JP4653693B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路のレイアウト設計技術に係るもので、特に、CMOS型SRAM(スタティック・ランダム・アクセス・メモリ)の半導体記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit layout design technique, and more particularly to a CMOS type SRAM (Static Random Access Memory) semiconductor memory device.
近年、半導体の微細化が急速に進み、100nm近辺の加工寸法が実現され始めているが、微細化の進展においては、リソグラフィ技術がボトルネックになってきている。こうした背景から、SRAMメモリセルのレイアウト構造が、従来主に用いられていた縦型メモリセルレイアウトに代えて、リソグラフィ的に加工がしやすい横型メモリセルレイアウトが用いられ始めている。 In recent years, miniaturization of semiconductors has progressed rapidly, and processing dimensions in the vicinity of 100 nm have begun to be realized. However, in the progress of miniaturization, lithography technology has become a bottleneck. Against this background, the layout structure of SRAM memory cells has begun to use a horizontal memory cell layout that is easy to process lithographically, instead of the vertical memory cell layout that has been mainly used conventionally.
図20に従来のCMOS型SRAMの縦型メモリセルの下層部のレイアウト例を示す。図20において、100はPウェル、101はNウェル、102はウェル境界線、103はソースドレインの拡散層(Pウェル100上ではN型の拡散層、Nウェル101上ではP型の拡散層)、104はゲート電極、105は拡散層103またはゲート電極104と第1層目メタル配線(図示せず)とを接続するコンタクトホール、107はNチャネル型アクセストランジスタ、108はNチャネル型ドライブトランジスタ、109はPチャネル型ロードトランジスタ、110はメモリセル1ビット分のセル境界枠である。
FIG. 20 shows a layout example of a lower layer portion of a conventional CMOS SRAM vertical memory cell. In FIG. 20, 100 is a P well, 101 is an N well, 102 is a well boundary line, 103 is a source / drain diffusion layer (an N type diffusion layer on the
図21に従来のCMOS型SRAMの横型メモリセルの下層部のレイアウト例を示す。図21において、図20と対応する部分には同一符号を付しており、106は拡散層103とゲート電極104を1つのコンタクトホールで第1層目メタル配線(図示せず)と接続するシェアードコンタクトである。図20、図21いずれも、一対のNチャネル型アクセストランジスタ107と、一対のNチャネル型ドライブトランジスタ108と、一対のPチャネル型ロードトランジスタ109とで構成される6トランジスタ型のSRAMメモリセルを示し、このようなメモリセルの回路図は図28で示される。図21の横型メモリセルの場合、ウェル境界線102は図21において縦方向に延びている。
FIG. 21 shows a layout example of a lower layer portion of a horizontal memory cell of a conventional CMOS SRAM. In FIG. 21, the same reference numerals are assigned to the portions corresponding to FIG. 20, and
この横型メモリセルは、通常、図22に示すように、フリップ配置されている。図22において、221はメモリセルアレイ、222は横型メモリセルである。 This horizontal memory cell is normally flip-arranged as shown in FIG. In FIG. 22, 221 is a memory cell array, and 222 is a horizontal memory cell.
また、横型メモリセルの配線レイアウトを図23〜図25に示す。図23は第1層目メタル配線、図24は第2層目メタル配線、図25は第3層目メタル配線のレイアウトを示し、図23において、111は第1層目配線である。図24において、112は第2層目配線、113は第1層目配線111と第2層目配線112とを接続するビア部(ビアホールによる接続部)である。また、114はポジビット線(図28ではBL)、115はネガビット線(図28では/BL)、116はVDD電源配線であり、これらは第2層目配線112で形成される。図25において、117は第3層目配線、118は第2層目配線112と第3層目配線117とを接続するビア部である。また、119はワード線(図28ではWL)、120はVSS電源配線であり、これらは第3層目配線117で形成される。
The wiring layout of the horizontal memory cell is shown in FIGS. 23 shows the layout of the first layer metal wiring, FIG. 24 shows the layout of the second layer metal wiring, FIG. 25 shows the layout of the third layer metal wiring, and in FIG. 23, 111 is the first layer wiring. In FIG. 24,
図20の縦型メモリセルと図21の横型メモリセルのレイアウトを比較して判る通り、横型メモリセルでは、拡散層103やゲート電極104が同一方向に伸びた直線的な形状で、パターン形成し易いレイアウトであり、リソグラフィ加工が縦型メモリセルよりも容易であるというメリットがある。また、セル形状が横長形状であるが故に、縦方向に伸びるビット線長が縦型メモリセルに比べて短くなり、ビット線容量が少なく、高速化や低電力化に有利であるというメリットもある。メモリセル内のトランジスタには小面積化のために小さなゲート幅が用いられるし、ビット線に多数のメモリセルが接続される構成を有することとなるので、メモリセルの駆動負荷は重く、ビット線駆動時間はアクセス時間高速化における最重要因子の一つである。
As can be seen by comparing the layout of the vertical memory cell in FIG. 20 and the horizontal memory cell in FIG. 21, in the horizontal memory cell, the
なお、上記の横型メモリセルの例では、ビット線を第2層目配線で形成した例(以下、ビット線2層型と呼ぶ)を説明したが、ビット線を第3層目配線で形成した例(以下、ビット線3層型と呼ぶ)についても説明しておく。ビット線3層型横型メモリセルの下層部および第1層目メタル配線のレイアウトは、それぞれビット線2層型横型メモリセルの図21、図23と同様である。ビット線3層型横型メモリセルの第2層目配線のレイアウトを図26に、第3層目配線のレイアウトを図27に示す。このビット線3層型では、図26に示すように、ワード線351が第2層目配線112で形成されており、また図27に示すように、第3層目配線117によってポジビット線352、ネガビット線353、VDD電源配線354およびVSS電源配線355が形成される。
In the above example of the horizontal memory cell, the example in which the bit line is formed by the second layer wiring (hereinafter referred to as the bit line two layer type) has been described. However, the bit line is formed by the third layer wiring. An example (hereinafter referred to as a bit line three-layer type) will also be described. The layout of the lower layer portion of the bit line three-layer horizontal memory cell and the first-layer metal wiring is the same as that in FIGS. 21 and 23 of the bit line two-layer horizontal memory cell, respectively. The layout of the second layer wiring of the bit line three-layer type lateral memory cell is shown in FIG. 26, and the layout of the third layer wiring is shown in FIG. In this bit line three-layer type, as shown in FIG. 26, the
ビット線3層型は、ビット線の対基板容量がビット線2層型よりも軽くなる。しかし、2層目には多数の配線パターンが存在しているので、対基板容量差はあまり効いてこない。また、ビット線3層型は、ビット線2層型と比較してビア部深さが深く、ポジネガのビット線352、353のビア部とVDD電源配線354のビア部との距離が近い為に、ビット線352、353のビア部の寄生容量が大きくなるというデメリットがある。また、図25と図27との比較から判る様に、ビット線3層型の方が、上層に持ち上げられる信号が多い為、使用ビア部数が多くなるので、歩留面で不利になる可能性がある。しかしビット線3層型の場合、図27に示すようにポジネガのビット線352及び353の両脇が、VDD電源配線354とVSS電源配線355で挟まれている。これによって、自メモリセル中のポジ/ネガビット線352と353との間の干渉、及び隣接メモリセルのビット線との干渉の両方がシールド出来ている。
横型メモリセルにおける、リソグラフィ面での加工容易性や、短ビット線長といったメリットについては先の従来技術で述べた。しかし、横型メモリセルにも課題がある。 The advantages such as the ease of processing on the lithography side and the short bit line length in the horizontal memory cell have been described in the prior art. However, the horizontal memory cell also has a problem.
ビット線2層型の場合、非常に横長な形状であるが故に、横方向に伸びる配線が非常に接近して存在してしまうことである。具体的には、図25のように、第3層目の同層の配線117からなるワード線119とVSS電源配線120とが非常に近接して長距離(メモリ領域全域)を並走しており、微細化していくとワード線119の寄生負荷容量が大きくなるし、配線間隔が狭いことからプロセス工程上のパーティクル等に対しても弱くなり、歩留低下を引き起こしやすくなるという課題が有る。
In the case of the bit line two-layer type, since the shape is very horizontally long, wiring extending in the lateral direction is present very closely. Specifically, as shown in FIG. 25, the
また、ビット線3層型の場合、図27に示すようにポジネガのビット線352及び353の両脇が、VDD電源配線354とVSS電源配線355で挟まれ、自メモリセル中および隣接メモリセルのビット線間の干渉がシールド出来ているものの、結果として、横に並んでいるVDD電源配線354とVSS電源配線355、ポジネガビット線352、353が長距離に渡って並走していることになる。ビット線352、353の寄生負荷容量も横型メモリセルで横幅に余裕が有るとはいえ、微細化が進めば、多数の配線パターンが密接して存在していることから増加の可能性が有るし、パーティクル起因の歩留低下を引き起こしやすくなるという課題が有る。
In the case of the bit line three-layer type, as shown in FIG. 27, both sides of the positive and
また、付帯的な状況として、最近のシステムLSI設計では、微細化に伴って下記の様な動向が見られる。
(1)配線の多層化
・微細化に伴って、配線断面積が小さく、配線間隔が狭くなることにより、配線遅延が増大する。これを緩和する為、使用配線層数を増やして配線幅や配線間隔を広げてレイアウトすることが多くなってきており、それに伴ってシステムLSIの配線層数が多層化傾向にある。
・デバイススケーリングあるいは機器の低電力化といったニーズから、LSIは低電源電圧化の傾向にある。しかし一方では、1チップ上に多数の素子が集積化されており、かつ、高速動作のニーズも高い為、消費電流は増大傾向にある。その為、電源幅を太くして電源電位ドロップを抑制する必要性が増しており、使用配線層数が増える傾向にある。
(2)冗長救済技術
・搭載トランジスタ数、特に、搭載メモリ容量がシステムLSIの中で増大傾向にある。その為、従来、DRAM等で用いられていた冗長救済技術がSRAMにも使われ始めている。
As an incidental situation, in recent system LSI design, the following trends are observed with miniaturization.
(1) With the increase in the number of wiring layers, the wiring cross-sectional area is reduced and the wiring interval is reduced, thereby increasing the wiring delay. In order to alleviate this, the number of used wiring layers is increased to increase the wiring width and spacing, thereby increasing the number of wiring layers of the system LSI.
-LSIs tend to have lower power supply voltages due to needs such as device scaling and lower power consumption of equipment. However, on the other hand, since many elements are integrated on one chip and there is a high need for high-speed operation, current consumption tends to increase. For this reason, it is necessary to increase the power supply width and suppress the power supply potential drop, and the number of used wiring layers tends to increase.
(2) Redundancy remedy technology • The number of mounted transistors, particularly the mounted memory capacity, is increasing in the system LSI. For this reason, the redundancy repair technique that has been used in DRAMs and the like has started to be used in SRAMs.
近年の微細システムLSIにおける上記(1)(2)の流れを踏まえた上で、前述の横型メモリセルの配線構造をさらに最適化することが求められている。 In consideration of the flow (1) and (2) in the recent micro system LSI, it is required to further optimize the wiring structure of the horizontal memory cell described above.
本発明の目的は、ワード線やビット線の寄生容量を少なくし、歩留を向上することが可能となる半導体記憶装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that can reduce the parasitic capacitance of word lines and bit lines and improve the yield.
本発明の請求項1に記載の半導体記憶装置は、半導体基板上に行列状に配置され、各々第1導電型のウェル領域に形成された一対のアクセストランジスタ及び一対のドライブトランジスタと、各々第2導電型のウェル領域に形成された一対のロードトランジスタとで構成され、半導体基板上で2つの第1導電型のウェル領域の間に第2導電型のウェル領域が挟まれるようにウェル領域が行方向に並んで形成され、2つの第1導電型のウェル領域のそれぞれに1つずつのアクセストランジスタとドライブトランジスタとが形成された行方向に長い形状のCMOS型SRAMセルを複数備え、CMOS型SRAMセルを構成するトランジスタの上部に複数の配線層を備えた半導体記憶装置であって、複数のうちの1つの配線層で形成され、それぞれ行方向に延びて同一行のCMOS型SRAMセルに接続され、列方向に並んで配置された複数のワード線と、ワード線より1層上の配線層で形成され、それぞれ列方向に延びて同一列のCMOS型SRAMセルに接続され、行方向に並んで配置された複数の対をなすビット線と、ビット線と同層の配線層で形成され、それぞれ対をなすビット線の間に配置され同一列のCMOS型SRAMセルに接続される複数のVDD電源配線と、ビット線より1層上の配線層で形成され、CMOS型SRAMセルに接続されるVSS電源配線とを設け、VSS電源配線は、VSS電源配線より1層下の配線層で形成されたVSS電源接続用パターンを介してCMOS型SRAMセルと接続されており、VSS電源配線とVSS電源接続用パターンとの接続が1つのVSS電源接続用パターンあたり複数のビア部の配置によってなされている。 A semiconductor memory device according to claim 1 of the present invention is arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and each of a pair of access transistors and a pair of drive transistors respectively formed in a first conductivity type well region, It is composed of a conductive pair of load transistors which are formed in the well region of U E le region as a well region of a second conductivity type is sandwiched between two of the first conductivity type well region on a semiconductor substrate There are formed side by side in the row direction, a plurality of two respective one by one access transistor and the drive transistor and the CMOS SRAM cell in a long shape is formed Tagyo direction of the first conductivity type well region, CMOS A semiconductor memory device having a plurality of wiring layers on top of transistors constituting a type SRAM cell, each of which is formed of one wiring layer, A plurality of word lines that extend in the row direction and are connected to CMOS SRAM cells in the same row and are arranged side by side in the column direction, and a wiring layer that is one layer above the word line, each extend in the column direction. A plurality of pairs of bit lines connected to CMOS SRAM cells in the same column and arranged in the row direction and a wiring layer in the same layer as the bit lines are arranged between the paired bit lines. by a plurality of VDD power supply wiring connected to the CMOS SRAM cell in the same column, are formed in a wiring layer on the first layer than the bit line, it provided a VSS power supply line connected to the CMOS SRAM cell, V SS power supply The wiring is connected to the CMOS SRAM cell via a VSS power connection pattern formed in a wiring layer one layer lower than the VSS power wiring, and the connection between the VSS power wiring and the VSS power connection pattern is made. The connection is made by arranging a plurality of vias per one VSS power supply connection pattern .
本発明の請求項2に記載の半導体記憶装置は、半導体基板上に行列状に配置され、各々第1導電型のウェル領域に形成された一対のアクセストランジスタ及び一対のドライブトランジスタと、各々第2導電型のウェル領域に形成された一対のロードトランジスタとで構成され、半導体基板上で2つの第1導電型のウェル領域の間に第2導電型のウェル領域が挟まれるようにウェル領域が行方向に並んで形成され、2つの第1導電型のウェル領域のそれぞれに1つずつのアクセストランジスタとドライブトランジスタとが形成された行方向に長い形状のCMOS型SRAMセルを複数備え、CMOS型SRAMセルを構成するトランジスタの上部に複数の配線層を備えた半導体記憶装置であって、複数のうちの1つの配線層で形成され、それぞれ行方向に延びて同一行のCMOS型SRAMセルに接続され、列方向に並んで配置された複数のワード線と、ワード線より1層上の配線層で形成され、それぞれ列方向に延びて同一列のCMOS型SRAMセルに接続され、行方向に並んで配置された複数の対をなすビット線と、ビット線と同層の配線層で形成され、それぞれ対をなすビット線の間に配置され同一列のCMOS型SRAMセルに接続される複数のVDD電源配線と、ビット線より1層上の配線層で形成され、CMOS型SRAMセルに接続されるVSS電源配線とを設け、VSS電源配線が行方向に並んで複数配置され、かつビット線を覆うように配置されている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device arranged in a matrix on a semiconductor substrate, each of a pair of access transistors and a pair of drive transistors formed in a well region of the first conductivity type. The well region is formed of a pair of load transistors formed in the conductivity type well region, and the well region is arranged so that the second conductivity type well region is sandwiched between the two first conductivity type well regions on the semiconductor substrate. A plurality of CMOS SRAM cells each having a long shape in the row direction, each of which is formed side by side and in which one access transistor and one drive transistor are formed in each of the two first conductivity type well regions; A semiconductor memory device having a plurality of wiring layers on top of a transistor constituting a cell, each of which is formed of one wiring layer, and A plurality of word lines extending in the row direction and connected to CMOS SRAM cells in the same row and arranged in the column direction and a wiring layer one layer above the word line are formed, and each extending in the column direction is the same A plurality of pairs of bit lines that are connected to the CMOS type SRAM cell in the column and arranged in the row direction, and a wiring layer in the same layer as the bit lines, are arranged between the paired bit lines. A plurality of VDD power wirings connected to the CMOS SRAM cells in the same column and a VSS power wiring formed in a wiring layer one layer above the bit lines and connected to the CMOS SRAM cells are provided. A plurality are arranged side by side in the row direction, and are arranged so as to cover the bit lines.
請求項3に記載の半導体記憶装置は、請求項1または2に記載の半導体記憶装置において、CMOS型SRAMセルの各々の領域は、行方向の幅が列方向の幅の2倍以上である。 A semiconductor memory device according to a third aspect of the present invention is the semiconductor memory device according to the first or second aspect , wherein each of the regions of the CMOS type SRAM cell has a width in the row direction that is twice or more as large as a width in the column direction.
請求項4に記載の半導体記憶装置は、請求項1または2に記載の半導体記憶装置において、ワード線を屈曲させたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor memory device according to the first or second aspect , the word line is bent.
請求項5に記載の半導体記憶装置は、請求項1に記載の半導体記憶装置において、VSS電源配線と同層の配線層で形成され、VDD電源配線と接続されるVDD補強配線を設けたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention , in the semiconductor memory device according to the first aspect of the present invention, a VDD reinforcing wiring formed of the same wiring layer as the VSS power supply wiring and connected to the VDD power supply wiring is provided. Features.
請求項6に記載の半導体記憶装置は、請求項5に記載の半導体記憶装置において、VDD補強配線とVDD電源配線との接続を、CMOS型SRAMセルを構成するトランジスタの基板電位確保用基板コンタクトセル領域で行なったことを特徴とする。 The semiconductor memory device according to claim 6 is the semiconductor memory device according to claim 5 , wherein the connection between the VDD reinforcing wiring and the VDD power supply wiring is connected to a substrate contact cell for securing a substrate potential of a transistor constituting the CMOS type SRAM cell. It is characterized by being performed in the area.
請求項7に記載の半導体記憶装置は、請求項1または2に記載の半導体記憶装置において、CMOS型SRAMセルを構成するトランジスタの基板電位確保用基板コンタクトセル領域内でワード線と同層の配線層で形成され、行方向に延びた電源補強配線を設け、電源補強配線をVDD電源配線またはVSS電源配線との交差部においてVDD電源配線またはVSS電源配線と接続したことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor memory device according to the first or second aspect , the wiring in the same layer as the word line in the substrate potential securing substrate contact cell region of the transistor constituting the CMOS type SRAM cell. A power supply reinforcing wiring formed of layers and extending in the row direction is provided, and the power supply reinforcing wiring is connected to the VDD power supply wiring or the VSS power supply wiring at an intersection with the VDD power supply wiring or the VSS power supply wiring.
請求項8に記載の半導体記憶装置は、請求項1または2に記載の半導体記憶装置において、VSS電源配線がメッシュ形状であることを特徴とする。 The semiconductor memory device according to an eighth aspect is the semiconductor memory device according to the first or second aspect , wherein the VSS power supply wiring is mesh-shaped.
請求項9に記載の半導体記憶装置は、請求項1または2に記載の半導体記憶装置において、VSS電源配線を形成する配線層の膜厚が、VSS電源配線より下層の配線層の膜厚よりも厚いことを特徴とする。 The semiconductor memory device according to claim 9 is the semiconductor memory device according to claim 1 or 2 , wherein the film thickness of the wiring layer forming the VSS power supply wiring is smaller than the film thickness of the wiring layer below the VSS power supply wiring. It is characterized by being thick.
請求項10に記載の半導体記憶装置は、請求項1または2に記載の半導体記憶装置において、カラム冗長回路を持たず、ロウ冗長回路のみを有することを特徴とする。 A semiconductor memory device according to a tenth aspect is the semiconductor memory device according to the first or second aspect , wherein the semiconductor memory device has only a row redundancy circuit without a column redundancy circuit.
請求項1に記載の本発明によれば、ウェル境界線の伸びる縦方向(列方向)の幅が狭い横型メモリセルにおいて、ワード線をビット線の下層の配線層で形成した場合で、ビット線とVSS電源配線とを異なる配線層で形成したことにより、横方向(行方向)に並んで配置されるビット線とVSS電源間の並走距離が短くなり、ビット線の寄生容量が少なくなると共に、同層近接配線がパーティクルによってショート不良に至る確率を減らして歩留を高めることが出来る。さらに、ビット線は通常、スタンバイ時にHigh電位にプリチャージされるので、VSS電源とビット線とのショート確率が減少すると、冗長救済率が向上する。また、対をなすポジとネガの相補ビット線間にシールドを兼ねたVDD電源配線が存在していることから、ポジ−ネガ間のカップリングによるビット線振幅の減少を防止することができる。また、VSS電源配線とVDD電源配線とが異なる配線層であるため、VDDとVSSの電源間ショート不良による冗長歩留低下を防ぐことが出来る。
また、VSS電源配線を上層に持ち上げる為にその下のノード(島形状VSSパターン)1つあたりに複数のビア部を使用するので、その全てのビア部が不良になる確率は、ビア部1個配置の場合と比較して大幅に減少し、歩留低下を抑制できる。
According to the first aspect of the present invention, in a horizontal memory cell having a narrow vertical width (column direction) in which a well boundary line extends, a word line is formed by a wiring layer below a bit line. And the VSS power supply wiring are formed in different wiring layers, the parallel running distance between the bit line arranged in the horizontal direction (row direction) and the VSS power supply is shortened, and the parasitic capacitance of the bit line is reduced. In addition, it is possible to increase the yield by reducing the probability that the adjacent wiring in the same layer will cause a short circuit failure due to particles. In addition, since the bit line is normally precharged to the high potential during standby, the redundancy relief rate is improved if the short-circuit probability between the VSS power source and the bit line is reduced. In addition, since there is a VDD power supply wiring that also serves as a shield between the pair of positive and negative complementary bit lines, a decrease in bit line amplitude due to coupling between positive and negative can be prevented. Further, since the VSS power supply wiring and the VDD power supply wiring are different wiring layers, it is possible to prevent a decrease in redundant yield due to a short circuit between the power supplies of VDD and VSS.
Further, since a plurality of via portions are used for each node (island-shaped VSS pattern) below the VSS power supply line to raise it to the upper layer, the probability that all the via portions are defective is one via portion. Compared with the case of arrangement, it is significantly reduced, and yield reduction can be suppressed.
請求項2に記載の本発明によれば、VSS電源配線を横方向(行方向)に並んで配置させることによりメモリセル1個につき一本のVSS電源配線を有することとなる。縦方向(列方向)に並んで配置されたVSS電源配線を有する場合には、ワード線アクティブ時に、ワード線に接ながる全てのメモリセルのセル電流を一本のVSS電源配線でまかなうこととなるが、そうしたものよりも、電源電圧低下やエレクトロマイグレーションの影響を緩和出来る。かつ、下層に存在するビット線を覆う形でVSS電源配線が存在するので、メモリブロックの上を通過する信号に対するシールド層となり、メモリの誤動作防止を図りながらチップ設計時にメモリブロック上に信号線を通すことが可能となる。 According to the second aspect of the present invention, one VSS power supply wiring is provided for each memory cell by arranging the VSS power supply wiring side by side in the horizontal direction (row direction). When having VSS power supply wirings arranged side by side in the vertical direction (column direction), when the word line is active, the cell current of all the memory cells that are in contact with the word line is covered by a single VSS power supply wiring. However, the effect of power supply voltage drop and electromigration can be mitigated more than that. In addition, since the VSS power supply wiring exists so as to cover the bit line existing in the lower layer, it becomes a shield layer for signals passing over the memory block, and the signal line is placed on the memory block at the time of chip design while preventing malfunction of the memory. It is possible to pass.
請求項3に記載の本発明によれば、横方向の幅が縦方向の2倍以上である横に長いメモリセル(CMOS型SRAMセル)を用いることにより、請求項1または2に記載のメモリセルの効力をより引き出すことが出来る。 According to the third aspect of the present invention, the memory according to the first or second aspect is provided by using a horizontally long memory cell (CMOS SRAM cell) having a width in the horizontal direction that is twice or more the vertical direction. The effect of the cell can be extracted more.
請求項4に記載の本発明によれば、細いワード線を屈曲させて、ワード線と同層に存在するVSSパターンとの間隔を空けた場合には、ワード線容量を減少させ、ショート不良発生確率を減少させることが出来る。また、ワード線を太くした場合には、ワード線抵抗を減少させ、ワード線の断線不良発生確率を低くすることが出来る。 According to the fourth aspect of the present invention, when a thin word line is bent and a space between the word line and the VSS pattern existing in the same layer is provided, the word line capacitance is reduced and a short circuit is generated. Probability can be reduced. Further, when the word line is thickened, the word line resistance can be reduced, and the probability of occurrence of disconnection failure of the word line can be lowered.
請求項5に記載の本発明によれば、下層のVDD電源配線だけでは、電流供給能力が不足の場合に、その平行パスとして上層にVDD補強配線を設けることで電流供給能力を強化可能となる。 According to the fifth aspect of the present invention, when the current supply capability is insufficient with only the lower-layer VDD power supply wiring, the current supply capability can be enhanced by providing the VDD reinforcing wiring in the upper layer as a parallel path. .
請求項6に記載の本発明によれば、以下の効果を得ることが出来る。もしも、各メモリセル上で下層のVDD電源配線と上層のVDD補強配線とを接続すると、たとえばワード線等と並走する配線パターンが多くなってしまう。基板コンタクトセル配置周期と同じ、もしくはその整数倍の周期でVDD電源を裏打ちすることによって、ワード線の負荷容量増大や歩留低下を回避しながら、VDD電源をメッシュ構造とすることが出来る。ワード線は未使用時には、Low電位なので、歩留不良ワードがLow電位になっていれば、冗長救済可能であるが、VDD電位とのショートでHigh電位になっていると、ロウ冗長機能を有していたとしても、冗長救済率が上がらないといった問題も発生し得る。しかし、本発明によれば、ワード線とVDD電位とのショート確率を回避しつつ、VDD電位をメッシュ構造とすることが可能となる。 According to the present invention described in claim 6 , the following effects can be obtained. If the lower VDD power supply wiring and the upper VDD reinforcing wiring are connected on each memory cell, for example, the wiring pattern running in parallel with the word line or the like increases. By backing the VDD power supply at the same cycle as the substrate contact cell arrangement cycle or an integer multiple thereof, the VDD power supply can have a mesh structure while avoiding an increase in the load capacity of the word line and a decrease in yield. When the word line is not used, it has a low potential, so if the yield defective word is at the low potential, redundancy can be relieved. Even if it does, the problem that the redundancy relief rate does not increase may occur. However, according to the present invention, the VDD potential can have a mesh structure while avoiding a short-circuit probability between the word line and the VDD potential.
請求項7に記載の本発明によれば、VSS電源配線やVDD電源配線を電源補強配線により横方向にも相互接続してメッシュ構造とすることによって、より強固な電源系を形成可能となる。 According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to form a stronger power supply system by forming a mesh structure by interconnecting the VSS power supply wiring and the VDD power supply wiring in the lateral direction by the power supply reinforcing wiring.
請求項8に記載の本発明によれば、VSS電源配線がメッシュ形状となり、より強固になる。 According to the eighth aspect of the present invention, the VSS power supply wiring has a mesh shape and becomes stronger.
請求項9に記載の本発明によれば、VSS電源配線の配線膜厚が、それより下の配線層膜厚よりも厚いので、シート抵抗値が小さくなる。これにより、電源の寄生抵抗が小さくなって、電源の電流供給能力が強くなる。また、少なくともメモリセル領域においては、VSS電源配線の配線層には他の信号線が存在しないので、VSS電源配線の配線層が厚くなっても、同層信号線間のカップリングノイズ増加という問題は生じない。 According to the ninth aspect of the present invention, since the wiring film thickness of the VSS power supply wiring is thicker than the wiring layer film thickness below it, the sheet resistance value becomes small. Thereby, the parasitic resistance of the power supply is reduced, and the current supply capability of the power supply is increased. Also, at least in the memory cell region, there is no other signal line in the wiring layer of the VSS power supply wiring, so even if the wiring layer of the VSS power supply wiring becomes thick, there is a problem of increased coupling noise between the same-layer signal lines. Does not occur.
請求項10に記載の本発明によれば、ビット線とVSS電源とのショート不良確率が少ないという請求項1に記載のメモリセルの利点を有効活用して、ロウ冗長のみとする。カラム冗長回路搭載による面積増加を回避して面積を削減し、性能の高いメモリブロックを使用できる。
According to the tenth aspect of the present invention, the advantage of the memory cell according to the first aspect in which the short-circuit failure probability between the bit line and the VSS power supply is small is effectively used, and only row redundancy is provided. It is possible to reduce the area by avoiding the area increase due to the column redundant circuit mounting, and to use a high-performance memory block.
以下、本発明の実施形態および参考例について説明する。なお、以下で第n層目配線(n=1、2、3、・・)というのは、従来例同様、メモリセルの下層部レイアウトの上に形成される下からn層目のメタル配線(層)である。
(参考例1)
参考例1に関して、図面を用いて説明する。本参考例の半導体記憶装置は、ビット線2層型の横型メモリセルで構成されるCMOS型SRAMである。
Embodiments and reference examples of the present invention will be described below. In the following, the n-th layer wiring (n = 1, 2, 3,...) Means the n-th layer metal wiring (from the bottom) formed on the lower layer layout of the memory cell, as in the conventional example. Layer).
(Reference Example 1)
Reference Example 1 will be described with reference to the drawings. The semiconductor memory device of this reference example is a CMOS type SRAM composed of a bit line two-layer lateral memory cell.
本実施形態における横型メモリセルの下層部のレイアウトおよびその上の第1層目配線、第2層目配線のレイアウトは、図21、図23、図24の従来例と同様であり、またメモリセルの配置も図22に示すようにフリップ配置され、メモリセルの回路図は図28で示される。本参考例における配線レイアウトの一例を図1に示す。図1において、201は第3層目配線からなる島形状パターンのVSSノード、202は第2層目配線と第3層目配線とを接続するビア部、203は第3層目配線と第4層目配線とを接続するビア部、204は第4層目配線からなるVSS電源配線である。
The layout of the lower layer portion of the lateral memory cell and the layout of the first layer wiring and second layer wiring thereon are the same as those of the conventional example of FIGS. 21, 23 and 24, and the memory cell. As shown in FIG. 22, the arrangement of the flip-flops is flip-arranged, and the circuit diagram of the memory cell is shown in FIG. An example of the wiring layout in this reference example is shown in FIG. In FIG. 1, 201 is an island-shaped pattern VSS node composed of a third layer wiring, 202 is a via portion connecting the second layer wiring and the third layer wiring, and 203 is a third layer wiring and a fourth layer wiring. A via
従来のビット線2層型横型メモリセルでは、図25のように、第3層目配線によりVSS電源配線120がワード線119と並走していたが、本参考例では、図1に示す様に、VSS電源を上層から下層に通過させる為の接続用島形状パターンのVSSノード201のみとし、上層の第4層目配線によりVSS電源配線204を形成している。
In the conventional bit line two-layer horizontal memory cell, as shown in FIG. 25, the VSS
これによって、ワード線119とVSS電源配線204との長距離に渡る並走が無くなるため、ワード線119の寄生容量が少なくなり高速化を図るとともに、パーティクルによるワード線119とVSS電源配線204とがショート不良に至る確率が減少し、歩留りを高める効果を得ることが出来る。この効果は、メモリセルが、横方向に長い、2倍以上の縦横比を有する形状の場合においてさらに大きなものとなる。
As a result, the parallel running over a long distance between the
そして、従来例と同様、VDD電源配線116がポジネガビット線114、115間に存在することにより、ポジネガビット線114、115間のシールドの役目を果たすことになる。シールド層が無く、ポジネガビット線114、115間のカップリング容量が大きい場合には、一方のビット線電位がメモリのWrite/Read動作でLow電位に変化した際に、High電位であるべきもう一方のビット線がLowに引かれてしまい、ポジネガビット線114、115間の電位差が少なくなることで、Read時のセンス不具合やWrite不具合を生ずる可能性が高くなる。ビット線114、115にVDD電源配線116が並走していることについては、カラム冗長救済があれば通常さほど問題とはならない。ビット線114、115は通常High電位にプリチャージされてスタンバイ状態となるので、VDD電位とビット線がショートしていても、その不具合ビット線部分を冗長回路を使ってスキップしてしまえば、DC的な不具合電流等は流れず、良品チップとして扱うことが出来る。
As in the conventional example, the presence of the VDD
しかしながら、図1では、VSS電源配線204を4層目に持ち上げる為に、第3層目と第4層目の配線とを接続するビア部203を必要としている。(以下、簡便の為に、第n層目の配線をMn、第n層目配線と第n−1層目配線とを接続するビア部を、Vnと表現することとする。)ビア部の形成工程は非常に高いアスペクト比を有する深いホール孔を開け、そのホール孔に金属物を埋め込む工程であり、プロセス加工上難度の高い工程である。その為、論理を構成するのに必要なビア部の層数が増加してしまうと、並走配線長を削減したとしても、結果として歩留を低下させてしまうことが懸念される。
However, in FIG. 1, in order to lift the VSS
これに対しては、ビア部を複数取りとすることで対応できる。図2は、第3層目配線と第4層目配線を接続するビア部203を2個取りした例である。図2のうち、第2層目以上のメタル配線に絞って表記して見易さを図った図を図3に示す。
This can be dealt with by making a plurality of via portions. FIG. 2 shows an example in which two via
使用するプロセスのビア部V3が形成不良に至る確率を1ppmと仮定すると、2個ともが同時不良になる確率は、1ppmの2乗となり、非常に小さな確率となる。実際には、近接した位置に存在しているので、完全に2乗とはならないが、プロセス工程的な形成不良確立が格段に減少するという傾向は正しい。また、ビア部個数を1個取りから2個取りに変更するにあたり、第3層目のVSSノード201の島形状パターンは2倍まで大きくならない場合が多い。その理由は、ビア部が例え1個取りであっても、島形状パターンのサイズはビア部203のサイズとそのビア部に対するオーバラップルールでは決まらずに、リソグラフィ上あるいはダマシン配線工程での配線埋め込み性から決まる単独配線パターンのサイズルールによって決まっているケースが多いからである。故に、ビア部個数を1個から2個にすることによる第3層目のVSSノード201の島形状パターンの面積増加は少なく、ワード線寄生負荷容量の増大や歩留低下も少ない。結果として、第3層目のVSSノード201と第4層目のVSS電源配線204とを接続するビア部を複数取りとしたことによって、VSS電源配線204を4層目に配置した効果を最大限に引き出すことが可能となる。
Assuming that the probability that the via portion V3 of the process to be used is defective in formation is 1 ppm, the probability that both of them are simultaneously defective is the square of 1 ppm, which is a very small probability. Actually, since they are located close to each other, they are not completely squared, but the tendency that the formation defect formation in the process step is remarkably reduced is correct. Further, when the number of via portions is changed from one to two, the island shape pattern of the
次に、VDD電源を強化した例について、図4、図5、図6、図7を用いて説明する。図3を見て判る様に、M4層にはVSS電源配線204しか存在しておらずレイアウトには余裕がある。そこで、図4の様に、Pchのロードトランジスタ上にM4のVDD電源配線205を通すことが可能である。これにより、第2層目配線のVDD電源配線116だけでは寄生抵抗値が大きく、十分な電源強度を持たない場合に、第2層目配線のVDD電源配線116を第4層目配線のVDD電源配線205によって裏打ちすることでVDD電源を強化することが出来る。
Next, an example in which the VDD power supply is strengthened will be described with reference to FIGS. 4, 5, 6, and 7. As can be seen from FIG. 3, only the VSS
また、この第4層目のVDD電源配線205を、下層を走る第2層目のVDD電源配線116と接続するのに、図5に示す様に各メモリセル内で第3層目配線の島形状パターンの電源ノード206を作成し、第2層目のVDD電源配線116へと接続すると、第3層目におけるワード線119と、ワード線119と島形状VDD電源ノード206及び島形状VSS電源ノード201との並走距離が増え、寄生容量増加や歩留低下を生じてしまう。
Further, in order to connect the fourth-layer
そこで、本参考例では、図6に示す様に、メモリセルアレイの中に周期的に配置され基板コンタクトを取る為のセル300(以下、基板コンタクトセルと呼ぶ。図6は概念説明の為に、基板コンタクトセル300間に配置したメモリセル302の数を少なくして描いてある。)において、図7に示す様に、第3層目配線のVDDノード301を経由して第2層目VDD電源配線116と第4層目VDD電源配線205とを接続する。基板コンタクトセル部にはワード線が存在しないので、第3層目は空いている。図7においては、第3層目のVDDノード301は島形状のレイアウトとして示したが、基板コンタクトセル部でのみ、メモリアレイ上を横方向に伸びる配線としても良い。また、基板コンタクトセル部に配置する横方向の第3層目補強電源は、VDDでも、VSSでも、VDDとVSSを交互に配置する等しても良い。これにより、図5に示す様にメモリセル毎にVDD接続を行なった場合と比較して、歩留低下を抑えて、電源能力を強化することが出来る。
Therefore, in this reference example, as shown in FIG. 6, cells 300 (hereinafter referred to as substrate contact cells) that are periodically arranged in the memory cell array for making substrate contact. In the drawing, the number of
なお、図1の例、図2(図3)の例では、第4層目配線には、VSS電源配線204のみが存在しており、図4の様なVDD電源配線205は存在していない。VDDとVSSが同層メタルで存在しており、そのVDDとVSSとがショート不良を起こした場合、単に不具合セルをスキップして、スペアセルを用いるといった冗長手法では、VDDとVSSとの間で流れるショート電流は防ぐことが出来ないので、冗長救済による不良チップの良品化は行えない。特に、最近のCu配線形成には、ダマシンという埋め込み工法が用いられており、CMP研磨工程においてごみが存在していると、マイクロスクラッチと呼ばれる擦り傷から生ずる配線ショートが発生することもある。その為、リソグラフィや管理パーティクルの実力から予想される十分な配線間隔を確保していても配線ショート不良が発生し得る。すなわち、VDDとVSS間の電源間ショート不良は、メモリセルをスペアのものと差し替える冗長救済技術では救済不可能であり、図1の例、図2(図3)の例に示す様にメモリセルの第4層目をVSS電源配線204のみとすることは、電源間ショート不良による冗長歩留低下を防ぐことが出来、冗長救済歩留を考えると大変有効である。また、メモリブロック上でのメモリセルの占める面積割合は非常に高く、かつ、システムLSI上でメモリ領域の占める割合も非常に高い為、メモリセルに対して対策することは、チップ歩留に対しても有効である。
In the example of FIG. 1 and the example of FIG. 2 (FIG. 3), only the VSS
第4層目に配置するVSS電源配線204のパターンは、完全な板形状としても良いが、ラインアンドスペース形状あるいは、後述するメッシュ形状とすることが、最近のCuダマシン配線に適している。その理由は、幅の広い配線は、CMP工程で研磨パッドが弾性を有することから生ずるディッシングと呼ばれる配線部の窪みを生じやすく、その平坦性の悪化から、焦点深度不足によるリソグラフィ不具合等を起こし易くなるからである。ある程度の領域内で、規定のパターン面積範囲に収めることにより、プロセス加工が容易なレイアウトパターンにする為である。
The pattern of the VSS
前述の第4層目のVSS電源配線204のパターンをメッシュ形状とする場合、図1、図2(図3)において、縦方向に延びたVSS電源配線204を、さらに横方向にも結んでメッシュ状電源とする。これにより、より強固なVSS電源系を形成可能となる。これは、メモリセル単位でメッシュになっていても、基板コンタクトセル部においてのみ接続されてメッシュとなっていてもかまわない。また、第4層目はVSS電源配線のみであるので、前述した冗長救済歩留に関するメリットも失っていない。
When the above-described pattern of the
また図1の例、図2(図3)の例では、VSS電源配線204はPウェルとNウェルの接するウェル境界と同一方向に、ビット線114、115を覆う様に伸びている。もしも、VSS電源配線が横方向に伸びていたとすると、メモリの動作としては、横方向に延びるワード線119で選択された横一列のメモリセルが一斉にオンするので、多数のメモリセル電流の総和を横方向に延びた一本のVSS電源配線で賄わなくてはならない。しかし、縦方向のVSS電源配線204を有していれば、各メモリセル毎にVSS電源を持つので、ワード線119によって横一列のメモリセルが同時に選択されても、電源電圧低下量を抑制することが出来る。ちなみに、第4層目にVDD電源配線が存在しなくとも、SRAMとしては大きなデメリットとはなり得ない。なぜならば、Write/Read動作後にビット線をVDD電位に持ち上げるのは、データI/O部等メモリセル領域外に配置されたプリチャージトランジスタによって成される為、メモリセル中のVDD電源は、ビット線を高電位側に吊り上げたり、Write時に自セルの保持データを反転させる程度の能力を有しておれば良く、さほど強固な電流供給能力を持つ必要は無いからである。また、第4層目配線のVSS電源配線204を、ビット線114、115を覆う様に配置することによって、メモリブロック上層にチップ上の別信号線を通した場合のシールドとして機能する。第4層目VSS電源配線204がシールドとして存在することにより、微小電位差で動作するビット線114、115を保護して、ノイズによる誤動作を防止することが出来る。
In the example of FIG. 1 and the example of FIG. 2 (FIG. 3), the VSS
次にVDDやVSSの電源をメッシュ構造にして強化する方法について、説明する。図1の例、図2(図3)の例のように、VDD電源配線116やVSS電源配線204が縦方向に伸びている場合、ある程度の間隔で横方向にも相互接続して、VDD電源及びVSS電源をメッシュ構造にしたい場合が有る。こうした場合、第3層目で、VDD電源またはVSS電源を、ウェル境界線と垂直方向に補強する。VDDとVSSが通過できるのは、基板コンタクトセル部を最小の高さで構成した場合には、第3層目配線が1本横方向に通過出来る程度である。ワード線119は基板コンタクトセル部には存在しないので、この基板コンタクトセル部において、第3層目配線で、VSSかVDD、あるいはVDDとVSSを交互に横方向に通し、この通した配線をVDD電源配線116あるいはVSS電源配線204との交差部において接続することによって、電源をメッシュ構造にして強化できる。
Next, a description will be given of a method of strengthening the power supply of VDD or VSS by using a mesh structure. When the VDD
また、前述した本参考例における各例では、図1〜図4等に示されるように、第3層目の島形状VSSノード201は、ワード線119をはさんで対角位置に存在するだけである。そこで、図8の例に示すように、第3層目のワード線207をメモリセル内で屈曲させる。メモリセルは、図22に示す様にフリップさせて配置するので、この形状でワード線は問題無く繋がる。図8のワード線207の様に幅が細ければ、島形状VSSノード201との間隔が広く、配線容量が減り、パーティクルに起因する歩留不具合に対して強くなる。また、図9のように配線幅を太くして屈曲型幅太ワード線208にすると、ワード線抵抗を小さく抑えることが出来るし、ワード線208の断線不良の可能性も低くなる。ワード線207、208の屈曲は、45度でも90度でも、あるいは、微小段差を何段も用いることによってなだらかに変化させて曲げても良い。
Further, in each example in the above-described reference example, as shown in FIGS. 1 to 4, etc., the third-layer island-shaped
また、図1、図2(図3)や図8の例において、第4層目の配線膜厚を厚くする。少なくともメモリセル部では、第4層目はVSS電源配線204しかなく、ビット線やワード線といった重要な信号線は存在しないから、その膜厚を厚くしても、近距離信号配線間のカップリング容量増加が問題となることは無いので、そのシート抵抗値が減少するメリットのみを十分に生かすことが出来る。メモリセルに必要な電源能力は、VDDに対してよりもVSSに対しての方が高い。第2層目に存在するVDD電源配線116は、さほど高い電源供給能力が必要無いから、薄い膜厚でも十分な電源供給能力を持つことが出来る。
Further, in the examples of FIGS. 1, 2 (FIG. 3) and FIG. 8, the wiring thickness of the fourth layer is increased. At least in the memory cell portion, the fourth layer has only the VSS
以上に述べた本参考例では、図1を用いて説明したようにロウ方向に伸びるワード線119と同層の第3層目にはVSSノード201が島形状パターンに配置されるだけなので、ワード線119とVSS電源とのショート不良に至る確率が減少する。このメモリセルの利点を活用し、冗長回路としてロウ冗長回路を持たず、カラム冗長回路のみをもつ構成とすることができる。これについて、図10を用いて説明する。
In the reference example described above, since the
図10は、ロウ冗長回路とカラム冗長回路の両方を搭載した場合のブロックイメージ図である。図10において、310は冗長救済用ロウデコーダ、311はロウ冗長用スペアメモリセル、312はカラム冗長用スペアメモリセル、313はロウデコーダ部、314は制御部、315はデータ入出力部である。 FIG. 10 is a block image diagram when both the row redundancy circuit and the column redundancy circuit are mounted. In FIG. 10, 310 is a redundancy relief row decoder, 311 is a row redundancy spare memory cell, 312 is a column redundancy spare memory cell, 313 is a row decoder section, 314 is a control section, and 315 is a data input / output section.
冗長救済は、その実現手段によって種々の方法があるが、シフト冗長用のセレクタ回路やアドレス一致検出回路といった付加回路と、スペア用のメモリセルが必ず必要である。これには、面積増加というデメリットもあるが、アドレスセットアップ時間やアクセス時間等のメモリ特性上重要なスペックが悪化してしまうデメリットもある。本参考例におけるメモリセルを用いることで、ワード線がVSSにショートしてワード線方向にまとめて不良となる確率が減少するので、ロウ冗長救済回路を搭載する必要性が低くなる。この場合、図8や図9の屈曲ワード線を用いれば、さらにワード線不良を抑制出来る。 There are various methods of redundancy relief depending on the means for realizing the redundancy relief, but an additional circuit such as a selector circuit for shift redundancy and an address match detection circuit and a spare memory cell are always required. This has a demerit of an increase in area, but also has a demerit that specifications important for memory characteristics such as address setup time and access time deteriorate. By using the memory cell in this reference example, the probability that the word line is shorted to VSS and defective in the word line direction is reduced, so that the necessity of mounting the row redundancy relief circuit is reduced. In this case, if the bent word line shown in FIGS. 8 and 9 is used, word line defects can be further suppressed.
このワード線方向への不良が生じにくいメモリセルを用いて、搭載冗長回路及びスペアメモリセルをカラム冗長用のみとすることにより、図10中の冗長救済用ロウデコーダ310及びロウ冗長用スペアメモリセル311を取り払って、面積を小さくすることが出来る。また、制御部314内やロウデコーダ部313に入っているロウ冗長用のアドレス一致回路やシフト冗長用回路等も無くすることによって、アドレスセットアップ時間やアクセス時間等のメモリ特性上重要なスペックが冗長救済回路を搭載することによって劣化することを回避することが出来る。
By using the memory cell in which defects in the word line direction are unlikely to occur, the redundant circuit and the spare memory cell are used only for column redundancy, so that the redundancy
なお、本参考例の場合、VSS電源配線204がビット線114、115と異なる配線層であるため、ワード線がビット線の下層に設けられた従来例の図27に示すような、VSS電源配線355がビット線352、353と同層で長距離に渡って並走していることによるビット線352、353の寄生負荷容量の増加や、パーティクル起因のVSS電源配線355とビット線352、353のショート不良による歩留低下という問題も生じない。この問題については後述の第3、第4の参考例の場合も同様に生じない。
(第1の実施形態)
第1の実施形態に関して、図面を用いて説明する。本実施形態の半導体記憶装置は、ビット線3層型の横型メモリセルで構成されるCMOS型SRAMである。
In the case of this reference example, since the VSS
(First embodiment)
The first embodiment will be described with reference to the drawings. The semiconductor memory device of the present embodiment is a CMOS type SRAM composed of bit line three-layer type horizontal memory cells.
本実施形態における横型メモリセルの下層部のレイアウトおよびその上の第1層目配線のレイアウトは、図21、図23のビット線2層型と同様であり、またメモリセルの配置も図22に示すようにフリップ配置され、メモリセルの回路図は図28で示される。 The layout of the lower layer portion of the horizontal memory cell and the layout of the first layer wiring thereon are the same as those of the bit line two-layer type of FIGS. 21 and 23, and the memory cell arrangement is also shown in FIG. FIG. 28 shows a circuit diagram of the memory cell which is flip-arranged as shown.
本実施形態における第2層目以上の配線レイアウトの一例を図11に示す。図11に示すように、ワード線351が第2層目配線112で形成されており、第3層目配線によってポジビット線352、ネガビット線353、VDD電源配線354が形成され、第4層目配線によってVSS電源配線204が形成されている。従来のビット線3層型の図27の場合には、第3層目配線によってVDD電源配線354とVSS電源配線355、ポジネガビット線352、353が長距離に渡って並走しており、微細化が進めば、ビット線352、353の寄生負荷容量の増加の可能性が有り、またパーティクル起因の歩留低下を引き起こしやすくなっていた。そこで、本実施形態では、図11に示す様にビット線352、353と並走する3層目のVSS電源を、上層から下層に通過させる為の接続用島形状のVSSノード201のみとし、上層の4層目にVSS電源配線204を持たせた形にする。ビット線352、353と並走するVSS電源の並走距離が短くなるので、ビット線容量が軽くなるとともに、プロセス工程上のパーティクル等に対して強くなり、歩留が向上する。
An example of the wiring layout of the second and higher layers in this embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 11, the
ここでも、VSSを4層目のVSS電源配線204に持ち上げるのに、第3層目と第4層目とを接続するビア部203が必要となる。参考例1と同様、論理を構成用に経由するビア部層数増加による歩留低下懸念に対しては、図11では、ビア部203の複数取りで対応している。第4層目配線にVSS電源配線204のみが存在し、VDD電源配線が存在しないこと、VSS電源配線204がウェル境界線と平行方向にビット線352、353を覆う様に伸びていることについては、参考例1で説明したのと同様の効果がある。
Also in this case, in order to raise VSS to the VSS
また、参考例1でも説明したように、第4層目にさらにVDD電源配線205(図4、図7参照)を設け、第3層目のVDD電源配線354を裏打ちすることでVDD電源を強化することもできる。
Further, as described in the first reference example, the VDD power supply line 205 (see FIGS. 4 and 7) is further provided in the fourth layer, and the VDD
また、参考例1でも説明したように、第4層目のVSS電源配線204のパターンは、完全な板形状としても良いが、ラインアンドスペース形状あるいはメッシュ形状とすることが、最近のCuダマシン配線に適している。
Further, as described in Reference Example 1, the pattern of the
また、参考例1でも説明したように、図11のように、縦方向に伸びている第4層目のVSS電源配線204や、第3層目のVDD電源配線354を、基板コンタクトセル部において、ワード線351と同層の第2層目の配線で横方向に相互接続して、VDD電源及びVSS電源をメッシュ構造にして、電源を強化することもできる。
Further, as described in the reference example 1, as shown in FIG. 11, the fourth-layer
また、参考例1でも説明したように、第4層目の配線膜厚を厚くすることで、VSS電源配線204のシート抵抗値が減少し、寄生抵抗が小さくなって、電源の供給能力を強くすることもできる。
Further, as described in the reference example 1, by increasing the thickness of the fourth layer wiring, the sheet resistance value of the VSS
また、本実施形態におけるメモリセルを用いることで、ビット線352、353がVSSにショートしてビット線方向にまとめて不良となる確率が減少するので、カラム冗長救済回路を搭載する必要性が低くなる。搭載冗長回路及びスペアメモリセルをロウ冗長用のみとすることにより、カラム冗長救済回路搭載による面積増加を回避して面積を削減し、性能の高いメモリブロックを実現できる。
Further, by using the memory cell according to the present embodiment, the probability that the
なお、本実施形態の場合、VSS電源配線204がワード線351と異なる配線層であるため、ワード線がビット線の上層に設けられた従来例の図25に示すような、VSS電源配線120がワード線119と同層で長距離に渡って並走していることによるワード線119の寄生負荷容量の増加や、パーティクル起因のVSS電源配線120とワード線119のショート不良による歩留低下という問題も生じない。
(参考例2)
参考例2に関して、図面を用いて説明する。
In the present embodiment, since the VSS
(Reference Example 2)
Reference Example 2 will be described with reference to the drawings.
第1の実施形態および参考例1で示した例では、メモリセルのレイアウトが4層目までで完結している。しかし、より多層配線のLSIであったり、多少の歩留低下懸念があっても、非常に高い動作スピードが必要である場合等に、第1の実施形態および参考例1で説明した考えを元にして、5層配線対応のメモリセルが構成可能である。 In the example shown in the first embodiment and the reference example 1, the layout of the memory cell is completed up to the fourth layer. However, even if the LSI is a multi-layer wiring or there is a concern about a slight decrease in yield, the idea described in the first embodiment and the reference example 1 is used when a very high operation speed is required. Thus, a memory cell corresponding to the five-layer wiring can be configured.
本参考例においても、横型メモリセルの下層部のレイアウトおよびその上の第1層目配線のレイアウトは、図21、図23と同様であり、またメモリセルの配置も図22に示すようにフリップ配置され、メモリセルの回路図は図28で示される。本参考例における第2層目、第3層目、第4層目、第5層目の配線レイアウトの一例を、図12、図13、図14、図15に示す。 Also in this reference example, the layout of the lower layer portion of the horizontal memory cell and the layout of the first layer wiring thereon are the same as those in FIGS. 21 and 23, and the memory cell layout is also flipped as shown in FIG. The circuit diagram of the arranged memory cell is shown in FIG. An example of the wiring layout of the second layer, the third layer, the fourth layer, and the fifth layer in this reference example is shown in FIG. 12, FIG. 13, FIG. 14, and FIG.
参考例1ではポジネガビット線間に同層メタルでシールドを兼ねてVDD電源配線を配置していたが、本参考例では、図12のように第2層目にVDD電源配線116を配置し、図13のように第3層目にポジネガビット線403、404を配置する。これにより、自セル内のポジネガビット線403、404間のシールド層は無くなるものの、ビット線容量自体の絶対値は小さくなる。VDD電源配線の幅をW、VDD電源配線とビット線との間隔をdと置くと、ビット線403と404との間に同層でVDD電源配線が無い場合のポジネガビット線間の容量は、C∝ε÷(W+2*d)だが、VDD電源配線が同層で存在する場合には、C∝ε÷dとなる。シールド層が無くなることにより、ポジネガ間の干渉が起こるが、その距離が離れていてポジネガ間のカップリング容量が小さければ、寄生容量が少ないことによってビット線の遷移時間が早くなり、アクセス時間を高速化出来る。
In Reference Example 1, the VDD power supply wiring is arranged between the positive and negative bit lines with the same layer metal serving as a shield. However, in this reference example, the VDD
そして図14のように第4層目にワード線419を配置し、VSS電源は第4層目には接続用島形状パターンのVSSノード418のみが存在する。図15に示す様に、第5層目はVSS電源配線413を配置している。
As shown in FIG. 14, the
ここでも、VSSを5層目のVSS電源配線413に持ち上げるのに、第4層目と第5層目とを接続するビア部414を複数取りすることでビア部層数増加による歩留低下を抑制している。第5層目配線にVSS電源配線413のみが存在し、VDD電源配線が存在しないこと、VSS電源配線413がウェル境界線と平行方向にビット線403、404を覆う様に伸びていることについては、配線層は異なるが参考例1で説明したのと同様の効果がある。
Again, in order to raise the VSS to the VSS
また、配線層は異なるが参考例1でも説明したように、VSS電源配線413と同層の第5層目にさらにVDD電源配線205(図4、図7参照)を設け、第2層目のVDD電源配線116を裏打ちすることでVDD電源を強化することもできる。
Further, although the wiring layers are different, as described in the reference example 1, the VDD power wiring 205 (see FIGS. 4 and 7) is further provided in the fifth layer of the same layer as the
また、配線層は異なるが参考例1でも説明したように、第5層目のVSS電源配線413のパターンは、完全な板形状としても良いが、ラインアンドスペース形状あるいはメッシュ形状とすることが、最近のCuダマシン配線に適している。
Although the wiring layers are different, as described in Reference Example 1, the pattern of the fifth-layer
また、配線層は異なるが参考例1でも説明したように、ワード線419を、図8の様に屈曲させたり、さらに図9のように配線幅を太くして屈曲型幅太ワード線とすることにより同様の効果が得られる。
Although the wiring layers are different, as described in the reference example 1, the
また、第3層目以下の配線膜厚よりも、信号線としてはワード線419のみが存在する第4層目の膜厚を厚くしたり、VSS電源配線413のみの存在する第5層目の膜厚を厚くすることで、ワード線419やVSS電源配線413の抵抗値をさらに抑制することが可能となり、配線遅延の抑制や電源の供給能力を強くすることができる。
(参考例3)
参考例3に関して、図面を用いて説明する。
In addition, the fourth layer in which only the
(Reference Example 3)
Reference Example 3 will be described with reference to the drawings.
本参考例においても、横型メモリセルの下層部のレイアウトおよびその上の第1層目配線のレイアウトは、図21、図23と同様であり、またメモリセルの配置も図22に示すようにフリップ配置され、メモリセルの回路図は図28で示される。本参考例における第2層目、第3層目、第4層目、第5層目の配線レイアウトの一例を、図16、図17、図18、図19に示す。 Also in this reference example, the layout of the lower layer portion of the horizontal memory cell and the layout of the first layer wiring thereon are the same as those in FIGS. 21 and 23, and the memory cell layout is also flipped as shown in FIG. The circuit diagram of the arranged memory cell is shown in FIG. An example of the wiring layout of the second layer, the third layer, the fourth layer, and the fifth layer in this reference example is shown in FIG. 16, FIG. 17, FIG. 18, and FIG.
本参考例は参考例2と同様、5層配線対応のメモリセル構成である。参考例2では、VDD電源配線が第2層目で、ビット線が第3層目であったのに対し、本参考例においては、図16、図17に示す様に、ビット線407、408が第2層目であり、VDD電源配線410を3層目に配置する。これにより、参考例2と同様、ポジネガビット線間のシールドを抜くことによって、ビット線容量を軽くすることが出来る。ただし、この参考例3では、VDD電源配線410を3層目に持ち上げる為の島形状パターンのVDDノード409が存在するので、ビット線407、408とVDD電源配線410とを別の配線層に配置する効果は若干弱まることとなる。この参考例3のようにビット線407、408を第2層目に配置したレイアウト構造は、ビット線407、408のビア部がビット線を第3層目に配置したものよりも浅い分、ビット線容量が軽くなる可能性が有る。
Similar to Reference Example 2, this reference example has a memory cell configuration corresponding to five-layer wiring. In the reference example 2, the VDD power supply wiring is the second layer and the bit line is the third layer, whereas in the present reference example, as shown in FIGS. 16 and 17, the
配線性能は、個々のレイアウトの幅や間隔、断面構造や構成材料の誘電率等、種々の状況によって変わりうる。 The wiring performance can vary depending on various situations such as the width and interval of each layout, the cross-sectional structure and the dielectric constant of the constituent materials.
また、第4層目のレイアウトを示す図18では、ワード線411は、太くかつ、屈曲している。ワード線抵抗値は、メモリブロック内を長距離に渡って伸びていることから大きな値となる為に問題となることが多い。参考例1の場合と同様、屈曲させることにより、4層目の島形状VSSノード417との間隔を広めて容量を軽減しつつ、ワード線幅を広げてワード線抵抗を小さくしている。
In FIG. 18 showing the layout of the fourth layer, the
また、ワード線411と下部パターンとを接続するビア部412を複数取りにしている。これにより、配線多層化と多数ビア部層使用による歩留低下懸念を緩和している。
Also, a plurality of via
また、第3層目以下の配線膜厚よりも、信号線としてはワード線411のみが存在する第4層目の膜厚を厚くしたり、VSS電源配線413のみの存在する第5層目の膜厚を厚くすることで、ワード線411やVSS電源配線413の抵抗値をさらに抑制することが可能となる。
Further, the fourth layer in which only the
その他、参考例2で説明したように、配線層は異なるが参考例1と同様の変形が可能である。 In addition, as described in Reference Example 2, the wiring layer is different, but the same modification as in Reference Example 1 is possible.
なお、参考例2,3では、ワード線(419、411)とVSS電源配線(413)との長距離に渡る並走が無いため、ワード線の寄生容量が少なくなり高速化を図るとともに、パーティクルによるワード線とVSS電源配線とがショート不良に至る確率が減少し、歩留りを高める効果を得ることが出来ることは言うまでもない。 In Reference Examples 2 and 3, since there is no parallel running over a long distance between the word lines (419, 411) and the VSS power supply wiring (413), the parasitic capacitance of the word lines is reduced and the speed is increased. Needless to say, it is possible to reduce the probability that the word line and the VSS power supply wiring will cause a short circuit failure and increase the yield.
本発明の半導体記憶装置は、横方向(行方向)に並んで配置されるビット線とVSS電源間の並走距離が短くなり、ビット線の寄生容量が少なくなると共に、同層近接配線がパーティクルによってショート不良に至る確率を減らして歩留を高めることが出来るという効果を有し、CMOS型SRAM(スタティック・ランダム・アクセス・メモリ)の半導体記憶装置として有用である。 According to the semiconductor memory device of the present invention, the parallel running distance between the bit line arranged in the horizontal direction (row direction) and the VSS power supply is shortened, the parasitic capacitance of the bit line is reduced, and the adjacent wiring in the same layer is a particle. This has the effect of reducing the probability of short circuit failure and increasing the yield, and is useful as a semiconductor memory device of CMOS SRAM (Static Random Access Memory).
100 Pウェル
101 Nウェル
102 ウェル境界線
103 拡散層
104 ゲート電極
105 拡散層またはゲート電極と第1層目配線とを接続するコンタクトホール
106 拡散層とゲート電極と第1層目配線とを接続するシェアードコンタクト
107 Nチャネル型アクセストランジスタ
108 Nチャネル型ドライブトランジスタ
109 Pチャネル型ロードトランジスタ
110 メモリセル1ビット分のセル境界枠
111 第1層目配線
112 第2層目配線
113 第1層目と第2層目との接続用ビア部
114 ポジビット線(M2)
115 ネガビット線(M2)
116 VDD電源配線(M2)
117 第3層目配線
118 第2層目と第3層目との接続用ビア部
119 ワード線(M3)
120 VSS電源配線(M3)
201 島形状とした第3層目配線のVSSノード
202 第2層目と第3層目との接続用ビア部
203 第3層目と第4層目との接続用ビア部
204 第4層目VSS電源配線
205 第4層目VDD電源配線、
206 メモリセル中に配置した島形状の第3層目配線のVDDノード
207 屈曲型ワード線
208 屈曲型幅太ワード線
300 基板コンタクト用基板コンタクトセル
302 メモリセル
301 基板コンタクトセル中に配置した島形状の第3層目配線のVDDノード
310 冗長救済用ロウデコーダ
311 ロウ冗長用スペアメモリセル
312 カラム冗長用スペアメモリセル
313 ロウデコーダ部
314 制御部
315 データ入出力部
351 ワード線(M2)
352 ポジビット線(M3)
353 ネガビット線(M3)
354 VDD電源配線(M3)
355 VSS電源配線(M3)
401 島形状の第2層目配線のポジビット線接続用ノード
402 島形状の第2層目配線のネガビット線接続用ノード
403 ポジビット線(M3)
404 ネガビット線(M3)
405 第2層目と第3層目とを接続するビア部
406 島形状の第3層目配線のVSSノード
407 ポジビット線(M2)
408 ネガビット線(M2)
409 島形状の第2層目配線のVDDノード
410 VDD配線(M3)
411 屈曲型ワード線(M4)
412 第4層目ワード線と第3層目の島形状パターンとの接続用ビア部
413 VSS配線(M5)
414 第5層目のVSSと第4層目の島形状パターンとの接続用ビア部
415 メモリセル枠
416 第4層目と第3層目とのVSS接続用ビア部
417 島形状の第4層目配線のVSSノード
418 島形状の第4層目配線のVSSノード
419 直線形状のワード線(M4)
100 P well 101 N well 102
115 Negative bit line (M2)
116 VDD power supply wiring (M2)
117 Third-
120 VSS power supply wiring (M3)
201
206
352 Positive bit line (M3)
353 Negative bit line (M3)
354 VDD power supply wiring (M3)
355 VSS power supply wiring (M3)
401 Positive bit
404 Negative line (M3)
405 Via
408 Negative bit line (M2)
409
411 Bent word line (M4)
412 Via
414 Via
Claims (10)
複数のうちの1つの前記配線層で形成され、それぞれ行方向に延びて同一行の前記CMOS型SRAMセルに接続され、列方向に並んで配置された複数のワード線と、
前記ワード線より1層上の前記配線層で形成され、それぞれ列方向に延びて同一列の前記CMOS型SRAMセルに接続され、行方向に並んで配置された複数の対をなすビット線と、
前記ビット線と同層の前記配線層で形成され、それぞれ前記対をなすビット線の間に配置され同一列の前記CMOS型SRAMセルに接続される複数のVDD電源配線と、
前記ビット線より1層上の前記配線層で形成され、前記CMOS型SRAMセルに接続されるVSS電源配線とを設け、
前記VSS電源配線は、前記VSS電源配線より1層下の配線層で形成されたVSS電源接続用パターンを介して前記CMOS型SRAMセルと接続されており、前記VSS電源配線と前記VSS電源接続用パターンとの接続が1つの前記VSS電源接続用パターンあたり複数のビア部の配置によってなされたことを特徴とする半導体記憶装置。 A pair of access transistors and a pair of drive transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, each formed in a first conductivity type well region, and a pair of load transistors formed in a second conductivity type well region, respectively in configured, U E le region as the second conductivity type well region between the front SL two of said first conductivity type well region on the semiconductor substrate is sandwiched are formed side by side in the row direction, 2 one of a plurality of one by the access transistor and the drive transistor and the CMOS SRAM cell in a long shape is formed Tagyo direction of each of the first conductivity type well region, forming the CMOS SRAM cell A semiconductor memory device having a plurality of wiring layers on top of a transistor,
A plurality of word lines formed of one of the plurality of wiring layers, each extending in a row direction and connected to the CMOS SRAM cell in the same row, and arranged in a column direction;
A plurality of pairs of bit lines formed in the wiring layer one layer above the word line, each extending in the column direction and connected to the CMOS SRAM cell in the same column, and arranged side by side in the row direction;
A plurality of VDD power lines formed of the wiring layer in the same layer as the bit lines, each disposed between the paired bit lines and connected to the CMOS type SRAM cells in the same column;
A VSS power wiring formed in the wiring layer one layer above the bit line and connected to the CMOS SRAM cell;
Prior Symbol VSS power supply line, said being connected to the CMOS SRAM cell through the VSS power supply connection pattern formed in the wiring layer below the first layer than VSS power supply wiring, the VSS power source connected to the VSS power supply line the semiconductor memory device connected to the use pattern is characterized in that it is made by a plurality of arrangement of the via portion per one of the VSS power supply connection pattern.
複数のうちの1つの前記配線層で形成され、それぞれ行方向に延びて同一行の前記CMOS型SRAMセルに接続され、列方向に並んで配置された複数のワード線と、
前記ワード線より1層上の前記配線層で形成され、それぞれ列方向に延びて同一列の前記CMOS型SRAMセルに接続され、行方向に並んで配置された複数の対をなすビット線と、
前記ビット線と同層の前記配線層で形成され、それぞれ前記対をなすビット線の間に配置され同一列の前記CMOS型SRAMセルに接続される複数のVDD電源配線と、
前記ビット線より1層上の前記配線層で形成され、前記CMOS型SRAMセルに接続されるVSS電源配線とを設け、
前記VSS電源配線が行方向に並んで複数配置され、かつ前記ビット線を覆うように配置されたことを特徴とする半導体記憶装置。 A pair of access transistors and a pair of drive transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, each formed in a first conductivity type well region, and a pair of load transistors formed in a second conductivity type well region, respectively And the well region is formed side by side in the row direction so that the second conductivity type well region is sandwiched between two well regions of the first conductivity type on the semiconductor substrate. A plurality of CMOS SRAM cells each having a long shape in the row direction in which one access transistor and one drive transistor are formed in each one conductivity type well region, and an upper portion of the transistor constituting the CMOS SRAM cell A semiconductor memory device comprising a plurality of wiring layers,
A plurality of word lines formed of one of the plurality of wiring layers, each extending in a row direction and connected to the CMOS SRAM cell in the same row, and arranged in a column direction;
A plurality of pairs of bit lines formed in the wiring layer one layer above the word line, each extending in the column direction and connected to the CMOS SRAM cell in the same column, and arranged side by side in the row direction;
A plurality of VDD power lines formed of the wiring layer in the same layer as the bit lines, each disposed between the paired bit lines and connected to the CMOS type SRAM cells in the same column;
A VSS power wiring formed in the wiring layer one layer above the bit line and connected to the CMOS SRAM cell;
A semiconductor memory device, wherein a plurality of the VSS power supply wirings are arranged side by side in the row direction and are arranged so as to cover the bit lines .
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