JP2800502B2 - 半導体メモリ装置 - Google Patents

半導体メモリ装置

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JP2800502B2 JP3265797A JP26579791A JP2800502B2 JP 2800502 B2 JP2800502 B2 JP 2800502B2 JP 3265797 A JP3265797 A JP 3265797A JP 26579791 A JP26579791 A JP 26579791A JP 2800502 B2 JP2800502 B2 JP 2800502B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体メモリ装置に関
し、特に外部電源を入力して内部の周辺回路とメモリセ
ルアレイに降電圧を供給する電源降圧回路を有する半導
体メモリ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、CMOS構造のスタティックRA
M(SRAM)においては、回路動作待機時の電源電流
の大部分は内部のメモリセルアレイで消費する電流であ
り、周辺回路での電流はCMOSのトランジスタの低消
費電力特性によって無視できるほど小さかった。例えば
1MビットのSRAMでは、待機時のメモリセル1Mビ
ット分の電流は約1μAで同じく待機時の周辺回路全体
の電流は約0.05μA程度であった。
【0003】近年、VLSIの微細加工技術の進歩に伴
ない、4MビットクラスのSRAMではゲート長0.5
μm程度のMOSトランジスタが採用されるに至ってい
る。ところが、ゲート長0.5μm程度以下のMOSト
ランジスタの場合は、従来の電源電圧5V(ボルト)で
のホットキャリアに対する信頼度確保が難しい。そこで
この種のSRAMでは、同一半導体チップ上に電源降圧
回路を設けて外部電源5Vを例えば内部電源3.3Vに
降圧して、この電圧を半導体ICチップ内部の回路、即
ちメモリセルと周辺回路に供給する電源回路構成を採っ
ている。
【0004】図4は従来の半導体メモリ装置の一例の回
路図である。電源降圧回路6aは、定電流源1aから定
電流I1aを供給され順電圧2・Vfを発生する直列ダ
イオードD1と、出力する基準電圧Vrefを抵抗R
1,R2で分圧して“−”端に入力し“+”端に順電圧
2・Vfを入力する演算増幅器3Aと、基準電圧を
“+”端にそして直列制御出力用のPチャネルMOSト
ランジスタQP1の出力ドレイン電圧を“−”端に入力
する演算増幅器3Bとを有している。ここで、出力ドレ
イン電圧は内部回路電圧Vintとして同一チップ内の
周辺回路7およびメモリセルアレイ8に供給される。
【0005】図4において、内部回路電圧Vint,基
準電圧Vref,ダイオード順電圧Vfおよび抵抗R
1,R2との間にはVint=Vref=2・Vf・
{(R1+R2)/R2}の関係がある。ここで例え
ば、Vf=0.5V,R1=2.3kΩ,R2=1kΩ
とすると、内部回路電圧Vintは基準電圧Vrefと
等しく3.3Vとなる。周辺回路7とメモリアルセル8
はゲート長0.5μm程度のMOSトランジスタにより
構成されるが、内部回路電圧Vintが例えば3.3V
と低い電圧になっているので、ホットキャリアに対する
信頼度が確保できる。
【0006】尚、内部回路電圧Vintを駆動するPチ
ャネルMOSトランジスタQP1は十分大きな電流駆動
能力が要求される為、例えばゲート長1.0μm,ゲー
ト幅1000μmの寸法のMOSトランジスタに設計す
る。また、電源降圧回路6aの電源端子TCには外部電
源電圧VCCが印加されるので、ここで使用するMOS
トランジスタのゲート長は0.8μm程度以上に設計す
る。
【0007】ところで、図4(a)の電源降圧回路6a
においては、節点N1の電位を2・Vfに保持するため
に、2直列ダイオードD1にDCの定電流I1aを常時
流している。また節点N2についても同様に基準電圧V
refを保持する必要があるため、抵抗R1,R2には
DC電流I2が常時流れる。図4(b),(c)は電源
降圧回路6a中のそれぞれ定電流源1aおよび演算増幅
器3Aの回路図である。
【0008】定電流源1aは、PチャネルMOSトラン
ジスタQP3のゲート・ソース間電圧を順直列ダイオー
ドD2の順方向オン電圧の定電圧値2・Vfと等しくす
ることによりトランジスタQP3のドレイン電流を一定
値I1aに保つ、即ち定電流源1aとして動作する。但
し、ダイオードD2および抵抗R3の直列回路には定常
電流I3が流れている。
【0009】また、演算増幅器3Aは、CMOSカレン
トミラー型増幅回路と呼ばれる回路であるが、一般に入
力端a,bがGND電位よりもMOSトランジスタのし
きい値電圧以上の高い電位にあると定常電流I4が流れ
る。
【0010】以上の様に従来の半導体メモリ装置の電源
降圧回路6aにおいては各定常電流I1a〜I4が流れ
ており、これらを合わせると通常のメモリアレイの消費
電流よりも2桁大きい100μA以上にもなる。
【0011】また、バイポーラトランジスタとCMOS
トランジスタの混成(BiCMOS)集積回路では、メ
モリセルからの読出しデータを増幅するデータセンス回
路に接続されるデータバスは長くて寄生容量CSを持っ
ているので、回路待機時直後の動作が遅延しないように
バス電位保持のために、常時バイアス電流を流すMOS
トランジスタを設けゲート幅を十分に短く設計はしてい
るが、そのバイアス電流は1mAと更に大きくなってい
る。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】この従来の半導体メモ
リ装置では、回路動作の待機時においても電源降圧回路
に通常動作消費電流よりも大きい定常電流が流れている
ので、電源電流を測定してもメモリセルアレイで消費し
ている電流がわからないと言う問題があった。
【0013】半導体メモリ装置、特にSRAMの場合に
は記憶容量の大容量化に伴ない、メモリセルの微小リー
クやパターン崩れなどに起因する不良による歩留り低下
時の不良解析がますます重要となって来ている。
【0014】特に、この歩留り低下時の不良解析の中
で、メモリセルアレイで消費する電流の各種特性、例え
ば対電圧特性,対温度特性や書込みデータ“0”,
“1”による差などを調べることが必要となっている
が、上述の理由で歩留り低下の不良解析が非常に難しい
と言う問題があった。
【0015】本発明の目的は、メモリセルアレイの動作
時の消費電流が正確に測定でき、信頼性の評価が容易な
半導体メモリ装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体メモリ装
置は、電源入力端に外部電源の電圧を入力して直列制御
出力トランジスタを介して内部回路用の降電圧を出力す
る電源降圧回路と、前記降電圧の供給を受けて論理動作
をする周辺回路およびメモリセルアレイを有する半導体
メモリ装置において、前記メモリセルアレイを除く回路
に挿入された複数の電流スイッチトランジスタと、外部
からのピン信号を入力して前記電流スイッチトランジス
タのゲートにスイッチ制御信号を供給するスイッチ制御
信号発生回路とを含んで構成されている。
【0017】また、本発明の半導体メモリ装置の前記電
流スイッチトランジスタが、バイポーラトランジスタと
CMOSトランジスタの混成集積回路で構成される差動
センスアンプのベースに入力するデータバスに共通ドレ
インが接続されたデータバス電圧保持用CMOSトラン
ジスタと、前記差動センスアンプと負荷回路を接続する
データバスに接続された接地短絡用のNチャネルMOS
トランジスタとを含んで構成されている。
【0018】また、本発明の半導体メモリ装置は、電源
入力端が外部電源に接続されて電流出力端が定電圧素子
との接続節点に定電流を供給して所定の定電圧を発生す
る定電流源と、ソースが前記電源入力端に接続されゲー
トが増幅部を介して前記接続節点に接続されドレインが
内部回路用の降電圧を出力する直列制御出力トランジス
タと、前記定電流源の内部および前記増幅部のデータ入
力端に接続された複数のオン・オフスイッチ用トランジ
スタとを有する電源降圧回路と、データ入力ピンまたは
非接続ピンに外部からピン信号を入力して、互いに相反
する位相のスイッチ制御信号対を出力するスイッチ制御
回路と、複数のピン信号を入力する外部データ入力端子
を有し前記降電圧を回路電源電圧とする周辺回路と、前
記降電圧を受け前記周辺回路とデータの授受を行うメモ
リセルアレイと、を含んで構成されている。
【0019】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1(a)〜(c)は本発明の第1の実施例のそれ
ぞれ電源降圧回路,定電流源およびスイッチ制御信号発
生回路の回路図である。本実施例の半導体メモリ装置は
図4(a)に示した従来の半導体メモリ装置の電源降圧
回路6aをスイッチ制御信号GC,RGCに制御される
電源降圧回路6に置換え、さらにスイッチ制御信号発生
回路2を付加したものである。
【0020】すなわち半導体メモリ装置は、電源入力端
TCが外部VCC電源に接続されて電流出力端が定電圧
用のダイオードD1との接続節点N1に定電流I1を供
給して所定の定電圧2・Vfを発生する定電流源1と、
ソースが電源入力端TCに接続されゲートが演算増幅器
3A,3Bを介して接続節点N1に接続されドレインが
内部回路用の降電圧Vintを出力する直列制御出力用
のPチャネルMOSトランジスタOP1と、定電流源1
の内部のPチャネルおよびNチャネルMOSトランジス
タQP2,QN4および演算増幅器3A,3Bのデータ
入力節点N1〜N3にそれぞれ接続されたオン・オフス
イッチ用のNチャネルトランジスタQN1〜QN3とを
有する電源降圧回路6と、A0データ入力ピンTA0外
部からピン信号A0を入力して、3段のCMOSインバ
ータから互いに相反する位相のスイッチ制御信号対G
C,RGCを出力するスイッチ制御回路2と、複数のピ
ン信号を入力する外部データ入力端子を有し降電圧Vi
ntを回路電源電圧とする周辺回路と、降電圧Vint
を受け周辺回路とデータの授受を行うメモリセルアレイ
とを有している。
【0021】電源降圧回路6は図4(b)に示した従来
の定電流源1aを図1(b)に示すように反転制御信号
RGCによって制御された定電流源1に置換し、さらに
図1(c)に示すスイッチ制御信号GCおよび反転制御
信号RGCによって制御された短絡用のNチャネルMO
SトランジスタQN11〜QN3を各節点N1,N2に
付加して構成されている。
【0022】次にスイッチ制御信号発生回路2の動作に
ついて図1(c)を用いて説明する。なお、ここでは半
導体メモリ装置の最下位のアドレス入力信号A0を一例
として使用している。一般に、通常のリード,ライト動
作状態及び待機時状態のいずれの場合も、入力A0ピン
の電位A0は電源電圧VCCとGNDの間の或る電位に
なっている、すなわち電源電圧VCCが5Vの場合な
ら、入力A0ピン電位A0は0Vから5Vの間にあると
考えてよい。
【0023】次に入力A0ピン電位A0を電源電圧VC
Cよりも3V高い電位、例えば電源電圧VCCの5Vに
対してピン電圧A0を8Vとした場合を考えてみる。こ
の時、節点N5の電位は、ダイオードD3の順方向オン
電圧の和の3・Vfだけ8Vから低下した値、例えばV
fを0.5Vとすると(8−3×0.5)=6.5Vと
いう値になる。ここで、PチャネルMOSトランジスタ
QP5のしきい値電圧の絶対値を0.7Vとすると、ト
ランジスタQP5のゲート・ソース間電圧、即ち節点N
5とVCCとの差電圧1.5Vはしきい値電圧の絶対値
よりも大きくなるので、トランジスタQP5はオン状態
になる。
【0024】予め、NチャネルMOSトランジスタQN
5に対するPチャネルMOSトランジスタQP5のゲー
ト幅寸法を例えば100倍と十分に大きく設計しておく
ことにより、上述の様にQP5がオン状態になった時、
節点N6の電位は節点N5とほぼ等しいレベル、すなわ
ち6.5V付近まで持ち上がる。従って、次段のNチャ
ネルMSOトランジスタQN6がオンし、節点N7が
“H”から“L”レベルに遷移する。同様にしてその次
の段の出力であるスイッチ制御信号GCが“L”レベル
から“H”レベルに遷移し、さらに、反対制御信号RG
Cが“H”レベルから“L”レベルに遷移する。
【0025】以上の様に通常は、トランジスタQP5が
オフ状態であるので、節点N6が“L”レベル,信号G
Cが“L”レベルそして信号RGCが“H”レベルの状
態が保たれているが、A0ピンTA0に電源電圧の5V
よりも高電圧の例えば8Vを与えることにより、信号G
Cが“H”レベルで信号RGCが“L”レベルになるこ
とがわかる。即ち、A0ピンTA0に高電圧8Vを与え
ることにより、スイッチ制御信号対GC,RGCがそれ
ぞれ“H”,“L”レベルを出力するメモリ動作時電流
チェックモードを設定する。
【0026】ここで、図1,図2に戻って、上記チェッ
クモード時における電源降圧回路6中の定常電流I1が
遮断される様子を説明する。まず、反転制御信号が
“L”レベルであるので、図2からわかる様にトランジ
スタQN4がオフ,QP2がオンとなって節点N4が
“H”レベルとなり、従来例の図4(b)に示した様な
定常電流I3が遮断される。さらに、節点N4が“H”
レベルとなるため、トランジスタQP3のゲート・ソー
ス間電圧がほぼ0Vとなり定電流トランジスタQP3は
オフとなるので、従来例であった定電流I1aも遮断さ
れる。すなわち本実施例の定電流I1はメモリ動作電流
チェックモードではほとんど流れない。
【0027】また、そのとき図1(a)のトランジスタ
QN1〜QN3はゲート電位が“H”レベルとなりいず
れもオンするので節点N1〜N3は全て“L”レベルと
なる。従って図4(c)の回路図からわかる様に演算増
幅器内のトランジスタQN18がオフとなり、その結果
ミラートランジスタのQP13,QP14もオフとなる
ため、定常電流I4も遮断される。さらにトランジスタ
QP14がオフとなるため図4の定常電流I4も遮断さ
れる。従って、A0ピンTAOからピン信号A0を入力
することにより、メモリ動作電流チェックモードにして
メモリIC中のメモリセルアレイ8の動作電流を正確に
測定できるので、各種の不良解析が容易となる。
【0028】以上の様に、本実施例では、従来は回路動
作の待機時に於ても流れていた各定常電流を、メモリ動
作電流チェックモード時に全て遮断することができる。
尚、通常状態、即ちスイッチ制御信号を“L”レベルで
反転制御信号を“H”レベルにした場合は、接地短絡用
トランジスタQN1〜N3と定電流源のスイッチトラン
ジスタQP2はオフ,QN4はオンとなるので、図4に
示した従来例と全く同様の回路動作をする。
【0029】図2は本発明の第2の実施例のスイッチ制
御信号発生回路の回路図で、他のブロックは図1
(a),(b)の第1の実施例のブロックと同一であ
る。スイッチ制御信号発生回路2aは非接続(NC)ピ
ンを有する半導体メモリ装置の場合に特に有効である。
通常はNCピンTNCを“L”レベル、メモリ電流チェ
クモード時のみ“H”レベルとする様にカタログ規格等
で規定しておくと、図に示すように簡単にスイッチ制御
信号RGと反転制御信号RGCを発生することができ
る。
【0030】さらに、NCピンTNCとGNDの間に並
列高抵抗R4を付加することにより、NCピンTNCが
フローティングの場合に誤ってチェックモードが設定さ
れるのを防止することができる。
【0031】図3は本発明の第3の実施例の回路図であ
る。本実施例は、半導体メモリ装置のデータ読み出しの
データセンス回路の部分を、従来と回路構成は同様でデ
ータバス電圧保持用のCMOSトランジスタQP11,
QN12とQP12,QN14およびNチャネルMOS
トランジスタQN13,QN15〜QN17に与える信
号を工夫している。
【0032】すなわち、従来はPチャネルMOSトラン
ジスタQP11,QP12のゲートは接地であり、Nチ
ャネルMOSトランジスタQN12〜QN17のゲート
はVCCの電位に固定されていたが、本実施例ではPチ
ャネルMOSトランジスタおよびNチャネルMOSトラ
ンジスタのゲートに図1(c)又は図2のスイッチ制御
信号GC,RGCをそれぞれ対応して供給している点が
異っている。
【0033】すなわち、従来はVCC電源端子TCとデ
ータバス節点N6,N7間にソース・ドレインを接続し
たPチャネルMOSトランジスタQP11,QP12
と、節点N6〜N9とGND間にNチャネルMOSトラ
ンジスタQN12,14,15,16のドレイン・ソー
スを接続し、さらに差動データセンスアンプ4Aの共通
エミッタCEとGND間やセンス負荷5の共通ベースC
BとGND間に接地短絡用のNチャネルMOSトランジ
スタQN13,QN16を設け、通常動作時にこれらの
MOSトランジスタをオンさせて、データバスを低イン
ピーダンスにして節点N6〜N9の電位を安定に保持し
ていた。
【0034】ここで図3の回路の動作について詳細に説
明すると、ビット線BL,RBLにはSRAMのメモリ
セルからの読み出しデータが現われる。PチャネルMO
SトランジスタQP9,QP10がコラムアドレス側の
アドレスデコード信号Y0,Y1,…によって制御され
るトランスファゲートTG1,TG2であり、“L”レ
ベルに選択された第i番目のアドレスデコード信号Yi
に制御されたトランスファーゲートTGiだけがオンと
なり、ビット線BL,RBL上のデータがデータバス節
点N6,N7上に伝達される。
【0035】BiCMOSタイプの差動センスアンプ4
A,4Bはセンス負荷5を介して外部電源端TCに接続
されており、その回路動作によってデータバス節点N
6,N7の微小データが増幅されて出力端OUT,RO
UTへ出力される。ここで、差動データのセンスアンプ
4A,4Bは、一種のアドレスデコードである信号BS
0,BS1,…により制御され、選択されて“H”レベ
ルとなった第i番目のブロックセレクト信号BSiに制
御された差動センスアンプ4iだけが活性化される。
【0036】
【発明の効果】以上説明した様に本発明は、信号発生回
路により発生したスイッチ制御信号により、回路動作待
機時に従来は流れてしまっていた定常電流を遮断するこ
とにより、電源電流の測定からメモリセルアレイの動作
電流を正確に調べることができるので、半導体メモリ装
置の信頼性の評価が容易になるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(c)は本発明の第1の実施例のそれ
ぞれ電源降圧回路,定電流源およびスイッチ制御信号発
生回路の回路図である。
【図2】本発明の第2の実施例のスイッチ制御信号発生
回路の回路図である。
【図3】本発明の第3の実施例の回路図である。
【図4】(a)〜(c)は従来の半導体メモリ装置の一
例のブロック図,定電流源および演算増幅器の回路図で
ある。
【符号の説明】
1 定電流源 2,2a スイッチ制御信号発生回路 3A,3B 演算増幅器 4A,4B 差動データセンスアンプ 5 センス負荷 6 定源降圧回路 B1〜B4 NPNバイポーラトランジスタ BS0,BS1,D1〜D4 ダイオード I1 定電流 N1〜N9 節点 NC ノンコネクトピン GC スイッチ制御信号 RGC 反転制御信号 OUT 出力信号 ROUT 反転出力信号 QN1〜QN17 NチャネルMOSトランジスタ QP1〜QP12 PチャネルMOSトランジスタ R1〜R6 抵抗 TC VCC電源端 TAO A0入力ピン VCC 電源電圧 Vint 内部回路電圧

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電源入力端に外部電源の電圧を入力して
    直列制御出力トランジスタを介して内部回路用の降電圧
    を出力する電源降圧回路と、前記降電圧の供給を受けて
    論理動作する周辺回路およびメモリセルアレイを有する
    半導体メモリ装置において、前記メモリセルアレイを除
    く回路に挿入された複数の電流スイッチトランジスタ
    と、外部からのピン信号を入力して前記電流スイッチト
    ランジスタのゲートにスイッチ制御トランジスタを供給
    するスイッチ制御信号発生回路とを含み、前記電流スイ
    ッチトランジスタが、バイポーラトランジスタとCMO
    Sトランジスタの混成集積回路で構成される差動センス
    アンプのベースに入力するデータバスに共通ドレインが
    接続されたデータバス電圧保持用CMOSトランジスタと、
    前記差動センスアンプと負荷回路を接続するデータバス
    に接続された接地短絡用のNチャネルMOSトランジス
    タとを含むことを特徴とする半導体メモリ装置。
  2. 【請求項2】 電源入力端が外部電源に接続されて電流
    出力端が定電圧素子との接続節点に定電流を供給して所
    定の定電圧を発生する定電流源と、ソースが前記電源入
    力端に接続されゲートが増幅部を介して前記接続節点に
    接続されドレインが内部回路用の降電圧を出力する直列
    制御出力トランジスタと、前記定電流源の内部および前
    記増幅部のデータ入力端に接続された複数のオン・オフ
    スイッチ用トランジスタとを有する電源降圧回路と、 データ入力ピン又は非接続ピンに外部からピン信号を入
    力して、互いに相反する位相のスイッチ制御信号対を出
    力するスイッチ制御回路と、 複数のピン信号を入力する外部データ入力端子を有し前
    記降電圧を回路電源電圧とする周辺回路と、前記降電圧
    を受け前記周辺回路とデータの授受を行うメモリセルア
    レイと、 を含むことを特徴とする 半導体メモリ装置。
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