JP2008052810A - イコライズ回路及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のイコライズ回路では、所定の電圧差を有する配線対の電圧を同じ電圧にするイコライズ動作において、イコライズ動作後の配線対の電圧を配線対の電圧差の中点電圧に対してオフセットを有する電圧に収束させるために長い時間が必要であった。
【解決手段】本発明にかかるイコライズ回路は、第1の配線SAP及び第2の配線SANの電圧を略同一に設定するイコライズ回路50であって、第1の配線SAPと第1の電源(例えばHVDD−Va)との間に接続される第1のトランジスタN1と、第1の配線SAPと第2の配線SANとの間に接続される第2のトランジスタN2とを有し、第1のトランジスタN1を導通状態とし、その後第2のトランジスタN2を導通状態とすることを特徴とするものである。
【選択図】図1
【解決手段】本発明にかかるイコライズ回路は、第1の配線SAP及び第2の配線SANの電圧を略同一に設定するイコライズ回路50であって、第1の配線SAPと第1の電源(例えばHVDD−Va)との間に接続される第1のトランジスタN1と、第1の配線SAPと第2の配線SANとの間に接続される第2のトランジスタN2とを有し、第1のトランジスタN1を導通状態とし、その後第2のトランジスタN2を導通状態とすることを特徴とするものである。
【選択図】図1
Description
本発明はイコライズ回路及びその制御方法に関し、特にイコライズ回路に接続される第1、第2の配線の電圧を、2つの配線に供給される電圧の中点電圧に対しオフセットを有する電圧とするイコライズ回路及びその制御方法に関する。
DRAM(Dynamic Random Access Memory)等の揮発性半導体記憶装置(以降、メモリと称す)は、高速動作のために、一対の信号線で発生する電圧差を差動増幅させてデータを読出す。この差動増幅を行う場合、データを読出す前に、信号線対の電圧を略同一の電圧(例えば、電源電圧と接地電圧との中点電圧)に設定するプリチャージ動作およびイコライズ動作が行われる。そして、その動作が完了しイコライズ回路をオフした後、記憶セルのゲートトランジスタを導通状態とする。これによって、信号線対に電圧差が発生する。この電圧差をセンスアンプで差動増幅することで、データを読み出す。
また、DRAMでは、記憶セルのコンデンサで保持する電荷が時間と共に減少し、記憶データが消失する危険があるために、記憶セルに保持している電荷を再充電するリフレッシュ動作が必要になる。このリフレッシュ動作においても、まず信号線対に対してプリチャージ動作を行う。続いて、記憶セルのゲートトランジスタを導通状態として、一方の信号線を記憶セルの電圧に近づける。これによって、信号線対には電圧差が発生する。この電圧差は、センスアンプで差動増幅され、記憶セルが接続される信号線の電圧を上昇させる。これによって、記憶セルに蓄積される電荷を再充電する。
近年、DRAMは、携帯機器などにも多く利用されている。そのため、このようなDRAMには低消費電力であることが求められる。しかしながら、DRAMは、DRAMに対するアクセスがない状態であっても、リフレッシュ動作が必要であり、このリフレッシュ動作での消費電力を必要とする。そのため、このリフレッシュ動作にかかる消費電力を低減することは、DRAMの低消費電力化に有効である。
そこで、リフレッシュ動作にかかる消費電力の低減に関する従来例が特許文献1に開示されている。この従来例は、電荷リサイクルにより信号線対に対する充放電電流を低減する。さらに、記憶セルのコンデンサに充電されている電荷の保持特性を改善することでリフレッシュ動作の頻度を減らす。従来例にかかる半導体記憶装置は、これらの改良によって、消費電力を低減するものである。
従来例で開示される回路の一例を図9に示す。図9に示す回路は、センスアンプSA0〜SAnを有している。センスアンプSA0〜SAnには、高電圧側電源配線SAPと低電圧側電源配線SANとが接続されている。また、センスアンプSA0〜SAnには、記憶セルが接続される一方のビット線Bitと基準電圧をセンスアンプに供給する他方のビット線Bit_Bが接続される。さらに、ビット線Bit、Bit_Bは、イコライズ回路EQによって接続されている。ビット線Bit、Bit_Bの電圧は、イコライズ回路EQが導通状態の場合、同じ電圧となる。一方、イコライズ回路EQが非導通状態であって、センスアンプSA0〜SAnが動作している場合、ビット線Bit、Bit_Bの電圧は、記憶セルに蓄積されている電荷量と高電圧側電源配線SAPの電圧と低電圧側電源配線SANの電圧とによって決まる。
低電圧側電源配線SANと接地電圧VSSとの間にはNMOSトランジスタNsが接続されている。高電圧側電源配線SAPと電源電圧VDDとの間にはPMOSトランジスタPdが接続されている。また、高電圧側電源配線SAPには、PMOSトランジスタPiが接続され、このPMOSトランジスタPiと接地電圧VSSとの間には、それぞれリサイクルキャパシタCAPが接続される。
図9に示す回路のリフレッシュ動作のタイミングチャートを図10に示す。図9に示す回路のリフレッシュ動作は、まずタイミングTaで、イコライズ回路を非導通状態とする。また、NMOSトランジスタNsを導通状態とし、低電圧側電源配線SANを接地電圧VSSとする。さらに、PMOSトランジスタPiを導通状態とし、高電圧側電源配線SAPをVIID(リサイクルキャパシタCAP0のトランジスタPi側端子の電圧)とする(タイミングTa)。このとき、高電圧側電源配線SAPは、リサイクルキャパシタCAPに蓄積された電荷によって充電される(タイミングTb)。また、これによってセンスアンプSA0〜SAnが動作するため、高電圧側電源配線SAPの電圧と低電圧側電源配線SANの電圧に基づき、ビット線Bit、Bit_Bの電圧がそれぞれ設定される。
続いて、PMOSトランジスタPiを非導通状態とし、PMOSトランジスタPdを導通状態とする。これによって高電圧側電源配線SAPは電源電圧VDDとなる。その後、PMOSトランジスタPiを導通状態とし、PMOSトランジスタPdを非導通状態とする。これによって、高電圧側電源配線SAPの電荷は、リサイクルキャパシタCAPに蓄積(あるいは回収)され、高電圧側電源配線SAPの電圧はVIIDとなる(タイミングTc)。続いて、PMOSトランジスタPi及びNMOSトランジスタNsを非導通状態とし、イコライズ回路EQを導通状態とすることで、ビット線Bit、Bit_Bは互いに接続される状態となり、同じ電圧VIID/2となる(タイミングTd)。
つまり、従来の回路では、第1の電圧(例えば、電源電圧)と第2の電圧(電圧VIID)との電圧差に相当する電荷をリサイクルキャパシタCAPに蓄積し、蓄積した電荷を次のリフレッシュ動作で再利用することで、この電圧差に相当する電荷の消費を低減し、低消費電力を実現する。
また、従来例では、リフレッシュ動作後のビット線Bit、Bit_Bの電圧(プリチャージ電圧)は、電源電圧VDDの半分の電圧よりも低い電圧となっている。このプリチャージ電圧は、センスアンプの基準電圧であって、この電圧が低くなれば、記憶セルのリーク電流によって、記憶セルの電圧が減少し、この基準電圧に達するまでの時間を長くすることが可能である。つまり、従来の回路によれば、リフレッシュ動作の頻度を下げることが可能である。また、リフレッシュ動作にかかる消費電力を低減することが可能である。
特開2003−173679号公報
しかしながら、従来の回路では、リサイクルキャパシタCAPから高電圧側電源配線SAPへの充電の時間を必要とする。この充電時間は、高速動作の妨げとなる問題がある。また、キャパシタは一般的に他の素子よりも大きなレイアウト面積を必要とする。そのため、リサイクルキャパシタを同一基板上に形成する場合、チップ面積が増大する問題がある。
本発明にかかるイコライズ回路は、第1、第2の配線の電圧を略同一に設定するイコライズ回路であって、前記第1の配線と第1の電源との間に接続される第1のトランジスタと、前記第1、第2の配線との間に接続される第2のトランジスタとを有し、前記第1のトランジスタを導通状態とし、その後前記第2のトランジスタを導通状態とすることを特徴とするものである。
本発明にかかるイコライズ回路によれば、まず第1のトランジスタを導通状態とすることで、例えば、電源電圧VDDが供給される第1の配線の電圧を接地電圧VSSが供給される第2の配線よりも先に基準電圧に近づける。これによって、第1、第2の配線の電圧差が小さくなる。その後、第2のトランジスタを導通状態とする。これによって、第1、第2の配線の電圧は、共に電源電圧VDDの半分の電圧(例えば、HVDD)よりも小さい電圧に収束する。つまり、本発明にかかるイコライズ回路によれば、第1、第2の配線の電圧を略同じ電圧にする場合に、その電圧をHVDDに対しオフセットを有する電圧とすることが可能である。これによって、プリチャージ電圧をHVDDよりも下げることが可能であり、リフレッシュ動作の間隔を長くし、リフレッシュ動作にかかる消費電力を小さくすることが可能である。
さらに、本発明のイコライズ回路では、第1の配線の電位を変化させる場合に、従来のように電荷を充放電する必要がない。つまり、本発明のイコライズ回路は、従来の回路よりもプリチャージ動作を短い時間で行うことが可能である。
一方、本発明にかかるイコライズ回路の制御方法は、第1、第2の配線の電圧を共に基準電圧生成回路が生成する基準電圧に制御するイコライズ回路の制御方法であって、前記第1の配線の電圧と前記基準電圧との電圧差を小さくし、その後、前記第1の配線の電圧と前記第2の配線の電圧とを略同じ電圧とするものである。
本発明にかかるイコライズ回路の制御方法によれば、まず第1の配線の電圧と基準電圧との電圧差を小さくし、その後第1の配線の電圧と第2の配線の電圧とを略同じ電圧とする。これによって、HVDDとプリチャージ電圧とがオフセットを有する場合であっても、イコライズ回路の動作に基づき第1の配線の電圧と第2の配線の電圧とを共にHVDDに対してオフセットを有するプリチャージ電圧とすることが可能である。
さらに本発明にかかる半導体記憶装置は、ビット線対の電位差を増幅するセンスアンプと、前記センスアンプに電源電位を供給する第1及び第2の配線と、前記第1及び第2の配線の電位を均等化するイコライズ回路とを有し、前記イコライズ回路は第1の制御信号及び第2の制御信号に基づいて前記第1及び第2の配線の電位を均等化することを特徴とする。
第1の制御信号、第2の制御信号を用いて配線の電位を均等化することにより従来よりもプリチャージにかかる時間を短くすることが可能となる。
第1の制御信号、第2の制御信号を用いて配線の電位を均等化することにより従来よりもプリチャージにかかる時間を短くすることが可能となる。
本発明にかかるイコライズ回路によれば、プリチャージ電圧が第1の配線に供給される電圧と第2の配線に供給される電圧との電圧差の半分の電圧に対してオフセットを有する場合であっても、イコライズ回路の動作に基づき、第1、第2の配線の電圧を共にプリチャージ電圧とすることが可能である。
実施の形態1
以下、本発明のイコライズ回路の一例として、DRAMのセンスアンプの電源配線に対して本発明のイコライズ回路を適用した場合について説明する。図1に実施の形態1にかかるDRAM1の回路図を示す。図1に示すようにDRAM1は、メモリセルアレイ10、ビット線イコライズ回路群20、ビット線基準電圧生成回路30、センスアンプ群40、SAイコライズ回路50、SA基準電圧生成回路60、制御回路70を有している。
以下、本発明のイコライズ回路の一例として、DRAMのセンスアンプの電源配線に対して本発明のイコライズ回路を適用した場合について説明する。図1に実施の形態1にかかるDRAM1の回路図を示す。図1に示すようにDRAM1は、メモリセルアレイ10、ビット線イコライズ回路群20、ビット線基準電圧生成回路30、センスアンプ群40、SAイコライズ回路50、SA基準電圧生成回路60、制御回路70を有している。
メモリセルアレイ10は、複数の記憶セル11を有している。記憶セル11は、メモリセルアレイ10上に格子状に配置される。また、記憶セル11は、ビット線Bitとビット線Bit_Bとのうちいずれか一方のビット線に接続される。図1では、ビット線Bitに記憶セル11が接続される。
記憶セル11は、ゲートトランジスタGTrとコンデンサCとを有している。ゲートトランジスタGTrのドレインは、ビット線Bitに接続され、ゲートにはワード制御信号WDが入力される。ワード制御信号WDは、図示しないワードドライバが出力する制御信号であって、ゲートトランジスタGTrの導通状態を制御する。ゲートトランジスタGTrのソースには、コンデンサCの一方の端子が接続されている。コンデンサCの他方の端子には、例えば電源電圧VDDの1/2の電圧を有するバイアス電圧HVDDが供給される。
ビット線イコライズ回路群20は、複数のビット線イコライズ回路21を有している。ビット線イコライズ回路21は、1対のビット線の間に接続される。図1に示す例では、1対のビット線のうち一方のビット線がビット線Bitであって、他方のビット線がビット線Bit_Bとなる。
ビット線イコライズ回路21は、NMOSトランジスタEN1〜EN3と、電流制限抵抗Rとを有している。電流制限抵抗Rの一端は、ビット線基準電圧生成回路30に接続されている。また、電流制限抵抗Rの他端は、NMOSトランジスタEN1、EN3のソースに接続されている。NMOSトランジスタEN1のドレインはビット線Bitに接続され、NMOSトランジスタEN3のドレインはビット線Bit_Bに接続される。NMOSトランジスタEN2は、ビット線Bitとビット線Bit_Bとの間に接続される。また、NMOSトランジスタEN1〜EN3のゲートにはプリチャージ制御信号PDLが接続される。プリチャージ制御信号PDLは、制御回路70が出力する信号であって、NMOSトランジスタEN1〜EN3の導通状態を制御する。なお、電流制限抵抗Rは、ゲートトランジスタGTrで発生するクロス不良によって、ビット線基準電圧生成回路30からワードドライバに流れるリーク電流を低減するために挿入される抵抗である。従って、この電流制限抵抗Rは、挿入しない場合も考えられる。また、電流制限抵抗Rは、電流制限トランジスタであっても構わない。
ビット線基準電圧生成回路30は、例えば電源電圧VDDを降圧して所定の電圧を生成する降圧回路等であって、電源電圧VDDの1/2の電圧(以降、この電圧をHVDDと称す)からさらにオフセット電圧Vaを引いた基準電圧(例えば、プリチャージ電圧)HVDD−Vaを生成する。このプリチャージ電圧HVDD−Vaは、ビット線対のプリチャージ動作において、ビット線対に供給される。ここで、プリチャージ動作とは、ビット線対の電圧を所定の電圧とする動作であって、この動作によって、記憶セル11が電荷保持状態である場合のビット線対の電圧が設定される。
センスアンプ群40は、複数のセンスアンプ41を有している。センスアンプ41は、ビット線対の間に接続され、ビット線対で発生する電圧差を差動増幅する。センスアンプ41は、第1の配線(例えば、高電圧側電源配線SAP)と第2の配線(例えば、低電圧側電源配線SAN)とに供給される電圧に基づき動作する。センスアンプ41は、PMOSトランジスタSP1、SP2、NMOSトランジスタSN1、SN2、出力ゲートトランジスタOG1、OG2を有している。
PMOSトランジスタSP1とNMOSトランジスタSN1とは、高電圧側電源配線SAPと低電圧側電源配線SANとの間に直列に接続されている。PMOSトランジスタSP2とNMOSトランジスタSN2とは、高電圧側電源配線SAPと低電圧側電源配線SANとの間に直列に接続されている。また、PMOSトランジスタSP1とNMOSトランジスタSN1とのゲートは、PMOSトランジスタSP2とNMOSトランジスタSN2との接続点及びビット線Bit_Bに接続されている。PMOSトランジスタSP2とNMOSトランジスタSN2とのゲートは、PMOSトランジスタSP1とNMOSトランジスタSN1との接続点及びビット線Bitに接続されている。出力ゲートトランジスタOG1のソースは、ビット線Bitに接続され、出力ゲートトランジスタOG2のソースは、ビット線Bit_Bに接続される。出力ゲートトランジスタOG1、OG2のゲートには、出力制御信号Yが入力されている。出力ゲートトランジスタOG1、OG2は、出力制御信号Yの値に応じて、ドレインから対応するビット線の電圧を出力する。
SAイコライズ回路50は、第1〜第3のトランジスタ(例えば、NMOSトランジスタN1〜N3)を有している。NMOSトランジスタN1、N3のソースは、互いに接続されており、その接続点にはSA基準電圧生成回路60が接続される。NMOSトランジスタN1のドレインは、高電圧側電源配線SAPに接続され、NMOSトランジスタN3のドレインは、低電圧側電源配線SANに接続される。NMOSトランジスタN2は、高電圧側電源配線SAPと低電圧側電源配線SANとの間に接続される。NMOSトランジスタN1のゲートには、第1の制御信号SWC1が供給される。NMOSトランジスタN2、N3のゲートには、第2の制御信号SWC2が供給される。
第1の制御信号SWC1、第2の制御信号SWC2は、制御回路70が出力する信号である。また、制御回路70は、第3の制御信号SEを出力する。第3の制御信号SEは、電源スイッチVDD_SW、VSS_SWの導通状態を制御する信号である。
電源スイッチVDD_SWは、例えばPMOSトランジスタであって、電源端子と高電圧側電源配線SAPとの間に接続される。また、電源スイッチVSS_SWは、例えばNMOSトランジスタであって、接地端子と低電圧側電源配線SANとの間に接続される。電源スイッチVDD_SW、VSS_SWとが導通状態である場合、高電圧側電源配線SAPには電源電圧VDDが供給され、低電圧側電源配線SANには接地電圧VSSが供給される。一方、電源スイッチVDD_SW、VSS_SWとが非導通状態である場合、高電圧側電源配線SAPと電源端子とは切断された状態となり、低電圧側電源配線SANと接地端子とは切断された状態となる。
SA基準電圧生成回路60は、例えば電源電圧VDDを降圧して所定の電圧を生成する降圧回路等であって、HVDDからオフセット電圧Vaを引いたプリチャージ電圧HVDD−Vaを生成する。このプリチャージ電圧HVDD−Vaは、高電圧側電源配線SAPと低電圧側電源配線SANとで構成される電源配線対のプリチャージ動作において、電源配線対に供給される。本実施の形態のプリチャージ動作における電源配線対の電圧は、プリチャージ電圧HVDD−Vaに設定される。なお、SA基準電圧生成回路60とビット線基準電圧生成回路30とは、1つの回路であっても良い。
制御回路70は、プリチャージ制御信号PDL、第1の制御信号SWC1、第2の制御信号SWC2、第3の制御信号SEを生成する。つまり、制御回路70は、生成する信号によって、ビット線イコライズ回路21、SAイコライズ回路50、電源スイッチVDD_SW、VSS_SWを制御する。
ここで、記憶セル11の電荷保持特性について説明する。記憶セル11は、ゲートトランジスタGTrが非導通状態である場合に、コンデンサCに蓄積された電荷を保持する。しかしながら、ゲートトランジスタGTrのソース領域−ウェル領域間ではジャンクションリーク電流が発生する。従って、ゲートトランジスタGTrが非導通状態であっても、コンデンサCに蓄積された電荷は、このジャンクションリーク電流によって時間と共に減少する。この記憶セル11の電荷保持特性のグラフを図2に示す。
図2に示すように、コンデンサCに蓄積された電荷量に応じて生成されるセル電圧は、時間と共に減少する。この場合において、ゲートトランジスタGTrが非導通状態となってから、セル電圧がHVDDとなる時間は、時間T1である。また、ゲートトランジスタGTrが非導通状態となってから、セル電圧がHVDD−Vaとなる時間は、時間T2である。記憶セル11の電荷保持特性は、図2に示すように、時間と共にセル電圧の減少率が小さくなる。従って、時間T2は時間T1より長くなる。
このことより、センスアンプ41でセル電圧を比較電圧(本実施の形態では、プリチャージ電圧)と比較する場合に、比較電圧を下げるほど、セル電圧がハイレベルと判定される電圧範囲及び時間が大きくなることがわかる。これによって、リフレッシュ動作の間隔を長くすることが可能である。本実施の形態では、プリチャージ電圧は、HVDDよりもオフセット電圧Vaだけ低いHVDD−Vaである。つまり、本実施の形態のDRAMは、リフレッシュ動作の間隔をプリチャージ電圧がHVDDの場合よりも長くすることが可能であり、リフレッシュ動作にかかる消費電力を低減することが可能である。
ここで、実施の形態1にかかるDRAM1のリフレッシュ動作について説明する。なお、以下ではDRAM1のリフレッシュ動作について説明するが、同様の動作がDRAM1におけるデータの読出し、書込み等のその他の動作においても行われる。実施の形態1にかかるDRAM1のリフレッシュ動作のタイミングチャートを図3に示す。
タイミングT0でDRAM1のリフレッシュ動作が開始される。このとき、プリチャージ制御信号PDL、第1の制御信号SWC1、第2の制御信号SWC2は、ハイレベルからロウレベルになる。これによって、ビット線イコライズ回路21、SAイコライズ回路50は、非導通状態となる。また、ワード制御信号WDは、ロウレベルからハイレベルになる。これによって、メモリセルからデータの読出しが始まり、ビット線Bit、Bit_Bに微少電位差が生じる。所望の電位差が生じたタイミングT1において、第3の制御信号SEをロウレベルからハイレベルにすることによって、ゲートトランジスタGTrと電源スイッチVDD_SW、VSS_SWは、導通状態となる。従って、高電圧側電源配線SAPには電源電圧VDDが供給され、低電圧側電源配線SANには接地電圧VSSが供給される。
これにより、センスアンプ41の動作が開始されると、センスアンプ41を介して高電圧側電源配線SAPの電圧と低電圧側電源配線SANの電圧は、ビット線Bit、Bit_Bに供給され、ビット線Bit、Bit_Bの電圧差が拡大する。このとき、ビット線Bit、Bit_Bの電圧関係は、記憶セル11のコンデンサCに蓄積された電荷量に応じて決定される。また、ビット線Bit、Bit_Bの電圧差は、電源電圧VDDと接地電圧VSSの電圧差と略同一となる。
タイミングT1から所定の時間が経過し、コンデンサCが十分に充電されリフレッシュ動作が完了すると、タイミングT2で、ワード制御信号WDがハイレベルからロウレベルになる。これによって、コンデンサCとビット線Bitとは切断された状態となる。また、第3の制御信号SEがハイレベルからロウレベルになる。これによって、高電圧側電源配線SAP及び低電圧側電源配線SANは、電源端子及び接地端子から切断された状態となる。さらに、第1の制御信号SWC1がロウレベルからハイレベルになる。これによって、SAイコライズ回路50のうちNMOSトランジスタN1のみが導通状態となる。従って、SA基準電圧生成回路60が高電圧側電源配線SAPに接続される。このとき、SA基準電圧生成回路60が生成するプリチャージ電圧HVDD−Vaは、高電圧側電源配線SAPに供給されていた電源電圧VDDよりも低い電圧であるため、高電圧側電源配線SAPの電圧は降下する。
この電圧降下量Vbは、例えばオフセット電圧Vaの2倍程度であることが好ましい。そして、本実施の形態においては、電圧降下量Vbを2Vaとし、例えば0.2V程度とする。この場合、電圧降下に要する時間は、例えば2nsec程度である。また、この場合の高電圧側電源配線SAPの電圧の変化率は、NMOSトランジスタN1のオン抵抗と高電圧側電源配線SAP等の寄生容量とによって決まる。さらに、この状態ではセンスアンプ41は、タイミングT2で非活性になることによってドライブ能力がなくなるため、高電圧側電源配線SAPの電圧の変化に伴ってビット線対のうち高電圧となる側のビット線の電圧も低下する。なお、タイミングT2では、プリチャージ制御信号PDL及び第2の制御信号SWC2はロウレベルを維持する。つまり、ビット線イコライズ回路21と、SAイコライズ回路50のNMOSトランジスタN2、N3は非導通状態を維持する。
続いて、タイミングT3でプリチャージ制御信号PDL及び第2の制御信号SWC2がロウレベルからハイレベルになる。これによって、SAイコライズ回路50は、NMOSトランジスタN1〜N3が導通状態となり、高電圧側電源配線SAPと低電圧側電源配線SANとの電圧を略同じ電圧とする。また、このときの高電圧側電源配線SAP及び低電圧側電源配線SANの電圧は、(VDD−Vb)/2(例えば、(VDD−2Va)/2)の電圧となり、この電圧はプリチャージ電圧HVDD−Vaと同じである。一方、ビット線イコライズ回路21も、NMOSトランジスタEN1〜EN3が導通状態となることで、ビット線対の電圧を略同じ電圧とする。このときのビット線対の電圧は、(VDD−Vb)/2(例えば、(VDD−2Va)/2)の電圧となり、この電圧はプリチャージ電圧HVDD−Vaと同じである。なお、タイミングT3における、ワード制御信号WD、第1の制御信号SWC1、第3の制御信号SEは、タイミングT2の変化後の信号レベルを維持する。
ここで、タイミングT3以降の電源配線対及びビット線対の電圧変化は、タイミングT4で収束する。このとき、SAイコライズ回路50では、NMOSトランジスタN2が導通状態であるため、このNMOSトランジスタN2を介して電源配線対のうち高電圧側電源配線SAPから、低電圧側電源配線SANに向かって電荷が移動する。これによって、電源配線対の電圧は、タイミングT3の時点における電圧差のほぼ半分電圧となる。つまり、プリチャージ電圧がHVDD−Vaである場合、タイミングT3の時点における電源配線対の電圧差をVDD−2Vaとすることで、タイミングT4で電源配線対の電圧が等しくなった場合の電圧をプリチャージ電圧HVDD−Vaとすることが可能である。また、ビット線対に関しても、ビット線イコライズ回路21のNMOSトランジスタEN2がタイミングT3で導通状態となることから、電源配線対と同様の動作となる。つまり、タイミングT3以降の動作においてはビット線基準電圧生成回路30及びSA基準電圧生成回路60に対する電流の入出力はほとんどない。従って、この期間におけるビット線基準電圧生成回路30及びSA基準電圧生成回路60の電流駆動能力はそれほど大きくなくてもかまわない。
一方、第1の制御信号SWC1と第2の制御信号SWC2とを同じ制御とした場合のDRAM1のリフレッシュ動作について説明する。つまり、図3に示すタイミングチャートのタイミングT2からタイミングT3の期間(以降、ディスチャージ期間と称す)の制御をなくした場合である。従来のDRAMでは、イコライズ回路を用いてプリチャージ電圧をHVDDとすることでプリチャージ動作の高速化を行っていた。つまり、ディスチャージ期間のないリフレッシュ動作とは、従来のDRAMのリフレッシュ動作におけるイコライズ回路の制御方法である。この場合のタイミングチャートを図4に示す。
この場合、タイミングT10、T11は、図3のタイミングT0、T1と同じ動作となる。続いて、タイミングT12でワード制御信号WD及び第3の制御信号SEがハイレベルからロウレベルになる。これによって、ゲートトランジスタGTrと電源スイッチVDD_SW、VSS_SWは非導通状態となる。従って、高電圧側電源配線SAPは電源端子と切断状態となり、低電圧側電源配線SANは接地端子と切断状態となる。また、タイミングT12ではプリチャージ制御信号PDL、第1の制御信号SWC1、第2の制御信号SWC2がロウレベルからハイレベルになる。これによって、ビット線イコライズ回路21、SAイコライズ回路50は、導通状態となる。従って、電源配線対及びビット線対の電圧は、それぞれ略同じ電圧に収束する(タイミングT13)。このときの電源配線対及びビット線対の電圧は、HVDDよりも若干低いものとなる。その後、電源配線対の電圧は、SA基準電圧生成回路60の電流能力に応じて、プリチャージ電圧HVDD−Vaとなる(タイミングT14)。一方、ビット線対の電圧もビット線基準電圧生成回路30の電流能力に応じて、プリチャージ電圧HVDD−Vaとなるが、HVDD−Vaの電圧に達するまでには大きな時間がかかる。
これは、ビット線イコライズ回路21に電流制限抵抗Rが挿入されているためである。つまり、電流制限抵抗Rによってビット線基準電圧生成回路30の電流能力が制限されてしまうために、ビット線対からの電荷の引き抜きに長い時間を要するためである。
上記説明より、記憶セル11の電荷保持時間を長くするためにプリチャージ電圧をHVDDよりも小さくした場合、ディスチャージ期間がない従来の制御方法ではビット線対の電圧がプリチャージ電圧となるまでに長い時間が必要になる。しかしながら、実施の形態1にかかるSAイコライズ回路50は、NMOSトランジスタN1と、NMOSトランジスタN2、N3との制御タイミングをずらすことでディスチャージ期間を生成することが可能である。つまり、ディスチャージ期間に、電源配線対及びビット線対の電圧差をHVDDよりも低い電圧を有するプリチャージ電圧の2倍の電圧とすることが可能である。その後、SAイコライズ回路50及びビット線イコライズ回路21を導通状態とすれば、電源配線対及びビット線対の電圧はHVDDよりも低いプリチャージ電圧HVDD−Vaに収束する。また、収束後の電源配線対及びビット線対の電圧は、プリチャージ電圧HVDD−Vaと略同じ電圧となるため、ディスチャージ期間の後プリチャージ動作が完了するまでの時間は、従来のものとほぼ同じとなる。
なお、本実施の形態にかかるSAイコライズ回路50では、ディスチャージ期間が必要であるが、従来の制御方法においてビット線対の電圧がプリチャージ電圧HVDD−Vaに収束するまでの時間に比べてディスチャージ期間の時間は極めて小さい。これは、SAイコライズ回路50に電流制限抵抗Rがないために、SA基準電圧生成回路60が高電圧側電源配線SAPの電荷を急速に抜き取ることができるためである。従って、本実施の形態のDRAM1によれば、HVDDよりも低いプリチャージ電圧HVDD−Vaによって記憶セル11の電荷保持時間を長くしながら、高速なプリチャージ動作が可能である。つまり、リフレッシュ動作の間隔を長くし、リフレッシュ動作にかかる消費電力を低減しながら、高速動作が可能なDRAMを実現することが可能である。
また、上記実施の形態では、SAイコライズ回路50に電流制限抵抗Rが挿入されていないが、これを挿入しても良い。しかしながら、その場合、ディスチャージ期間が長くなる問題がある。一方、SAイコライズ回路50に電流制限抵抗Rがない場合、プリチャージ動作開始後(図3のタイミングT3以降)であって、センスアンプ41が非活性となっている期間では、ビット線対の電圧変化が早くなる効果を奏する。これによって、プリチャージ動作の高速化が可能である。
実施の形態2
実施の形態1にかかるDRAM1では、ディスチャージ期間に高電圧側電源配線SAPからのみ電荷が引き抜かれる電荷移動がアンバランスな状態が存在する。そのため、SA基準電圧生成回路60の出力電流能力が小さい場合には、この引き抜いた電荷を吸収(あるいは排出)することができず、生成するプリチャージ電圧の電圧値がずれる問題が発生する。この問題は、リフレッシュ動作を繰り返し行った場合により顕著になる。この問題を解決するために、SA基準電圧生成回路60の出力トランジスタのトランジスタサイズが大きくすると、チップサイズが大きくなる問題が発生する。
実施の形態1にかかるDRAM1では、ディスチャージ期間に高電圧側電源配線SAPからのみ電荷が引き抜かれる電荷移動がアンバランスな状態が存在する。そのため、SA基準電圧生成回路60の出力電流能力が小さい場合には、この引き抜いた電荷を吸収(あるいは排出)することができず、生成するプリチャージ電圧の電圧値がずれる問題が発生する。この問題は、リフレッシュ動作を繰り返し行った場合により顕著になる。この問題を解決するために、SA基準電圧生成回路60の出力トランジスタのトランジスタサイズが大きくすると、チップサイズが大きくなる問題が発生する。
そこで、実施の形態2にかかるDRAM2は、実施の形態1にかかるDRAM1に対して、ドレイントランジスタDR_Trを追加した。実施の形態2にかかるDRAM2の回路図を図5に示す。図5において、実施の形態1と同じものについては実施の形態1と同様の符号を付して、以降の説明を省略する。
ドレイントランジスタDR_Trは、ディスチャージ期間に導通状態となり、SAイコライズ回路50のNMOSトランジスタN1が高電圧側電源配線SAPから引き抜く電荷を接地電圧に排出する。ドレイントランジスタDR_Trは、例えばNMOSトランジスタN1と同じ導電型のトランジスタであって、NMOSトランジスタN1と同等のトランジスタサイズ、あるいは電流能力であることが好ましい。これによって、NMOSトランジスタN1が高電圧側電源配線SAPから引き抜く電荷量とドレイントランジスタDR_Trが排出する電荷量とをほぼ同じにすることが可能である。
ドレイントランジスタDR_Trは、SAイコライズ回路50とSA基準電圧生成回路60とを接続する配線と接地電圧との間に接続される。また、ドレイントランジスタDR_Trは、制御回路71が出力するドレイン制御信号DCに基づき導通状態が制御される。なお、制御回路71は、実施の形態1の制御回路70にドレイン制御信号DCを出力する機能を追加したものである。
ここで、実施の形態2にかかるDRAM2のリフレッシュ動作のタイミングチャートを図6に示す。そして、図6を参照して、DRAM2のリフレッシュ動作について説明する。図6に示すように、DRAM2のリフレッシュ動作は、リフレッシュ動作が開始されるタイミングT0からタイミングT2に至るまではDRAM1と実質的に同じである。タイミングT2〜T3のディスチャージ期間で、ドレイン制御信号DCがハイレベルとなる。これによって、ドレイントランジスタDR_Trが導通状態となる。これによって、NMOSトランジスタN1が高電圧側電源配線SAPから引き抜く電荷は、ドレイントランジスタDR_Trによって接地電圧に排出される。
上記説明より、実施の形態2にかかるDRAM2によれば、ドレイントランジスタDR_Trによって、ディスチャージ期間にNMOSトランジスタN1が高電圧側電源配線SAPから引き抜く電荷を排出すること可能である。これによって、実施の形態2にかかるSA基準電圧生成回路60には、NMOSトランジスタN1が高電圧側電源配線SAPから引き抜く電荷を排出するための電流能力は必要ない。つまり、実施の形態2にかかるSA基準電圧生成回路60は、出力トランジスタのトランジスタサイズを大きくする必要がない。従って、実施の形態2にかかるDRAM2は、実施の形態1にかかるDRAM1よりもチップサイズが小さくすることが可能である。
なお、ドレイントランジスタの電流能力は、SAイコライズ回路50が複数ある場合は、これら複数のSAイコライズ回路50のNMOSトランジスタN1の電流能力の合計と同等とすることが好ましい。これによって、NMOSトランジスタN1によって引き抜かれた電荷を過不足なく接地電圧側に排出することが可能である。
実施の形態3
実施の形態3にかかるDRAM3の回路図を図7に示す。図7に示すように、DRAM3のSAイコライズ回路51は、第1のトランジスタ(例えば、NMOSトランジスタN1)が第1の配線(例えば、高電圧側電源配線SAP)と接地電圧との間に接続されている。なお、NMOSトランジスタN1のゲートには、第1の制御信号SWC1が供給される。そして、実施の形態1のSAセンスアンプ50のNMOSトランジスタN1の代わりに、第4のトランジスタ(NMOSトランジスタN4)が配置される。NMOSトランジスタN4のゲートには、第2の制御信号SWC2が供給される。なお、本実施の形態における第1の制御信号SWC1、第2の制御信号SWC2は、制御回路72によって生成される。
実施の形態3にかかるDRAM3の回路図を図7に示す。図7に示すように、DRAM3のSAイコライズ回路51は、第1のトランジスタ(例えば、NMOSトランジスタN1)が第1の配線(例えば、高電圧側電源配線SAP)と接地電圧との間に接続されている。なお、NMOSトランジスタN1のゲートには、第1の制御信号SWC1が供給される。そして、実施の形態1のSAセンスアンプ50のNMOSトランジスタN1の代わりに、第4のトランジスタ(NMOSトランジスタN4)が配置される。NMOSトランジスタN4のゲートには、第2の制御信号SWC2が供給される。なお、本実施の形態における第1の制御信号SWC1、第2の制御信号SWC2は、制御回路72によって生成される。
ここで、実施の形態3にかかるDRAM3のリフレッシュ動作のタイミングチャートを図8に示す。そして、図8を参照して、DRAM3のリフレッシュ動作について説明する。図8に示すように、DRAM3のリフレッシュ動作においては、ワード制御信号WD、第3の制御信号SE、プリチャージ制御信号PDL、第2の制御信号SWC2の動作は、DRAM1と実質的に同じである。そして、第1の制御信号SWC1は、タイミングT2〜T3のディスチャージ期間で、ハイレベルとなり、その他の期間ではロウレベルとなる。
つまり、DRAM3では、ディスチャージ期間で、NMOSトランジスタN1を導通状態とすることで、高電圧側電源配線SAPの電荷を接地電圧に放電する。これによって、高電圧側電源配線SAPの電圧を下げる。その後、NMOSトランジスタN2〜N4を導通状態とすることで、高電圧側電源配線SAPの電圧を低電圧側電源配線SANの電圧と略同一とする。このときの電圧は、SA基準電圧生成回路60が生成する基準電圧HVDD−Vaとなる。
上記説明より、実施の形態3にかかるDRAM3によれば、NMOSトランジスタN1のソースを接地電位に接続することで、高電圧側電源配線SAPからの電荷の引き抜きと引き抜いた電荷の排出を同時に行うことが可能である。このとき、実施の形態3におけるNMOSトランジスタN1のソース・ドレイン間電圧は、実施の形態1のNMOSトランジスタN1のソース・ドレイン間電圧よりも大きくなる。そのため、高電圧側電源配線SAPの電圧降下量が同じであれば、実施の形態3にかかるNMOSトランジスタN1は、実施の形態1にかかるNMOSトランジスタN1よりも短い時間で高電圧側電源配線SAPの電圧を低下させることができる。また、NMOSトランジスタN1のトランジスタサイズを大きくし、トランジスタの電流能力を高めることで、高電圧側電源配線SAPからの電荷の引き抜き時間を短くすることが可能である。
さらに、実施の形態2では、ドレイントランジスタDR_Trに制御信号DCを供給する配線が必要であったが、実施の形態3では、この配線は必要なく、実施の形態1と同様の配線領域があればよい。つまり、実施の形態3にかかるDRAM3は、実施の形態2にかかるDRAM2よりも配線領域の面積を削減することが可能である。
なお、上記実施の形態では、SAイコライズ回路について説明したが、1つのNMOSトランジスタN1に対して、複数のNMOSトランジスタN2〜N4の組を有する構成とすることも可能である。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上記実施の形態では、高いセル電圧を保持する場合について説明した。しかし、低いセル電圧の保持時間を長くする場合においても、本発明を適用することは可能である。例えば、プリチャージ電圧をHVDDよりも高く設定し、ディスチャージ期間に低電圧側電源配線SANの電圧を上昇させる制御とするなど、適宜制御を変更すれば良い。この場合、ドレイントランジスタDR_Tr及び実施の形態3の第1のトランジスタは、PMOSトランジスタを用い、ソースが電源電圧に接続される構成とすれば良い。
1、2 DRAM
10 メモリセルアレイ
11 記憶セル
20 ビット線イコライズ回路群
21 ビット線イコライズ回路
30 ビット線基準電圧生成回路
40 センスアンプ群
41 センスアンプ
50、51 SAイコライズ回路
60 基準電圧生成回路
70、71、72 制御回路
Bit、Bit_B ビット線
C コンデンサ
DR_Tr ドレイントランジスタ
N1〜N3、EN1〜EN3、SN1、SN2 NMOSトランジスタ
SP1、SP2 PMOSトランジスタ
GTr ゲートトランジスタ
OG1 出力ゲートトランジスタ
OG2 出力ゲートトランジスタ
INV インバータ
R 電流制限抵抗
VDD_SW、VSS_SW 電源スイッチ
SAP 高電圧側電源配線
SAN 低電圧側電源配線
PDL プリチャージ制御信号
WD ワード制御信号
SWC1_B 第1の制御信号
SWC2 第2の制御信号
SWC1 第3の制御信号
Y 出力制御信号
10 メモリセルアレイ
11 記憶セル
20 ビット線イコライズ回路群
21 ビット線イコライズ回路
30 ビット線基準電圧生成回路
40 センスアンプ群
41 センスアンプ
50、51 SAイコライズ回路
60 基準電圧生成回路
70、71、72 制御回路
Bit、Bit_B ビット線
C コンデンサ
DR_Tr ドレイントランジスタ
N1〜N3、EN1〜EN3、SN1、SN2 NMOSトランジスタ
SP1、SP2 PMOSトランジスタ
GTr ゲートトランジスタ
OG1 出力ゲートトランジスタ
OG2 出力ゲートトランジスタ
INV インバータ
R 電流制限抵抗
VDD_SW、VSS_SW 電源スイッチ
SAP 高電圧側電源配線
SAN 低電圧側電源配線
PDL プリチャージ制御信号
WD ワード制御信号
SWC1_B 第1の制御信号
SWC2 第2の制御信号
SWC1 第3の制御信号
Y 出力制御信号
Claims (17)
- 第1、第2の配線の電圧を略同一に設定するイコライズ回路であって、
前記第1の配線と第1の電源との間に接続される第1のトランジスタと、
前記第1、第2の配線との間に接続される第2のトランジスタとを有し、
前記第1のトランジスタを導通状態とし、その後前記第2のトランジスタを導通状態とすることを特徴とするイコライズ回路。 - 前記第1の電源は、基準電圧生成回路が生成する基準電圧によって供給され、略同一の電圧となった前記第1、第2の配線の電圧は、当該基準電圧に基づき設定されることを特徴とする請求項1に記載のイコライズ回路。
- 前記基準電圧生成回路と前記第1のトランジスタとを接続する配線と電源電圧あるいは接地電圧との間に接続され、前記第1のトランジスタと同等の電流能力を有するドレイントランジスタをさらに有することを特徴とする請求項2に記載のイコライズ回路。
- 前記ドレイントランジスタは、複数の第1のトランジスタに対して1つがもうけられている場合、前記複数の第1のトランジスタの電流能力の合計と同等の電流能力を有することを特徴とする請求項3に記載のイコライズ回路。
- 前記ドレイントランジスタは、前記第1のトランジスタが導通状態であって、前記第2のトランジスタが非導通状態である状態において、導通状態に制御されることを特徴とする請求項3に記載のイコライズ回路。
- 前記基準電圧は、前記第1、第2の配線に供給される電圧の中点電圧に対し、オフセットを有していることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載のイコライズ回路。
- 前記基準電圧は、前記第1、第2の配線に供給される電圧の中点電圧よりも低い電圧であることを特徴とする請求項6に記載のイコライズ回路。
- 前記イコライズ回路は、さらに前記基準電圧生成回路と前記第1のトランジスタとの間に接続される電流制限抵抗を有することを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1項に記載のイコライズ回路。
- 前記イコライズ回路は、揮発性半導体記憶装置において1対の配線間に接続されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のイコライズ回路。
- 前記揮発性半導体記憶装置は、DRAMであることを特徴とする請求項9に記載のイコライズ回路。
- 前記第1の電源は、接地電圧又は電源電圧であることを特徴とする請求項1に記載のイコライズ回路。
- 第1、第2の配線の電圧を共に基準電圧生成回路が生成する基準電圧に設定するイコライズ回路の制御方法であって、
前記第1の配線の電圧と前記基準電圧との電圧差を小さくし、
その後、前記第1の配線の電圧と前記第2の配線の電圧とを略同じ電圧とすることを特徴とするイコライズ回路の制御方法。 - ビット線対の電位差を増幅するセンスアンプと、
前記センスアンプに電源電位を供給する第1及び第2の配線と、
前記第1及び第2の配線の電位を均等化するイコライズ回路とを有し、
前記イコライズ回路は第1の制御信号及び第2の制御信号に基づいて前記第1及び第2の配線の電位を均等化することを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第1の制御信号は前記均等化の開始後、所定期間内に前記第1の配線と所定の電位線を接続する信号であることを特徴とする請求項13に記載の半導体記憶装置。
- 前記第2の制御信号は前記所定期間経過後に、前記第2の配線と前記所定の電位線とを接続する信号であることを特徴とする請求項13に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1及び第2の配線は、前記所定の電位線の電位と略同じ電位に均等化されることを特徴とする請求項14あるいは15に記載の半導体記憶装置。
- 前記所定の電位は、前記センスアンプに供給する第1及び第2の電源電位の中点電位よりも低い電位であることを特徴とする請求項14乃至15のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
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