JPH02231760A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH02231760A
JPH02231760A JP1053155A JP5315589A JPH02231760A JP H02231760 A JPH02231760 A JP H02231760A JP 1053155 A JP1053155 A JP 1053155A JP 5315589 A JP5315589 A JP 5315589A JP H02231760 A JPH02231760 A JP H02231760A
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differential amplifier
integrated circuit
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Kenji Numata
沼田 健二
Hidetake Fujii
藤井 秀壮
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は半導体集積回路装置に係り、特にダイナミック
RAMにおけるビット線センスアンプ等の差動増幅器部
の改良に関する。
(従来の技術) 半導体記憶装置特にダイナミックRAM (以下、DR
AMと略称する)では、メモリセルからビット線に読み
出された微小信号を高い電圧マージンをもって高速にセ
ンスすることが必要である。
このためビット線センスアンプには通常、ダイナミック
型フリップフロップを構成する差動増幅器が用いられる
第7図はその様な従来のDRAMのビット線センスアン
プの構成例である。このビット線センスアンプは、“L
゜レベル側の信号増幅を行うNMOSセンスアンブNS
Aと゜H”レベル側の増幅を行うPMOSセンスアンプ
PSAとから構成される。NMOSセンスアンブNSA
は、ゲート・ドレインを交差接続した二つのnチャネル
MOSトランジスタQ nl, Q n2により構成さ
れ、その共通ソースノードは活性化用nチャネルMOS
トランジスタQn3を介して接地電位VSSに接続され
る。PMOSセンスアンプPSAは、ゲート・ドレイン
を交差接続した二つのpチャネルMOSトランジスタQ
p.l. Qp2により構成され、その共通ソースノー
ドは活性化用pチャネルMOSトランジスタQp3を介
して電源電位VCCに接続される。センスアンプの各セ
ンスノードは対をなすビット線BLL,BLRに接続さ
れる。ビット線には多数のダイナミック型メモリセルが
接続されるが、図ではそれぞれ一個ずつのメモリセルM
SL,MSRが示されている。
第8図は、この様な従来のDRAMのビット線センスア
ンプ部の要部構造を示す。p型シリコン基板21を用い
てこのp型基板領域にメモリセルアレイが形成され、ま
たNMOSセンスアンプが形成される。PMOSセンス
アンプは、基板に形成されたn型ウェル22内に形成さ
れる。
この様な従来のビット線センスアンプにおいて、NMO
SセンスアンブNSAを構成する二つのれチャネルMO
SトランジスタQ nl. Q n2のバックゲートΦ
バイアス電位には、メモリセルのトランスファゲートと
同様負の基板バイアス電位VSaが用いられていた。こ
れは′!J8図の断面構造から理解されるように、全て
のnチャネルMOSトランジスタは同じ基板領域に形成
されているためである。周辺回路用nチャネルMOSト
ランジスタやメモリセルのトランスファゲートの都合か
ら言えば、バックゲート・バイアスを負電位にしておく
のは、入力ピンの“L″レベル側仕様や接合容量の低減
,トランジスタのバックゲート●バイアス依存性の低減
等の観点から好ましいことである。
しかし、ビット線センスアンプのMOSトランジスタに
とっては、しきい値電圧が高くなってセンス速度や動作
マージンの点で問題が生じる。この点をより具体的に第
9図.第10図を参照して説明する。
第9図は、センス動作時のビット線センスアンプの各部
の電位変化(a)とNMOSセンスアンブNSAのトラ
ンジスタのしきい値電圧( V th)変化(b)を示
している。NMOSセンスアンブNSAが動作を開始す
るのは、第8図(a)に示すように、共通ソースノード
の電位Vaと、“H”レヘル側のビット線電位の間にn
チャネルMOSトランジスタQ nl. Q n2のし
きい値電圧vth分の電位差がついた時である。即ち、
NMOSセンスアンプNSAの活性化信号SENが“H
2レベルに立上がってから、時間1,だけ遅れてセンス
動作が開始される。このことから、MOSトランジスタ
Q nl.  Q n2のしきい値電圧vthが大きい
程センス動作は遅れることになる。
また、DRA,Mの高集積化に伴い、MOSトランジス
タの信頼性の観点から電源電圧VCCは低くなる傾向に
ある。この電源の低電圧化に伴い、MOSトランジスタ
のしきい値電圧もスケーリングされなければならない。
何故なら、ブリチャージ電位(1/2)Vcc程度まで
しきい値電圧が大きくなると、nチャネルMOSトラン
ジスタのセンスアンプは十分なセンス動作ができなくな
るからである。第7図の従来構成では、センス動作開始
前のnチャネルMOSトランジスタQ nl,Qn2の
共通ソースノード電位は(1/2)Vccのプリチャー
ジ電位になっており、バックゲート電位は(1/2) 
Vcc  Vaaである。例えば、Vcc− 5 V,
 Vaa−  3 V テあれば、5.5Vのバックゲ
ート・バイアスがかかることになる。
第10図は、nチャネルMOSトランジスタの典型的な
しきい値電圧のバックゲート・バイアス特性を示してい
る。これから、従来のビット線センスアンプ構成ではセ
ンス動作開始前は第10図のa点、センス終了後はβ点
のしきい値電圧になる。実際のセンス動作時のMOSト
ランジスタQ nl, Q n2のしきい値電圧変化は
第9図(b)に示す通りである。これを見て明らかなよ
うに従来構成では、センス動作開始前に最もしきい値電
圧の高い状態となり、従って゜センス動作の時間遅れ【
lが大きく、低電圧領域でのセンス動作が難しくなるこ
とがわかる。センス速度を向上させ、低電圧領域でのセ
ンス動作マージンを向上させるためには、NMOSセン
スアンプを構成するMOSトランジスタをデブレション
型にしない程度にそのしきい値電圧を低くすることが必
要なのである。
(発明が解決しようとする課題) 以上のように高集積化したDRAMにおいては、従来の
ビット線センスアンプでは、NMOSセンスアンプでバ
ック.ゲート・バイアス効果によりセンス速度が遅くな
り、また低電圧領域でのセンス動作マージンで低下する
、という問題があった。同様の問題はDRAMに限らず
、同様の条件で構成される集砧回路内の差動増幅器一般
にある。
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、センス速
度と動作マージンの向上を図った差動増幅器を有する半
導体集積回路装置を提供することを目的とする。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は半導体集積回路内に形成されるMOSトランジ
スタからなる差動増幅器を、半導体基板の他の回路領域
から電気的に分離されたウェル内に形成し、且つそのウ
ェル電位をMOSトランジスタのしきい値電圧がセンス
動作時に低いレベルの一定値に保たれるように制御する
手段を設けたことを特徴とする。
(作用) このような構成とすれば、ウェル電位制御によって差動
増幅器の動作開始前にそのMOSトランジスタのしきい
fR電圧を十分低い値に設定し、動作開始後もそのしき
い値電圧を保つことによって、高速のセンス動作が可能
となり、またセンス動作マージンの向上が図られる。
(実施例) 以下、本発明をDRAMに適用した実施例を説明する。
第1図は、一実施例のDRAMのビット線センスアンプ
部の構成を示す等価回路である。従来の第7図と対応す
る部分には第7図と同一符号を付してある。ビット線セ
ンスアンプ101は、pチャネルMOSトランジスタQ
 p1. Q p2からなるフリップフロップ構成のP
MOSセンスアンプPSAと、nチャネルMOSトラン
ジスタQ nl,Qn2からなるフリップフロップ構成
のNMOSセンスアンプNSAにより構成される。そ6
基本構成は従来と同様である。この実施例では、後に説
明するようにNMOSセンスアンブNSAは、半導体基
板上で他の回路領域から分離されたウェルに形成されて
おり、このウェルに対してウェル電位制御回路102が
設けられている。即ち、通常?基板バイアスVB8とは
別に、ウェル電位制御回路102からの出力電位VSa
によりNMOSセンスアンプNSAを構成する二つのn
チャネルMOSトランジスタQ nl, Q n2の基
板電位を制御するようになり,ている。
第3図は、そのビット線センスアンプの構成に対応する
要部構造である。この実施例では、n型シリコン基板1
を用い、そのメモリセル領域にp型ウェル2,が形成さ
れ、これとは別にビット線センスアンプのNMOSセン
スアンプNSA部を構成するp型ウェル2■が形成され
ている。図では、p型ウェル2lには一つのメモリセル
を示している。即ちp型ウェル21にゲート絶縁膜4を
介してゲート電極5が形成され、このゲート電極5に自
己整合されてソース.ドレインとなるn型層31.32
が形成されて、トランスファゲートMOSトランジスタ
が構成されている。またこのMOSトランジスタのソー
スn型層32とつながるn型層上にキャパシタ絶縁H6
を介してキャパシタ電極7が形成されてMOSキャパシ
タが構成?れている。このメモリセル領域のp型ウェル
2,に負の基板バイアスVBBを与えるためp+型層8
が形成されている。NMOSセンスアンプNSA部のp
型ウェル2■には、フリツブフロツブを構成する二つの
nチャネルMOSトランジスタが形成されている。図で
はその内一つのMOSトランジスタのみが示されている
。即ちゲート絶縁膜10を介してゲート電極11が形成
され、このゲート電極11に自己整合されてソース,ド
レインとなるn”型層91.92が形成されている。
このp型ウェル2■には、メモリセル領域のp型ウェル
2Iとは別に前述のウェル電位制御回路からの出力VS
Bを印加する端子として、p+W層12が形成されてい
る。PMOSセンスアンプPSAを構成するフリップフ
ロップは、n型基板1上に形成されている。図ではやは
りそのうち一つ、ゲート絶縁膜14.ゲート電極15,
ソース,ドレインp1型層131.13■からなるpチ
ャネルMOSトランジスタが示されている。n型基板1
には、電源電位VCCを基板電位として与える端子層で
あるn゜型層16が形成されている。
第4図は、他の構造例である。第3図と異なりこの例で
はp型シリコン基板21を用いている。
メモリセル部はこのp型基板21領域に形成される。ビ
ット線センスアンプ部はこのp型基板21に形成された
n型ウェル22に形成されている。
即ちn型ウェル22内に更にp型ウェル22が形成され
、ここに第3図と同様にNMOSセンスアンプNSAが
形成され、n型ウェル22にPMOSセンスアンプPS
Aが形成されている。
第3図と同様、NMOSセンスアンブNSAが形成され
たp型ウェル22には、他の回路領域とは別にウェル電
位を与える端子領域としてp+型層12が形成されてい
る。
第2図(a)(b)は、第1図におけるウェル電位制御
回路102の構成例であり、第2図(C)はその制御信
号発生回路である。第2図(a)の回路は、ブリチャー
ジ電位(1/2)Vccと接地電位VSS間に接続され
たnチャネルMOSトランジスタQn4とキャパシタC
Saからなる積分回路と、キャパシタCSBの電荷を放
電するためのnチャネルMOSトランジスタQn5とか
ら構成されている。
MOSトランジスタQn4とQn5のゲートには、相補
信号φSTRとφSTRが入力されるO相捕信号φ,↑
、とφSTRは、第2図(e)に示されるように、ロウ
・アドレスφストローブ信号(RAS)が“L”レベル
になった時に立上がる信号RASと、NMOSセンスア
ンブNSAの活性化信号SENによりつくられる。信号
RASおよびSENが“L’ レベルの間は、SENが
インバータG1により反転されてNANDゲートG2に
入るから、NANDゲー} G 2の出力は′H”レベ
ルであり、従ってインバータG,により制御信号φST
,lは“L1レベルである。信号RASが立上がること
によって制御信号φSTRが立上り、その後所定時間た
って活性化信号SENが立上がることにより、この制御
信号φSTRは立ち下がる。
これにより、第2図(a)の制御回路からは、信号RA
Sに同期して所定の時定数で立上り、次いで立ち下がる
という出力電位VSaが得られる。この出力電位VSB
がウェル電位としてNMOSセンスアンプNSA部のp
型ウェル22に与えられる.第2図(b)の回路は、第
2図(a)の回路に対して更に、nチャネルMOSトラ
ンジスタQ n6,Qn7をドライバとし、pチャネル
MOSトランジスタQ p4. Q p5を負荷とする
カレントミラー型差動増幅器を用いて、NMOSセンス
アンブNSAの共通ソース・ノード電位Vaをモニタし
て、放電用MOSトランジスタQn5を制御するように
したものである。電源側には、制御信号φSTRにより
制御される活性化用pチャネルMOSトランジスタQp
Oが設けられている。このカレントミラー型差動増幅器
は、制御信号φSTHにより活性化されるが、共通ソー
ス・ノード電位Vaが所定の参照電位V ref以下に
なった時に放電用MOSトランジスタQn5がオン制御
され、これにより基板電位制御出力VSBの電位変化を
共通ソース・ノード電位Vaに追随させるようにしてい
る。
この実施例のビット線センスアンプの動作を次に第5図
を参照して説明する。第5図は、ウェル電位制御回路1
02として第2図(a )の回路を用いた場合の動作波
形である。DRAMチップが活性化され、RASアクテ
ィブ会サイクルに入って信号RASが立上がると、前述
のように制御信号φSTRが“H” レベルになる。こ
れにより第2図(a)の回路でMOSトランジスタQn
4がオン,Qn5がオフとなり、MOSトランジスタQ
n4を通してキャパシタCSBに充電が開始される。こ
の結果、ビット線センスアンブ゜が活性化される前に出
力VSaがブリチャージ電位(1/2)Vccに設定さ
れる。この出力VSaがp型ウェル22に与えられるか
ら、NMOSセンスアンプNSAのMOSトランジスタ
Q nl, Q n2のバックゲート電圧はOvとなり
、これらのしきい値電圧は第5図(b)に示すように低
い値に設定される。その後活性化信号SENが“H1レ
ベル,SEPが”L1レベルになり、センス動作が開始
される。このとき制御信号φsTRは“L゜レベルにな
り、第2図(a)においてMOSトランジスタQn4が
オフ,Qn5がオンになる。これにより、キャパシタC
SBの電荷はMOSトランジスタQn5を介して放電さ
れ、出力VSI+は低下する。この出力電位VSBの電
位低下は、第5図(b)に示すようにNMOSセンスア
ンブNSAの共通ソース・ノードの電位Vaの低下に追
随するように、MOSトランジスタQn5の素子寸法が
設定されている。これによってNMOSセンスアンブN
SAのMOSトランジスタQ nl, Q n2のバッ
クゲート電圧がほぼ一定に保たれた状態でセンス動作が
行われる。即ちこれらのMOSトランジスタQ nl,
 Q n2のしきい値電圧は、第5図(b)に示すよう
に、センス動作開始の直前からセンス動作を行う間低い
値に保たれる。
こうしてこの実施例によれば、活性化信号SENが立っ
てからNMOSセンスアンプNSAによるセンス動作が
始まるまでの時間t2が、第9図(a)に示した従来例
での時間t,と比較して明らかなように大きく短縮され
る。また電源電圧VCCが低いものとな−)hとしても
、電圧的に余裕を持ったセンス動作を行うことができる
。つまり、ビット線センスアンプのうち“L″レベル側
の微小信号増幅を行うNMOSセンスアンブNSAが高
速化され、また高い動作マージンが得られる結果、高集
桔化DRAMの性能向上が図られる。
第6図は、本発明の他の実施例のビット線センスアンプ
部の構成を示す等価回路である。その基本構造は先の実
施例の第3図或いは第4図と同様に、NMOSセンスア
ンプNSA部が他の回路領域から分離されたp型ウェル
に形成される。この実施例の場合、このNMOSセンス
アンプNSAの共通ソースψノードがそのまま、−これ
が形成されたp型ウェルに接続される。つまり共通ソー
スeノードの電位Vaをそのままp型ウェル電位とする
この実施例の場合、NMOSセンスアンプNSAのMO
SトランジスタQ nl, Q n2のバックゲート電
圧は常にゼロとなる。従ってこれらのしきい値電圧を予
めバックゲート・バイアスが零の状態で十分低い値にな
るように素子形成条件を設定しておけば、¥S5図に一
点鎖線で示したようにこれがセンス動作の前後に亙って
常に低い一定値に保たれる。これにより、先の実施例と
同様の効果が得られる。
以上の実施例においては、DRAMのビット線センスア
ンプを構成するNMOSセンスアンプ側に本発明を適用
した場合を説明した。これは、PMOSセンスアンプと
NMOSセンスアンプからなるビット線センスアンプ(
CMOS差動増幅器)では微小電位を先にセンスするの
がNMOSセンスアンプだからである。しかしPMOS
差勤増幅器が同様に微小信号増幅を行うものとして用い
られる場合には、これに本発明を適用することができる
。また以上では専らDRAMのビット線センスアンプに
ついて説明したが、SRAMなどの他の半導体メモリや
各種論理集積回路等にも本発明を適用することができる
[発明の効果1 以上述べたように本発明によれば、5集積回路内に構成
されるMOSトランジスタを用いた差動増幅器のセンス
用MOSトランジスタを、半導体基板の他の回路領域か
ら分離されたウェルに形成し、そのウェルを基板バイア
スとは別のウェル電位を・与えて制御することにより、
センス用MOSトランジスタのセンス動作時のしきい値
電圧を低く保ち、もってセンス速度と低電圧領域でセン
ス動作マージンの向上を図った集積回路を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のDRAMにおけるビット線
センスアンプ部の等価回路図、第2図(a)〜(c)は
そのウェル電位制御回路と制御信号発生回路を示す図、
第3図はそのビット線センスアンプの要部構造を示す断
面図、第4図は他の構造例を示す断面図、第5図はその
ビット線センスアンプの動作を説明するための波形図、
第6図は他の実施例のビット線センスアンプ部の構成を
示す等価回路図、第7図は従来のビット線センスアンプ
部の構成を示す等価回路図、第8図はその要部構造を示
す断面図、第9図はそのビット線センスアンプの動作を
説明するための波形図、第10図はMOSトランジスタ
のしきい値のバックゲート電圧依存性を示す図である。 101・・・ビット線センスアンプ、102・・・ウェ
ル電位制御回路、NSA・・・NMOSセンスアンプ、
P S A ・P M O Sセンスアンプ、Q nl
, Q n2・・・センス用nチャネルMOS}ランジ
ス.夕、Qpl,Qp2・・・センス用pチャネルMO
Sトランジスタ、Qn3・・・活性化用nチャネルMO
Sトランジスタ、Qp3・・・活性化用pチャネルMO
Sトランジスタ、1・・・n型シリコン基板、21 *
  22・・・p型ウェル、21・・・p型シリコン基
板、22・・・n型ウェル。 Vcc 第1図 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 (a) (b) 第 図 第 図 第 図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)ゲート、ドレインを交差接続し、ソースを共通接
    続した二つのMOSトランジスタにより構成される差動
    増幅器を含む回路が集積形成された半導体集積回路装置
    において、前記差動増幅器は、半導体基板に形成された
    他の回路領域から、分離された逆導電型ウェル内に形成
    され、且つその逆導電型ウェルにセンス動作の前後に亙
    って前記MOSトランジスタのしきい値電圧を一定に保
    つように電位を与えるウェル電位制御手段を備えたこと
    を特徴とする半導体集積回路装置。
  2. (2)ゲート、ドレインを交差接続し、ソースを共通接
    続した二つのMOSトランジスタにより構成される差動
    増幅器を含む回路が集積形成された半導体集積回路装置
    において、前記差動増幅器は、第1導電型半導体基板に
    形成された第2導電型ウェル内に第1導電型ウェルが形
    成されてこの第1導電型ウェル内に形成され、且つその
    第1導電型ウェルにセンス動作の前後に亙って前記MO
    Sトランジスタのしきい値電圧を一定に保つように電位
    を与えるウェル電位制御手段を備えたことを特徴とする
    半導体集積回路装置。
  3. (3)半導体基板と、この基板に形成され他の回路領域
    から電気的に分離されたウェル領域と、このウェル領域
    内に形成された二つのMOSトランジスタのゲート、ド
    レインを交差接続して構成された差動増幅器と、この差
    動増幅器の共通ソース・ノードに接続された活性化用M
    OSトランジスタと、前記差動増幅器の活性化時に前記
    ウェル領域に前記共通ソース・ノードの電位変化に追随
    して変化する電位を与えるウェル電位制御回路とを備え
    たことを特徴とする半導体集積回路装置。
  4. (4)半導体集積回路はダイナミックRAMであり、差
    動増幅器はビット線センスアンプを構成するフリップフ
    ロップである請求項1、2または3のいずれかに記載の
    半導体集積回路装置。
  5. (5)ゲート、ドレインを交差接続し、ソースを共通接
    続した二つのpチャネルMOSトランジスタからなるP
    MOSセンスアンプと、ゲート、ドレインを交差接続し
    、ソースを共通接続した二つnチャネルMOSトランジ
    スタかなからなるNMOSセンスアンプSをビット線に
    接続して構成されたビット線センスアンプを有するダイ
    ナミックRAMにおいて、前記NMOSセンスアンプは
    、半導体基板の他の回路領域から分離されたp型ウェル
    内に形成され、且つその共通ソース・ノードがそのp型
    ウェルに接続されていることを特徴とするダイナミック
    RAM。
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