JPS5922316B2 - ダイナミツクメモリ装置 - Google Patents

ダイナミツクメモリ装置

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JPS5922316B2
JPS5922316B2 JP51019178A JP1917876A JPS5922316B2 JP S5922316 B2 JPS5922316 B2 JP S5922316B2 JP 51019178 A JP51019178 A JP 51019178A JP 1917876 A JP1917876 A JP 1917876A JP S5922316 B2 JPS5922316 B2 JP S5922316B2
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data line
data
memory cell
flop
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弘行 木下
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    • G11C11/4091Sense or sense/refresh amplifiers, or associated sense circuitry, e.g. for coupled bit-line precharging, equalising or isolating

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は1トランジスタ/セル方式によるダイナミッ
クメモリ装置に関する。
MOS型半導体記憶装置は、現在電子計算機システムの
メモリとして広く採用されるようになつている。
この場合、ダイナミックメモリ装置として追及されるこ
とは、メモリ容量を高めることと同時にランダムアクセ
スメモリ(RAM)として読出し書込みの時間を短縮し
あるいはセンス感度を高める等の性能を高めることであ
る。MOS型のRAMの大容量化、高性能に伴つて、メ
モリセルはセルの占有面積が小さくかつ構造の簡単な1
トランジスタ/セル方式が注目されているが、この種の
方式のRAMではデータ線に生じる電圧変化が微小であ
るために、読出しデータを感度よく検知して確実に増幅
しうるようなセンスアンプ(出力検出器)が必要となる
。第1図は1個の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(
以下MOSトランジスタと略称する)と1個のキャパシ
タにより1メモリセルが構成されるダイナミックメモリ
装置の一例を示すブロック図である。
センスアンプ1の両側にデータ線DL、、DL2が配置
され、これらデータ線DL、、DL2にはそれぞれメモ
リセルアレイ21、22ダミーセル3,,3,が接続さ
れている。上記メモリセルアレイ21,2,はそれぞれ
同数のメモリセルから構成され、また上記一方のデータ
線DL,にはデータを入出力するための入出力回路4が
接続されている。従来のこの種のダイナミツクメモリ装
置は、一般に1チツプ内で第2図のように構成される。
uはデータ線DL,側のダミーセル、uはセンスアンプ
、13は上記メモリセルアレイ2,の内で選択されたメ
モリセルを示している。図では省略されているが、64
×64メモリセルからなる4Kビツトのダイナミツクメ
モリ装置の場合、各列が64個のメモリセルと1個のセ
ンスアンプとで構成され、32本ずつのアドレス線AL
がセンスアンプLlを構成するフリツプフロツプFFの
左右のノードNA,NBに接続したデータ線DL,,D
L,に直交する様に配置される。メモリセルリは、MO
SトランジスタTiとキヤノ寸シダCiとからなり、ア
ドレス線ALiによつて選択される。またダミーセルu
は、アドレス線ALAに対してMOSトランジスタTA
lとキヤパシタCAとをメモリセルと同様に接続し、さ
らにTAlとCAとの接続点には比較電位を書込むため
のMOSトランジスタTA2が接続されている。
比較電位としては通常゛1ゝと001との中間電位VO
が設定されている。上記構成のダイナミツクメモリ装置
では、選択されたメモリセルL3と反対側のデータ線D
Llにあるダミーセルuとが、読出したデータ線DL,
,DL2上でのデータの大小をセンスアンプuで比較さ
れ、増幅した後に出力回路を通つてデータとして読出さ
れる。
またデータ書込み時には、入力回路を通つてデータ線D
Ll側のメモリセルアレイ2,に対しては直接にデータ
が書込まれ、データ線DL2側のメモリセルアレイ22
に対してはセンスアンプVlを介して書込まれるように
なつている。上記センスアンプLノは、交差結合された
MOSトランジスタQ,,Q,P)らなるフリツプフロ
ツプFFI:.MOSトランジスタQ,でノードNA,
NB間を接続する様に構成されている。
このフリツプフロツプFFに対してMOSトランジスタ
Q4は電源VDDと上記ノードNAとの間に、MOSト
ランジスタQ,は電源VDDと上記ノードNBとの間に
それぞれ負荷トランジスタとして設けられている。なお
φ,は上記MOSトランジスタQ,のゲートに、φ,は
上記MOSトランジQ4,Q,のゲートにそれぞれ供給
されている制御パルスを示し、同様にφ1はダミーセル
uに比較電位を書込むときにMOSトランジスタTA,
のゲートに供給される制御パルスである。また、上記両
データ線DLl,DL,の浮遊容量は、それぞれCDl
,CD,として示される。第3図は上記各MOSトラン
ジスタをNチヤネルのもので構成した場合の動作波形図
を示している。
この動作波形図にしたがつて、メモリセル[3に゛1”
が書込まれている場合の読出し動作を説明する。60″
が書込まれている場合はデータ線DLl,DL2の動き
が全く逆になるだけであるから省略する。
クロツクφ1が11のになる時刻T,では、MOSトラ
ンジスタTA,が導通し、ダミーセルuのキヤパシタC
Aに比較電位V。
が書込まれ、次にクロツクφ,が時刻T2で61″にな
る。このクロツクφ,が61″になると、それぞれ61
″,601になつていたデータ線DLl,DL,は接続
され、センスアンプUO)MOSトランジスタQ,,Q
,のドレイン電圧とゲート電圧が共通になるため、デー
タ線DL,,DL2はトランジスタQl,Q,のスレツ
シヨルド電圧VTHまで放電する。このような状態では
、トランジスタQl,Q2のゲート電圧の変化が直接に
コンダクタンスの変化になるため、感度は極めて高い。
そして、次に時刻T,でアドレス線ALiとALAとが
0ビになると、ダミーセルuとメモリセルT3の転送用
のMOSトランジスタTAlとTiとが同時に導通して
キヤパシタCA,Ciの電荷はデータ線DL,,DL,
にあられれる。この場合、メモリセルT3に書込まれて
いた電圧をVilメモリセルリのキヤパシタCiの容量
をCilデータ線DL2の浮遊容量をCD,とすれば、
データ線DL2にあられれる時刻T,での電圧変化Δv
はである。
一般には、データ線DLl,DL,には、ダミーセルと
ともに複数のメモリセルが接続されていて(上記の4K
ビツトRAMの場合には、各各32個)、容量CiとC
D2とはCD2》Ciであるから、データ線DLl,D
L2での電圧変化は極めて小さい(通常0.5ボルト程
度である)。この微小なデータ線の電圧変化を感知した
トランジスタQl,Q2は、読出された電圧が低いデー
タ線つまりダミーセルu側のデータ線DLlの信号レベ
ルを徐々に放電して607とし、他方データ線DL2の
信号レベルは61″とされる。これは、クロツクφ3が
時刻T4以降に徐々に6ビになつていく期間に対応し、
時刻T,でクロツクφ3が″1″になると、負荷トラン
ジスタQ4,Q,から電源電圧VDDが供給されデータ
線DLl,DL,はそれぞれ60″,611の明確な電
圧レベルまで増幅されている。こうして時刻T5から上
記、アドレス線ALi,ALAt)げ11の期間内に、
メモリセルリのMOSトランジスタTiを介してキヤパ
シタCi&C6l8電圧が再書込みされるとともに、デ
ータ線DLlに接続した出力回路4には、センスアンプ
憂によつてデータ線DL2とは反対の″01が送られる
。もちろん、データ線DLl側のメモリセルアレイ21
内のメモリセルが選択された場合は、データ線DLlか
ら出力回路に送られるデータは反転していない。次に書
込みサイクルについて同じ第3図を用いて説明する。
先の読出しの場合と同様にメモリセル13が選ばれたと
すると、入力回路からデータ線DLl、センスアンプu
を介して入力回路でのデータを反転したデータがこのメ
モリセルT3に書込まれるわけで、結局読出し時には再
反転され正しいデータとして出力回路にデータが送られ
る。この場合にはクロツクφ3が611の期間たとえば
時刻T6のときに入力回路にあられれる書込みパルス信
号によつて、センスアンプuがスタテイツク動作をして
″17の書込みが行なわれている。この種のダイナミツ
クメモリ装置では、センスアンプの感度を200〜30
0mVに設計でき安定した読出し書込み動作を行なわせ
ることができるが、次の様な欠点を有している。
第1に、読出しデータの増幅時、および書込み時にはク
ロツクφ,が″11でスタテイツク動作となるから、セ
ンスアンプのVDD−VSS間に直流電流が流れ、消費
電力が大きくなる4,第2に上記センスアンプがスタテ
イツク動作であるから負荷トランジスタQ4,Q,のコ
ンダクタンスを大きくすることができず、したがつてデ
ータの増幅時のスピードが遅くなる。第3にデータの感
知時にはデータ線の電圧はMOSトランジスタQ,,Q
,のスレツシヨルドレベルまで減少しているため、デー
タ線を拡散層によつて形成した場合にデータ線の浮遊容
量CD,,CD,が大きく、したがつて前記(1)式に
示される読出し電圧の変化ΔVは小さくなる。そして一
般にはメモリセルの性能係数を良くするためにデータ線
に拡散層を用いるが、データ線の浮遊容量CDl,CD
,が大きい故データ線の電圧変化ΔVを大きくするため
にキヤパシタCiの容量を大きくすることになつて、集
積度が低下するという欠点があつた。この発明は上記の
点に鑑みなされたもので、センスアンプをダイナミツク
動作するように改良して電力消費量の低減をはかるとと
もに性能係数を低下することなく集積度を向上させるよ
うにしたダイナミツクメモリ装置を提供することを目的
とする。
すなわち、この発明のダイナミツクメモリ装置はセンス
アンプの接地端(Vss)側の電位を制御することによ
つてダミーセルとメモリセルとの読出し電圧の大小をフ
リツプフロツプで感知し増幅するとき、読出し電圧の低
いノードの電荷のみを接地端側に放電させるようにし、
高い電圧のデータ線の信号レベルはそのまま保持する電
圧設定回路を設けるとともに、データ線に″11電圧再
生回路を付加することによつて61″電圧を明確にする
ものである。
以下に上記の点をこの発明の一実施例の説明によつて明
らかにしていく。
なお、電圧再生回路については後述する(第7図)もの
とし、まず上記電圧設定回路について説明する。第4図
において示される回路は、第2図と同様に1個のMOS
トランジスタと1個のキヤパシタにより1メモリセルが
構成されるダイナミツクメモリ装置であり、選択された
メモリセルリ、ダミーセルuなど第2図と対応する部分
には同一符号を付してある。第2図に示される従来の構
成と異なる点は、センスアンプ0どの接地端側に電圧設
定回路lが、たとえばMOSトランジスタQ6,Q,で
構成され設けられていることである。ここでセンスアン
プ〔1自体は第2図と同じ構成であり、第1図と同様に
データ線DLlには入出力回路が接続されている。上記
電圧設定回路Uは、交差結合したMOSトランジスタQ
,,Q,の接地端側電極を互いに接続し、この接続点1
5の電圧Vl,を上記MOSトランジスタQ,によつて
(0D−2TH−ΔV)ボルトに設定でき、かつ上記M
OSトランジスタQ,によつて接地電位Vssに設定で
きるものである。すなわち、MOSトランジスタQ6,
Q,が直列に接続され、αのゲートにはクロツクφ3が
、Q,のゲートにはクロツクφ,が供給されていて、こ
のMOSトランジスタQ6とQ,との接続点が上記セン
スアンプ〔γの接続点15と接続されている。なお、第
4図では、第2図と同様にメモリセルアレイのうちの選
択された単位メモリセルのみが示されているにすぎず、
別の列に対応するデータ線に設けられたセンスアンプに
もそれぞれ同じ電圧設定回路を接続しても、あるいは多
数(もしくはすべて)のセンスアンプに共通に1個の電
圧設定回路が接続されていてもよい。第4図の実施例回
路の動作を、次に第5図の動作波形を参照しつつ説明す
る。まず、クロツクφ1によつてダミーセル11のキヤ
パシタCAに601,61″の中間の電圧V。を書込む
。次にクロツクφ,によつてデータ線DL,,DL,を
81ツに充電する。この時クロツクφ,の″1″電圧を
VDDlトランジスタQ4,Q,のスレツシヨルド電圧
をVTHとすれば、.時刻T2にはデータ線DLl,D
L,ともに(VDD−VTH)の電圧まで充電される。
時刻T,でクロツクφ,が電圧設定回路UのMOSトラ
ンジスタαに供給されると、接続点15の電圧,5は(
DD−2TH−ΔV)になる。これによつてデータ線D
L,,DL,はMOSトランジスタQ,,Q2のゲート
電圧とソース電圧との差がスレツシヨルド電圧VTHに
なるまで、即ちVDD−THからVl,+VTHになる
まで放電される。つまり、データ線DLl,DL2はΔ
Vだけ電位が下つて、センスアンプLVの感度は最良の
状態になる。この状態でMOSトランジスタQ3にクロ
ツクφ4を供給してデータ線DL,とDL,を接続すれ
ば、トランジスタのばらつきによる影響を排除してデー
タ線DLlとDL2とをVl,+VTHなる電位まで安
定して放電させることができる。アドレス線ALA,A
Liが時刻T,で″11になると、ダミーセルuとメモ
リセルリとから比較電圧V。とデータとがそれぞれ読出
されてデータ線DL,,DL,には微小な電圧の変化が
おこる。この場合、同時刻T4に接続点15の電圧を(
VDD−2VTH−ΔV)より更に少したとえば0.5
ボルト程度電圧を低下させると、トランジスタQl,Q
2の間にコンダクタンスの差が生じ時刻T,までの間に
より低電位のデータ線すなわちダミーセルu側のDLl
は徐々に放電してセンスアンプLγの感度は更に高くな
る。そして時刻ちにクロツクφ5が徐々に811になる
と接続点15ではVss側に対して放電を開始し、読出
し電圧の高いデータ線DL2はクロツクφ,によつて設
定された電圧(Vl,+VTH)すなわち(VDD−V
TH−ΔV)に保持され読み出し電圧の低いデータ線D
LlはVssの電圧まで放電される。したがつて微小な
読出し電圧の変化が明確な601,61″電圧になつて
データ線DLl,DL2にあられれ、かつメモリセルT
3のキヤパシタCiにもデータ線DL2の電圧(VDD
−VTH−ΔV)が書込まれることになる。なお、メモ
リセルリの内容が゛O”の場合には、データ線DL2が
放電する事によつて接地電位VssがキヤパシタCiに
書込まれてリフレツシユされる。ただ、クロツクφ,の
立上りのタイミングが早過ぎる場合、即ち接続点15の
放電時間が短いとデータ611のリフレツシユ時にはデ
ータ線DL2の電圧が最初充電した電圧よりも減少する
ために好ましくなく、クロツクφ,のタイミングは確実
に設定することが必要である。また、増福された信号は
従来の場合と同様、データ線DL,を介してメモリセル
Iでの記憶内容とは反対の信号として出力回路に供給さ
れる。次に書込みサイクルについて第5図をもとに説明
する。
データの書込みには、まず第1図に示す入力回路4にお
いてデータ線DLl,DL,のいずれを選択するかが決
定され、このとぎのアドレス信号によつてデータ線DL
,に接続されたメモリセルアレイ2,が選ばれた場合に
は、入力信号Inをそのまま入力回路から供給し、デー
タ線DL,に接続したメモリセノげレイ2,1が選ばれ
た場合には入力信号1nを反転した信号1nがつくられ
る。勿論こうした仮定は反対にデータを書込む場合を妨
げるものではない。書込み時には、まずクロツクφ5は
60″とされ、時刻T9でクロツクφ4を″11として
データ線DLl,DL,を接続し、入力回路から送られ
た信号をメモリセルに書込む。データ線DLlに接続し
たメモリセルが選ばれるときはデータInが書込まれ、
データ線DL2のときはInが書込まれ、これによつて
読出されるデータはどちらのメモリセルアレイからでも
正しく出力される。なお、出力時に読出しデータを選択
されたアレイに応じて反転するようにしてもよい。以上
のようにこの発明のダイナミツクメモリ装置は、ダミー
セルとメモリセルの読出し電圧の大小をセンスアンプで
比較する際に、低電圧側のデータ線だけを接地電位Vs
sに放電させ、高い読出し電圧によるデータ線の電位は
最初に設定した電圧をそのまま保持させるようにしてい
る。
この場合、第1にセンスアンプにおける直流電流の経路
が全く形成されないから、消費電力は著しく低減される
。第2に、第5図に示す様に10″の読出し電圧はVs
sに放電されるため、センスアンプの動作速度が早い。
第3に、データ感知時にはデータ線はいずれも111の
高電圧にあるために、データ線を拡散層で形成した場合
データ線の浮遊容量が小さく読出し電圧の変化が大きく
できる。こうして、上記実施例から明らかな様に、従来
のダイナミツクメモリ装置の欠点はことごとく除かれ、
センスアップの感度もよくなつてメモリセルの集積度を
高めることができる。上記実施例に従つて構成したダイ
ナミツクメモリ装置で実験的に得た結果は次の通りであ
る。
データ線の浮遊容量CDとメモリセルの容量Ciとの比
がCTy/Ci=101クロツクφ,の立上り電圧が5
0nsecの場合、センス感度は200mV以下、11
″読出し時でのデータ線の″17電圧減少幅は全振幅(
60″と8ビとの差電圧)の10%内に押えられている
。第6図は上記電圧設定回路の他の構成例を示している
電圧設定回路14!は1個のMOSトランジスタQ7′
にて構成され、このトランジスタQ7′のゲートにクロ
ツクφ,(第4図実施例のφ,と同一のもの)が供給さ
れる。この場合、電圧設定回路14′はすべてのセンス
アンプにそれぞれ1個ずつ接続されることが好ましい。
動作波形は省略されているが、第5図に示した前記実施
例のものとクロツクφ3を除くことにより等しくなる。
すなわち、MOSトランジスタQ6を取除いて回路構成
を簡略化しており、クロツクφ2もしくはφ4によつて
ノードNA,NBの電圧と接続点15との電位差がMO
SトランジスタQl,Q2のスレツシヨルド電圧に等し
く設定される。上記第4図あるいは第6図に示した回路
に加えてデータ線に第7図に示す“1″電圧再生回路を
付加することによつて611電圧を更に明確にできる。
これはメモリセルから読み出される信号電圧が微小であ
るためクロツクφ,の立上がりを緩やかにしてもセンス
アンプの動作後では高電位側のデータ線電圧は実際は減
少してしまうからである。このため、メモリセルにリフ
レツシユされる゛1”電圧が減少してしまい動作電圧範
囲の減少をきたすとともに、データ線に読み出される信
号電圧を確保するためにメモリセルのキヤパシタの容量
を大きくする必要があり、さらにクロツクφ,の立上が
りを早くすることもできない。上記欠点は、電圧再生回
路を設け61”電圧を明確化することにより一掃される
。すなわち、安定動作が期待できメモリセルのキヤパシ
タを小さくすることも可能となり、よりいつそうの高集
積化が図れ、読出し速度の高速化を実現できる。第7図
aは上述した電圧再生回路の一例を示しており、同図b
がその動作波形図である。つまり、再生されたデータ線
の.データが″11の時にのみ、クロツク(プルアツプ
用信号)φ6,φ7を時刻T7,t8で順次供給して、
トランジスタQ8,Q,をそれぞれコンデンサによりブ
ートストラツプ動作させて、明確な“1″電圧を再生す
るようにしたものである。以上、詳述した様にこの発明
によれば、センスアンプをダイナミツク動作させて高感
度、高性能なダイナミツクメモリ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はダイナミツクメモリ装置の概略構成を示すプロ
ツク図、第2図は従来装置の一例を示す回路構成図、第
3図は従来装置の動作を説明するためのタイムチヤート
、第4図ないし第7図はそれぞれこの発明の一実施例を
説明するための図で、第4図は電圧設定回路を説明する
ための回路構成図、第5図は上記第4図の回路の動作波
形図、第6図は上記電圧設定回路の他の構成例を説明す
るための回路構成図、第7図A,bは“1”電圧再生回
路の一例を示す回路図および動作波形図である。 〔I・・・・・ダミーセル、U,[γ・・・・・・セン
スアンプ、13・・・・・・メモリセル、14,1C・
・・・・・電圧設定回路、ALAALi・・・・・・ア
ドレス線、ラDLl,DL,・・・・・・データ線、Q
,・・・・・・絶縁ゲート型電界効果トランジスタ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 フリップフロップと、このフリップフロップの2つ
    のノードにそれぞれ接続されるデータ線と、これらデー
    タ線にそれぞれ接続されるそれぞれ同数のメモリセルと
    、上記フリップフロップのノードにメモリセルから読出
    される“1”と“0”との中間電位を書込むダミーセル
    と、上記2本のデータ線間を短絡する第1の絶縁ゲート
    型電界効果トランジスタと、上記フリップフロップの接
    地端側の電圧を設定する電圧設定回路と、上記データ線
    にそれぞれゲート電極が接続され一端から第1のプルア
    ツプ用信号が供給される第2、第3の絶縁ゲート型電界
    効果トランジスタ、この第2、第3の絶縁ゲート型電界
    効果トランジスタの他端とゲート電極間にそれぞれ接続
    される第1、第2のコンデンサ、上記第2、第3絶縁ゲ
    ート型電界効果トランジスタの他端にそれぞれゲート電
    極が接続され一端から第2のプルアップ用信号が供給さ
    れるとともに、他端がそれぞれ上記データ線に接続され
    る第4、第5の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、お
    よび上記第4、第5絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
    の他端とゲート電極間にそれぞれ接続される第3、第4
    のコンデンサから成り、データ線の“1”電圧を明確に
    する電圧再生回路とを備え、データ読み出し時にはまず
    2本のデータ線を“1”に充電し、選択されたメモリセ
    ルとダミーセルとから各データ線に読出される微小電圧
    変化を上記フリップフロップが感知した後に、このフリ
    ップフロップの接地端側の電圧を上記電圧設定回路によ
    つて“0”電位にまで徐々に放電して設定するとともに
    、“1”側のデータ線電圧を上記電圧再生回路によつて
    より明確化することを特徴とするダイナミックメモリ装
    置。
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