KR102310555B1 - Bit line sense amp - Google Patents

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KR102310555B1
KR102310555B1 KR1020210001270A KR20210001270A KR102310555B1 KR 102310555 B1 KR102310555 B1 KR 102310555B1 KR 1020210001270 A KR1020210001270 A KR 1020210001270A KR 20210001270 A KR20210001270 A KR 20210001270A KR 102310555 B1 KR102310555 B1 KR 102310555B1
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KR1020210001270A
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손진석
강건우
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손진석
강건우
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Abstract

The present invention relates to a bit line sense amplifier implemented in a way that a voltage boost function can be used through a boot-strap capacitor in the bit line sense amplifier, and to a bit line sense amplifier which includes: a first PMOS transistor; a second PMOS transistor; a first NMOS transistor; a second NMOS transistor; a bit bar line capacitor; a bit line capacitor; a cell capacitor; a cell transistor. The bit line sense amplifier further includes a bit bar line boot-strap unit and a bit line boot-strap unit formed between a first inverter unit including the first PMOS transistor and the first NMOS transistor and a second inverter unit including the second PMOS transistor and the second NMOS transistor. The bit bar line boot-strap unit and the bit line boot-strap unit each have a capacitor for a boot-strap and allow the capacitor for a boot-strap to be used as gate inputs of the first NMOS transistor and the second NMOS transistor, respectively. In accordance with the present invention, by means of the bit line sense amplifier, refresh characteristics of DRAM can be remarkably enhanced.

Description

비트라인 센스 앰프{Bit line sense amp}Bit line sense amp

본 발명의 기술 분야는 비트라인 센스 앰프(bit line sense amp)에 관한 것으로, 특히 비트라인 센스 앰프에서 부트스트랩 커패시터(boot-strap capacitor)를 통한 승압 기능을 사용하도록 구현한 비트라인 센스 앰프에 관한 것이다.The technical field of the present invention relates to a bit line sense amplifier, and more particularly, to a bit line sense amplifier implemented to use a boost function through a boot-strap capacitor in the bit line sense amplifier. will be.

한국등록특허 제10-0535124호(2005.12.01. 등록)는 오프셋 전압의 증가를 억제시키기 위한 비트라인 센스 앰프 및 그 비트라인 센스 앰프 형성 방법에 관하여 개시되어 있으며, 한국등록특허 제10-0911187호(2009.07.31. 등록)는 출력 전류의 변동을 줄이고 센싱 에러를 방지할 수 있는 래치 구조 및 그것을 포함하는 비트라인 센스 앰프 구조에 관하여 개시되어 있다.Korean Patent No. 10-0535124 (registered on Dec. 1, 2005) discloses a bit line sense amplifier for suppressing an increase in offset voltage and a method of forming the bit line sense amplifier, and Korean Patent No. 10-0911187 (Registered on July 31, 2009) discloses a latch structure capable of reducing variations in output current and preventing sensing errors and a bit line sense amplifier structure including the same.

비트라인 센스 앰프(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1PMOS 트랜지스터(101), 제2PMOS 트랜지스터(102), 제1NMOS 트랜지스터(103), 제2NMOS 트랜지스터(104), 40fF의 비트바라인 커패시터(bit bar line capacitor)(Cb)(105), 40fF의 비트라인 커패시터(Cb)(106), 8fF의 셀 커패시터(Cs)(107), 셀 트랜지스터(cell transistor)(108)를 포함하여 이루어져 있다.As shown in FIG. 1 , the bit line sense amplifier 100 is a bit bar line of a first PMOS transistor 101 , a second PMOS transistor 102 , a first NMOS transistor 103 , a second NMOS transistor 104 , and 40fF. a capacitor (bit bar line capacitor) (Cb) 105, a bit line capacitor (Cb) 106 of 40 fF, a cell capacitor (Cs) 107 of 8 fF, and a cell transistor 108. have.

제1PMOS 트랜지스터(101)와 제1NMOS 트랜지스터(103)가 하나의 인버터(invertor)로서 역할을 하고, 제2PMOS 트랜지스터(102)와 제2NMOS 트랜지스터(104)도 다른 하나의 인버터로서 역할을 하며, 각각의 입력 값은 상대편 비트라인(B)(또는, 비트바라인(/B))이며, 출력 값은 비트바라인(/B)(또는, 비트라인(B))이면서 동시에 맞은편 인버터의 입력 값으로 피드백(feedback)되는 구조이다. 그리고 인버터는, 입력 논리의 반대 논리를 출력하는 논리소자로, "1"을 입력하면 출력 값이 "0" 되는 논리 회로이면서, 로직 쓰레스홀드(logic threshold) 값을 갖는다.The first PMOS transistor 101 and the first NMOS transistor 103 serve as one inverter, and the second PMOS transistor 102 and the second NMOS transistor 104 also serve as another inverter, and each The input value is the opposite bit line (B) (or bit bar line (/B)), and the output value is the bit bar line (/B) (or bit line (B)) as well as the input value of the opposite inverter. It is a feedback structure. The inverter is a logic device that outputs logic opposite to the input logic, and is a logic circuit whose output value is “0” when “1” is input, and has a logic threshold value.

이러한 인버터의 로직 쓰레스홀드 전압은 아래와 같이 구해진다.The logic threshold voltage of such an inverter is obtained as follows.

NMOS와 PMOS가 동시에 포화모드에 있을 때, 두 전류 값이 동일한 조건에서 로직 쓰레스홀드 전압이 결정되므로,

Figure 112021001370110-pat00001
이 되는
Figure 112021001370110-pat00002
를 구하면 된다. 이를 풀어서 정리를 하면,
Figure 112021001370110-pat00003
가 되고,
Figure 112021001370110-pat00004
이고,
Figure 112021001370110-pat00005
인 경우를 가정할 경우,
Figure 112021001370110-pat00006
가 되어, 전원 전압(Vcore)의 센터 값에 로직 쓰레스홀드 값이 맞추어지게 된다. 정공(hole)의 모빌리티(mobility)가 전자(electron)의 모빌리티보다 거의 정확히 1/2이므로, NMOS와 PMOS의 랭스(length)가 동일할 때, PMOS 트랜지스터의 위스(width)를 NMOS 트랜지스터의 위스보다 2배 크게 사이징(sizing)하면
Figure 112021001370110-pat00007
이 된다.When NMOS and PMOS are in saturation mode at the same time, the logic threshold voltage is determined under the condition that the two current values are the same,
Figure 112021001370110-pat00001
becoming
Figure 112021001370110-pat00002
you need to save If you unpack it and arrange it,
Figure 112021001370110-pat00003
become,
Figure 112021001370110-pat00004
ego,
Figure 112021001370110-pat00005
Assuming that ,
Figure 112021001370110-pat00006
, and the logic threshold value is adjusted to the center value of the power supply voltage Vcore. Since the mobility of holes is almost exactly 1/2 that of electrons, when the lengths of NMOS and PMOS are the same, the width of the PMOS transistor is larger than that of the NMOS transistor. When sizing twice as large
Figure 112021001370110-pat00007
becomes this

제1PMOS 트랜지스터(101)와 제2PMOS 트랜지스터(102)는 완전 동일한 특성(쓰레스홀드 전압(Vt), 전류(current) 등)을 가지고, 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)도 역시 완전 동일한 특성을 가져야 센싱 오프셋(sensing offset) 특성(정상 센싱 가능한 최소한의 센싱 마진 △V)이 우수하지만, 공정 진행 상 현실적으로는 두 PMOS 트랜지스터(101, 102) 끼리 또는 두 NMOS 트랜지스터(103, 104) 끼리 특성 차이가 발생하게 된다. 여기서, 특성 차이라 함은, 쓰레스홀드 전압(Vt) 및 서브 쓰레스홀드 리키지(sub threshold leakage), 온 전류(on current), 비트 대 비트바라인 커패시턴스(bit vs bit bar line capacitance)의 미스매치(mismatch) 등이 포함된다.The first PMOS transistor 101 and the second PMOS transistor 102 have exactly the same characteristics (threshold voltage Vt, current, etc.), and the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104 also have the same characteristics. Sensing offset characteristics (minimum sensing margin ΔV that can be normally sensed) are excellent only when they have exactly the same characteristics, but in reality, two PMOS transistors 101 and 102 or two NMOS transistors 103 and 104 There is a difference in characteristics between them. Here, the characteristic difference is the threshold voltage (Vt) and sub threshold leakage (sub threshold leakage), on current (on current), bit to bit bar line capacitance (bit vs bit bar line capacitance) mismatches, and the like.

상술한 바와 같은 구성을 가진 비트라인 센스 앰프(100)의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 여기서, 센스 앰프 전원 전압(Vcore)은 1.1V이며, 비트라인 프리차지(bit line precharge) 전압(Vblp)은 0.5V로 설정하며, 두 전압은 각각 칩 내부 전원발생기인 Vcore 제너레이터(generator)와 Vblp 제너레이터에서 만들어 준다.The operation of the bit line sense amplifier 100 having the above-described configuration is as follows. Here, the sense amplifier power supply voltage (Vcore) is 1.1V, the bit line precharge voltage (Vblp) is set to 0.5V, and the two voltages are the Vcore generator and Vblp, which are the internal power generators of the chip, respectively. created by the generator.

첫 번째로, 가장 먼저 비트라인(B) 및 비트바라인(/B)이 동일한 비트라인 프리차지 전압(bit line precharge voltage)(Vblp)(0.5V)의 값으로 프리 차지되고 있던 것을 멈추고 플로팅(floating) 상태로 만든다. 여기서, 플로팅 상태란 내부 전원발생기와의 연결을 끊고 다른 전류 경로가 없는 상태로 만든다는 것을 의미한다.First, first, the bit line (B) and the bit bar line (/B) stop being pre-charged with the same bit line precharge voltage (Vblp) (0.5V) and float ( make it floating). Here, the floating state means that the connection with the internal power generator is disconnected and there is no other current path.

두 번째로, 셀 트랜지스터(108)가 열리면서 셀 커패시터(107)에 충전되었던 "1" 데이터 또는 "0" 데이터가, 비트라인(B)으로 전달되면서 차지 쉐어링(charge sharing)이 일어나게 되어, 비트라인 전위 값이 비트라인 프리차지 전압(Vblp)(0.5V)에 있다가 "Vblpㅁ△V"로 바뀐다.Second, as the cell transistor 108 is opened and the “1” data or “0” data charged in the cell capacitor 107 is transferred to the bit line B, charge sharing occurs, so that the bit line The potential value remains at the bit line pre-charge voltage (Vblp) (0.5V) and then changes to “Vblp?ΔV”.

△V는 센싱 마진(sensing margin)으로 셀 커패시터(107)에 기록(write)되었던 전위가 비트라인(B)으로 차지 쉐어링된 후 전압 값을 말하는데, (Vs-Vblp)/1+r이며, "1" 데이터를 대해서는 (1.1V-0.5V)/(1+5) = 100mV이고, "0"데이터를 위해서는 (0V-0.5V)/(1+5) = 83mV이 된다. 이때, Vs는 스토리지 노드 라이트 전압(storage node write voltage)으로 "1" 데이터에 대해서는 비트라인 센스 앰프의 전원 전압인 Vcore는 1.1V이고, "0" 데이터에 대해서는 GND 레벨인 0V이고, r은 비트라인 커패시턴스(Cb) 대 셀 커패시턴스(Cs)의 비율(40/8)로 5이다.ΔV refers to the voltage value after the potential written to the cell capacitor 107 as a sensing margin is charge-shared with the bit line B, and is (Vs-Vblp)/1+r, " For 1" data, (1.1V-0.5V)/(1+5) = 100mV, and for "0" data, (0V-0.5V)/(1+5) = 83mV. At this time, Vs is the storage node write voltage. For “1” data, Vcore, which is the power supply voltage of the bit line sense amplifier, is 1.1V, for “0” data, it is 0V, which is the GND level, and r is the bit The ratio (40/8) of line capacitance (Cb) to cell capacitance (Cs) is 5.

세 번째로, 리스토어 전압(Vrestore)과 싱크 전압(Vsink) 역시 동일하게 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 레벨(level)에 있다가, 리스토어 전압(Vrestore) 값은 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)(1.1V)으로 상승하고, 싱크 전압(Vsink) 값은 그라운드 레벨(ground level)(GND)인 0V로 천이하게 되면서, 센싱 동작이 일어나게 된다. 이때, 센스 앰프 인버터의 로직 쓰레스홀드 값을 0V와 Vcore 사이에서 어디에 맞추느냐가 센싱 동작에 영향을 미친다.Third, the restore voltage Vrestore and the sink voltage Vsink are equally at the bit line precharge voltage Vblp level, and the restore voltage Vrestore value is the bit line sense amplifier power supply voltage Vcore. As it rises to (1.1V) and the sink voltage Vsink transitions to 0V, which is a ground level (GND), a sensing operation occurs. At this time, where the logic threshold value of the sense amplifier inverter is set between 0V and Vcore affects the sensing operation.

셀 트랜지스터 온 게이트 전압(Von)은 쓰레스홀드 전압 값(cell Vt)이 높은 셀 트랜지스터(108)를 온시킬 수 있어야 하며, 또한 Vs 전압인 0V와 1.1V를 충분히 소스와 드레인으로 전달해 줄 수 있는 높은 전압을 가져야 한다. 그리고 필요한 가장 높은 게이트 전압은 "1" 데이터를 라이트할 때 소스노드가 Vcore 전압이어야 하므로, 이 경우 게이트 전압은 Vcore + Vt_cell 이어야 하며, 또한 이때의 소스와 기판 사이의 전압차(Vsb = Vcore+Vbb)에 의한 기판효과(body effect)에 의한 쓰레스홀드 전압의 상승분까지 고려해야 한다. 제1NMOS 쓰레스홀드 전압(Vtn1)과 제2NMOS 쓰레스홀드 전압(Vtn2)이 0.25V로 서로 동일하고, 제1PMOS 쓰레스홀드 전압(Vtp1)과 제2PMOS 쓰레스홀드 전압(Vtp2)이 0.4V로 서로 동일하며, 통상적으로 NMOS 패스트(fast)로 하여 NMOS 주도로 센싱을 시작하게 만들며, 이때 PMOS 트랜지스터의 경우 버리드 채널(Burried channel)을 형성함에 따라 쓰레스홀드 전압(Vt)의 미스매치(mismatch) 성분이 NMOS보다 통상 큰 값을 가지기 때문이다. NMOS로 센싱 초반부 동작을 먼저 주도하게 만들어 주는 것은 Vrestore 보다 Vsink를 먼저 활성화시키고, 일정 시간 딜레이(delay) 이후 Vrestore도 같이 활성화시켜 줌으로써 실현이 된다.The cell transistor on-gate voltage (Von) must be capable of turning on the cell transistor 108 having a high threshold voltage value (cell Vt), and can also sufficiently deliver the Vs voltages of 0V and 1.1V to the source and drain. It must have a high voltage. And the highest gate voltage required is "1" when writing data, since the source node must be the Vcore voltage, in this case the gate voltage must be Vcore + Vt_cell, and also the voltage difference between the source and the substrate at this time (Vsb = Vcore + Vbb ) and the rise of the threshold voltage due to the body effect must be considered. The first NMOS threshold voltage Vtn1 and the second NMOS threshold voltage Vtn2 are equal to 0.25 V, and the first PMOS threshold voltage Vtp1 and the second PMOS threshold voltage Vtp2 are 0.4 V They are identical to each other, and the NMOS-driven sensing is usually set to NMOS fast. At this time, in the case of a PMOS transistor, as a buried channel is formed, the threshold voltage (Vt) mismatch (mismatch) ) component usually has a larger value than that of NMOS. Making NMOS take the lead in the initial sensing operation is realized by activating Vsink before Vrestore and activating Vrestore after a delay for a certain period of time.

네 번째로, 도 1에 도시된 예를 들어, 비트라인(B)에 연결되어 있는 셀 커패시터(107)에 "1" 데이터 센싱의 경우를 설명하면 다음과 같다.Fourth, as shown in FIG. 1, for example, a case of "1" data sensing in the cell capacitor 107 connected to the bit line B will be described.

셀 트랜지스터(108)가 오픈(open)되면, 셀 커패시터(107)와 비트라인 커패시터(106) 사이에 차지 쉐어링에 의해 비트라인(B)에는 "Vblp+100"mV(즉, 600mV)가 유기되고, 반대편 비트바라인(/B)에는 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 값인 0.5V가 그대로 걸리게 되며, 이때 유기된 비트라인(B)의 전위 값인 600mV가 제1PMOS 트랜지스터(101)와 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트(gate)로 입력이 되고, 제2PMOS 트랜지스터(102)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 전압 값은 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 값인 0.5V를 유지하게 되며, NMOS 게이트 전압이 상대적으로 높은 제1NMOS 트랜지스터(103)의 IDS(drain to source current) 값이 제2NMOS 트랜지스터(104)의 IDS 값보다 크게 되고, 이는 PMOS 트랜지스터(101, 102)의 경우 반대의 역할(게이트 전압이 높을수록 전류는 감소하는 역할)을 하면서, 비트바라인(/B)의 전위는 점점 떨어뜨리게 만들고, 비트라인(B)의 전위는 점점 상승하게 만듦으로써, 결국에는 비트바라인(/B)은 0V로, 비트라인(B)은 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore) 값으로까지 전위차를 벌려놓게 된다. 이때, Vresotre와 Vsink가 시차 없이 동시에 활성화될 경우, 인버터의 로직 쓰레스홀드 전압(Vth)이 Vblp+△와 Vblp 사이에 형성되면, 곧 바로 비트바라인(/B)과 비트라인(B)은 서로 반대방향으로 전압차를 벌리게 되고, Vsink 전압이 Vrestore 전압보다 먼저 활성화가 되는 경우(NMOS first), 비트바라인(/B)과 비트라인(B)은 모두 전압이 동반 감소한다. 하지만 전압 감소 기울기는 서로 달라서 이후 Vrestore가 활성화될 때 로직 쓰레스홀드 전압 전후로 비트바라인(/B)과 비트라인(B) 전압이 놓이게 되면, 곧바로 서로 반대 방향으로 전압차를 벌여 놓게 되고 최종적으로 0V와 Vcore 전압으로 각각 만들어 주게 된다.When the cell transistor 108 is opened, “Vblp+100” mV (ie, 600 mV) is induced in the bit line B by charge sharing between the cell capacitor 107 and the bit line capacitor 106 , and , the bit line pre-charge voltage (Vblp) value of 0.5 V is applied to the opposite bit bar line (/B) as it is, and at this time, the induced potential value of the bit line (B) of 600 mV is applied to the first PMOS transistor 101 and the first NMOS transistor ( 103), the gate voltage values of the second PMOS transistor 102 and the second NMOS transistor 104 maintain the bit line pre-charge voltage (Vblp) value of 0.5V, and the NMOS gate voltage is The relatively high drain to source current (IDS) value of the first NMOS transistor 103 becomes greater than the IDS value of the second NMOS transistor 104 , which has the opposite role in the case of the PMOS transistors 101 and 102 (the gate voltage is high As the current decreases), the potential of the bit bar line (/B) gradually decreases and the potential of the bit line (B) gradually rises, so that the bit bar line (/B) eventually becomes 0V. Therefore, the potential difference between the bit line B and the bit line sense amplifier power supply voltage Vcore is widened. At this time, when Vresotre and Vsink are simultaneously activated without a time difference, when the logic threshold voltage (Vth) of the inverter is formed between Vblp+Δ and Vblp, the bit bar line (/B) and the bit line (B) are immediately connected to each other. The voltage difference is widened in the opposite direction, and when the Vsink voltage is activated before the Vrestore voltage (NMOS first), the voltages of both the bit bar line (/B) and the bit line (B) decrease together. However, since the voltage reduction slopes are different, if the bit bar line (/B) and bit line (B) voltages are placed before and after the logic threshold voltage when V restore is activated, the voltage difference is immediately spread in opposite directions and finally It is made with 0V and Vcore voltage, respectively.

다섯 번째로, 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 레벨을 통상 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)의 하프 레벨(half level)보다 약간(slightly) 낮은 레벨로 하여, "1" 데이터에 대한 리프레시(refresh) 특성을 조금이라도 개선하려고 하나, 실제 동작에서는 프리차지 동작이 시작되면서 BLEQ(bit line equalize)(비트라인(B)과 비트바라인(/B)이 각각 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)과 0V로 센싱된 후 서로 쇼트(short)를 시키는 과정)에 의해 결국 "Vcore/2"로 맞추어지게 된다.Fifth, by setting the level of the bit line precharge voltage Vblp to a level slightly lower than the half level of the normal bit line sense amplifier power supply voltage Vcore, the “1” data is refreshed. ) characteristics, but in actual operation, as the precharge operation starts, BLEQ (bit line equalize) (bit line (B) and bit bar line (/B) After sensing as 0V, it is eventually set to "Vcore/2" by the process of shorting each other).

차지 쉐어링은 Cs(Vs-Vblp)/(Cs+Cb) = (Vs-Vblp)/(1+r)인데, 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 값을 낮게 하면, "1" 데이터의 센싱 마진은 커지고 "0" 데이터의 센싱 마진은 작아진다. DRAM의 경우, 리프레시(refresh) 특성은 "1" 데이터에 의해 결정되므로 "1" 데이터 쪽 센싱 마진을 좀 더 크게 만들어 주는 것이 통상적이며, 따라서 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 값을 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)의 하프 레벨(half level)보다 약간 낮게 만들어 준다. 여기서, Cs는 셀 커패시턴스(cell capacitance)이고 Cb는 비트라인 커패시턴스이다.Charge sharing is Cs(Vs-Vblp)/(Cs+Cb) = (Vs-Vblp)/(1+r) and the sensing margin of “0” data becomes small. In the case of DRAM, since the refresh characteristic is determined by the “1” data, it is common to make the sensing margin on the “1” data side a little larger. Make it slightly lower than the half level of the supply voltage (Vcore). Here, Cs is a cell capacitance and Cb is a bit line capacitance.

여섯 번째로, 센싱 동작 시 NMOS 싱크(sink) 역할을 하는 싱크 전압(Vsink)을 비트라인 프리차지 전압(Vblp)에서 먼저 0V로 떨어뜨려 NMOS 트랜지스터(103, 104) 주도로 비트라인(B)과 비트바라인(/B)이 동반 하락하게 만든 다음(하락하면서 비트라인(B)과 비트바라인(/B)의 전위차가 점점 커짐)에, 리스토어 전압(Vrestore)을 비트라인 프리차지 전압(Vblp)에서 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)으로 상승시켜 줌으로써, 비트바라인(/B)과 비트라인(B) 간 서로 다른 방향으로 전압을 증폭하여 전압 차이를 벌려줌으로써, 센싱 동작을 마무리 하게 된다.Sixth, during the sensing operation, the sink voltage Vsink, which serves as an NMOS sink, is first dropped from the bit line pre-charge voltage Vblp to 0V, so that the NMOS transistors 103 and 104 lead to the bit line B and After making the bit bar line (/B) fall together (the potential difference between the bit line (B) and the bit bar line (/B) gradually increases while falling), the restore voltage (Vrestore) is set to the bit line precharge voltage (Vblp). ) to the bit line sense amplifier power supply voltage (Vcore), amplifying the voltage in different directions between the bit bar line (/B) and the bit line (B) to widen the voltage difference, thereby completing the sensing operation. .

상술한 센싱 마진(△V)을 산출하는 식은 다음과 같다.The equation for calculating the above-described sensing margin ΔV is as follows.

차지 쉐어링에 의해 전하가 셀 커패시터(107)와 비트라인 커패시터(106)로 쉐어링될 때에 V = Q/C가 되는데, 차지 쉐어링에 기여하는 전하성분량(Q)은 Cs(Vs-Vblp)가 되고, 셀 트랜지스터(108)가 오픈되어 비트라인 커패시터(106)가 더해져서, 최종 합성 커패시턴스 값은 Cs+Cb가 된다. 따라서 센싱 마진(△V) 값은 결국 Csㅧ(Vs-Vblp)/(Cs+Cb)가 되고, 분자 분모에 Cs를 나누면 (Vs-Vblp)/(1+Cb/Cs)가 되어 r = Cb/Cs라는 정의에 의해 (Vs-Vblp)/(1+r) 값으로 귀결된다. 이때, 스토리지 노드 라이트 전압(Vs)의 경우 "1" 데이터 시에 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore) 값이 되고, "0" 데이터 시에 0V가 된다. 또한 "1" 데이터(또는, "0" 데이터)로 정상적으로 센싱할 수 있는 최소 값의 센싱 마진 △V를 "1" 데이터(또는, "0" 데이터)에 대한 센싱 오프셋 값이라고 명명한다.When charges are shared between the cell capacitor 107 and the bit line capacitor 106 by charge sharing, V = Q/C, and the amount of charge component Q contributing to charge sharing becomes Cs (Vs-Vblp), Cell transistor 108 is opened and bitline capacitor 106 is added, resulting in a final combined capacitance value of Cs+Cb. Therefore, the sensing margin (ΔV) value becomes Csㅧ(Vs-Vblp)/(Cs+Cb), and when Cs is divided by the numerator denominator, (Vs-Vblp)/(1+Cb/Cs) becomes r = Cb The definition of /Cs results in a value of (Vs-Vblp)/(1+r). At this time, in the case of the storage node write voltage (Vs), the bit line sense amplifier power supply voltage (Vcore) value is at “1” data and 0V when “0” data is obtained. In addition, the sensing margin ΔV of the minimum value that can be normally sensed as “1” data (or “0” data) is called a sensing offset value for “1” data (or “0” data).

DRAM의 경우 리프레시 특성이 있는데, 이는 "1" 데이터에 해당하며, 처음 기록 시점에는 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore) 레벨에 있던 스토리지 노드 라이트 전압(Vs)이 리키지(Junction LKG, Sub Threshold Leakage 등) 등에 의해 점점 전위 값이 감소하면서 "1" 데이터에 대한 센싱에서 실패(fail)되는 경우(case)이다. 따라서 "1" 데이터의 리프레시 특성을 개선하기 위해서는, 비트라인 프리차지 전압(Vblp)을 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)의 하프 레벨보다 약간 낮은 값으로 설정하는데, 이는 센싱 마진(△V) 값의 분자가 (Vs-Vblp)가 되므로, Vs-Vblp(즉, Vcore(LKG의 의해 값이 떨어짐)에서 비트라인 프리차지 전압(Vblp)이 약간 낮은 값이기 때문에 전체 분자 값은 커진다. 결국, "1" 데이터와 "0" 데이터의 센싱 마진(△V) 값이 균등하지 않고, "0" 데이터의 센싱 마진(△V)을 희생하면서 "1" 데이터의 센싱 마진(△V) 값을 크게 하는 것이 통상의 DRAM 비트라인 센스 앰프의 동작이다. 하지만, 실질적으로는 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)이 1.1V일 때, 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 설정 값을, 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)의 하프 레벨(0.55V)보다 낮은 0.5V로, 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 제너레이터(generator)로 타깃(target)을 설정하더라도, DRAM 동작(operation) 중에는 BLEQ, 즉 비트라인(B)과 비트바라인(/B)이 각각 비트라인 센스 앰프 전원 전압(Vcore)과 0V로 센싱된 후 서로 쇼트를 시키는 과정에 의해 결국 "Vblp/2"로 맞추어지게 됨에 따라, 실질적 DRAM 동작 중에서는 이러한 기대 효과가 사실은 없다. 여기서, Vblp전압의 조정은 "1"데이터와 "0"데이터의 센싱 마진 간 서로 상충(trade off)관계에 있는데 비해, Cs를 크게 만듦으로써, Cb/Cs 비를 감소시키는 경우에는 "1" 데이터와 "0" 데이터 모두 센싱 마진을 증가시켜 주게 된다. 하지만 DRAM 공정기술이 점점 더 스케일-다운(scale-down)됨에 따라, Cs 값을 증가시키고, Cb/Cs 값을 감소시키는 일은 더욱 어려운 도전과제가 되고 있는 상황이라고 할 수 있다. 또한 Cb 값을 줄여주기 위해(Cb/Cs 비를 감소시켜 센싱 마진을 더 크게 한다) 셀 블록(cell block)의 비트라인 길이를 감소시키는데, 이는 셀 에피션시를 감소시키는 결과로 이어진다. 이 셀 에피션시 감소는 넷다이(net die) 수를 감소시키는 악영향을 준다.In the case of DRAM, there is a refresh characteristic, which corresponds to “1” data, and the storage node write voltage (Vs), which was at the level of the bit line sense amplifier supply voltage (Vcore) at the time of first writing, is leak (Junction LKG, Sub Threshold Leakage). etc.), and the like) is a case in which the sensing of "1" data fails as the potential value gradually decreases. Therefore, in order to improve the refresh characteristic of "1" data, the bit line precharge voltage Vblp is set to a value slightly lower than the half level of the bit line sense amplifier power supply voltage Vcore, which is the sensing margin (ΔV) value. Since the numerator of becomes (Vs-Vblp), the overall numerator value becomes large because the bitline pre-charge voltage (Vblp) at Vs-Vblp (i.e., Vcore (which drops in value by LKG) is a slightly lower value. Eventually, " The sensing margin (ΔV) value of the “1” data and the “0” data are not equal, and the sensing margin (ΔV) value of the “1” data is increased at the expense of the sensing margin (ΔV) of the “0” data. This is the normal operation of the DRAM bit line sense amplifier, but in reality, when the bit line sense amplifier power supply voltage (Vcore) is 1.1 V, the bit line precharge voltage (Vblp) set value is set to the bit line sense amplifier power supply voltage. Even if the target is set with the bit line pre-charge voltage (Vblp) generator to 0.5V lower than the half level (0.55V) of (Vcore), BLEQ, that is, the bit line (B) during DRAM operation ) and bit bar line (/B) are sensed to the bit line sense amplifier power supply voltage (Vcore) and 0V, respectively, and are eventually set to “Vblp/2” by the process of short-circuiting each other. This expected effect is not true. Here, the adjustment of the Vblp voltage has a trade-off relationship between the sensing margins of “1” data and “0” data, whereas by making Cs large, the Cb/Cs ratio is reduced. In the case of reduction, both “1” data and “0” data increase the sensing margin, but as DRAM process technology is scaled down more and more, the Cs value increases and the Cb/Cs value increases. In order to reduce the Cb value (reducing the Cb/Cs ratio, thereby increasing the sensing margin), the cell block It reduces the bit line length of (cell block), which results in a decrease in cell epitaxial time. This reduction in cell efficiency has the detrimental effect of reducing the number of net dies.

상술한 바와 같은 종래의 기술에 있어서, 테크놀로지 슈링크(technology shrink)가 10nm 초중반으로 점점 미세화 됨에 따라, 셀 커패시턴스 확보를 위한 평면상의 면적이 줄어들게 되고, 결국 셀 커패시터의 3차원 구조의 높이를 증가시켜 커패시턴스를 확보하려는 시도가 이루어지고 있으나, 이러한 셀 커패시터의 높이 증가 문제는 토폴로지(topology) 문제나 콘택 형성 등 후속 공정의 난이도를 극도로 높이는 문제점을 안고 있고, 공정 무결성에 대한 요구도 그 만큼 커진다. 따라서 공정이 정확히 제어가 되지 못할 때, 이로 인해 파생되는 공정 불완전성은 스토리지 노드와 워드라인 노드 간 또는 스토리지 노드와 비트라인 노드 간 브리지(bridge) 등 다양한 제품 불량을 유발시키는 요인으로 작용을 하고 있다. 또한 난이도가 높은 공정은 그 공정이 완벽히 제어되지 못할 때 즉각적인 불량으로 발현될 뿐만 아니라, 잠재 불량 양상을 지니고 있어, 결국 품질과 신뢰성 문제까지 야기시키기도 한다. 이와 같이 Cs 값의 충분한 확보가 점점 더 어려워지고, Cs 값을 확보하기 위한 공정 진행 과정에서 여러 형태의 잠재 불량은 필연적으로 가지고 있을 수밖에 없다. 이러한 추세에 따라 Cb/Cs 비의 증가는 센싱 마진(△V)을 점점 더 미소화시키는 치명적인 문제점을 지니고 있다고 하겠다.In the prior art as described above, as the technology shrink gradually becomes finer to the middle of 10 nm, the area on the plane for securing the cell capacitance is reduced, and eventually the height of the three-dimensional structure of the cell capacitor is increased. Attempts have been made to secure capacitance, but the problem of increasing the height of the cell capacitor has a problem of extremely increasing the difficulty of a subsequent process, such as a topology problem or contact formation, and the demand for process integrity increases as much. Therefore, when the process is not accurately controlled, the resulting process incompleteness acts as a factor causing various product defects, such as a bridge between a storage node and a wordline node or between a storage node and a bitline node. In addition, a process with high difficulty not only manifests as an immediate defect when the process is not completely controlled, but also has a latent defect pattern, which eventually leads to quality and reliability problems. As such, it becomes increasingly difficult to secure sufficient Cs values, and in the process of securing Cs values, various types of potential defects inevitably exist. According to this trend, an increase in the Cb/Cs ratio has a fatal problem in that the sensing margin (ΔV) is gradually reduced.

한국등록특허 제10-0535124호Korean Patent No. 10-0535124 한국등록특허 제10-0911187호Korean Patent Registration No. 10-0911187

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비트라인 센스 앰프에서 부트스트랩 커패시터(boot-strap capacitor)를 통한 승압 기능을 사용하도록 구현한 비트라인 센스 앰프를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to solve the problems described above, and to provide a bit line sense amplifier implemented to use a boost function through a boot-strap capacitor in a bit line sense amplifier. will be.

상술한 과제를 해결하는 수단으로는, 본 발명의 한 특징에 따르면, 제1PMOS 트랜지스터, 제2PMOS 트랜지스터, 제1NMOS 트랜지스터, 제2NMOS 트랜지스터, 비트바라인 커패시터, 비트라인 커패시터, 셀 커패시터, 셀 트랜지스터를 포함하는 비트라인 센스 앰프에 있어서, 상기 제1PMOS 트랜지스터와 상기 제1NMOS 트랜지스터로 이루어진 제1인버터부와, 상기 제2PMOS 트랜지스터와 상기 제2NMOS 트랜지스터로 이루어진 제2인버터부 사이에 형성되되; 부트스트랩용 커패시터를 각각 구비하여, 상기 제1NMOS 트랜지스터와 상기 제2NMOS 트랜지스터의 게이트 입력으로 각각 이용하도록 해 주기 위한 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부를 더 포함하는 비트라인 센스 앰프를 제공한다.As a means for solving the above problems, according to one aspect of the present invention, a first PMOS transistor, a second PMOS transistor, a first NMOS transistor, a second NMOS transistor, a bit bar line capacitor, a bit line capacitor, a cell capacitor, and a cell transistor are included. 1 . A bit line sense amplifier comprising: a first inverter unit formed of the first PMOS transistor and the first NMOS transistor; and a second inverter unit formed of the second PMOS transistor and the second NMOS transistor; Provided is a bit line sense amplifier further comprising a bit bar line bootstrap unit and a bit line bootstrap unit, each having a bootstrap capacitor to be used as a gate input of the first NMOS transistor and the second NMOS transistor, respectively. .

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 상기 제1인버터부의 입력과 비트라인을 직접 연결하지 않도록 하며, 상기 제2인버터부의 입력과 비트바라인을 직접 연결하지 않도록 형성하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit do not directly connect the input of the first inverter unit and the bit line, and do not directly connect the input of the second inverter unit and the bit bar line. characterized by forming.

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 차지 쉐어링 결과로 만들어진 센싱 마진에 해당하는 전압차를, 상기 부트스트랩용 커패시터를 이용하여 더 전압 증폭해 주는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit further amplify a voltage difference corresponding to a sensing margin created as a result of charge sharing by using the bootstrap capacitor. .

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 차지 쉐어링 결과로 만들어진 센싱 마진을, 상기 부트스트랩용 커패시터를 이용하여, 증폭된 전압으로 센스 앰프 입력으로 인가하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit apply a sensing margin created as a result of charge sharing to the sense amplifier input as an amplified voltage using the bootstrap capacitor. do.

일 실시 예에서, 상기 부트스트랩용 커패시터는, 상측에 제1스위치를 연결 형성함과 동시에 하측에 병렬로 제2스위치, 제3스위치 및 제4스위치를 연결 형성하고, 상측 전압을 제1스위치를 통해 제1전압과 연결 형성함과 동시에, 하측 전압을 제2스위치를 통해 제2전압과 연결 형성하며 제3스위치를 통해 제3전압과 연결 형성하며 제4스위치를 통해 그라운드 연결 형성한 경우에, 제1스위치와 제2스위치를 온하고 제3스위치와 제4스위치를 오프하게 되면 상측 전압은 제1전압이 걸리고 하측 전압은 제2전압이 걸리게 되며, 그런 후에 제1스위치, 제2스위치 및 제4스위치를 오프하고 제3스위치만 온하게 되면 상측 전압은 제1전압을 제3전압에서 제2전압을 뺀 전압에 합친 전압이 걸리고 하측 전압은 제2전압에서 제3전압으로 변경되도록 해 주며, 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치를 오프하고 제4스위치만 온하게 되면 상측 전압은 제1전압을 전압 0에서 제2전압을 뺀 전압에 합친 전압이 걸리고 하측 전압은 제2전압에서 0V로 변경되도록 해 주는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bootstrap capacitor connects and forms the first switch on the upper side and the second switch, the third switch, and the fourth switch in parallel on the lower side, and applies the upper voltage to the first switch. In the case of forming a connection with the first voltage through a connection and forming a connection with a lower voltage with a second voltage through a second switch, connection with a third voltage through a third switch, and forming a connection with a ground through a fourth switch, When the first and second switches are turned on and the third and fourth switches are turned off, the first voltage is applied to the upper voltage and the second voltage is applied to the lower voltage, and then the first switch, the second switch and the second switch are turned off. When switch 4 is turned off and only the third switch is turned on, the upper voltage is applied to the voltage obtained by subtracting the second voltage from the first voltage, and the lower voltage is changed from the second voltage to the third voltage, When the first switch, the second switch and the third switch are turned off and only the fourth switch is turned on, the upper voltage is applied to the voltage obtained by subtracting the second voltage from the first voltage, and the lower voltage is 0V from the second voltage It is characterized in that it allows to be changed to .

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 부트스트랩 전압을 만들기 위한 복수 개의 스위치를 더 구비하여, 상기 스위치를 이용한 스위칭 순서에 따라 각각 비트바라인이 인버터 출력으로 연결되는 제1인버터의 입력 전압과 비트라인이 인버터 출력으로 연결되는 제2인버터의 입력 전압을 추출해 주는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit further include a plurality of switches for generating a bootstrap voltage, so that each bit bar line is connected to an inverter output according to a switching sequence using the switches. It is characterized in that the input voltage of the first inverter and the input voltage of the second inverter that the bit line is connected to the inverter output are extracted.

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 상기 제1NMOS 트랜지스터와 상기 제2NMOS 트랜지스터의 피웰 바이어스(p-well bias)를 각각 해당되는 비트바라인용 전압과 비트라인용 전압을 인가시켜, 기판 효과에 의한 쓰레스홀드 전압 증감을 각기 센싱하려는 데이터 방향과 일치되게 하여 센싱 동작에 도움을 주게 만드는 웰 픽업(well pick-up) 방법을 사용하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit adjust p-well biases of the first NMOS transistor and the second NMOS transistor to corresponding bit bar line voltages and bit line voltages, respectively. It is characterized in that a well pick-up method is used to help the sensing operation by applying ?

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부는, 상기 부트스트랩용 커패시터의 상측과 비트라인 간에 제1비트라인 스위치를 연결 형성함과 동시에, 상기 부트스트랩용 커패시터의 하측과 비트바라인 간에 제1비트바라인 스위치를 연결 형성하고, 상기 부트스트랩용 커패시터의 하측과 비트라인 간에 제2비트라인 스위치를 연결 형성하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit connects and forms a first bit line switch between the upper side of the bootstrap capacitor and the bit line, and at the same time forms a first bit line switch between the lower side of the bootstrap capacitor and the bit bar line. A bit bar line switch is connected and formed, and a second bit line switch is connected between a lower side of the bootstrap capacitor and a bit line.

일 실시 예에서, 상기 비트라인 부트스트랩부는, 상기 부트스트랩용 커패시터의 상측과 비트바라인 간에 제1비트바라인 스위치를 연결 형성함과 동시에, 상기 부트스트랩용 커패시터의 하측과 비트라인 간에 제1비트라인 스위치를 연결 형성하고, 상기 부트스트랩용 커패시터의 하측과 비트바라인 간에 제2비트바라인 스위치를 연결 형성하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit line bootstrap unit connects and forms a first bit bar line switch between the upper side of the bootstrap capacitor and the bit bar line, and at the same time forms a first bit bar line switch between the lower side of the bootstrap capacitor and the bit line. A bit line switch is connected and formed, and a second bit bar line switch is connected between the lower side of the bootstrap capacitor and the bit bar line.

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 상기 부트스트랩용 커패시터의 양 단자에 각각 비트바라인용 전압과 비트라인용 전압을 상호 스위칭하는 순서를 변경시켜, 상기 제1NMOS 트랜지스터의 게이트와 상기 제2NMOS 트랜지스터의 게이트 양단간에 인가되는 전압차를 처음 형성된 센싱 마진보다 3배 증가한 전압 차이로 인가하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit change the order of mutually switching the bit bar line voltage and the bit line voltage at both terminals of the bootstrap capacitor, respectively, so that the first NMOS A voltage difference applied between the gate of the transistor and both ends of the gate of the second NMOS transistor is applied as a voltage difference that is three times greater than the initially formed sensing margin.

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 각각의 상단 전압을 상기 제1NMOS 트랜지스터의 게이트 전압과 상기 제2NMOS 트랜지스터의 게이트 전압으로 각각 활용해 주는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit utilize respective upper voltages as the gate voltage of the first NMOS transistor and the gate voltage of the second NMOS transistor, respectively.

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 상기 제1NMOS 트랜지스터 및 상기 제2NMOS 트랜지스터의 게이트와 상기 부트스트랩용 커패시터의 상측 간에 상기 제1NMOS 트랜지스터와 상기 제2NMOS 트랜지스터 자체의 게이트 단에 형성되어 있는 MOS 커패시터로 연결되는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit may include gates of the first and second NMOS transistors and an upper side of the bootstrap capacitor between the first NMOS transistor and the second NMOS transistor itself. It is characterized in that it is connected to a MOS capacitor formed at the gate terminal.

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부는, 부트스트랩 전압을 만들기 위해서, 센스 앰프 동작 중에, 다시 상기 제1인버터부의 게이트와 비트라인을 두 개의 스위칭 트랜지스터를 통해 연결시켜 주고, 상기 제2인버터부의 게이트와 비트바라인을 두 개의 스위칭 트랜지스터를 통해 연결시켜, 상기 제1 및 제2인버터부의 입력 값과 출력 값을 각각 0V와 전원 전압으로 만들어 주기 위해 기존 스위칭 트랜지스터에 구동신호를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit connect the gate and the bit line of the first inverter unit again through two switching transistors during a sense amplifier operation to generate a bootstrap voltage. The gate and the bit bar line of the second inverter are connected through two switching transistors, and the input and output values of the first and second inverters are driven to the existing switching transistor to make 0V and a power supply voltage, respectively. It is characterized in that it further comprises a signal.

일 실시 예에서, 상기 비트바라인 부트스트랩부는, 상기 부트스트랩용 커패시터의 상측과 상기 제1NMOS 트랜지스터의 게이트 사이에 제1스위칭 트랜지스터를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터의 상측과 비트라인 사이에 제2스위칭 트랜지스터를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터의 하측과 비트바라인 사이에 제3스위칭 트랜지스터를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터의 하측과 비트라인 사이에 제4스위칭 트랜지스터를 형성하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit forms a first switching transistor between an upper side of the bootstrap capacitor and a gate of the first NMOS transistor, and a first switching transistor between the upper side of the bootstrap capacitor and the bit line. A second switching transistor is formed, a third switching transistor is formed between the lower side of the bootstrap capacitor and the bit bar line, and a fourth switching transistor is formed between the lower side of the bootstrap capacitor and the bit line. do.

일 실시 예에서, 상기 비트라인 부트스트랩부는, 상기 부트스트랩용 커패시터의 상측과 상기 제2NMOS 트랜지스터의 게이트 사이에 제1스위칭 트랜지스터를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터의 상측과 비트바라인 사이에 제2스위칭 트랜지스터를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터의 하측과 비트라인 사이에 제3스위칭 트랜지스터를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터의 하측과 비트바라인 사이에 제4스위칭 트랜지스터를 형성하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the bit line bootstrap unit forms a first switching transistor between an upper side of the bootstrap capacitor and a gate of the second NMOS transistor, and a first switching transistor between the upper side of the bootstrap capacitor and the bit bar line. A second switching transistor is formed, a third switching transistor is formed between the lower side of the bootstrap capacitor and the bit line, and a fourth switching transistor is formed between the lower side of the bootstrap capacitor and the bit bar line. do.

일 실시 예에서, 상기 스위칭 트랜지스터는, NMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the switching transistor is an NMOS transistor.

본 발명의 효과로는, 비트라인 센스 앰프에서 부트스트랩 커패시터(boot-strap capacitor)를 통한 승압 기능을 사용하도록 구현한 비트라인 센스 앰프를 제공함으로써, 셀 커패시턴스 값이 충분히 확보되지 않아 Cb/Cs 비가 증가함으로써 발생할 수 있는 센싱 불량과 DRAM의 리프레쉬(refresh) 특성을 대폭 개선시킬 수 있다는 것이다.As an effect of the present invention, by providing a bit line sense amplifier implemented to use a boost function through a boot-strap capacitor in the bit line sense amplifier, the cell capacitance value is not sufficiently secured, so that the Cb/Cs ratio is This means that the sensing failure that may occur due to the increase and the refresh characteristics of the DRAM can be significantly improved.

본 발명에 있어서, Cb/Cs 비의 증가는 분모항의 Cs 값이 작거나, 또는 분자항의 Cb 값이 커서 Cb/Cs 비가 증가할 수도 있으며, Cb 값은 하나의 셀 블럭(cell block) 내의 워드라인(word line) 수, 즉 비트라인의 길이가 길수록 직접적으로 영향을 받아 Cb 값은 따라서 증가하므로, Cb/Cs 비가 증가하더라도, 정상적으로 센싱을 가능하게 만들어 주는 이점을 사용하면, 비트라인의 길이를 연장해서 Cb 값이 증가해도 센싱이 가능하므로, 셀 에피션시(cell efficiency)를 기존 대비 3배 가량 향상시킬 수 있다.In the present invention, the increase of the Cb/Cs ratio may increase the Cb/Cs ratio because the Cs value of the denominator term is small or the Cb value of the numerator term is large, and the Cb value is a word line within one cell block. As the number of word lines, that is, the length of the bit line increases, it is directly affected and the Cb value increases accordingly. Therefore, even if the Cb/Cs ratio increases, if the advantage that enables normal sensing is used, the length of the bit line is extended. Therefore, since sensing is possible even when the Cb value increases, cell efficiency can be improved by about 3 times compared to the conventional one.

도 1은 기존 비트라인 센스 앰프를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비트라인 센스 앰프를 설명하는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 있는 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부가 각각 구비한 부트스트랩용 커패시터를 설명하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 2에 있는 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부가 각각 구비한 스위치를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 2에 있는 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7에 있는 스위칭 트랜지스터를 구동하는 타이밍을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 2에 있는 인버터부를 설명하는 도면이다.
1 is a diagram for explaining a conventional bit line sense amplifier.
2 is a view for explaining a bit line sense amplifier according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are diagrams for explaining bootstrap capacitors respectively provided in the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit shown in FIG. 2 .
5 and 6 are diagrams for explaining switches respectively provided in the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit shown in FIG. 2 .
FIG. 7 is a view for explaining a bit bar line bootstrap unit and a bit line bootstrap unit shown in FIG. 2 .
FIG. 8 is a view for explaining timing of driving the switching transistor shown in FIG. 7 .
FIG. 9 is a view for explaining the inverter unit shown in FIG. 2 .

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, since the description of the present invention is merely an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiment described in the text. That is, since the embodiment may have various changes and may have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, it should not be understood that the scope of the present invention is limited thereby.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meaning of the terms described in the present invention should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.Terms such as “first” and “second” are for distinguishing one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component. When a component is referred to as being “connected” to another component, it may be directly connected to the other component, but it should be understood that other components may exist in between. On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Meanwhile, other expressions describing the relationship between elements, that is, “between” and “immediately between” or “neighboring to” and “directly adjacent to”, etc., should be interpreted similarly.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression is to be understood as including the plural expression unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as "comprises" or "have" refer to the described feature, number, step, action, component, part or these It is intended to indicate that a combination exists, and it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Terms defined in the dictionary should be interpreted as being consistent with the meaning of the context of the related art, and cannot be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present invention.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 비트라인 센스 앰프에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.A bit line sense amplifier according to an embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비트라인 센스 앰프를 설명하는 도면이며, 도 3 및 도 4는 도 2에 있는 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부가 각각 구비한 부트스트랩용 커패시터를 설명하는 도면이며, 도 5 및 도 6은 도 2에 있는 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부가 각각 구비한 스위치를 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining a bit line sense amplifier according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3 and 4 are the bootstrap capacitors respectively provided with the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit shown in FIG. FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams for explaining a switch provided in each of the bit bar line bootstrap unit and the bit line bootstrap unit shown in FIG. 2 .

도 2 내지 도 6을 참조하면, 비트라인 센스 앰프(200)는, 제1PMOS 트랜지스터(101), 제2PMOS 트랜지스터(102), 제1NMOS 트랜지스터(103), 제2NMOS 트랜지스터(104), 비트바라인 커패시터(Cb)(105), 비트라인 커패시터(Cb)(106), 셀 커패시터(Cs)(107), 셀 트랜지스터(108), 비트바라인 부트스트랩부(boot-strap)(230), 비트라인 부트스트랩부(240)를 포함한다. 여기서, 제1PMOS 트랜지스터(101), 제2PMOS 트랜지스터(102), 제1NMOS 트랜지스터(103), 제2NMOS 트랜지스터(104), 비트바라인 커패시터(105), 비트라인 커패시터(106), 셀 커패시터(107), 셀 트랜지스터(108)는, 도 1의 구성과 동일하므로, 편의상으로 동일 내용은 그 설명을 생략하고 다른 부분만을 설명하도록 한다.2 to 6 , the bit line sense amplifier 200 includes a first PMOS transistor 101 , a second PMOS transistor 102 , a first NMOS transistor 103 , a second NMOS transistor 104 , and a bit bar line capacitor. (Cb) 105, bit line capacitor (Cb) 106, cell capacitor (Cs) 107, cell transistor 108, bit bar line bootstrap part (boot-strap) 230, bit line boot and a strap portion 240 . Here, the first PMOS transistor 101 , the second PMOS transistor 102 , the first NMOS transistor 103 , the second NMOS transistor 104 , the bit bar line capacitor 105 , the bit line capacitor 106 , and the cell capacitor 107 ) , cell transistor 108 has the same configuration as that of FIG. 1 , so for convenience, descriptions of the same contents are omitted and only different parts will be described.

비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 제1PMOS 트랜지스터(101)와 제1NMOS 트랜지스터(103)로 이루어진 제1인버터부(210)와, 제2PMOS 트랜지스터(102)와 제2NMOS 트랜지스터(104)로 이루어진 제2인버터부(220) 사이에 형성되되; 비트바라인 부트스트랩부(230)는 도 3에 도시된 부트스트랩용 커패시터(boot-strap capacitor)(Cboot)를 구비하고 비트라인 부트스트랩부(240)도 도 3에 도시된 부트스트랩용 커패시터(Cboot)를 구비하여, 해당 부트스트랩용 커패시터(Cboot) 각각을 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 입력으로 각각 이용하도록 해 준다.The bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) the bit line bootstrap unit 240 includes a first inverter unit 210 including a first PMOS transistor 101 and a first NMOS transistor 103 , and a first formed between the second inverter unit 220 including the 2PMOS transistor 102 and the second NMOS transistor 104; The bit bar line bootstrap unit 230 includes a bootstrap capacitor (Cboot) shown in FIG. 3, and the bit line bootstrap unit 240 is a bootstrap capacitor shown in FIG. Cboot), so that the respective bootstrap capacitors Cboot are used as gate inputs of the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104, respectively.

일 실시 예에서, 비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 제1인버터부(210)의 입력과 비트라인(B)을 직접 연결하지 않도록 하며, 또한 제2인버터부(220)의 입력과 비트바라인(/B)을 직접 연결하지 않도록 형성해 줄 수 있다.In one embodiment, the bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) the bit line bootstrap unit 240 does not directly connect the input of the first inverter unit 210 to the bit line B. In addition, the input of the second inverter unit 220 and the bit bar line (/B) may be formed so as not to be directly connected.

일 실시 예에서, 비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 차지 쉐어링 결과로 만들어진 미소전압차를, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 부트스트랩 원리를 이용하여, 양단의 미소전압차를 한 번 더 전압 증폭해 줄 수 있다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) bit line bootstrap unit 240 bootstraps the micro voltage difference created as a result of charge sharing by the bootstrap capacitor Cboot. Using the principle, it is possible to amplify the voltage of the micro voltage difference between both ends once more.

일 실시 예에서, 비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 차지 쉐어링 결과로 만들어진 1차 센싱 마진(△V)을, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 부트스트랩 동작을 이용하여, 2차 증폭된 전압으로 센스 앰프의 입력으로 인가하게 함으로써, 동일한 센싱 오프셋 특성을 보이는 센스 앰프에서도 절반 이하로 감소된 센싱 마진으로도 정상적으로 센싱이 이루어질 수 있도록 한다.In an embodiment, the bit line bootstrap unit 230 or (or, and) the bit line bootstrap unit 240 sets the primary sensing margin ΔV created as a result of charge sharing, the bootstrap capacitor ( By using the bootstrap operation of Cboot) to apply the secondary amplified voltage to the input of the sense amplifier, normal sensing can be performed even with a sensing margin reduced to less than half even in a sense amplifier showing the same sensing offset characteristic. .

상술한 바와 같은 구성을 가진 비트라인 센스 앰프(200)는, 비트라인 센스 앰프(200)에서 부트스트랩용 커패시터(Cboot)를 통한 승압 기능을 사용하도록 구현함으로써, 셀 커패시턴스 값이 충분히 확보되지 않아 Cb/Cs 비가 증가함으로써 발생할 수 있는 센싱 불량과 DRAM의 리프레쉬(refresh) 특성을 대폭 개선시킬 수 있다.The bit line sense amplifier 200 having the configuration as described above uses the boost function through the bootstrap capacitor Cboot in the bit line sense amplifier 200, so that the cell capacitance value is not sufficiently secured, so Cb It is possible to significantly improve sensing failure and DRAM refresh characteristics that may occur due to an increase in the /Cs ratio.

부트스트랩용 커패시터(Cboot)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 그의 부트스트랩 동작을 살펴보면 다음과 같다.The bootstrap capacitor (Cboot), as shown in FIG. 3 , its bootstrap operation is as follows.

먼저, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 양단(이하, V- 노드(하측 노드)와 V+ 노드(상측 노드)로 명명한다)에 각각 외부 전원 전압 V1과 V2로 충전이 완료된 이후, V- 노드와 V+ 노드 중의 한쪽 노드에 전압 변동(△V)을 발생시킬 경우에, 다른 한쪽 노드에서도 동일한 양의 전압 변동(△V)이 그대로 나타난다. 이때, 변동전압분이 일정한데, 즉 V2 = V2 + △V가 된다. 이렇게 부트스트랩된 전압 노드가 외부와의 어떠한 전류 경로가 없는 플로팅(floating) 노드일 경우에 이 변동된 전압 상태를 그대로 유지하게 되는 것을 말한다.First, after charging is completed with external power supply voltages V1 and V2 at both ends of the bootstrap capacitor Cboot (hereinafter referred to as V- node (lower node) and V+ node (upper node)), respectively, the V- node and When a voltage fluctuation (ΔV) is generated in one of the V+ nodes, the same amount of voltage fluctuation (ΔV) appears in the other node as well. At this time, the variable voltage component is constant, that is, V2 = V2 + ΔV. In the case where the bootstrapped voltage node is a floating node without any current path with the outside, this changed voltage state is maintained as it is.

이러한 전압 상태를 유지하는 시간은 해당 노드에서 기생적으로 발생하는 리키지 전류(leakage current)에만 의존하며, 리키지 전류가 전혀 없는 이상적인 플로팅 노드일 경우에는 변동된 전압 상태를 그대로 유지하게 된다. 이것은 부트스트랩용 커패시터(Cboot) 양단의 전압 차이는 각각의 노드에 축적된 전하량의 상대적 차이 성분(이 축적 전하의 차이가 충전 전하량 △Q = C(V2-V1)를 형성한다)에만 비례해서 나타나고, 충전 전하량은 충전 시의 전하량으로 결정되며 이후 충전 전하량(△Q)은 일정하게 보존되기 때문이다.The time to maintain this voltage state depends only on leakage current parasitic at the node, and in the case of an ideal floating node having no leakage current, the changed voltage state is maintained. This means that the voltage difference across the bootstrap capacitor (Cboot) is proportional only to the relative difference component of the amount of charge accumulated in each node (the difference in the accumulated charge forms the charge amount ΔQ = C(V2-V1)). , because the charge amount is determined by the charge amount during charging, and the charge charge amount (ΔQ) is kept constant thereafter.

이러한 두 축적 전하량의 차이, 즉 충전 전하량이 전기장을 발생시키며(전하의 불균일성은 곧 전기장을 형성한다), 이러한 전기장이 에너지 형태로 부트스트랩용 커패시터(Cboot)에 저장된다.(

Figure 112021001370110-pat00008
) 또한, 이러한 전기장의 방향이 +Q와 -Q와 같은 극성 차이로 표현된다. 그리고 이것은 부트스트랩용 커패시터(Cboot) 양단의 전압이 동일한 값으로 충전된 경우에서도 마찬가지다.The difference between these two accumulated charges, i.e., the amount of charged charges, generates an electric field (the non-uniformity of the electric charge soon forms an electric field), and this electric field is stored in the bootstrap capacitor (Cboot) in the form of energy.
Figure 112021001370110-pat00008
) Also, the direction of this electric field is expressed as a difference in polarity such as +Q and -Q. And this is the same even when the voltage across the bootstrap capacitor (Cboot) is charged to the same value.

충전이 완료된 이후, 어느 한쪽 노드의 전압이 임의의 값으로 변동될 때(예를 들어, V- = Vx) 다른 나머지 노드의 전압도 동일한 값(예를 들어, V+ = Vx)으로 변하므로, 충전 전하량 △Q = 0 = C(Vx - Vx)가 그대로 변하지 않고 동일하게 유지한다.After charging is completed, when the voltage of one node changes to an arbitrary value (for example, V- = Vx), the voltage of the other node also changes to the same value (for example, V+ = Vx), so the amount of charge charged ΔQ = 0 = C(Vx - Vx) remains the same and does not change.

상술한 바와 같은 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 부트스트랩 동작에서는, 에너지(즉, 충전 에너지 =

Figure 112021001370110-pat00009
)와 전하량 모두 보존 법칙이 성립한다. 이에 반해, 차지 쉐어링은 전후의 (충전) 에너지의 보존 법칙은 성립하지 않고, 다만 전하량 보존 법칙만 성립한다. 차지 쉐어링 과정은 필연적으로 전하의 이동, 즉 전류를 수반하여 줄히팅(joule heating)과 같은 열 손실로 에너지 일부를 잃기 때문이다.In the bootstrap operation of the bootstrap capacitor (Cboot) as described above, energy (ie, charging energy =
Figure 112021001370110-pat00009
) and the amount of charge both hold the law of conservation. On the other hand, in charge sharing, the law of conservation of energy before and after (charge) does not hold, only the law of conservation of charge. This is because the charge-sharing process inevitably loses some of its energy due to the transfer of electric charge, ie, heat loss such as joule heating, which accompanies electric current.

일 실시 예에서, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상측 전압(Vx)을 제1스위치(SW1)를 통해 제1전압(V1)과 연결 형성함과 동시에, 하측 전압(Vs)을 제2스위치(SW2)를 통해 제2전압(V2)과 연결 형성하며 제3스위치(SW3)를 통해 제3전압(V3)과 연결 형성하며 제4스위치(SW4)를 통해 그라운드 연결 형성한 경우에, 아래의 표 1과 같이, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)를 온하고 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)를 오프하게 되면 상측 전압(Vx)은 제1전압(V1)이 걸리고 하측 전압(Vs)은 제2전압(V2)이 걸리게 되며, 그런 후에 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2) 및 제4스위치(SW4)를 오프하고 제3스위치(SW3)만 온하게 되면 상측 전압(Vx)은 V1+(V3-V2) 전압이 걸리고 하측 전압(Vs)은 제2전압(V2)에서 제3전압(V3)으로 변경되도록 해 주며, 다르게는 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)를 오프하고 제4스위치(SW4)만 온하게 되면 상측 전압(Vx)은 V1+(0V-V2) 전압이 걸리고 하측 전압(Vs)은 제2전압(V2)에서 0V로 변경되도록 해 준다.In an embodiment, as shown in FIG. 4 , the bootstrap capacitor Cboot connects the upper voltage Vx with the first voltage V1 through the first switch SW1 and simultaneously forms a lower side voltage Vx. The voltage Vs is connected to the second voltage V2 through the second switch SW2, connected to the third voltage V3 through the third switch SW3, and connected to the ground through the fourth switch SW4. When the connection is formed, as shown in Table 1 below, when the first switch SW1 and the second switch SW2 are turned on and the third switch SW3 and the fourth switch SW4 are turned off, the upper voltage Vx ), the first voltage V1 is applied and the lower voltage Vs is subjected to the second voltage V2, and then the first switch SW1, the second switch SW2 and the fourth switch SW4 are turned off. And when only the third switch SW3 is turned on, the upper voltage (Vx) applies the voltage V1+ (V3-V2) and the lower voltage (Vs) changes from the second voltage (V2) to the third voltage (V3). , alternatively, when the first switch SW1, the second switch SW2 and the third switch SW3 are turned off and only the fourth switch SW4 is turned on, the upper voltage Vx is V1+ (0V-V2). and the lower voltage Vs is changed from the second voltage V2 to 0V.

SW1SW1 SW2SW2 SW3SW3 SW4SW4 VxVx VsVs ONON ONON OFFOFF OFFOFF V1V1 V2V2 OFFOFF OFFOFF ONON OFFOFF V1+(V3-V2)V1+ (V3-V2) V2 -> V3V2 -> V3 OFFOFF OFFOFF OFFOFF ONON V1+(0V-V2)V1+(0V-V2) V2 -> 0VV2 -> 0V

비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 부트스트랩 전압을 만들기 위한 복수 개의 스위치(/SW1, /SW2, SW1, SW2)를 더 구비하며, 도 4를 부트스트랩용 커패시터(Cboot)로 구현하여, 해당 스위치(/SW1, /SW2, SW1, SW2)를 이용한 스위칭 순서에 따라 각각 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)을 추출해 준다.As shown in FIG. 5 , the bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) the bit line bootstrap unit 240 includes a plurality of switches (/SW1, /SW2, SW1) for generating a bootstrap voltage. , SW2), and by implementing FIG. 4 as a bootstrap capacitor (Cboot), the bootstrap voltage ( Vx) and the bootstrap voltage (Vy) of the bit line are extracted.

비트바라인 부트스트랩부(230)는, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 비트라인(B) 간에 제1비트라인 스위치(SW1)를 연결 형성함과 동시에, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트바라인(/B) 간에 제1비트바라인 스위치(/SW1)를 연결하여 충전한 이후에, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트라인(B) 간에 제2비트라인 스위치(SW2)를 연결 형성해 주어 부트스트랩 커패시터(Cboot)의 상측 전압이 Vx로 변하게 만들어 준다.The bit bar line bootstrap unit 230 connects and forms the first bit line switch SW1 between the upper side of the bootstrap capacitor Cboot and the bit line B, and at the same time forms the bootstrap capacitor Cboot. After charging by connecting the first bit bar line switch (/SW1) between the lower side and the bit bar line (/B), the second bit line switch (/SW1) between the lower side of the bootstrap capacitor (Cboot) and the bit line (B) SW2) is connected so that the upper voltage of the bootstrap capacitor (Cboot) changes to Vx.

비트라인 부트스트랩부(240)는, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 비트바라인(/B) 간에 제1비트바라인 스위치(/SW1)를 연결 형성함과 동시에, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트라인(B) 간에 제1비트라인 스위치(SW1)를 연결 형성하여 충전한 이후에, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트바라인(/B) 간에 제2비트바라인 스위치(/SW2)를 연결 형성해 주어 부트스트랩 커패시터(Cboot)의 상측 전압이 Vy로 변하게 만들어 준다.The bit line bootstrap unit 240 connects and forms the first bit bar line switch (/SW1) between the upper side of the bootstrap capacitor (Cboot) and the bit bar line (/B), and at the same time forms the bootstrap capacitor ( After charging by connecting the first bit line switch SW1 between the lower side of Cboot and the bit line B, the second bit bar between the lower side of the bootstrap capacitor Cboot and the bit bar line /B By connecting the in switch (/SW2), the upper voltage of the bootstrap capacitor (Cboot) changes to Vy.

일 실시 예에서, 비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 아래의 표 2와 같이, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 양 단자에 각각 비트바라인(/B) 전압과 비트라인(B) 전압을 상호 스위칭(switching)하는 순서를 변경해 줌으로써, 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 양단간에 인가되는 전압차를 처음 형성된 센싱 마진(△V)보다 3배 증가한 3△V라는 큰 전압 차이로 인가되도록 해 줄 수 있다. 다시 말해서, 비트바라인 부트스트랩부(230)의 상측 전압은 Vx로 만들고, 비트라인 부트스트랩부(240)의 상측 전압은 Vy로 만들어 준 다음, Vx 전압은 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트 전압으로 입력되고, Vy 전압은 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 전압으로 입력이 되게 한다. 두 개의 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 부트스트랩 원리를 이용하여 스위치(/SW1, /SW2, SW1, SW2)를 통한 비트바라인(/B) 전압과 비트라인(B) 전압을 단지 스위칭하는 순서만을 조절함으로써, 처음 형성된 센싱 마진(△V)보다 3배 높은 전압 차이(Vx-Vy)를 만들어 낼 수 있다.In an embodiment, the bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) the bit line bootstrap unit 240 provides a bit at both terminals of the bootstrap capacitor Cboot, as shown in Table 2 below. By changing the order of mutually switching the bar line (/B) voltage and the bit line (B) voltage, the voltage difference applied between the gate of the first NMOS transistor 103 and the gate of the second NMOS transistor 104 is reduced. It can be applied with a large voltage difference of 3ΔV, which is three times higher than the initially formed sensing margin (ΔV). In other words, the upper voltage of the bit bar line bootstrap unit 230 is made Vx, the upper voltage of the bit line bootstrap unit 240 is made Vy, and then the voltage Vx is the gate voltage of the first NMOS transistor 103 . , and the voltage Vy is input as the gate voltage of the second NMOS transistor 104 . The sequence of just switching the bit bar line (/B) voltage and the bit line (B) voltage through the switches (/SW1, /SW2, SW1, SW2) using the bootstrap principle of the two bootstrap capacitors (Cboot) By controlling only , it is possible to create a voltage difference (Vx-Vy) that is three times higher than the initially formed sensing margin (ΔV).

초기값(SW1)Initial value (SW1) 부트스트랩 후(SW2+(V+)노드 플로팅)After bootstrap (SW2+(V+) node floating) 데이터data /B/B BB VxVx VyVy Vx-VyVx-Vy 1One "1"@B"1"@B Vblpvblp Vblp+1△Vblp+1△ Vblp+2△Vblp+2△ Vblp-1△Vblp-1△ +3△+3△ 22 "0"@B"0"@B Vblpvblp Vblp-1△Vblp-1△ Vblp-2△Vblp-2△ Vblp+1△Vblp+1△ -3△-3△ 33 "1"@/B"1"@/B Vblp+1△Vblp+1△ Vblpvblp Vblp-1△Vblp-1△ Vblp+2△Vblp+2△ -3△-3△ 44 "0"@/B"0"@/B Vblp-1△Vblp-1△ Vblpvblp Vblp+1△Vblp+1△ Vblp-2△Vblp-2△ +3△+3△

비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 도 5에서 추출한 2개의 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 비트바라인용 전압(Vx)과 비트라인용 전압(Vy)을 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트로 각각 활용해 준다. 즉, 센스 앰프에 부트스트랩용 커패시터(Cboot)를 삽입 구성하여 두 개의 부트스트랩된 전압 Vx와 Vy를 센스 앰프에서 활용하도록 한다.The bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) the bit line bootstrap unit 240 is for bit bar lines of the two bootstrap capacitors (Cboot) extracted in FIG. 5 as shown in FIG. 6 . The voltage Vx and the voltage Vy for the bit line are used as the gate of the first NMOS transistor 103 and the gate of the second NMOS transistor 104 , respectively. That is, by inserting the bootstrap capacitor (Cboot) into the sense amplifier, the two bootstrap voltages Vx and Vy are utilized in the sense amplifier.

도 2 및 도 6에 있어서, 비트바라인 커패시터(105)와 비트라인 커패시터(106)의 커패시턴스(Cb)는 기존 40fF으로 유지하고, 셀 커패시터(107)의 셀 커패시턴스(Cs)를 기존 8fF에서 4fF로 대폭 감소된 상황에서도, 기존 대비 동일 수준 이상의 센싱 마진 확보가 가능한 것을 보이고자 하며, 센스 앰프의 전원 전압(Vcore)은 기존과 동일하게 1.1V로 하고, 또한 비트라인 프리차지 전압(Vblp)은 실제 동작 중 전압인 Vcore/2인 0.55V로 한다. 이러한 경우, "1" 데이터, "0" 데이터의 센싱 마진(△V)은 동일하게 0.55V/(1+10) = 0.55/11 = 0.05V, 즉 50mV이다.2 and 6, the capacitance Cb of the bit bar line capacitor 105 and the bit line capacitor 106 is maintained at 40 fF, and the cell capacitance Cs of the cell capacitor 107 is changed from 8 fF to 4 fF. In order to show that it is possible to secure more than the same level of sensing margin compared to the existing one, even in a situation where the Set to 0.55V, which is Vcore/2, which is the voltage during actual operation. In this case, the sensing margin (ΔV) of “1” data and “0” data is equally 0.55V/(1+10)=0.55/11=0.05V, that is, 50mV.

비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 제1NMOS 트랜지스터(103) 및 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 단에 원천적으로 존재하는 MOS 커패시터(Cox)(도 7 참조)와 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 병렬 연결되어 있으며, 트랜지스터 게이트 단의 MOS 커패시터(Cox)의 커패시턴스 값과 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 커패시턴스 값, 셀 커패시터(107)의 셀 커패시턴스 값(Cs), 비트라인 커패시터(106)의 비트라인 커패시턴스 값(Cb) 간에는 각각 다음과 같은 배수 관계가 성립되도록 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 커패시턴스 값을 설정해 주는데, 예를 들어 Cs/Cboot = n, Cb/Cs = r, 그리고 Cboot/Cox = M으로 표시하도록 설정해 준다. 여기서, n, r, M은 최소 20 이상으로 설정되게 하며, 트랜지스터의 게이트 단에서 보이는 MOS 커패시터(Cox)는 다음과 같이 계산될 수 있다. 게이트옥사이드(gate oxide)의 두께(t) 20Å인 경우, 트랜지스터의 위스(width; W)와 랭스(length; L)를 각각 W=0.1㎛, L=0.1㎛로 구성되어 있을 때, MOS 커패시터(Cox)의 커패시턴스 값은

Figure 112021001370110-pat00010
= 17[fF/㎛2]*W[㎛]*L[㎛] = 0.017[fF]이다. 단, 게이트와 소스 그리고 게이트와 드레인 노드 사이의 밀러(Miller) 커패시턴스 성분은 그 값이 충분히 작으므로 무시한다. MOS 커패시터(Cox)는 모든 MOS 트랜지스터들에 반드시 존재하는 원천적인 성분이며, 트랜지스터로서 온/오프 작동을 하기 위한 트랜지스터의 게이트와 실리콘 사이에 자연 발생하는 기본적인 커패시터 부하(load)이다.The bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) bit line bootstrap unit 240 is a MOS capacitor (Cox) that is inherently present at the gate terminals of the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104 . ) (refer to FIG. 7) and the upper side of the bootstrap capacitor (Cboot), and the capacitance value of the MOS capacitor (Cox) at the transistor gate terminal, the capacitance value of the bootstrap capacitor (Cboot), and the cell capacitor 107 ), the capacitance value of the bootstrap capacitor (Cboot) is set so that the following multiple relationship is established between the cell capacitance value (Cs) of the bit line capacitor (106) and the bit line capacitance value (Cb) of the bit line capacitor 106, for example, Set to display Cs/Cboot = n, Cb/Cs = r, and Cboot/Cox = M. Here, n, r, and M are set to at least 20 or more, and the MOS capacitor Cox seen at the gate terminal of the transistor can be calculated as follows. When the thickness (t) of the gate oxide is 20 Å, when the width (W) and the length (L) of the transistor are composed of W = 0.1 μm and L = 0.1 μm, respectively, the MOS capacitor ( The capacitance value of Cox) is
Figure 112021001370110-pat00010
= 17[fF/μm2]*W[μm]*L[μm] = 0.017[fF]. However, since the value of the Miller capacitance component between the gate and the source and the gate and the drain node is sufficiently small, it is ignored. The MOS capacitor (Cox) is a fundamental component necessarily present in all MOS transistors, and is a basic capacitor load naturally occurring between the gate and silicon of the transistor for on/off operation as a transistor.

비트바라인(/B) 또는 비트라인(B)에 연결된 하나의 셀이 선택되어 셀 커패시터와 비트라인 커패시터 간에 차지 쉐어링이 일어날 때, 해당 셀이 선택된 라인(/B 또는 B)의 총 커패시턴스 값은 셀 커패시터(107)와 병렬 합성되므로 Cb + Cs가 되고, 셀이 선택되지 않는 반대편 라인의 커패시턴스 값은 Cb 상태를 그대로 유지하게 된다. 이것은 센싱 동작 시 비트바라인(/B)과 비트라인(B) 사이의 큰 커패시턴스 미스매치 요인으로 작용을 하고 있기도 한다.When one cell connected to the bit bar line (/B) or bit line (B) is selected and charge sharing occurs between the cell capacitor and the bit line capacitor, the total capacitance value of the line (/B or B) in which the cell is selected is Since it is synthesized in parallel with the cell capacitor 107, it becomes Cb + Cs, and the capacitance value of the opposite line in which the cell is not selected maintains the Cb state. This also acts as a large capacitance mismatch factor between the bit bar line (/B) and the bit line (B) during the sensing operation.

도 5는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 양단에 외부 전원 전압으로 인가될 경우, 각각의 스위칭 순서에 따라 비트바라인 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인 부트스트랩 전압(Vy)을 나타내는데, 이때 비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 비트바라인 부트스트랩 전압(Vx)을 비트바라인(/B)의 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트 전압에 인가하도록 하며, 비트라인 부트스트랩 전압(Vy)을 비트라인의 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 전압에 인가하도록 함으로써, 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 전압의 차이를 종래의 센싱 마진(△V)에서 3배 증가된 전압차(3△V)로, 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 전압으로 각각 인가되어 센싱 마진이 3배 증가한 것과 같은 동일한 효과를 준다. 하지만 본 발명의 실시 예에서 사용하는 것은 외부 전원 전압으로 연결하는 것이 아니고, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)와 비트라인 커패시스턴스(Cb), 또 Cox와 Cboot 간 큰 커패시턴스 차이(Cb/Cboot≥20, Cboot/Cox≥20)를 이용한 차지 쉐어링 결과를 사용하는 것이므로, 표 2에서 나타난 것과 같이 정확히 3△V가 아니고, 위에서 언급한 n, r, M의 값 크기에 따라 실제 실현 가능한 3△V의 크기는 달라질 수 있다는 것을 잘 이해해야 한다. 하지만 후술하는 예에서 nr≥20 이상만 되더라도 표 2에서 나타난 것과 거의 차이가 없다는 것을 결론을 지을 수 있고, 실제 상황에서는 nr≥20보다 더 큰 범위의 값을 설정할 수 있으므로, 그 차이는 더욱 줄어든다.5 shows a bit bar line bootstrap voltage (Vx) and a bit line bootstrap voltage (Vy) according to each switching order when an external power supply voltage is applied to both ends of the bootstrap capacitor (Cboot). In this case, the bit The bar line bootstrap unit 230 or (or, and) the bit line bootstrap unit 240 applies the bit bar line bootstrap voltage Vx to the gate of the first NMOS transistor 103 of the bit bar line /B. voltage, and the bit line bootstrap voltage Vy is applied to the gate voltage of the second NMOS transistor 104 of the bit line, so that the difference between the gate voltages of the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104 is is applied to the gate voltage of the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104 as a voltage difference (3ΔV) increased three times from the conventional sensing margin (ΔV), and the sensing margin is increased by 3 times; gives the same effect. However, in the embodiment of the present invention, it is not connected to an external power supply voltage, but a capacitor for bootstrap (Cboot) and a bit line capacitance (Cb), and a large difference in capacitance between Cox and Cboot (Cb/Cboot≥20) , Cboot/Cox≥20) is used, so it is not exactly 3ΔV as shown in Table 2, but the actual realizable 3ΔV according to the values of n, r, and M mentioned above. It should be well understood that sizes may vary. However, in an example to be described later, it can be concluded that there is little difference from that shown in Table 2 even if nr≥20 or more.

다음은 비트바라인(/B)에 "1" 데이터를 센싱하고자 할 때, 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트 전압으로 사용되는 비트바라인 부트스트랩 전압(Vx)을 구하는 과정을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.The following describes the process of obtaining the bit bar line bootstrap voltage Vx used as the gate voltage of the first NMOS transistor 103 when sensing data “1” on the bit bar line /B as an example. same as

"1" 데이터와 "0" 데이터의 센싱 마진(△V)은 앞서 언급한 조건에서, 공통적으로 50mV이다. 먼저 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 양극은 BLEQ가 온되어 있고, 동시에 제1신호 스위치(T232, T233 두 개의 스위치 역할을 하는 트랜지스터이나, 이 두 트랜지스터에 대한 제어 신호선은 제1신호선을 공유하므로 제1신호 스위치로 명명하고, 이하에서 T231~T234를 각기 제1 ~ 4 스위칭 트랜지스터로 명명하는 것과는 구별되는 것에 주의해야 한다. 역시 온되어 있어, 비트바라인용과 비트라인용 전압이 그대로 부트스트랩용 커패시터의 양극에 전달되므로, 비트바라인과 비트라인과 부트스트랩용 커패시터의 양극 모두는 동일하게 비트라인 프리차지 전압( Vblp)으로 프리차지 있다가, BLEQ가 오프되고, 곧 이어 워드라인이 열릴 때, 제1스위치 두 개가 여전히 온되어 있으므로, 비트바라인(/B) 전압은 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측 노드(V-)에 T233의 제1스위칭 트랜지스터를 통해 연결되어 있고, 비트라인(B)은 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측 노드(V+)에 T232의 제1스위칭 트랜지스터를 통해 연결되어, 충전 상태에 들어가게 된다.The sensing margin (ΔV) of “1” data and “0” data is 50 mV in common under the aforementioned conditions. First, the anode of the bootstrap capacitor (Cboot) has BLEQ on, and at the same time, the first signal switch (T232, T233) is a transistor that serves as two switches, but the control signal line for these two transistors shares the first signal line. It should be noted that it is distinguished from naming a one-signal switch, and in the following, T231 to T234 are respectively named as first to fourth switching transistors. is transferred to the anode of the bit bar line, bit line, and the anode of the bootstrap capacitor are equally precharged to the bit line precharge voltage (Vblp), then when BLEQ is turned off and the word line is opened immediately, Since the first two switches are still on, the bit bar line (/B) voltage is connected to the lower node (V-) of the bootstrap capacitor (Cboot) through the first switching transistor of T233, and the bit line (B) ) is connected to the upper node (V+) of the bootstrap capacitor (Cboot) through the first switching transistor of T232, and enters a charged state.

이때, 비트라인(B) 전압과 부트스트랩용 커패시터의 상측 노드는 비트라인 프리차지 전압(Vblp)을 동일하게 유지하므로, 전압 변동이 전혀 없고, 비트바라인(/B) 전압은 셀 데이터가 열려 Vblp에서 Vblp+△V로 변화가 되고, 이 변동된 비트바라인(/B)을 Vblp 전압으로 프리차지되어 있던 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측 노드(V-)에 연결할 때, 차지 쉐어링이 먼저 한 번 일어난다. 참고로, 차지 쉐어링은 두 노드의 전압이 동일하지 않은 모든 커패시터 사이에 일어나며, 차지 쉐어링 이후의 전압은 커패시턴스가 상대적으로 큰 노드(

Figure 112021001370110-pat00011
), 제1전압(
Figure 112021001370110-pat00012
)과 커패시턴스가 상대적으로 작은 노드(
Figure 112021001370110-pat00013
), 제2전압(
Figure 112021001370110-pat00014
)을 서로 연결할 때 커패시턴스가 상대적으로 큰 노드의 제1전압(V1)으로 변하되, 단
Figure 112021001370110-pat00015
만큼 차감되어 변동한다. 따라서 두 커패시턴스의 비가 크면 클수록 차감 성분은 줄어들고, 커패시턴스 값이 상대적으로 더 큰 노드의 제1전압(V1)과 거의 같아진다.At this time, since the bit line (B) voltage and the upper node of the bootstrap capacitor maintain the same bit line pre-charge voltage (Vblp), there is no voltage fluctuation at all, and the bit bar line (/B) voltage opens the cell data. When Vblp changes from Vblp to Vblp+ΔV, and this changed bit bar line (/B) is connected to the lower node (V-) of the bootstrap capacitor (Cboot) that was precharged with the Vblp voltage, charge sharing occurs first. it happens once For reference, charge-sharing occurs between all capacitors whose voltages at the two nodes are not equal, and the voltage after charge-sharing is applied to nodes with relatively large capacitance (
Figure 112021001370110-pat00011
), the first voltage (
Figure 112021001370110-pat00012
) and a node with relatively small capacitance (
Figure 112021001370110-pat00013
), the second voltage (
Figure 112021001370110-pat00014
), the capacitance changes to the first voltage (V1) of the node having a relatively large capacitance,
Figure 112021001370110-pat00015
It is deducted and fluctuates. Accordingly, as the ratio of the two capacitances increases, the subtraction component decreases, and the capacitance value becomes almost equal to the first voltage V1 of the node having a relatively larger capacitance.

부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 커패시턴스가 비트바라인(/B)과 비트라인(B)의 커패시턴스보다 항상 작으며(nr > 20), 따라서 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드 전압(Vblp)과 비트바라인(/B)의 전압(Vblp+△V)을 연결할 때, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드 전압(Vblp)은 비트바라인(/B)의 전압(Vblp+△V)과 완전히 동일한 값이 되지 못하고, 상술한 바와 같이 센싱 마진(△V)보다

Figure 112021001370110-pat00016
만큼 차감되어
Figure 112021001370110-pat00017
만큼만 변화된다. 여기서, 비트바라인(/B)의 커패시턴스는 셀 커패시턴스가 병렬 합성되므로, Cb가 아닌 Cs+Cb이다. 즉, 차지 쉐어링 이후 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드 전압과 비트바라인(/B)의 전압은 아래의 수학식 1과 같이 된다.The capacitance of the bootstrap capacitor (Cboot) is always smaller than the capacitance of the bit bar line (/B) and the bit line (B) (nr > 20), so the lower (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) When connecting the voltage (Vblp) and the voltage (Vblp+ΔV) of the bit bar line (/B), the lower (V-) node voltage (Vblp) of the bootstrap capacitor (Cboot) is the voltage of the bit bar line (/B) It does not have the same value as the voltage (Vblp+ΔV), and it is higher than the sensing margin (ΔV) as described above.
Figure 112021001370110-pat00016
deducted as much
Figure 112021001370110-pat00017
change only as much Here, the capacitance of the bit bar line (/B) is Cs+Cb, not Cb, since the cell capacitances are combined in parallel. That is, after charge sharing, the voltage of the lower side (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) and the voltage of the bit bar line (/B) are expressed by Equation 1 below.

Figure 112021001370110-pat00018
Figure 112021001370110-pat00018

수학식 1에 있어서, nr 값이 크면 클수록 nr 값은 n(r+1) 값과 거의 동일하다.In Equation 1, the larger the nr value, the greater the nr value is approximately equal to the n(r+1) value.

예를 들어, n = 4, r = 10(nr = 40)인 경우, 수학식 1에 의하여 차지 쉐어링 이후 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드 전압과 비트바라인(/B)의 전압은

Figure 112021001370110-pat00019
가 된다.For example, when n = 4, r = 10 (nr = 40), the voltage at the lower side (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) and the bit bar line (/B) after charge sharing according to Equation 1 the voltage of
Figure 112021001370110-pat00019
becomes

다른 예로는, n = 4, r = 5(nr = 20)인 경우, 수학식 1에 의하여 차지 쉐어링 이후 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드 전압과 비트바라인(/B)의 전압은

Figure 112021001370110-pat00020
가 된다.As another example, when n = 4, r = 5 (nr = 20), the voltage of the lower side (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) and the bit bar line (/B) after charge sharing according to Equation 1 the voltage of
Figure 112021001370110-pat00020
becomes

이후 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드에서 발생한 전압 변화량이 그대로 다시 부트스트랩 되어 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드에도 더해지므로, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드는 프리차지 구간의 비트라인 프리차지 전압(Vblp)에서 수학식 1에 의해 계산된 전압만큼 상승하게 되고, 이를 다시 비트라인 프리차지 전압(Vblp)에 있는 비트라인(B)과 또 연결하므로, 또 한 번 차지 쉐어링이 일어난다.After that, the voltage change generated at the lower (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) is bootstrapped again as it is and is added to the upper (V+) node of the bootstrap capacitor (Cboot). The high side (V+) node rises by the voltage calculated by Equation 1 from the bit line precharge voltage Vblp of the precharge period, and is again connected to the bit line B at the bit line precharge voltage Vblp. By connecting again, charge sharing takes place again.

결국 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드 전압이 비트라인(B)의 프리차지 전압(Vblp)으로 정확히 동일해지지 않고, 비트라인 프리차지 전압(Vblp)보다

Figure 112021001370110-pat00021
만큼 살짝 올라간 값이 된다. 이때, 비트라인(B)의 커패시턴스는 Cb 값 그대로 이다. 즉, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드 전압과 비트라인(B) 전압은 아래의 수학식 2와 같이 된다.As a result, the voltage of the upper (V+) node of the bootstrap capacitor (Cboot) is not exactly equal to the precharge voltage (Vblp) of the bit line (B), and is higher than the precharge voltage (Vblp) of the bit line (B).
Figure 112021001370110-pat00021
It will be a slightly increased value. At this time, the capacitance of the bit line B remains the same as the Cb value. That is, the upper (V+) node voltage and the bit line (B) voltage of the bootstrap capacitor Cboot are expressed in Equation 2 below.

Figure 112021001370110-pat00022
Figure 112021001370110-pat00022

예를 들어, n = 4, r = 10(nr = 40)인 경우, 수학식 2에 의하여 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드 전압과 비트라인(B) 전압은

Figure 112021001370110-pat00023
가 된다.For example, when n = 4, r = 10 (nr = 40), the upper (V+) node voltage and the bit line (B) voltage of the bootstrap capacitor Cboot according to Equation 2 are
Figure 112021001370110-pat00023
becomes

다른 예로는, n = 4, r = 5(nr = 20)인 경우, 수학식 2에 의하여 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드 전압과 비트라인(B) 전압은

Figure 112021001370110-pat00024
가 된다.As another example, when n = 4, r = 5 (nr = 20), the upper (V+) node voltage and the bit line (B) voltage of the bootstrap capacitor Cboot according to Equation 2 are
Figure 112021001370110-pat00024
becomes

상술한 두 결과는 실제 외부 전원 전압으로 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 각 노드에 스위칭하여 얻어진 결과와 큰 차이가 없다. 이것은 최소 20배 이상의 큰 커패시턴스의 차이를 이용한 두 커패시터 사이의 차지 쉐어링으로 얻어진 결과는 전원 전압으로 스위칭할 때와 비교해서 그 결과 값의 차이는 무시 가능한 범위의 수치인 것을 잘 알 수 있다. 즉, 무한대의 커패시턴스를 가진 제1전압(V1)과 유한한 C1 커패시턴스를 가진 제2전압(V2) 사이의 차지 쉐어링으로 해석해도 무방하다.The above two results are not significantly different from the results obtained by switching each node of the bootstrap capacitor (Cboot) with the actual external power supply voltage. It can be seen that the difference in the result obtained by charge sharing between two capacitors using a difference in capacitance of at least 20 times or more is in a negligible range compared to the time of switching to the power supply voltage. That is, it may be interpreted as charge sharing between the first voltage V1 having an infinite capacitance and the second voltage V2 having a finite C1 capacitance.

따라서 이하 설명에서는 충분히 현실적으로 적용 가능한 범위 내의 하한 값에 가까운 n = 4, r = 5(nr = 20)인 경우를 상정하여 실제 계산 값으로 비트바라인용 전압(Vx)을 추출하는 나머지 과정을 설명하도록 한다. 지금까지 진행된 것은 초기 충전 상태에 해당하며, 이후 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드와 비트라인(B)에 스위칭하여, 최종 비트바라인의 부트스트랩 커패시터의 상측 전압(Vx)을 얻는 과정이 남아있다.Therefore, in the following description, it is assumed that n = 4, r = 5 (nr = 20) close to the lower limit value within the practically applicable range is assumed to explain the rest of the process of extracting the voltage (Vx) for the bit bar line with the actual calculated value. do. What has been done so far corresponds to the initial state of charge, and then switches to the lower (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) and the bit line (B), and the upper voltage (Vx) of the bootstrap capacitor of the final bit bar line The process of obtaining

부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드는 비트바라인(/B)과 연결하여 0.598V에 있고, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드는 비트라인(B)에 연결되어 0.552V에 있게 된다. 이때, n = 4, r = 5, nr = 20인 경우를 상정한 값이다.The lower (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) is connected to the bit bar line (/B) and is at 0.598V, and the upper (V+) node of the bootstrap capacitor (Cboot) is connected to the bit line (B). connected and at 0.552V. At this time, it is a value assuming the case where n = 4, r = 5, and nr = 20.

이후 비트라인(B)을 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드에 스위칭하여 연결됨으로써, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드의 전압은

Figure 112021001370110-pat00025
가 되고, 해당 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드의 전압 변동이 그대로 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드에서도 나타나므로, 초기 상태의 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드 전압 0.598V와 이후 최종 전압 0.554V간의 전압 변동분이 0.598V - 0.554V = 44mV이 생긴다. 이에, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드의 전압 0.552V에서 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측(V-) 노드에서의 전압 변동량이 그대로 반영되어, 0.552V - 44mV = 0.508V가 된다.Then, by switching the bit line (B) to the lower (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot), the voltage at the lower (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) is
Figure 112021001370110-pat00025
Since the voltage fluctuation of the lower (V-) node of the corresponding bootstrap capacitor (Cboot) appears in the upper (V+) node of the bootstrap capacitor (Cboot) as it is, the bootstrap capacitor (Cboot) in the initial state. The voltage variation between the lower (V-) node voltage of 0.598V and the final voltage of 0.554V thereafter is 0.598V - 0.554V = 44mV. Accordingly, the voltage variation at the lower (V-) node of the bootstrap capacitor (Cboot) is reflected as it is at the voltage of 0.552V at the upper (V+) node of the bootstrap capacitor (Cboot), 0.552V - 44mV = 0.508V becomes

상술한 바와 같은 계산식으로부터 표 2의 테이블에서 얻어진 결과 값과 거의 같음을 잘 알 수 있다. 따라서 외부 전원 전압으로 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 노드에 스위칭하여 추출된 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)은, nr > 20인 조건에서 큰 커패시턴스 차이를 가질 때, 차지 쉐어링된 결과로 얻어진 것과 mV 단위에서 차이가 있을 뿐, 표 2에서 제시된 값을 그대로 적용하는 데에는 문제가 없는 것을 확인할 수 있다.From the above-described calculation formula, it can be well understood that the result values obtained in the table of Table 2 are almost the same. Therefore, the bootstrap voltage (Vx) of the bit bar line and the bootstrap voltage (Vy) of the bit line, which are extracted by switching to the node of the bootstrap capacitor (Cboot) with the external power supply voltage, have a large capacitance difference under the condition that nr > 20 , there is only a difference in mV unit from that obtained as a result of charge sharing, and it can be confirmed that there is no problem in applying the values presented in Table 2 as they are.

이후, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)에 유도된 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy) 각각, 즉 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)을 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트로 전달하고, 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)을 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트로 전달하는 과정 역시 차지 쉐어링되는 과정이다.Thereafter, the bootstrap voltage (Vx) of the bit bar line and the bootstrap voltage (Vy) of the bit line induced in the bootstrap capacitor (Cboot), that is, the bootstrap voltage (Vx) of the bit bar line are respectively applied to the first NMOS transistor ( 103) and the process of transferring the bootstrap voltage Vy of the bit line to the gate of the second NMOS transistor 104 is also a charge-sharing process.

제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 역시, MOS 커패시터(Cox)라는 커패시턴스 성분을 가지고 있으므로, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx) 또는 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)을 MOS 커패시터(Cox)와 차지 쉐어링 결과에 따라 최종 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트에 걸리는 전압(Vgs)이 결정된다.Since the gate of the first NMOS transistor 103 and the gate of the second NMOS transistor 104 also have a capacitance component called the MOS capacitor Cox, the bootstrap voltage Vx of the bit bar line of the bootstrap capacitor Cboot or The voltage Vgs applied to the gates of the final first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104 is determined according to the result of charge-sharing the bootstrap voltage Vy of the bit line with the MOS capacitor Cox.

제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트는 동일하게 MOS 커패시터(Cox)에 해당하는 커패시턴스를 가지고 있으며, MOS 커패시터(Cox) 역시 비트라인 프리차지 전압(Vblp)으로 프리차지 되고 있다가, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx) 또는 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)과 연결된다.The gate of the first NMOS transistor 103 and the gate of the second NMOS transistor 104 have the same capacitance corresponding to the MOS capacitor Cox, and the MOS capacitor Cox is also precharged with the bit line precharge voltage Vblp. Then, the bootstrap capacitor (Cboot) is connected to the bootstrap voltage (Vx) of the bit bar line or the bootstrap voltage (Vy) of the bit line.

각각의 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)은 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 대비 표 2의 테이블에서 각각 2△V 와 △V만큼 변동할 수 있으므로, Cboot/Cox 비(M)가 역시 20 정도로 상정할 때에, 전압 변동이 2△V가 발생한 경우에는

Figure 112021001370110-pat00026
만큼 차감되고, 전압 변동이 △V가 발생한 경우에는
Figure 112021001370110-pat00027
만큼 차감된 전압이 트랜지스터의 게이트로 인가되므로, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)에 형성된 전압이 거의 그대로 게이트로 인가된다고 할 수 있다.Since the bootstrap voltage (Vx) of each bit bar line and the bootstrap voltage (Vy) of the bit line can vary by 2ΔV and ΔV respectively in the table of Table 2 compared to the bit line precharge voltage (Vblp), When the Cboot/Cox ratio (M) is also assumed to be about 20, if the voltage fluctuation is 2ΔV,
Figure 112021001370110-pat00026
is subtracted by the amount, and when the voltage fluctuation ΔV occurs,
Figure 112021001370110-pat00027
Since the subtracted voltage is applied to the gate of the transistor, it can be said that the voltage formed in the bootstrap capacitor Cboot is applied to the gate as it is.

도 7은 도 2에 있는 비트바라인 부트스트랩부와 비트라인 부트스트랩부를 설명하는 도면이다.FIG. 7 is a view for explaining a bit bar line bootstrap unit and a bit line bootstrap unit shown in FIG. 2 .

도 7을 참조하면, 비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 도 6에서 설명한 스위칭 동작을 실제 회로로 구현하기 위한 복수 개의 스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244)를 더 포함하여 이루어진다. 다시 말해서, 도 7은 부트스트랩용 커패시터(Cboot)와 제1NMOS 트랜지스터(103) 사이에 구비된 MOS 커패시터(Cox)와 비트바라인 커패시터(Cb)(105) 간의 유의미한 커패시턴스 차이, 그리고 부트스트랩용 커패시터(Cboot)와 제2NMOS 트랜지스터(104) 사이에 구비된 MOS 커패시터(Cox)와 비트라인 커패시터(Cb)(106) 간의 유의미한 커패시턴스 차이를 이용하여 실제 회로로 구현한 도면이다.Referring to FIG. 7 , the bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) the bit line bootstrap unit 240 includes a plurality of switching transistors T231 for implementing the switching operation described in FIG. 6 as an actual circuit. ~ T234, T241 ~ T244) is made to further include. In other words, FIG. 7 shows a significant difference in capacitance between the MOS capacitor Cox and the bit bar line capacitor Cb 105 provided between the bootstrap capacitor Cboot and the first NMOS transistor 103, and the bootstrap capacitor. It is a diagram implemented as an actual circuit using a significant difference in capacitance between the MOS capacitor (Cox) and the bit line capacitor (Cb) 106 provided between (Cboot) and the second NMOS transistor 104 .

스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244)는, 부트스트랩 전압을 만들기 위해서, 센스 앰프 동작 중에, 제1인버터부(210)의 게이트와 비트라인(B)을 연결시켜 주고, 제2인버터부(220)의 게이트와 비트바라인(/B)을 연결시켜, 인버터부(210, 220)의 입력 값과 출력 값을 각각 0V와 전원 전압(Vcore)로 만들어 준다.The switching transistors T231 to T234 and T241 to T244 connect the gate of the first inverter unit 210 to the bit line B during the sense amplifier operation to create a bootstrap voltage, and the second inverter unit ( 220) is connected to the bit bar line (/B), so that the input and output values of the inverter units 210 and 220 are set to 0V and the power supply voltage (Vcore), respectively.

비트바라인 부트스트랩부(230)의 제1스위칭 트랜지스터(T231)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트 사이에 형성되며, 제2스위칭 트랜지스터(T232)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 비트라인(B) 사이에 형성되며, 제3스위칭 트랜지스터(T233)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트바라인(/B) 사이에 형성되며, 제4스위칭 트랜지스터(T234)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트라인(B) 사이에 형성된다.The first switching transistor T231 of the bit bar line bootstrap unit 230 is formed between the upper side of the bootstrap capacitor Cboot and the gate of the first NMOS transistor 103, and the second switching transistor T232 is the boot Formed between the upper side of the strap capacitor (Cboot) and the bit line (B), the third switching transistor (T233) is formed between the lower side of the bootstrap capacitor (Cboot) and the bit bar line (/B), The 4-switching transistor T234 is formed between the lower side of the bootstrap capacitor Cboot and the bit line B.

비트라인 부트스트랩부(240)의 제1스위칭 트랜지스터(T241)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 사이에 형성되며, 제2스위칭 트랜지스터(T242)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 비트바라인(/B) 사이에 형성되며, 제3스위칭 트랜지스터(T243)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트라인(B) 사이에 형성되며, 제4스위칭 트랜지스터(T244)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트바라인(/B) 사이에 형성된다.The first switching transistor T241 of the bit line bootstrap unit 240 is formed between the upper side of the bootstrap capacitor Cboot and the gate of the second NMOS transistor 104, and the second switching transistor T242 is bootstrapped. It is formed between the upper side of the capacitor Cboot and the bit bar line /B, and the third switching transistor T243 is formed between the lower side of the bootstrap capacitor Cboot and the bit line B, and the fourth The switching transistor T244 is formed between the lower side of the bootstrap capacitor Cboot and the bit bar line /B.

일 실시 예에서, 스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244)는, 스위칭 동작에 필요한 트랜지스터로서 모두 NMOS 트랜지스터이며, 셀 트랜지스터(108)로 사용되는 최소 사이즈의 트랜지스터로 구성할 수 있을 뿐 아니라, 이보다 더욱 작은 트랜지스터로도 구현이 가능하여, 공정기술이 허용하는 최소 사이즈로 트랜지스터를 설계해도 무방하다.In an embodiment, the switching transistors T231 to T234 and T241 to T244 are NMOS transistors as transistors required for a switching operation, and can be configured as a transistor of a minimum size used as the cell transistor 108 , and more Since it can be implemented with a smaller transistor, it is okay to design the transistor with the minimum size allowed by the process technology.

상술한 바와 같은 구성을 가진 비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)를 각각 추가하여, 센스 앰프에서 셀 커패시턴스가 감소함에 따라 동반하여 감소할 수밖에 없는 센싱 마진(△V)을, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 부트스트랩 원리를 이용하여, 3배 증가된 것과 같은 효과를 가지도록 함과 동시에, 센싱 마진의 승압을 얻기 위해 부트스트랩의 스위칭에 필요한 셀 트랜지스터의 사이즈의 NMOS 트랜지스터인 스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244)를 각각 4개씩 추가하여, 스위칭에 필요한 타이밍 제어를 수행해 준다. 또 셀 커패시턴스가 어느 정도 확보가 가능한 경우 비트라인 길이를 확장하여 비트라인 커패시턴스가 증가하여도 정상 센싱이 가능하므로, 셀 에피션시를 대폭 향상시킬 수 있는 방향으로 적용이 가능하다. 비트라인 물질로 사용되고 있는 텅스텐(W)과 폴리실리콘의 라미네이트(laminate) 구조에서는 비트라인의 RC-지연(센스 앰프에서 가장 멀리 떨어진 셀에서 형성된 센싱 마진(△V)이 센스 앰프의 입력 단으로까지 전달되는 시간 지연)은 비트라인 길이의 연장에 결정적인 제한 요소로 작용하고 있는 부분은 약화되고, 오히려 비트라인의 길이 증가는 곧 비트라인 커패시턴스의 증가로 이어지고, 곧 바로 센싱 마진이 감소하는 문제와 직결되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이 Cb/Cs 비의 증가는 센싱 마진(△V)을 감소시키게 된다.The bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) bit line bootstrap unit 240 having the configuration as described above adds a bootstrap capacitor Cboot, respectively, so that the cell capacitance in the sense amplifier is reduced. By using the bootstrap principle of the bootstrap capacitor (Cboot), the sensing margin (ΔV), which is bound to decrease along with the decrease, has the same effect as that of a three-fold increase, and at the same time, the sensing margin is boosted. In order to obtain , four switching transistors (T231 to T234, T241 to T244), which are NMOS transistors of the size of a cell transistor required for bootstrap switching, are added each, and the timing control required for switching is performed. In addition, if the cell capacitance can be secured to a certain extent, normal sensing is possible even when the bit line capacitance is increased by extending the bit line length. In the laminate structure of tungsten (W) and polysilicon used as bit line materials, the RC-delay of the bit line (sensing margin (ΔV) formed in the cell furthest from the sense amplifier) extends to the input of the sense amplifier. Transmission time delay) weakens the part that acts as a decisive limiting factor for the extension of the bit line length. has been As described above, an increase in the Cb/Cs ratio reduces the sensing margin ΔV.

상술한 바와 같은 구성을 가진 비트바라인 부트스트랩부(230) 또는(또는, 및) 비트라인 부트스트랩부(240)는, 스위칭을 위한 스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244)의 쓰레스홀드 전압(Vt) 제어에 있어서도, 그 변동 성분들에 대해 거의 영향이 없고, 전류 구동 능력 극히 작아도 되며, 이에 따라 센스 앰프에 추가되는 면적을 최소화하고, 공정 제어 기술 역시 큰 부담이 없도록 한다. 다만, 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 기판 효과(body effect)를 또 한 차례 비트바라인(/B)과 비트라인(B)의 전압 차이를 크게 벌어지게 하는 방향으로 유리하게 작용하도록 비트바라인(/B)과 비트라인(B) 전압으로 피-웰 바이어스(p-well bias)로 인가되도록 해 준다.The bit bar line bootstrap unit 230 or (or, and) bit line bootstrap unit 240 having the above-described configuration includes the thresholds of the switching transistors T231 to T234 and T241 to T244 for switching. Also in the voltage Vt control, there is little influence on the fluctuation components, and the current driving ability may be extremely small, thereby minimizing the area added to the sense amplifier and making the process control technology also not burdensome. However, the substrate effect (body effect) of the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104 is further increased in the direction of widening the voltage difference between the bit bar line (/B) and the bit line (B). It allows the bit bar line (/B) and bit line (B) voltages to be applied as a p-well bias.

예를 들어, 비트라인(B)에 "1" 데이터를 센싱하고자 할 때, 제1NMOS 트랜지스터(103)보다 제2NMOS 트랜지스터(104)의 쓰레스홀드 전압(Vt)을 다소나마 높게 하고, 제1NMOS 트랜지스터(103)의 쓰레스홀드 전압(Vt)을 좀 더 낮은 값으로 변화되게 함으로써, 제1NMOS 트랜지스터(103)의 IDS는 증가시키고, 제2NMOS 트랜지스터(104)는 감소시키는 방향으로 기판 효과를 형성하도록 해 준다.For example, when "1" data is sensed on the bit line B, the threshold voltage Vt of the second NMOS transistor 104 is slightly higher than that of the first NMOS transistor 103, and the first NMOS transistor By changing the threshold voltage (Vt) of (103) to a lower value, the IDS of the first NMOS transistor 103 is increased and the second NMOS transistor 104 is decreased to form a substrate effect. give.

도 8은 도 7에 있는 스위칭 트랜지스터를 구동하는 타이밍을 설명하는 도면이며, 도 9는 도 2에 있는 인버터부를 설명하는 도면이다.FIG. 8 is a view for explaining the timing of driving the switching transistor shown in FIG. 7 , and FIG. 9 is a view for explaining the inverter unit shown in FIG. 2 .

도 8 및 도 9를 참조하면, 비트라인 센스 앰프(200)를 구성함에 있어서, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)을 추출하기 위해 스위칭 역할을 수행하는 NMOS 트랜지스터인 스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244) 각각에 대한 구동 타이밍을 확인할 수 있다.8 and 9, in configuring the bit line sense amplifier 200, the bootstrap voltage (Vx) of the bit bar line and the bootstrap voltage (Vy) of the bit line of the bootstrap capacitor (Cboot) are In order to extract, driving timings for each of the switching transistors T231 to T234 and T241 to T244 that are NMOS transistors performing a switching role can be checked.

각 전압 값은 0V에서 셀 워드라인의 활성화 신호 전압에 해당하는 Vpp(3.0V)로 한다. 이것은 센싱 초반부 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 전압차를 기존 △V를 3△에 가까운 전압으로 인가하게 됨으로써, 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 IDS 전류 차이 값을 적어도 6 배 이상 크게 만들고(포화 모드 상태이므로, 전류는 (Vgs-Vtn)의 제곱에 비례해서 차이가 크게 벌어지며, Vtn 값에 따라 정확히

Figure 112021001370110-pat00028
되지 않는다), 비트바라인(/B)과 비트라인(B)의 전압의 하강 슬로프를 크게 벌어지게 하고, 이후 제2신호(t2)가 0V로 천이된 상태에서 제1신호(t1)와 제3신호(t3)가 동시에 활성화되는 제3시구간(③) 이후부터는, 비트바라인(/B)의 전압을 제2PMOS 트랜지스터(102)와 제2NMOS 트랜지스터(104)로 구성된 제2인버터부(220)의 게이트 입력으로 그대로 전압이 전달(즉, 전원 전압(Vcore)이 그대로 전달)되게 하고, 비트라인(B)의 전압을 제1PMOS 트랜지스터(101)와 제1NMOS 트랜지스터(103)로 구성된 제1인버터부(210)의 게이트 입력으로 그대로 전압이 전달되게 함으로써, CMOS 인버터부(210, 220)의 구성된 양 입력단에 완전한 전원 전압(Vcore)과 0V로 입력되어, 비트바라인용 전압과 비트라인용 전압을 전원 전압(Vcore)과 0V 전압으로 각각 만들어 주기 위한 것이다.Each voltage value is Vpp (3.0V), which corresponds to the activation signal voltage of the cell word line at 0V. This is because the gate voltage difference between the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104 at the beginning of sensing is applied to a voltage close to 3Δ from the existing ΔV, so that the IDS of the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104 is applied. Make the current difference value at least 6 times larger (since it is in saturation mode, the current varies greatly in proportion to the square of (Vgs-Vtn), and exactly according to the Vtn value
Figure 112021001370110-pat00028
not), widening the falling slope of the voltage of the bit bar line (/B) and the bit line (B), and then, in a state in which the second signal t2 transitions to 0V, After the third time period (③) in which the three signals t3 are simultaneously activated, the voltage of the bit bar line (/B) is applied to the second inverter unit 220 including the second PMOS transistor 102 and the second NMOS transistor 104 . ), the voltage is transferred as it is (that is, the power supply voltage Vcore is transferred as it is), and the voltage of the bit line B is transferred to the first inverter composed of the first PMOS transistor 101 and the first NMOS transistor 103 . By allowing the voltage to be directly transferred to the gate input of the unit 210, the complete power supply voltage Vcore and 0V are input to both input terminals of the CMOS inverter units 210 and 220, and the voltage for the bit bar and the voltage for the bit line are obtained. This is to make the power supply voltage (Vcore) and 0V voltage respectively.

제1신호(t1)는, 제2스위칭 트랜지스터(T232, T242) 및 제3스위칭 트랜지스터(T233, T243)에 공동 입력을 주는 신호이다. 제2신호(t2)는, 제4스위칭 트랜지스터(T234, T244)에 공동 입력을 주는 신호이다. 제3신호(t3)는, 제1스위칭 트랜지스터(T231, T241)에 공동 입력을 주는 신호이다.The first signal t1 is a signal that gives a common input to the second switching transistors T232 and T242 and the third switching transistors T233 and T243. The second signal t2 is a signal that gives a common input to the fourth switching transistors T234 and T244. The third signal t3 is a signal that gives a common input to the first switching transistors T231 and T241.

제1시구간(①) 동안은, 제1신호(t1), 제2신호(t2) 및 제3신호(t3) 모두가 활성되어 있고, BLEQ(bit line equalize) 역시 턴-온되어 있어, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 양 단자 및 비트바라인(/B)과 비트라인(B), 그리고 리스토어 전압(Vrestore)과 싱크 전압(Vsink)이 모두 비트라인 프리차지 전압(Vblp) 레벨에 있는 프리차지 동작이 이루어지는 구간이다. 여기서, 제1, 제2, 제3신호는 모두 NMOS 트랜지스터의 게이트로 연결되므로, 활성 상태란 NMOS 트랜지스터를 온시키는 신호 레벨인 Vpp 전압 상태에 있는 것을 말하고, 비활성 상태란 NMOS 트랜지스터를 오프시키는 신호 레벨인 0V 전압 상태에 있는 것을 말한다.During the first time period (①), all of the first signal t1, the second signal t2, and the third signal t3 are active, and the bit line equalize (BLEQ) is also turned on, so that the boot Both terminals of the strap capacitor (Cboot), the bit bar line (/B) and the bit line (B), and the restore voltage (Vrestore) and the sink voltage (Vsink) are both at the bit line pre-charge voltage (Vblp) level. This is the section where the charge operation is performed. Here, since the first, second, and third signals are all connected to the gate of the NMOS transistor, the active state means that the NMOS transistor is in a Vpp voltage state, which is a signal level that turns on, and the inactive state is a signal level that turns off the NMOS transistor. It means that it is in the 0V voltage state.

이후 제2시구간(②)에서는, 제2신호(t2)와 제3신호(t3)가 비활성화되고, 제1신호(t1)만 활성 신호에 있는 상태에서 셀의 워드라인이 열려 비트바라인(/B)과 비트라인(B)에 센싱 마진(△V)이 유기되고, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)가 초기 충전 상태로 차지 쉐어링이 이루어지는 동작 구간이다.Afterwards, in the second time period (②), the second signal t2 and the third signal t3 are deactivated, and the word line of the cell is opened in a state where only the first signal t1 is in the active signal and the bit bar line ( /B) and the bit line (B), the sensing margin (ΔV) is induced, the bootstrap capacitor (Cboot) is an operation period in which charge sharing is performed in the initial state of charge.

그런 다음으로, 제1신호(t1)가 비활성화됨과 동시에, 제2신호(t2)가 활성화될 때, 제3신호(t3) 역시 동시(또는, 약간의 시간지연 후)에 활성화되므로, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드에 부트스트랩된 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)이 형성되고, 또한 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트에 인가된다. 그런 후에, 싱크 전압(Vsink)을 비트라인 프리차지 전압(Vblp)에서 0V로 천이시켜 제1NMOS 트랜지스터(103)와 제2NMOS 트랜지스터(104)를 구동하고, 곧 이어 리스토어 전압(Vrestore)을 비트라인 프리차지 전압(Vblp)에서 전원 전압(Vcore)으로 상승시켜 제1PMOS 트랜지스터(101)와 제2PMOS 트랜지스터(102) 역시 구동하게 한다.Then, when the first signal t1 is deactivated and the second signal t2 is activated, the third signal t3 is also activated at the same time (or after a slight time delay), so for bootstrap The bootstrap voltage Vx of the bit bar line and the bootstrap voltage Vy of the bit line that are bootstrapped at the upper (V+) node of the capacitor Cboot are formed, and the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor ( 104) is applied to the gate. Thereafter, the sink voltage Vsink is shifted from the bit line pre-charge voltage Vblp to 0V to drive the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104, and then the restore voltage Vrestore is applied to the bit line pre-charge voltage Vblp. The first PMOS transistor 101 and the second PMOS transistor 102 are also driven by increasing the charge voltage Vblp to the power supply voltage Vcore.

제3시구간(③) 동안에는, 제3신호(t3)가 활성 신호를 그대로 유지하는 동안, 제1신호(t1)는 다시 활성화되고, 이와 동시에 제2신호(t2)는 비활성화됨으로써, 비트바라인(/B)을 제1, 제2스위치 트랜지스터(T241, T242) 2개를 경유하여 제2인버터부(220)의 입력으로 연결하게 되고, 또한 제1, 제2스위치 트랜지스터(T231, T232) 2개를 경유하여 비트라인(B)을 제1인버터부(210)의 입력으로 연결하여, 최종 센싱까지 유지되게 한다.During the third time period (③), while the third signal t3 maintains the active signal as it is, the first signal t1 is activated again, and at the same time, the second signal t2 is deactivated, so that the bit bar line (/B) is connected to the input of the second inverter unit 220 via two first and second switch transistors T241 and T242, and also the first and second switch transistors T231 and T232 2 The bit line (B) is connected to the input of the first inverter unit 210 via the , so that it is maintained until the final sensing.

도 8에 있어서, 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측(V+) 노드의 전압이 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)으로 승압된 후에 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)으로 유지해야 하는 시간은 수 ns이고, 비트바라인의 부트스트랩 전압(Vx)과 비트라인의 부트스트랩 전압(Vy)을 수 ns 동안 유지하기 위한 상측(V+) 노드에서 발생하는 리키지 전류(leakage current)는 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 커패시턴스 값에 따라 기 설정된 범위 이하로 제어해 준다.In FIG. 8, after the voltage of the upper (V+) node of the bootstrap capacitor Cboot is boosted to the bootstrap voltage Vx of the bit bar and the bootstrap voltage Vy of the bit line, the boot of the bit bar The time required to maintain the strap voltage (Vx) and the bootstrap voltage (Vy) of the bit line is several ns, and the bootstrap voltage (Vx) of the bit bar and the bootstrap voltage (Vy) of the bit line are maintained for several ns. The leakage current generated in the upper side (V+) node is controlled to be less than a preset range according to the capacitance value of the bootstrap capacitor (Cboot).

부트스트랩용 커패시터(Cboot)가 수 fF의 범위를 가지는 경우, 리키지 양은 nA 오더(order) 이하를 가지도록 해 준다. 이것은 전압이 유지되어야 하는 수 ns 동안 nA 오더의 전류가 흐른다면, 유실 전하량은

Figure 112021001370110-pat00029
이므로,
Figure 112021001370110-pat00030
, 즉 수 ns 이후 mV에 해당하는 전압 변동을 줄 수 있는 정도이기 때문이다.When the bootstrap capacitor (Cboot) has a range of several fF, the leakage amount allows it to have an order of nA or less. This means that if a current of the order of nA flows for several ns that the voltage must be maintained, the amount of charge lost is
Figure 112021001370110-pat00029
Because of,
Figure 112021001370110-pat00030
, that is, it is the degree to which a voltage fluctuation corresponding to mV can be given after several ns.

실제 스위칭용으로 사용하려는 NMOS 트랜지스터인 스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244)는, 셀 어레이(cell array)에서 사용되는 정도이므로, 리키지 양은 상술한 리키지보다

Figure 112021001370110-pat00031
오더 이상으로 작은 값을 가진다.Since the switching transistors T231 to T234 and T241 to T244, which are NMOS transistors to be used for actual switching, are used in a cell array, the leakage amount is higher than the above-described leakage.
Figure 112021001370110-pat00031
It has a smaller value than the order.

CMOS 인버터부(210, 220)에 있어서, 소자, 설계 모델 파라미터, 그리고 인버터부(210, 220)의 로직 쓰레스홀드 값 간의 일반적인 관계는, 도 9에 도시된 바와 같다.In the CMOS inverter units 210 and 220 , a general relationship between elements, design model parameters, and logic threshold values of the inverter units 210 and 220 is shown in FIG. 9 .

이상, 본 발명의 실시 예는 상술한 장치 및/또는 운용방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. 이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Above, the embodiment of the present invention is not implemented only through the above-described apparatus and/or operation method, but through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention, a recording medium in which the program is recorded, etc. It may be implemented, and such an implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention pertains from the description of the above-described embodiments. Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improved forms of the present invention are also provided by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims. is within the scope of the right.

200: 비트라인 센스 앰프
101: 제1PMOS 트랜지스터
102: 제2PMOS 트랜지스터
103: 제1NMOS 트랜지스터
104: 제2NMOS 트랜지스터
105: 비트바라인 커패시터
106: 비트라인 커패시터
107: 셀 커패시터
108: 셀 트랜지스터
210: 제1인버터부
220: 제2인버터부
230: 비트바라인 부트스트랩부
240: 비트라인 부트스트랩부
Cboot: 부트스트랩용 커패시터
SW1, SW2, SW3, SW4: 스위치
SW1, SW2: 비트라인 스위치
/SW1, /SW2: 비트바라인 스위치
Cox: MOS 커패시터
T231 ~ T234, T241 ~ T244: 스위칭 트랜지스터
200: beatline sense amplifier
101: first PMOS transistor
102: second PMOS transistor
103: first NMOS transistor
104: second NMOS transistor
105: bit bar line capacitor
106: bit line capacitor
107: cell capacitor
108: cell transistor
210: first inverter unit
220: second inverter unit
230: bit bar line bootstrap unit
240: bit line bootstrap unit
Cboot: capacitor for bootstrap
SW1, SW2, SW3, SW4: switch
SW1, SW2: bit line switch
/SW1, /SW2: bit bar line switch
Cox: MOS capacitor
T231 to T234, T241 to T244: switching transistors

Claims (6)

제1PMOS 트랜지스터(101), 제2PMOS 트랜지스터(102), 제1NMOS 트랜지스터(103), 제2NMOS 트랜지스터(104), 비트바라인 커패시터(105), 비트라인 커패시터(106), 셀 커패시터(107), 셀 트랜지스터(108)를 포함하는 비트라인 센스 앰프에 있어서, 상기 제1PMOS 트랜지스터(101)와 상기 제1NMOS 트랜지스터(103)로 이루어진 제1인버터부(210)와, 상기 제2PMOS 트랜지스터(102)와 상기 제2NMOS 트랜지스터(104)로 이루어진 제2인버터부(220) 사이에 형성되되; 부트스트랩용 커패시터(Cboot)를 각각 구비하여, 상기 제1NMOS 트랜지스터(103)와 상기 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 입력으로 각각 이용하도록 해 주기 위한 비트바라인 부트스트랩부(230)와 비트라인 부트스트랩부(240)를 더 포함하며;
상기 비트바라인 부트스트랩부(230)와 비트라인 부트스트랩부(240)는, 상기 제1인버터부(210)의 입력과 비트라인(B)을 직접 연결하지 않도록 하며, 상기 제2인버터부(220)의 입력과 비트바라인(/B)을 직접 연결하지 않도록 형성하며; 부트스트랩 전압을 만들기 위한 스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244)를 더 구비하여, 상기 스위칭 트랜지스터(T231 ~ T234, T241 ~ T244)를 이용한 스위칭 순서에 따라 각각 비트바라인(/B)이 인버터 출력으로 연결되는 제1인버터부(210)의 입력 전압과 비트라인(B)이 인버터 출력으로 연결되는 제2인버터부(220)의 입력 전압을 추출해 주며; 차지 쉐어링 결과로 만들어진 센싱 마진에 해당하는 전압차를, 상기 부트스트랩용 커패시터(Cboot)를 이용하여 더 전압 증폭해 주며; 차지 쉐어링 결과로 만들어진 센싱 마진을, 상기 부트스트랩용 커패시터(Cboot)를 이용하여, 증폭된 전압으로 센스 앰프 입력으로 인가하되; 상기 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트와 상기 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 양단간에 인가되는 전압차를 처음 형성된 센싱 마진보다 3배 증가한 전압 차이로 인가되도록 하며;
상기 비트바라인 부트스트랩부(230)는, 하나의 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 상기 제1NMOS 트랜지스터(103)의 게이트 사이에 제1스위칭 트랜지스터(T231)를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 비트라인(B) 사이에 제2스위칭 트랜지스터(T232)를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트바라인(/B) 사이에 제3스위칭 트랜지스터(T233)를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트라인(B) 사이에 제4스위칭 트랜지스터(T234)를 형성하며;
상기 비트라인 부트스트랩부(240)는, 다른 하나의 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 상기 제2NMOS 트랜지스터(104)의 게이트 사이에 제1스위칭 트랜지스터(T241)를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 상측과 비트바라인(/B) 사이에 제2스위칭 트랜지스터(T242)를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트라인(B) 사이에 제3스위칭 트랜지스터(T243)를 형성하며, 상기 부트스트랩용 커패시터(Cboot)의 하측과 비트바라인(/B) 사이에 제4스위칭 트랜지스터(T244)를 형성하는 것을 특징으로 하는 비트라인 센스 앰프.
The first PMOS transistor 101 , the second PMOS transistor 102 , the first NMOS transistor 103 , the second NMOS transistor 104 , the bit bar line capacitor 105 , the bit line capacitor 106 , the cell capacitor 107 , the cell A bit line sense amplifier including a transistor (108), comprising: a first inverter unit (210) comprising the first PMOS transistor (101) and the first NMOS transistor (103); formed between the second inverter units 220 including 2NMOS transistors 104; A bit bar line bootstrap unit 230 and a bit line boot each having a bootstrap capacitor Cboot, respectively, to be used as gate inputs of the first NMOS transistor 103 and the second NMOS transistor 104, respectively. It further includes a strap portion 240;
The bit bar line bootstrap unit 230 and the bit line bootstrap unit 240 do not directly connect the input of the first inverter unit 210 and the bit line B, and the second inverter unit ( 220) is formed so as not to directly connect the input of the bit bar line (/B); Further comprising switching transistors T231 to T234, T241 to T244 for creating a bootstrap voltage, each bit bar line (/B) is an inverter according to the switching sequence using the switching transistors T231 to T234, T241 to T244 extracting the input voltage of the first inverter unit 210 connected to the output and the input voltage of the second inverter unit 220 connected to the bit line B through the inverter output; a voltage difference corresponding to a sensing margin created as a result of charge sharing is further amplified by using the bootstrap capacitor (Cboot); a sensing margin created as a result of charge sharing is applied to the sense amplifier input as an amplified voltage using the bootstrap capacitor (Cboot); a voltage difference applied between both ends of the gate of the first NMOS transistor 103 and the gate of the second NMOS transistor 104 is applied with a voltage difference three times greater than the initially formed sensing margin;
The bit bar line bootstrap part 230 forms a first switching transistor T231 between an upper side of one bootstrap capacitor Cboot and the gate of the first NMOS transistor 103, A second switching transistor T232 is formed between the upper side of the capacitor Cboot and the bit line B, and a third switching transistor T232 is formed between the lower side of the bootstrap capacitor Cboot and the bit bar line /B. T233), forming a fourth switching transistor (T234) between the lower side of the bootstrap capacitor (Cboot) and the bit line (B);
The bit line bootstrap unit 240 forms a first switching transistor T241 between the upper side of the other bootstrap capacitor Cboot and the gate of the second NMOS transistor 104, A second switching transistor T242 is formed between the upper side of the capacitor Cboot and the bit bar line /B, and a third switching transistor T242 is formed between the lower side of the bootstrap capacitor Cboot and the bit line B. T243) and forming a fourth switching transistor (T244) between the lower side of the bootstrap capacitor (Cboot) and the bit bar line (/B).
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