JP3809034B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電流引き込み型のメモリセルを用いて構成される半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図6は、従来のマスクROMの要部構成を示している。メモリセルアレイ1を構成するメモリセルMCは、選択的なチャネルイオン注入や選択的なコンタクト形成、ビア形成等を行うマスクプログラミングにより、しきい値電圧の大小を二値データに対応させてデータが書かれている。従って選択されたワード線WLにより駆動されるメモリセルMCは二値データに応じて、電流引き込みを行い、或いは電流引き込みを行わない。この電流引き込みの有無により変化するビット線BLの電位を検出することにより、データが読み出される。
【0003】
ワード線WLは、ロウデコーダ2により選択され、ビット線BLはカラムデコーダ3により選択される。カラムデコーダ3は、デコード部3aとこれにより駆動されるカラム選択ゲート3bとからなる。カラム選択ゲート3bにより選択されたビット線は、センスアンプOPにより検知増幅される。
ビット線データを差動的に検知するために、参照メモリセルRMCを接続した参照ビット線RBLが設けられている。参照ビット線RBLはビット線BLと同時に選択されて、オペアンプOPに接続される。
【0004】
ビット線BL及び参照ビット線RBLには、負荷として、ダイオード接続されたPMOSトランジスタQPが接続されている。データ読み出し時、選択されたビット線の電位は、負荷PMOSトランジスタQPによる充電能力と、メモリセルの電流引き込み能力のバランスにより決まる。
ロウデコーダ2はそのワード線ドライブ段のゲートがクロックφ1により活性化される。またセンスアンプOPは、クロックφ2により活性化される。これらのクロックφ1,φ2は、システムクロックに基づいて生成されるタイミングクロックである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来のROMでは、ロウデコーダ2はクロックφ1により活性化される同期型としている。これは、メモリセルアレイ1での貫通電流を防止するためである。即ちロウデコーダ2は常にいずれか一つの出力が“H”となるから、クロックφ1による活性、非活性の制御を行わない場合には、常時いずれかのワード線が選択状態となる。このとき、選択されたメモリセルMCがオンであると、電流源負荷トランジスタQPからビット線BLを介して電流が流れる。この貫通電流は、クロックφ1によりロウデコーダ2を制御することにより、抑えることが可能となる。
しかし、ROMの大容量化に伴い、ロウデコーダ2のワード線ドライバのゲート規模が大きくなると、クロックφ1によるこれらのゲートの充放電には大きな消費電力を要することになる。
【0006】
また、ビット線負荷トランジスタQPはビット線BLに直接接続されているため、カラムゲート3bにより選択されていないビット線BLについても、ワード線WLが駆動されることにより電流が流れる。これもROMの消費電力増大の原因となっている。
更に従来のROMは、ビット線負荷により、ビット線BLが電源電位VCCまで上昇し得る構成となっている。この結果、メモリセルの電流が大きく、またメモリセル電流が電源電圧の変動やプロセス変動の影響を受けやすいため、動作が不安定になる。
【0007】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、消費電力の低減と動作の安定化を図った半導体記憶装置を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体記憶装置は、ビット線とワード線の交差部に電流引き込み型のメモリセルを配置して構成されるメモリセルアレイと、このメモリセルアレイのワード線を選択する非同期型のロウデコーダと、前記メモリセルアレイのビット線を選択する同期型のカラムデコーダと、参照ビット線にデータを出力するように構成され、その電流引き込み能力が、第1状態を記憶する前記メモリセルより大きく、第2状態を記憶する前記メモリセルより小さい参照セルと、このカラムデコーダにより選択された前記ビット線及び前記参照ビット線のデータを検知増幅するセンスアンプと、このセンスアンプのセンスノードに接続されたビット線負荷と、前記カラムデコーダの各カラムゲートトランジスタと対応するビット線の間にそれぞれ介在させた、ビット線の電位上昇を抑制するためのクランプ回路とを有することを特徴とする。
【0009】
この発明においては、ロウデコーダはクロック制御されない非同期型とし、カラムデコーダはクロック制御される同期型としている。このため、ロウデコーダをクロック制御する場合のゲート充放電に要する消費電力が必要なくなる。カムデコーダはクロック制御されるが、通常カラムデコーダのゲート規模はロウデコーダに比べると十分に小さく、ここでの消費電力は問題にならない。
【0010】
従来は、ロウデコーダを非同期型として常時活性に保つと、メモリセルアレイでの貫通電流が問題になった。しかしこの発明では、ビット線負荷はビット線には直接接続されず、カラムデコーダのメモリセルアレイ側とは反対側にあるセンスアンプのセンスノードに接続されるようにしている。このため、ロウデコーダのいずれか一つが常に選択状態にあっても、カラムデコーダにより選択されないビットには電流は流れない。また、カラムデコーダを同期型としてクロック制御されるようにしているから、常時いずれかのカラムデコード出力によりビット線が選択されているという事態がない。以上により、消費電力の低減が図られる。
【0011】
またこの発明では、各ビット線とカラムデコーダの間にビット線の電位上昇を抑制するためのクランプ回路を介在させている。これにより、ビット線が電源電位まで上昇することによる消費電流の増大と動作の不安定性が解消される。
【0012】
この発明において、ビット線負荷は好ましくは、ゲートとドレインがセンスノードに接続され、ソースが電源に接続されたPMOSトランジスタにより構成される。また、クランプ回路は例えば、ソースがビット線に接続され、ドレインがカラムゲートトランジスタに接続され、ゲートに電源電圧より低い正の直流バイアス電圧が与えられたNMOSトランジスタにより構成される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
図1は、この発明の実施の形態によるマスクROMのブロック構成を示している。図示のように、メモリセルアレイ1と、そのワード線、ビット線をそれぞれ選択するロウデコーダ2、カラムデコーダ3を有する。アドレスはアドレスバッファ4により取り込まれて、ロウデコーダ2及びカラムデコーダ3に供給される。センスアンプ5は、カラムデコーダ3により選択されたビット線のデータを検知増幅する。読出しデータは、データバッファ6を介してデータ端子Doutに出力される。
【0014】
図2は、図1の要部の具体的な構成を示している。メモリセルアレイ1は、複数本ずつのビット線BL(BL0,BL1,…)とワード線WL(WL0,WL1,…)が交差して配設され、それらの各交差部にメモリセルMCを配置して構成される。メモリセルMCはこの実施の形態の場合、マスクプログラミングされるMOSトランジスタである。具体的にメモリセルMCは、例えば、しきい値電圧の高い状態(例えば、Eタイプ状態)をデータ“0”、しきい値電圧の低い状態(例えば、Dタイプ状態)をデータ“1”として、二値データを固定的に記憶する。或いは、コンタクト形成、ビア形成をマスクプログラミングすることによってデータを書き込む方式でもよい。
【0015】
メモリセルアレイ1には、参照ワード線RWLにより駆動されて参照ビット線RBLにデータを出力する参照セルRMCが設けられている。参照セルRMCは、その電流引き込み能力が、メモリセルMCの“1”データ状態より小さく、“0”データ状態より大きくなるように、サイズ等が設計されている。これにより、参照ビット線RBLには、選択されたビット線BLの“0”,“1”データの間の電位が発生するようにしている。
【0016】
ビット線BLと参照ビット線RBLは、カラムデコーダ3のカラム選択ゲート3bにより選択されて、センスアンプ5を構成するオペアンプOPのセンスノードSNと参照ノードRNにそれぞれ接続されるが、カラム選択ゲート3bとビット線BL及び参照ビット線RBLの間には、ビット線電位の上昇をあるレベルに抑圧するためのクランプ回路20が設けられている。クランプ回路20は具体的に、各ビット線BL及び参照ビット線RBLとカラム選択ゲート3bの選択NMOSトランジスタQN11との間に挿入されたNMOSトランジスタQN2により構成されている。NMOSトランジスタQN2のゲートには、電源電圧VCCより低い正のバイアス電圧VBが与えられる。
【0017】
ビット線BL及び参照ビット線RBLに接続されるべき負荷のPMOSトランジスタQPは、これらに直接接続されず、カラム選択ゲート3bの外側、即ちセンスアンプ5側においてそれぞれセンスノードSN、参照ノードRNに接続されている。PMOSトランジスタQPは、ゲートとドレインが共通にセンスノードSN及び参照ノードRNに接続され、ソースに電源電圧VCCが与えられている。
【0018】
この実施の形態の場合、ロウデコーダ2は非同期型であり、ワード線ドライブ段ゲートG10,G11,…にはクロックは入らない。一方、カラムデコーダ3は同期型であり、そのデコード部3aにおいては、そのカラム選択線ドライブ段ゲートG21,G22,…に活性化するためのクロックφ11が入る。センスアンプ5にも、これを同期的に活性化するためのクロックφ12が入る。
【0019】
この実施の形態によるROMのデータ読み出し動作を、図3を参照して次に説明する。例えば、選択ワード線WLが時刻t1に立ち上がり、これに遅れて時刻t2に選択されたカラム選択線CSLが立ち上がるものとする。カラム選択線CSLが立ち上がるまで、センスノードSN及び参照ノードRNは、負荷PMOSトランジスタQPによって、VCCに充電されている。また、ビット線BL及び参照ビット線RBLは、図では、VSSにリセット(プリチャージ)されてるものとして示してある。
【0020】
選択されたカラム選択線CSLが立ち上がると、負荷PMOSトランジスタQPは選択されたビット線BLに接続され、ワード線WLにより選択されているメモリセルMCにつながる。これにより、メモリセルデータがデータ“0”の場合には、ビット線BLは電位上昇し、データ“1”の場合は電流引き込みによりビット線電位は上昇しない。参照ビット線RBLでは、“0”データのビット線電位変化と“1”データのビット線電位変化の中間的な変化を示す。
ここで、“0”データのビット線の電位上昇は、クランプ用NMOSトランジスタQN2により制限される。即ち、NMOSトランジスタQN2のしきい値電圧をVthとして、ビット線電位がVB−Vthまで上昇すると、NMOSトランジスタQN2はオフになるから、これ以上は上昇しない。
【0021】
センスノードSN及び参照ノードRNは、カラム選択線CSLの立ち上がりにより、一旦ビット線BL及び参照ビット線RBLに引かれてアンダーシュートする。“0”データのビット線につながるセンスノードSNはVCCに復帰し、“1”データにつながるセンスノードSNはビット線BLに“0”データに比べて低い電位に安定する。参照ノードRNは、センスノードSNの“0”,“1”の場合の電位変化の中間の電位変化を示す。そして、センスノードSNと参照ノードRNの電位差が一定レベルに達する時刻t3で、センス出力SAOUTが得られる。
カラム選択線CSLが“L”になった後、図示しないプリチャージ回路によりビット線BL及び参照ビット線RBLはVSSに収束する。
【0022】
この実施の形態によると、ロウデコーダ2にクロックを用いないから、従来多数のロウデコーダのゲートをクロック制御する場合に消費していた無駄な電力がなくなる。ロウデコーダをクロック制御しないため、常時いずれかのワード線が選択状態になるが、この実施の形態ではビット線負荷がビット線に直接接続されておらず、カラムゲートにより選択されたビット線にのみビット線負荷が接続されるようにしている。従って、カラムゲートがオンしない限りビット線負荷からビット線に電流が流れることはなく、メモリセルアレイでの無駄な消費電流も抑圧されている。
【0023】
また、ビット線の充電電位はクランプ回路により電源電圧より低いレベルに抑えられている。この結果、メモリセルでの電流が少なくなり、また電源電圧やプロセスのバラツキによるメモリセル電流への影響が相対的に小さくなり、安定したデータ読み出し動作が可能になる。
【0024】
この発明は上記実施の形態に限られない。例えば、メモリセルは電流引き込みの有無により二値データを記憶するものであればよい。従って、図4に示すようなデュアルポートSRAMセルを用いたSRAM、或いは図5に示すような3トランジスタ型のDRAMセルを用いたDRAMにも同様にこの発明を適用することができる。
【0025】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明による半導体記憶装置では、ビット線負荷をカラム選択ゲートの外側に設けて選択的にビット線に接続されるようにして、ロウデコーダはクロック制御せず、カラムデコーダをクロック制御することにより、消費電力の削減を図ることができる。また、ビット線とカラム選択ゲートの間にはクランプ回路を設けてビット線の電位上昇を抑制しており、これにより動作の安定化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態によるマスクROMのブロック構成を示す図である。
【図2】同実施の形態のマスクROMの要部の具体構成を示す図である。
【図3】同実施の形態のマスクROMの動作を説明するためのタイミング図である。
【図4】他の実施の形態に用いられるデュアルポートSRAMセルを示す図である。
【図5】他の実施の形態に用いられる3トランジスタDRAMセルを示す図である。
【図6】従来のマスクROMの構成を示す図である。
【符号の説明】
1…メモリセルアレイ、2…ロウデコーダ、3…カラムデコーダ、4…アドレスバッファ、5…センスアンプ、6…データバッファ、20…クランプ回路、MC…メモリセル、RMC…参照セル、QP…PMOSトランジスタ(ビット線負荷)。
Claims (3)
- ビット線とワード線の交差部に電流引き込み型のメモリセルを配置して構成されるメモリセルアレイと、
このメモリセルアレイのワード線を選択する非同期型のロウデコーダと、
前記メモリセルアレイのビット線を選択する同期型のカラムデコーダと、
参照ビット線にデータを出力するように構成され、その電流引き込み能力が、第1状態を記憶する前記メモリセルより大きく、第2状態を記憶する前記メモリセルより小さい参照セルと、
このカラムデコーダにより選択された前記ビット線及び前記参照ビット線のデータを検知増幅するセンスアンプと、
このセンスアンプのセンスノードに接続されたビット線負荷と、
前記カラムデコーダの各カラムゲートトランジスタと対応するビット線の間にそれぞれ介在させた、ビット線の電位上昇を抑制するためのクランプ回路と
を有することを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記ビット線負荷は、ゲートとドレインがセンスノードに接続され、ソースが電源に接続されたPMOSトランジスタである
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記クランプ回路は、ソースがビット線に接続され、ドレインがカラムゲートトランジスタに接続され、ゲートに電源電圧より低い正の直流バイアス電圧が与えられたNMOSトランジスタである
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
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