,
    前記第1のスイッチ手段に直列に接続され,一方の端子が一方のメインセンスノードと接続され,他方の端子が前記第1のスイッチング手段と接続されて,前記一方のビット線を電気的に遮断することが可能な第3のスイッチ手段と,
    前記第2のスイッチ手段に直列に接続され,一方の端子が他方のメインセンスノードと接続され,他方の端子が前記第2のスイッチング手段と接続されて,前記他方のビット線を電気的に遮断することが可能な第4のスイッチ手段と,
    ドレイン電極が前記第3のスイッチ手段の一方の端子に接続され,ソース電極が前記第3のスイッチ手段の他方の端子に接続され,制御電極が前記第4のスイッチ手段の一方の端子に接続されたNチャネル型の第1のトランジスタと,
    ドレイン電極が前記第4のスイッチ手段の一方の端子に接続され,ソース電極が前記第4のスイッチ手段の他方の端子に接続され,制御電極が前記第3のスイッチ手段の一方の端子に接続されたNチャネル型の第2のトランジスタと,
    を備え,
    前記メインアンプ部は,
    一方の電極が第1の電源電位の供給ラインに接続され,他方の電極が前記一方のメインセンスノードに接続され,ゲートが前記他方のメインセンスノードに接続された第1のPチャネル型トランジスタと,
    一方の電極が前記第1の電源電位の供給ラインに接続され,他方の電極が前記他方のメインセンスノードに接続され,ゲートが前記一方のメインセンスノードに接続された第2のPチャネル型トランジスタと,
    一方の電極が第5のスイッチ手段を介して第2の電源電位の供給ラインに接続され,他方の電極が前記一方のメインセンスノードに接続され,ゲートが前記他方のメインセンスノードに接続された第1のNチャネル型トランジスタと,
    一方の電極が前記第5のスイッチ手段を介して前記第2の電源電位の供給ラインに接続され,他方の電極が前記他方のメインセンスノードに接続され,ゲートが前記一方のメインセンスノードに接続された第2のNチャネル型トランジスタと,
    を備え,
    読出し動作時において,読み出された前記読み出しデータに基づく前記ビット線対の第1のプリチャージ電位の変化に基づいて前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタが活性化されることにより,第2のプリチャージ電位にプリチャージされている前記メインセンスノード対の電位差を増幅し,メインセンスノード対からビット線対へと電荷を移動させることを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 前記第1のスイッチ手段,前記第2のスイッチ手段,前記第3のスイッチ手段,および前記第4のスイッチ手段は,前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタと同じ伝導型のトランジスタで構成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
  3. さらに,前記センス回路部は,第3のトランジスタおよび第4のトランジスタから構成され前記ビット線対をプリチャージ電位にプリチャージする機能を有するビット線プリチャージ手段を備え,
    第3のトランジスタおよび第4のトランジスタは,前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタと同じ伝導型であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体記憶装置。
  4. 前記プリチャージ電位は,前記第1の電源電位の1/2以下であることを特徴とする請求項3に記載の半導体記憶装置。
  5. 前記センス回路部は,
    前記第1のスイッチ手段と前記第3のスイッチ手段との接続ノードの電位と前記第2のスイッチ手段と前記第4のスイッチ手段との接続ノードの電位とを等化するイコライズ手段を備えたことを特徴とする請求項1,2,3,または4のいずれかに記載の半導体記憶装置。
  6. 前記第3のスイッチ手段と前記第1のトランジスタは,第1の不純物拡散領域に形成され,
    前記第4のスイッチ手段と前記第2のトランジスタは,第2の不純物拡散領域に形成され,
    前記第3のスイッチ手段を構成するトランジスタの制御電極は,前記ワード線に沿って形成された一の制御信号供給ラインに接続され,
    前記第4のスイッチ手段を構成するトランジスタの制御電極は,前記ワード線に沿って形成された他の制御信号供給ラインに接続されたことを特徴とする請求項1,2,3,4,または5のいずれかに記載の半導体記憶装置。
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