JP6538629B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体記憶装置に関する。
SRAM(Static Random Access Memory)の消費電力は、ビット線上の電圧の振幅に対する依存性が強く、振幅が大きくなるほど消費電力が増大する。そして、この振幅は、SRAMの製造プロセスへの依存性が強いことが知られている。以下、この振幅を「BL振幅」と呼ぶ。
このようなプロセス依存性の問題から、SRAMの設計時にBL振幅を設定する際には、BL振幅が最小になるワースト条件でデータの読み出しが正しくできる振幅になるようにBL振幅を設定する。しかしながら、この場合には、BL振幅が最大になるベスト条件のときに、BL振幅が必要な最小振幅よりも大きくなるため、SRAMの消費電力が過大となってしまう。
一方、消費電力の削減用にダミーセルを用いたタイミング調整方式などが提案されているが、SSプロセスとFFプロセスとの間の消費電力の違いが問題となる。SSプロセスやFFプロセスとは、SRAMのプロセスバラツキを表現するための用語である。MOSFETの駆動電流を小さくするプロセスは、SSプロセスと呼ばれ、MOSFETの駆動電流を大きくするプロセスは、FFプロセスと呼ばれる。SSプロセスとFFプロセスの駆動電流の違いは、MOSFETの閾値電圧のバラツキなどが原因で生じる。このようなプロセスバラツキにより、BL振幅にバラツキが生じる。
特許第5777991号公報 特開2011−8909号公報 特許第5197241号公報
ビット線に起因する消費電力の増大を抑制することが可能な半導体記憶装置を提供する。
一の実施形態によれば、半導体記憶装置は、メモリセルと、前記メモリセルに接続されたワード線と、前記メモリセルに接続されたビット線と、を有するセルアレイを備える。前記装置はさらに、前記セルアレイ内の前記メモリセルに印加される電位を生成する電位生成回路を備える。前記装置はさらに、前記電位に基づいて、前記ワード線上のパルス電圧のパルス幅を制御する制御信号を出力する制御信号出力回路を備える。前記装置はさらに、前記制御信号の値に基づいて前記パルス幅を調整することで、前記パルス電圧の発生中に生じる前記ビット線上の電圧の振幅を制御するパルス幅調整回路を備える。
第1実施形態の半導体記憶装置の構造を示す模式図である。 第1実施形態の半導体記憶装置の構造をより詳細に示す模式図である。 第1実施形態の各メモリセルの構造を示す回路図である。 第1実施形態のBL振幅について説明するための波形図である。 第1実施形態の半導体記憶装置の動作を説明するための波形図である。 第1実施形態の比較例の半導体記憶装置の構造を示す模式図である。 第2実施形態の半導体記憶装置の構造を示す模式図である。 第2実施形態の半導体記憶装置の動作を説明するための波形図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の半導体記憶装置の構造を示す模式図である。図1は、SRAMを備える半導体記憶装置を示している。
図1の半導体記憶装置は、セルアレイ1と、タイミング制御回路2と、電位生成回路3と、検出回路4とを備えている。タイミング制御回路2は、パルス幅調整回路の一例である。検出回路4は、制御信号出力回路の一例である。符号Rは、セルアレイ1と周辺回路に相当する領域を表す。符号Rは、SRAMマクロに相当する領域を表す。
セルアレイ1は、複数のメモリセルと、これらのメモリセルに接続された複数のワード線と、これらのメモリセルに接続された複数のビット線とを有している。本実施形態の各メモリセルは、6つのMOSFETで構成されるSRAMセルである。メモリセルの構造の詳細については、後述する。
電位生成回路3は、セルアレイ1内のメモリセルに印加される電位であるプロセス依存電位VSINTを生成する。プロセス依存電位VSINTは、後述するイネーブル信号ENがローに変化すると接地電位VSSから上昇するが(図5参照)、プロセス依存電位VSINTの上昇率は、SRAMの製造プロセスへの依存性が強い。以下、プロセス依存電位VSINTを、単に「電位VSINT」と表記する。
検出回路4は、電位VSINTを検出し、検出された電位VSINTに基づいてパルス幅制御信号を出力する。パルス幅制御信号は、ワード線上のパルス電圧のパルス幅(以下「WL幅」と呼ぶ)を、タイミング制御回路2により制御するための信号である。検出回路4は、電位VSINTが基準電位Vrefより低い場合には、パルス幅制御信号の値をローに設定し、電位VSINTが基準電位Vrefより高い場合には、パルス幅制御信号の値をハイに設定する(図5参照)。基準電位Vrefは、所定電位の一例である。
タイミング制御回路2は、半導体記憶装置の内部タイミングを生成および変調する回路であり、クロック信号CLKに応じて動作する。タイミング制御回路2は、パルス幅制御信号の値に基づいてWL幅を調整することで、上記パルス電圧の発生中に生じるビット線上の電圧の振幅(すなわちBL振幅)を制御する。具体的には、ワード線上の電圧がハイである期間中にパルス幅制御信号の値がハイに変化すると、タイミング制御回路2は、ワード線上の電圧をローに切り替える(図5参照)。これにより、WL幅が通常時の幅よりも短くなり、その結果、BL振幅が減少する(図5参照)。
図2は、第1実施形態の半導体記憶装置の構造をより詳細に示す模式図である。
図2に示すように、セルアレイ1は、電源線(VDD線)Kと接地線(VSS線)Kとの間に配置されている。また、電位生成回路3は、セルアレイ1と接地線Kとの間に配置されている。セルアレイ1と電位生成回路3は、配線Kにより接続されている。
本実施形態の電位生成回路3は、接地線Kと配線Kとの間で並列接続されたスイッチ3aおよびダイオード3bを有している。スイッチ3aとダイオード3bはいずれも、MOSFETにより構成されている。スイッチ3aとダイオード3bのソース端子とドレイン端子は、接地線Kまたは配線Kに接続されている。スイッチ3aのゲート端子には、イネーブル信号ENが供給される。ダイオード3bのゲート端子は、配線Kに接続されている。
電位生成回路3により生成される電位VSINTは、配線K上の電位であり、配線Kを介してセルアレイ1に印加される。検出回路4は、配線Kに接続されており、配線K上の電位VSINTを検出する。本実施形態の電位生成回路3は、スイッチ3aとダイオード3bとを有し、セルアレイ1のセル電流に基づく電位VSINTを生成する。
本実施形態では、イネーブル信号ENがローになると、スイッチ3aがオフになることから、スイッチ3aとダイオード3bの作用により、電位VSINTがフローティング電位となる。その結果、電位VSINTは接地電位VSSから上昇する。なお、電位生成回路3は、電位VSINTとしてフローティング電位を生成できれば、スイッチ3aとダイオード3b以外により構成してもよい。
図3は、第1実施形態の各メモリセルの構造を示す回路図である。
本実施形態の各メモリセルは、pMOSの第1および第2のロードトランジスタTrL1、TrL2と、nMOSの第1および第2のドライバトランジスタTrD1、TrD2と、nMOSの第1および第2のトランスファトランジスタTrT1、TrT2とを備えている。図3はさらに、ワード線WLと、ビット線BL、/BLと、記憶ノードN、Nとを示している。
第1のロードトランジスタTrL1と第1のドライバトランジスタTrD1は、電源線Kと配線Kとの間で、配線Pにより直列接続されている。また、第1のロードトランジスタTrL1と第1のドライバトランジスタTrD1のゲート端子は、配線Pにより接続されている。よって、これら2つのトランジスタTrL1、TrD1は、インバータを構成している。
同様に、第2のロードトランジスタTrL2と第2のドライバトランジスタTrD2は、電源線Kと配線Kとの間で、配線Pにより直列接続されている。また、第2のロードトランジスタTrL2と第2のドライバトランジスタTrD2のゲート端子は、配線Pにより接続されている。よって、これら2つのトランジスタTrL2、TrD2は、インバータを構成している。
ここで、第1および第2のロードトランジスタTrL1、TrL2のソース端子は、電源線Kに接続されているものの、第1および第2のドライバトランジスタTrD1、TrD2のソース端子は、接地線Kではなく配線Kに接続されていることに留意されたい。本実施形態では、各メモリセルと接地線Kとの間に電位生成回路3が設けられている。
第1のロードトランジスタTrL1と第1のドライバトランジスタTrD1のドレイン端子は、第2のロードトランジスタTrL2と第2のドライバトランジスタTrD2のゲート端子に接続されている。同様に、第2のロードトランジスタTrL2と第2のドライバトランジスタTrD2のドレイン端子は、第1のロードトランジスタTrL1と第1のドライバトランジスタTrD1のゲート端子に接続されている。よって、これら4つのトランジスタTrL1、TrL2、TrD1、TrD2は、フリップフロップを構成している。
第1のトランスファトランジスタTrT1は、配線P上の記憶ノードNと、ビット線BLとを電気的に接続するために使用される。第1のトランスファトランジスタTrT1のソース端子、ドレイン端子、ゲート端子はそれぞれ、記憶ノードN、ビット線BL、ワード線WLに接続されている。
第2のトランスファトランジスタTrT2は、配線P上の記憶ノードNと、ビット線/BLとを電気的に接続するために使用される。第2のトランスファトランジスタTrT2のソース端子、ドレイン端子、ゲート端子はそれぞれ、記憶ノードN、ビット線/BL、ワード線WLに接続されている。
図4は、第1実施形態のBL振幅について説明するための波形図である。
図4(a)は、SSプロセスの場合におけるビット線上の電圧の一例を示す。SSプロセスの場合には、MOSFETの駆動電流が小さくなり、BL振幅(ビット線上の電圧の振幅)が小さくなる。図4(a)は、BL振幅が100mVの例を示しており、これは本実施形態のBL振幅のワースト条件に相当する。
図4(b)は、FFプロセスの場合におけるビット線上の電圧の一例を示す。FFプロセスの場合には、MOSFETの駆動電流が大きくなり、BL振幅が大きくなる。図4(b)は、BL振幅が200mVの例を示しており、これは本実施形態のBL振幅のベスト条件に相当する。
本実施形態では、BL振幅が図4(a)のワースト条件でもビット線が機能するように、BL振幅が設定されている。すなわち、本実施形態のSRAMは、BL振幅が100mV以上の場合において正常に動作するよう設計されている。しかしながら、この場合には、BL振幅が図4(b)のベスト条件のときにSRAMの消費電力が過大となってしまう。そこで、本実施形態では、電位VSINTに応じてWL幅を調整することで、FFプロセスの場合におけるBL振幅を減少させる。
図5は、第1実施形態の半導体記憶装置の動作を説明するための波形図である。
図5(a)は、SSプロセスの場合における各種電圧の時間変化を示す。図5(b)は、FFプロセスの場合における各種電圧の時間変化を示す。具体的には、図5(a)および図5(b)は、イネーブル信号、ワード線上の電圧、ビット線上の電圧、電源電位VDD、接地電位VSS、基準電位Vref、プロセス依存電位VSINT、およびパルス幅制御信号を示している。本実施形態の基準電位Vrefは、電源電位VDDと接地電位VSSとの間の値に設定されている。
まず、図5(a)のSSプロセスの場合について説明する。
時刻tにイネーブル信号ENがハイからローに変化し、ワード線上の電圧がローからハイに変化すると、ビット線上の電圧は電源電位VDDから下降し始め、電位VSINTは接地電位VSSから上昇し始める。これらの下降率や上昇率は、SRAMの製造プロセスへの依存性が強い。SSプロセスの場合には、ビット線上の電圧はゆるやかに下降し、電位VSINTはゆるやかに上昇する。
イネーブル信号ENのパルス幅が通常時の幅である場合には、イネーブル信号ENは時刻tにローからハイに変化する。これは、ワード線上のパルス電圧のパルス幅(WL幅)についても同様である。一方、検出回路4は、イネーブル信号ENがローである期間中に電位VSINTが基準電位Vrefに到達すると、パルス幅制御信号の値を変化させてWL幅を変更する。すなわち、時刻tから時刻tまでに電位VSINTが基準電位Vrefに到達すると、パルス幅制御信号の値が変化する。しかしながら、図5(a)の場合には時刻tまでに電位VSINTが基準電位Vrefに到達しないため、パルス幅制御信号の値はローに維持される。
次に、図5(b)のFFプロセスの場合について説明する。
イネーブル信号ENが時刻tにハイからローに変化し、ワード線上の電圧がローからハイに変化すると、ビット線上の電圧は電源電位VDDから下降し始め、電位VSINTは接地電位VSSから上昇し始める。FFプロセスの場合には、ビット線上の電圧は迅速に下降し、電位VSINTは迅速に上昇する。
イネーブル信号ENのパルス幅が通常時の幅である場合には、イネーブル信号ENは時刻tにローからハイに変化する。これは、ワード線上のパルス電圧のパルス幅(WL幅)についても同様である。一方、検出回路4は、イネーブル信号ENがローである期間中に電位VSINTが基準電位Vrefに到達すると、パルス幅制御信号の値を変化させてWL幅を変更する。図5(b)の場合には時刻tに電位VSINTが基準電位Vrefに到達するため、パルス幅制御信号の値は時刻tにローからハイに切り替えられる。
パルス幅制御信号の値が時刻tにローからハイに変化すると、イネーブル信号ENが時刻tにローからハイに切り替えられる(矢印A)。時刻tと時刻tとの差は、検出回路4から他の回路への信号伝達の遅延時間に相当する。
この場合、タイミング制御回路2は、パルス幅制御信号の値に基づいてWL幅を調整することで、BL振幅を制御する。具体的には、パルス幅制御信号の値が時刻tにローからハイに変化すると、タイミング制御回路2は、ワード線上の電圧を時刻tにハイからローに切り替える(矢印A)。これにより、WL幅が通常時の幅よりも短くなり、その結果、BL振幅が減少する(矢印A)。ビット線上の電圧は、時刻tから上昇に転じて、電源電位VDDに戻る。一方、イネーブル信号ENは時刻tにハイに変化し、電位VSINTのフローティング状態が時刻tに解消されるため、電位VSINTは、時刻tから下降に転じて、接地電位VSSに戻る(矢印A)。
ワースト条件のBL振幅が100mV、ベスト条件のBL振幅が200mVの場合、基準電位Vrefは例えば、接地電位VSSよりも約100mVだけ高く設定される。この場合、時刻tから時刻tまでの期間はおおむね、時刻tから時刻tまでの期間の半分程になる。その結果、ビット線に起因する消費電力を、FFプロセスの場合に半分程に低減することができ、FFプロセスの場合の消費電力をSSプロセスの場合の消費電力に近づけることができる。
このように、本実施形態によれば、FFプロセスの場合におけるBL振幅を減少させることで、BL振幅に起因するSRAMの消費電力の増大を抑制することが可能となる。
図6は、第1実施形態の比較例の半導体記憶装置の構造を示す模式図である。
本比較例の半導体記憶装置は、電位生成回路3と検出回路4とを備えておらず、代わりにセルアレイ1内にダミーセル1aを備えている。この場合、SRAMの待機時にセルアレイ1と周辺回路との電源分離をダミーセル1aにより実現することで、SRAMの待機時の消費電力を削減することができる。
しかしながら、本比較例では、SSプロセスとFFプロセスとの間の消費電力の違いについて対処することができない。よって、FFプロセスの場合の消費電力が過大となってしまう。一方、本実施形態によれば、BL振幅の調整によってこの問題に対処することができる。
以上のように、本実施形態の半導体記憶装置は、プロセス依存電位VSINTに基づいてWL幅を調整することで、BL振幅を制御する。よって、本実施形態によれば、ビット線に起因する半導体記憶装置の消費電力の増大を抑制することが可能となる。
(第2実施形態)
図7は、第2実施形態の半導体記憶装置の構造を示す模式図である。
図7の半導体記憶装置は、図2に示す構成要素に加えて、検出タイミング設定回路5を備えている。また、図7の検出回路4は、電位VSINTが入力される第1入力端子と、基準電位Vrefが入力される第2入力端子と、パルス幅制御信号を出力する出力端子とを有するセンスアンプ(SA)4aを備えている。
検出タイミング設定回路5は、SA4aが電位VSINTを検出するタイミングを設定する回路であり、クロック信号CLKに応じて動作する。検出タイミング設定回路5は、SA4aに対して検出タイミング信号を出力する。
SA4aは、検出タイミング生成回路5により設定されたタイミングに電位VSINTを検出する。具体的には、SA4aは、検出タイミング信号がローのときには電位VSINTを検出せず、検出タイミング信号がハイのときに電位VSINTを検出する(図8参照)。検出タイミング信号がハイのときに電位VSINTが基準電位Vrefよりも高い場合には、SA4aは、パルス幅制御信号の値を変化させてWL幅を変更する。
図8は、第2実施形態の半導体記憶装置の動作を説明するための波形図である。
図8(a)のSSプロセスの場合の動作は、図5(a)と同様である。ただし、SA4aは、検出タイミング信号がハイである期間のみに動作する。本実施形態の検出タイミング信号は、時刻tより後に立ち上がり、時刻tより前に立ち下がる。これにより、SA4aの動作期間を、イネーブル信号ENがローである期間や、ワード線上の電圧がハイである期間の一部に限定することができる。
次に、図8(b)のFFプロセスの場合について説明する。
イネーブル信号ENが時刻tにハイからローに変化し、ワード線上の電圧がローからハイに変化すると、ビット線上の電圧は電源電位VDDから下降し始め、電位VSINTは接地電位VSSから上昇し始める。
検出タイミング設定回路5は、時刻tより後に検出タイミング信号をローからハイに切り替える。SA4aは、検出タイミング信号がハイである期間中に電位VSINTが基準電位Vrefよりも高いときには、パルス幅制御信号の値を変化させてWL幅を変更する。図8(b)の場合には、この期間中の時刻tに電位VSINTが基準電位Vrefに到達するため、パルス幅制御信号の値は時刻tにローからハイに切り替えられる。
パルス幅制御信号の値が時刻tにローからハイに変化すると、イネーブル信号ENが時刻tにローからハイに切り替えられる(矢印A)。この場合、タイミング制御回路2は、パルス幅制御信号の値に基づいてWL幅を調整することで、BL振幅を制御する。具体的には、パルス幅制御信号の値が時刻tにローからハイに変化すると、タイミング制御回路2は、ワード線上の電圧を時刻tにハイからローに切り替える(矢印A)。これにより、WL幅が通常時の幅よりも短くなり、その結果、BL振幅が減少する(矢印A)。ビット線上の電圧は、時刻tから上昇に転じて、電源電位VDDに戻る。一方、電位VSINTは、時刻tから下降に転じて、接地電位VSSに戻る(矢印A)。
以上のように、本実施形態の半導体記憶装置は、検出回路4(SA4a)が電位VSINTを検出するタイミングを、検出タイミング設定回路5により設定されたタイミングに限定する。よって、本実施形態によれば、検出回路4をこのタイミングだけ動作させることで、検出回路4の消費電力を削減することが可能となり、これにより、半導体記憶装置の消費電力の増大をさらに抑制することが可能となる。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
1:セルアレイ、1a:ダミーセル、2:タイミング制御回路、
3:電位生成回路、3a:スイッチ、3b:ダイオード、
4:検出回路、4a:センスアンプ、5:検出タイミング設定回路

Claims (6)

  1. メモリセルと、前記メモリセルに接続されたワード線と、前記メモリセルに接続されたビット線と、を有するセルアレイと、
    前記セルアレイ内の前記メモリセルに印加される電位を生成する電位生成回路と、
    前記電位に基づいて、前記ワード線上のパルス電圧のパルス幅を制御する制御信号を出力する制御信号出力回路と、
    前記制御信号の値に基づいて前記パルス幅を調整することで、前記パルス電圧の発生中に生じる前記ビット線上の電圧の振幅を制御するパルス幅調整回路と、
    を備える半導体記憶装置。
  2. 前記電位生成回路は、並列接続されたダイオードおよびスイッチを有する、請求項1に記載の半導体記憶装置。
  3. 前記電位生成回路は、前記電位としてフローティング電位を生成する、請求項1または2に記載の半導体記憶装置。
  4. 前記制御信号出力回路は、前記電位が所定電位に到達した場合に、前記制御信号の値を変化させて前記パルス幅を変更する、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
  5. 前記セルアレイは、電源線と接地線との間に設けられており、
    前記電位生成回路は、前記セルアレイと前記接地線との間に設けられている、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
  6. 前記制御信号出力回路が前記電位を検出するタイミングを設定する検出タイミング設定回路をさらに備え、
    前記制御信号出力回路は、前記検出タイミング設定回路により設定されたタイミングに前記電位を検出する、請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
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