JP2010182419A - Semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置に関する。特に低電力、高速、高集積な半導体記憶装置および、論理回路と半導体記憶装置を集積した半導体装置の差動増幅動作の部分に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device. In particular, the present invention relates to a low power, high speed, highly integrated semiconductor memory device and a differential amplification operation portion of a semiconductor device in which a logic circuit and a semiconductor memory device are integrated.
半導体記憶装置の一つである、ダイナミックランダムアクセスメモリ(Dynamic Random Access Memory、以下DRAMと記す)は、大型コンピュータ、パーソナルコンピュータのメインメモリや、携帯電話、デジタルカメラといったデジタル家電のワークメモリなど、我々が日常利用する様々な電子機器に数多く搭載されている。これに加え、近年の機器の低消費電力化、高性能化のニーズに伴い、搭載されるDRAMも低電力化、高速化、大容量化といった高性能化が強く求められている。
高性能なDRAMを実現するために、最も有効な手段として挙げられるのが、DRAMのメモリセルに用いられるセルトランジスタや、セルキャパシタを微細化することである。微細化することで、メモリセルを小さくできる。そのためデータ線長が短くなり、データ線の寄生容量を低減できるので、低電圧動作が可能となり、低電力化が実現できる。また、データ線の寄生容量を低減できるので、高速なセンスアンプ動作が可能となる。さらには、メモリの大容量化により機器の高性能化が実現できるなど、微細化によって受ける恩恵は非常に大きい。したがって、現行製品のみならず、今後開発される製品も、一般的には微細化によって、高性能化が推進されると考えられている。
Dynamic random access memory (DRAM), one of the semiconductor storage devices, is the main memory of large computers and personal computers, and the work memory of digital home appliances such as mobile phones and digital cameras. Are installed in various electronic devices that are used daily. In addition to this, along with the recent needs for lower power consumption and higher performance of devices, there is a strong demand for higher performance such as lower power, higher speed, and larger capacity for the installed DRAM.
In order to realize a high-performance DRAM, the most effective means is to miniaturize cell transistors and cell capacitors used in DRAM memory cells. The memory cell can be made smaller by miniaturization. As a result, the data line length is shortened and the parasitic capacitance of the data line can be reduced, so that low voltage operation is possible and low power can be realized. Further, since the parasitic capacitance of the data line can be reduced, high-speed sense amplifier operation is possible. Furthermore, the benefits received from miniaturization, such as the high performance of the equipment due to the increased memory capacity, are enormous. Therefore, it is considered that not only current products but also products developed in the future are generally improved in performance by miniaturization.
しかしながら、現行の製品のように、0.1mmノード、あるいはそれ以降の0.065mm、0.045mmノードにおいては、前述したような高性能化の効果だけではなく、微細化が進むにつれて、様々な副作用があらわれる。その副作用とは、微細化によって増加する素子特性のバラツキにより、メモリセルの信号を読み出す際に生じる誤動作のことである。ここで、素子特性のバラツキとは、例えばセルトランジスタの閾値電圧や、セルトランジスタから流れるリーク電流の大きさの分散値(平均値からのずれ)である。このように、素子特性のバラツキが大きいと、DRAMのデータ保持特性が劣化してしまい、チップの歩留まりが低下するといった問題を引き起こす。特に、センスアンプ回路の閾値電圧のバラツキが、今後著しく増加すると懸念される。その理由は、近年のDRAMでは、メモリセルのデータ線ピッチが非常に狭いため、データ線に接続されるセンスアンプ回路を小さくレイアウトして配置する必要があるためである。このため、センスアンプを構成するトランジスタの加工誤差が大きくなり、そのペアトランジスタの閾値電圧のバラツキを増大させてしまう。一般的にこの問題は、センスアンプのオフセットと言われ、DRAMの性能に対して、非常に大きな影響を及ぼす事項の一つである。また、センスアンプのオフセット問題は、非特許文献1に詳細に記載されており、オフセットを低減することは、DRAMの歩留まり向上に大きく寄与することが良く知られている。したがって、微細化による高性能化を実現するためには、プロセス改善による加工誤差低減のみならず、センスアンプオフセットを抑えるような回路対策を講じることが、今後非常に重要な技術となる。 However, as with current products, the 0.1mm node or later 0.065mm and 0.045mm nodes have various side effects as the miniaturization progresses, in addition to the effects of higher performance as described above. . The side effect is a malfunction that occurs when a signal of a memory cell is read due to variations in element characteristics that increase due to miniaturization. Here, the variation in element characteristics is, for example, the threshold voltage of the cell transistor and the dispersion value (deviation from the average value) of the magnitude of the leak current flowing from the cell transistor. Thus, when the variation in element characteristics is large, the data retention characteristics of the DRAM are deteriorated, causing a problem that the yield of the chip is lowered. In particular, there is a concern that the variation in the threshold voltage of the sense amplifier circuit will increase significantly in the future. The reason is that in recent DRAMs, the data line pitch of memory cells is very narrow, and therefore it is necessary to arrange the sense amplifier circuits connected to the data lines in a small layout. For this reason, the processing error of the transistors constituting the sense amplifier increases, and the variation of the threshold voltage of the paired transistors increases. This problem is generally referred to as a sense amplifier offset, and is one of the matters that greatly affects the performance of the DRAM. Further, the offset problem of the sense amplifier is described in detail in Non-Patent Document 1, and it is well known that reducing the offset greatly contributes to improving the yield of the DRAM. Therefore, in order to realize high performance by miniaturization, it will become a very important technology in the future to take circuit measures not only to reduce processing errors by process improvement but also to suppress sense amplifier offset.
このような課題の解決を試みた近年の例として、非特許文献2では、センスアンプのオフセットを相殺する技術が開示されている。この方法は、カレントミラー作動アンプを用い、データ線のプリチャージ電圧を補正することで、実質的にセンスアンプのオフセットを小さくすることができる。しかしながらこの方法は、センスアンプに追加する素子数が非常に多く、センスアンプの面積が大きくなり、チップサイズの増加を招く。さらに、駆動する制御信号も増えるため、タイミングマージンが増加し、速度の低下も懸念される。また、非特許文献3では電荷転送型のセンスアンプが開示されている。この方法は、データ線に接続されるスイッチトランジスタを介して、センスアンプなどの周辺回路に蓄積された電荷をメモリセル側のデータ線に転送し、センスアンプに大きな電位差を発生させる手法である。そのため、センスアンプのオフセットが増加した場合でも、オフセット以上の電位差をセンスアンプに印加できるので、本質的にバラツキに強く低電圧動作に優れている。しかしながら、この手法も追加のプリチャージ回路や再書込み用のスイッチトランジスタなど、追加素子数が多く、チップサイズの増加を招くといった課題が残る。
As an example of recent attempts to solve such a problem, Non-Patent
上記のような状況のもと、本発明が解決しようとする課題は、追加素子数の少ない、高速動作が可能であり、かつセンスアンプのオフセットを低減できるセンスアンプ回路を実現することである。
本発明者等は、上記課題を解決するため、本願に先立ちセンスアンプのオフセットが読み出し動作に与える影響と、最小限のトランジスタの追加で実現可能な、オフセット低減できるセンスアンプの構成について検討した。
Under the circumstances described above, the problem to be solved by the present invention is to realize a sense amplifier circuit that can operate at high speed with a small number of additional elements and that can reduce the offset of the sense amplifier.
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors examined the influence of the offset of the sense amplifier on the read operation and the configuration of the sense amplifier capable of reducing the offset that can be realized by adding a minimum number of transistors.
図18は、代表的なDRAMの回路構成を示した図である。図18において、メモリセルMCは、ドレインがデータ線DLBに接続されたアクセストランジスタTN0と、電極の片側が、アクセストランジスタTN0のソースに接続されたセルキャパシタCS0から構成される。なおここでは、メモリセルMCにLの電位が保持されているとして以後説明する。複数のメモリセルが接続されたデータ線対DLT、DLBはスイッチトランジスタSHRを介して、センスアンプ回路SA0に接続されている。センスアンプ回路SA0は、カラムスイッチYSW、プリチャージ回路PCH、プルダウン回路NDRV、プルアップ回路PDRVから構成される。図19は、図18の従来のセンスアンプ回路SA0を使って、メモリセルMCの信号を読み出したときのタイミング波形であり、誤動作が起こったことを示している。まず、プリチャージ回路PCHを駆動して、データ線をプリチャージする。その後、プリチャージ回路PCHをネゲートし、選択サブアレイSARY側のスイッチトランジスタSHRLはハイにドライブした状態を維持しておき、もう一つのスイッチトランジスタSHRRはロウにネゲートする。サブワード線WL0がアサートされると、メモリセルMCからデータ線DLBに、Lに対応した微小な信号が出力され、データ線対に信号差dVsigが表れる。 FIG. 18 is a diagram showing a circuit configuration of a typical DRAM. In FIG. 18, the memory cell MC includes an access transistor TN0 whose drain is connected to the data line DLB, and a cell capacitor CS0 whose one side is connected to the source of the access transistor TN0. In the following description, it is assumed that the L potential is held in the memory cell MC. The data line pair DLT, DLB to which a plurality of memory cells are connected is connected to the sense amplifier circuit SA0 via the switch transistor SHR. The sense amplifier circuit SA0 includes a column switch YSW, a precharge circuit PCH, a pull-down circuit NDRV, and a pull-up circuit PDRV. FIG. 19 is a timing waveform when the signal of the memory cell MC is read using the conventional sense amplifier circuit SA0 of FIG. 18, and shows that a malfunction has occurred. First, the precharge circuit PCH is driven to precharge the data line. Thereafter, the precharge circuit PCH is negated, the switch transistor SHRL on the selected subarray SARY side is kept driven high, and the other switch transistor SHRR is negated low. When the sub word line WL0 is asserted, a minute signal corresponding to L is output from the memory cell MC to the data line DLB, and a signal difference dVsig appears on the data line pair.
その後、プルダウン回路NDRVのコモンソース線CSNとプルアップ回路PDRVのコモンソース線CSPをそれぞれ接地電圧VSS、データ線電圧VDLに駆動することで、通常の場合、破線で示したように微小な電位差dVsigが、ハイレベルのVDLとロウレベルのVSSまで増幅され、カラムスイッチYSW及びローカルデータ線LIOT、LIOBを経由して、後段の回路まで転送される。しかし先ほど述べたように、微細化が進むとセンスアンプのオフセットが増加する。例えば、図18において、プルダウン回路NDRVのNMOSトランジスタTN1の閾値電圧VTN1と、NMOSトランジスタTN2の閾値電圧VTN2との差、VTN1-VTN2が、微小な信号差dVsigより大きくなり、同時に、プルアップ回路PDRVのPMOSトランジスタTP1の閾値電圧VTP1と、PMOSトランジスタTP2の閾値電圧VTP2との差、VTP1-VTP2が、微小な信号差dVsigよりも大きくなる場合がある。この場合、データ線DLTがデータ線DLBよりも強くL側にドライブされるため、図19の実線で示したように読み出しの誤動作が生じてしまう。 After that, by driving the common source line CSN of the pull-down circuit NDRV and the common source line CSP of the pull-up circuit PDRV to the ground voltage VSS and the data line voltage VDL, respectively, a small potential difference dVsig is normally obtained as shown by the broken line. Are amplified to the high level VDL and the low level VSS, and transferred to the subsequent circuit via the column switch YSW and the local data lines LIOT and LIOB. However, as described above, as the miniaturization progresses, the offset of the sense amplifier increases. For example, in FIG. 18, the difference between the threshold voltage VTN1 of the NMOS transistor TN1 of the pull-down circuit NDRV and the threshold voltage VTN2 of the NMOS transistor TN2, VTN1-VTN2 becomes larger than the minute signal difference dVsig, and at the same time, the pull-up circuit PDRV The difference between the threshold voltage VTP1 of the PMOS transistor TP1 and the threshold voltage VTP2 of the PMOS transistor TP2 and VTP1−VTP2 may be larger than the minute signal difference dVsig. In this case, since the data line DLT is driven to the L side more strongly than the data line DLB, a read malfunction occurs as shown by the solid line in FIG.
このような誤動作を防ぐためには、プルダウン回路NDRVやプルアップ回路PDRVを構成するトランジスタの定数を大きくしてオフセットを低減する、あるいは、微小な信号差dVsigを、少なくともオフセット以上の電圧差に増幅する、プリアンプ機能を追加すればよい。前者の具体的な手段としては、単純にプルダウン回路NDRVとプルアップ回路PDRVを構成するトランジスタ、TN1、TN2、TP1、TP2のチャネル長やチャネル幅を大きくして、オフセットを低減する方法が挙げられる。しかしこの方法だと、チャネル長が長くなることで、センスアンプ回路SA0の駆動電流が低下してしまう場合があり、メモリのアクセス速度がしまう可能性がある。一方、プリアンプ機能を追加する方法としては、例えばプルダウン回路NDRVをもう一つ追加すればよい。追加したプルダウン回路を先に駆動して、データ線を最初からあるプルダウン回路及び、プルアップ回路のオフセット以上の電圧差までプリアンプすれば、読み出し誤動作を防げる可能性がある。 In order to prevent such a malfunction, the offset of the transistor constituting the pull-down circuit NDRV or the pull-up circuit PDRV is increased to reduce the offset, or the minute signal difference dVsig is amplified to at least a voltage difference greater than the offset. Add a preamplifier function. As the concrete means of the former, there is a method of simply reducing the offset by increasing the channel length and channel width of the transistors constituting the pull-down circuit NDRV and the pull-up circuit PDRV, TN1, TN2, TP1, and TP2. . However, with this method, the channel length increases, the drive current of the sense amplifier circuit SA0 may decrease, and the memory access speed may increase. On the other hand, as a method of adding the preamplifier function, for example, another pull-down circuit NDRV may be added. If the added pull-down circuit is driven first and the data line is preamplified to a voltage difference equal to or greater than the offset of the pull-down circuit and the pull-up circuit from the beginning, there is a possibility that a read malfunction can be prevented.
また追加トランジスタも二つと少なく、面積増加も最小限に抑えられる。このような回路構成の公知例として、特許文献1、特許文献2には、複数のプルダウン回路を用いたセンスアンプ回路が開示されている。この開示の手法は追加回路が少なく、面積オーバヘッドも小さい。しかしこれらの方法は、センスアンプ回路の高速化について検討されているが、オフセットを低減し、読み出し誤動作を防ぐ手段については考慮されていない。すなわち、開示の手法では、プリアンプ機能を有していないため、原理的にオフセットの問題点を解決できていない。
以上のような状況のもと、本発明の目的の一つは、将来顕著になるセンスアンプオフセットを低減し、読み出し誤動作を防ぐことである。また、本発明の更なる目的の一つは、オフセットを低減しつつ、センスアンプ回路SA0のレイアウト面積を図ることである。
Also, there are only two additional transistors, and the area increase can be minimized. As known examples of such a circuit configuration,
Under the circumstances as described above, one of the objects of the present invention is to reduce a sense amplifier offset that will become remarkable in the future, and to prevent a read malfunction. Another object of the present invention is to increase the layout area of the sense amplifier circuit SA0 while reducing the offset.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
複数のメモリセルと複数のセンスアンプ回路からなる、半導体記憶装置において、前記センスアンプ回路は、少なくとも二つ以上のプルダウン回路を有する。また、前記プルダウン回路の一つを先に駆動して、後段のプルダウン回路およびプルアップ回路のオフセット以上にデータ線を増幅した後、前記後段のプルダウン回路と、前記後段のプルアップ回路を駆動する。このとき、前述した先に駆動するプルダウン回路においては、トランジスタのオフセットが小さくなるように、あらかじめトランジスタのチャネル長やチャネル幅を大きくしておくとよい。さらに、前記センスアンプは、複数のプルアップ回路から構成されてもよい。
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
In a semiconductor memory device including a plurality of memory cells and a plurality of sense amplifier circuits, the sense amplifier circuit has at least two pull-down circuits. In addition, after driving one of the pull-down circuits first to amplify the data line more than the offset of the subsequent pull-down circuit and the pull-up circuit, the subsequent pull-down circuit and the subsequent pull-up circuit are driven. . At this time, in the pull-down circuit that is driven first, the channel length and the channel width of the transistor are preferably increased in advance so that the offset of the transistor is reduced. Further, the sense amplifier may be composed of a plurality of pull-up circuits.
本発明では、複数のメモリセルと複数のセンスアンプ回路を含む半導体集積回路において、前記センスアンプのオフセットを低減できる。その結果、低電圧動作、高速読み出し動作が可能となる。またオフセットを低減できるので、データ線長を長くでき、メモリセル占有率を高くすることができる。すなわち、高集積な半導体記憶装置を実現できる。 According to the present invention, the offset of the sense amplifier can be reduced in a semiconductor integrated circuit including a plurality of memory cells and a plurality of sense amplifier circuits. As a result, low voltage operation and high speed read operation are possible. Further, since the offset can be reduced, the data line length can be increased and the memory cell occupation ratio can be increased. That is, a highly integrated semiconductor memory device can be realized.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。実施例の各ブロックを構成するトランジスタは、特に制限されないが公知のCMOS(相補型MOSトランジスタ)等の集積回路技術によって、単結晶シリコンのような1個の半導体基板上に形成される。即ち、ウエルと素子分離領域と酸化膜が形成される工程の後、ゲート電極とソース・ドレイン領域を形成する第1と第2半導体領域とを形成する工程とを含む工程により形成される。MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の回路記号はゲートに丸印をつけないものはN型MOSFET(NMOS)を表し、ゲートに丸印をつけたP型MOSFET(PMOS)と区別される。以下MOSFETを簡略化してMOSあるいはMOSトランジスタと呼ぶことにする。但し本発明は金属ゲートと半導体層の間に設けられた酸化膜を含む電界効果トランジスタだけに限定されるわけではなく絶縁膜を間に含むMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)等の一般的なFETを用いた回路に適用される。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The transistors constituting each block of the embodiment are not particularly limited, but are formed on a single semiconductor substrate such as single crystal silicon by a known integrated circuit technology such as a CMOS (complementary MOS transistor). That is, after the step of forming the well, the element isolation region, and the oxide film, the step includes forming the gate electrode and the first and second semiconductor regions for forming the source / drain regions. Circuit symbols of MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) that do not have a circle on the gate represent an N-type MOSFET (NMOS), and are distinguished from a P-type MOSFET (PMOS) that has a circle on the gate. Hereinafter, the MOSFET is simply referred to as a MOS or a MOS transistor. However, the present invention is not limited to a field effect transistor including an oxide film provided between a metal gate and a semiconductor layer, and is not limited to a general MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) including an insulating film. Applies to circuits using FETs.
図1は、本発明の第一の実施例であるセンスアンプ回路SA0と、それに接続される複数のメモリセルMCを示す図である。図2は、本願の第一の実施例であるセンスアンプ回路SA0によって構成されるセンスアンプ回路アレイSAA-R、SAA-Lと、複数のメモリセルMCからなるサブアレイSARY0と、複数のサブワードドライバSWDからなるサブワードアレイSWDA-U、SWDA-Dから構成されるバンクBANKを示す図である。図3は、図1に示したセンスアンプ回路SA0のタイミング波形を示す図である。図4、図5は、図1に示したセンスアンプ回路SA0のレイアウト図である。図6は、図1に示した複数のメモリセルMCの平面レイアウトである。図7は、図6に示した複数のメモリセルMCとセンスアンプ回路SA0の断面図の一部を示した図である。図8は、図2に示したバンクBANKを複数用いて構成した、DRAMのブロック図を示している。 FIG. 1 is a diagram showing a sense amplifier circuit SA0 according to the first embodiment of the present invention and a plurality of memory cells MC connected thereto. FIG. 2 shows a sense amplifier circuit array SAA-R, SAA-L composed of the sense amplifier circuit SA0 according to the first embodiment of the present application, a subarray SARY0 composed of a plurality of memory cells MC, and a plurality of subword drivers SWD. FIG. 2 is a diagram showing a bank BANK composed of subword arrays SWDA-U and SWDA-D composed of FIG. 3 is a diagram showing timing waveforms of the sense amplifier circuit SA0 shown in FIG. 4 and 5 are layout diagrams of the sense amplifier circuit SA0 shown in FIG. FIG. 6 is a planar layout of the plurality of memory cells MC shown in FIG. FIG. 7 is a diagram illustrating a part of a cross-sectional view of the plurality of memory cells MC and the sense amplifier circuit SA0 illustrated in FIG. FIG. 8 shows a block diagram of a DRAM configured using a plurality of banks BANK shown in FIG.
図9は、図1に示したセンスアンプ回路SA0のレイアウトの変形例を示した図である。図10は、図9に示したセンスアンプ回路SA0のタイミング波形を示す図である。図11は、ワード線に負電圧を印加するための、サブワードドライバ回路の具体例である。図12は、本実施のセンスアンプ回路に、ネガティブサブワードドライバを適用した第2の実施例の動作波形を示している。図13は、本発明の第三の実施例であり、複数のプルアップ回路を用いて構成したセンスアンプ回路の一例である。図14は、図13のセンスアンプ回路の動作波形を示した図である。図15は、図14のセンスアンプ回路を複数用いて構成されたセンスアンプアレイの平面レイアウトである。図16は、本発明の第四の実施例であり、プルダウン回路とプルアップ回路を一つずつ用いて構成したセンスアンプ回路の一例である。図17は、図16のセンスアンプ回路の動作波形を示す図である。図18は、従来のセンスアンプ回路を示す図である。図19は、図18の従来のセンスアンプ回路の動作波形と、その誤動作について説明した図である。 FIG. 9 shows a variation of the layout of sense amplifier circuit SA0 shown in FIG. FIG. 10 is a diagram showing timing waveforms of the sense amplifier circuit SA0 shown in FIG. FIG. 11 is a specific example of a sub word driver circuit for applying a negative voltage to a word line. FIG. 12 shows operation waveforms of the second embodiment in which a negative subword driver is applied to the sense amplifier circuit of the present embodiment. FIG. 13 shows a third embodiment of the present invention, which is an example of a sense amplifier circuit configured using a plurality of pull-up circuits. FIG. 14 is a diagram showing operation waveforms of the sense amplifier circuit of FIG. FIG. 15 is a plan layout of a sense amplifier array configured by using a plurality of sense amplifier circuits of FIG. FIG. 16 shows a fourth embodiment of the present invention, which is an example of a sense amplifier circuit configured by using one pull-down circuit and one pull-up circuit. FIG. 17 is a diagram showing operation waveforms of the sense amplifier circuit of FIG. FIG. 18 shows a conventional sense amplifier circuit. FIG. 19 is a diagram for explaining the operation waveform of the conventional sense amplifier circuit of FIG. 18 and its malfunction.
以下ではまず図1-図10について説明する。図1の実施例では、複数のプルダウン回路NDRV0、NDRV1、一つのプルアップ回路PDRV、スイッチトランジスタSHR、カラムスイッチYSW、プリチャージ回路PCHから構成されるセンスアンプ回路SA0と、複数のメモリセルMCから構成されるサブアレイSARY0が記載されている。またそれぞれの記号は、プルダウン回路NDRV0、NDRV1を駆動するコモンソース線CSN0、CSN1、プルアップ回路PDRVを駆動するコモンソース線CSP、スイッチトランジスタ駆動線SHRR、SHRL、カラムスイッチ駆動線YS、ローカルデータ線LIOT、LIOB、プリチャージ駆動線DLEQ、プリチャージ電圧VDLR、サブワード線WL0-WL3、データ線DLT、DLB、アクセストランジスタTN0、セルキャパシタCS0、プレート電極PLTを示している。
複数のメモリセルMCは、N型チャネルMOSトランジスタTN0とキャパシタCS0をそれぞれ具備するDRAMメモリセルである。プルアップ回路PDRVは、一方のゲートと他方のドレインが互いに接続されたP型チャネルのMOSトランジスタ対で構成され、プルダウン回路NDRV0,NDRV1はそれぞれ、一方のゲートと他方のドレインが互いに接続されたN型チャネルのMOSトランジスタ対で構成される。
Hereinafter, FIGS. 1 to 10 will be described first. In the embodiment of FIG. 1, a plurality of pull-down circuits NDRV0, NDRV1, a single pull-up circuit PDRV, a switch transistor SHR, a column switch YSW, a precharge circuit PCH, and a plurality of memory cells MC A configured subarray SARY0 is described. Also, the respective symbols are common source lines CSN0 and CSN1 for driving the pull-down circuits NDRV0 and NDRV1, common source lines CSP for driving the pull-up circuit PDRV, switch transistor drive lines SHRR and SHRL, column switch drive lines YS, and local data lines LIOT, LIOB, precharge drive line DLEQ, precharge voltage VDLR, sub word lines WL0-WL3, data lines DLT, DLB, access transistor TN0, cell capacitor CS0, and plate electrode PLT are shown.
The plurality of memory cells MC are DRAM memory cells each including an N-type channel MOS transistor TN0 and a capacitor CS0. The pull-up circuit PDRV is composed of a P-channel MOS transistor pair in which one gate and the other drain are connected to each other, and each of the pull-down circuits NDRV0 and NDRV1 is an N in which one gate and the other drain are connected to each other. It consists of a pair of type MOS transistors.
図1に示すように、本実施例における複数のプルダウン回路のうち、プルダウン回路NDRV0を構成するトランジスタは、プルダウン回路NDRV1を構成するトランジスタと比較すると、例えば、チャネル長が長い、チャネル幅が広いというように、そのトランジスタの駆動力(定数)が大きい。トランジスタの定数を大きくする理由は、プルダウン回路NDRV0の駆動電流を大きくし、さらにオフセットをも低減できるためである。このとき、もう一つのプルダウン回路NDRV1を構成するNMOSトランジスタのチャネル長は短い、あるいはチャネル幅は広い方が望ましい。その理由は、プルダウン回路NDRV0を構成するトランジスタのチャネル長が長いので、プルダウン回路NDRV0の駆動電流が低下する場合がある。したがって、プルダウン回路NDRV1を構成するトランジスタのチャネル長を短くする、あるいはチャネル幅を広くして、駆動電流を大きく取れるようにしておけば、データ線をより高速に増幅できるからである。このように、オフセットを充分に低減したプルダウン回路NDRV0だけを追加し、コモンソース線CSN0を駆動して、後段のプルダウン回路NDRV1、プルアップ回路PDRVのオフセットよりも大きな電圧差までデータ線対をプリアンプさえすれば、読み出しの誤動作を防ぐことができる。なお動作の詳細は、後述する。 As shown in FIG. 1, among the plurality of pull-down circuits in the present embodiment, the transistors constituting the pull-down circuit NDRV0 are, for example, longer in channel length and wider in channel width than the transistors constituting the pull-down circuit NDRV1. Thus, the driving force (constant) of the transistor is large. The reason why the transistor constant is increased is that the drive current of the pull-down circuit NDRV0 can be increased and the offset can also be reduced. At this time, it is desirable that the NMOS transistor constituting the other pull-down circuit NDRV1 has a short channel length or a wide channel width. This is because the drive current of the pull-down circuit NDRV0 may decrease because the channel length of the transistors constituting the pull-down circuit NDRV0 is long. Therefore, if the channel length of the transistors constituting the pull-down circuit NDRV1 is shortened or the channel width is widened to increase the drive current, the data line can be amplified at a higher speed. In this way, only the pull-down circuit NDRV0 with sufficiently reduced offset is added, the common source line CSN0 is driven, and the data line pair is preamplified to a voltage difference larger than the offset of the pull-down circuit NDRV1 and the pull-up circuit PDRV in the subsequent stage. As long as this is done, it is possible to prevent malfunction of reading. Details of the operation will be described later.
図2は、本発案の実施例であるセンスアンプ回路SA0を複数用いたセンスアンプアレイSAA-R、SAA-LとサブアレイSARY0、サブワードドライバSWDA-U、SWDA-Dを用いて構成したバンクBANKの具体例である。図2の例では、コモンソース制御線ΦCSN0、ΦCSN1、ΦCSPは、複数のセンスアンプ回路SA0-SA5に対して、一つずつ配置されている。コモンソース制御線ΦCSN0、ΦCSN1、ΦCSPにより制御されるコモンソース線を駆動する回路VSS_DRV0、VSS_DRV1、 VDL_DRVは、サブアレイSARY0毎に一組ずつ設けられ、センスアンプアレイSAA-R、SAA-Lは、所謂分散ドライブ方式を用いている。サブワードドライバSWDA-U、SWDA-Dは、サブアレイ毎SARY0に設けられ、サブアレイSARY0内のサブワード線WL0,WL1,Wl2,WL3,WL4,WL5をアドレスの選択により駆動している。VSS-U、VSS-Dは接地電圧である。 FIG. 2 shows a bank BANK configured using sense amplifier arrays SAA-R, SAA-L and a subarray SARY0, subword drivers SWDA-U, SWDA-D using a plurality of sense amplifier circuits SA0 according to an embodiment of the present invention. It is a specific example. In the example of FIG. 2, the common source control lines ΦCSN0, ΦCSN1, and ΦCSP are arranged one by one for the plurality of sense amplifier circuits SA0 to SA5. The circuits VSS_DRV0, VSS_DRV1, and VDL_DRV that drive the common source lines controlled by the common source control lines ΦCSN0, ΦCSN1, and ΦCSP are provided for each subarray SARY0, and the sense amplifier arrays SAA-R and SAA-L are so-called A distributed drive system is used. Subword drivers SWDA-U and SWDA-D are provided for each subarray SARY0, and drive the subword lines WL0, WL1, WL2, WL3, WL4, and WL5 in the subarray SARY0 by selecting addresses. VSS-U and VSS-D are ground voltages.
図1のセンスアンプ回路SA0は、図18の構成と比較すると、追加トランジスタが一対のNMOSトランジスタのみであるため、面積増加が非常に小さい。したがって、図2に示すような、狭いデータ線ピッチにレイアウトでき、チップサイズ増加を抑えることができる。また、センスアンプ回路SA0は、プルダウン回路NDRV0の追加以外は、従来のセンスアンプ回路の構成と同じである。そのため、本実施のセンスアンプ回路SA0を用いれば、レイアウトや配線構成なども最小限の変更で抑えられる。また、図2ではサブワード線に対しデータ線対が交差する折り返しデータ線型のアレイ構成を示したが、もちろん本発案はこれに限定されない。例えば、いわゆる開放データ線型のアレイ構成でもいうまでもなく、本発案の主旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることは言うまでもない。 The sense amplifier circuit SA0 of FIG. 1 has a very small area increase compared to the configuration of FIG. 18 because the additional transistor is only a pair of NMOS transistors. Therefore, a layout with a narrow data line pitch as shown in FIG. 2 can be performed, and an increase in chip size can be suppressed. The sense amplifier circuit SA0 has the same configuration as that of the conventional sense amplifier circuit except for the addition of the pull-down circuit NDRV0. Therefore, if the sense amplifier circuit SA0 of the present embodiment is used, the layout and wiring configuration can be suppressed with a minimum change. Further, although FIG. 2 shows a folded data line type array configuration in which a data line pair intersects a sub word line, of course, the present invention is not limited to this. For example, it is needless to say that various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention, not to mention the so-called open data linear array configuration.
図3は、図1に実施のセンスアンプ回路SA0の動作を説明する動作波形である。まず、プリチャージ駆動線DLEQをアサートして、データ線対をプリチャージ電位VDLRにプリチャージする。プリチャージ駆動線DLEQの駆動方法は様々あるが、例えばロウアドレス信号やサブアレイ選択信号を利用すればよい。同様に、スイッチトランジスタSHRRを、ロウアドレス等を利用してネゲートする。このようにすることで、選択サブアレイSARY0のデータ線対とセンスアンプアレイSAA-Rが電気的に接続される。次にサブワード線WL1がアサートされると、複数の選択メモリセルから保持されている信号が、データ線に出力される。例えば、図2のメモリセルMCのLに対応した微小な信号が、データ線DLT0に出力される。その後、コモンソース線CSN0が接地電圧VSSに駆動されると、データ線DLT0はデータ線DLB0に比べて強くVSS側にドライブされる。 FIG. 3 is an operation waveform for explaining the operation of the sense amplifier circuit SA0 implemented in FIG. First, the precharge drive line DLEQ is asserted to precharge the data line pair to the precharge potential VDLR. There are various methods for driving the precharge drive line DLEQ. For example, a row address signal or a subarray selection signal may be used. Similarly, the switch transistor SHRR is negated using a row address or the like. By doing so, the data line pair of the selected sub-array SARY0 and the sense amplifier array SAA-R are electrically connected. Next, when the sub word line WL1 is asserted, signals held from the plurality of selected memory cells are output to the data lines. For example, a minute signal corresponding to L of the memory cell MC in FIG. 2 is output to the data line DLT0. Thereafter, when the common source line CSN0 is driven to the ground voltage VSS, the data line DLT0 is driven to the VSS side more strongly than the data line DLB0.
プルダウン回路NDRV0のトランジスタのチャネル長やチャネル幅を大きくし、オフセットを充分に低減したため、データ線DLT0をより選択的にLレベルのVSSに駆動することができる。プルダウン回路NDRV0を用いて、データ線DLT0を、プルダウン回路NDRV1、プルアップ回路PDRVのオフセット以上の電圧差に増幅した後、コモンソース線CSN1、CSPをそれぞれ駆動してデータ線対DLT0、DLB0をロウレベルのVSSとハイレベルのVDLまでそれぞれ増幅する。対となっているコモンソース線CSN1、CSPは同じ制御信号に基づいて駆動され、その結果ほぼ同じタイミングでそれぞれVDLRからVSS,VDL電位に変化させる。メモリセルMCに再書込み動作をした後、サブワード線WL0をネゲートする。その後、コモンソース線CSN0、CSN1、CSPをプリチャージ電圧VDLRにプリチャージして、プリチャージ駆動線DLEQをアサートし、データ線対を所望のプリチャージ電位VDLRにプリチャージする。以上が、本発明の実施例のセンスアンプ回路SA0の動作である。 Since the channel length and channel width of the transistor of the pull-down circuit NDRV0 are increased and the offset is sufficiently reduced, the data line DLT0 can be more selectively driven to the L level VSS. Using the pull-down circuit NDRV0, the data line DLT0 is amplified to a voltage difference greater than the offset of the pull-down circuit NDRV1 and the pull-up circuit PDRV, and then the common source lines CSN1 and CSP are driven to drive the data line pair DLT0 and DLB0 to low level. Amplifies up to VSS and high level VDL respectively. The paired common source lines CSN1 and CSP are driven based on the same control signal, and as a result, are changed from VDLR to VSS and VDL potentials at substantially the same timing. After rewriting the memory cell MC, the sub-word line WL0 is negated. Thereafter, the common source lines CSN0, CSN1, and CSP are precharged to the precharge voltage VDLR, the precharge drive line DLEQ is asserted, and the data line pair is precharged to a desired precharge potential VDLR. The above is the operation of the sense amplifier circuit SA0 according to the embodiment of the present invention.
このように、オフセットを充分に低減したプルダウン回路NDRV0を追加することで、読み出し誤動作を防ぐことができる。また、DRAMの信号量設計における、いわゆるセンスアンプオフセットマージンを抑える事ができる。したがって、データ線電圧VDLを低くして、信号量が小さくなった場合であっても、前述したセンスアンプオフセットマージンがほとんど不要となるため、安定した読み出し動作が可能となる。すなわち、低電圧動作が可能となり、低消費電力化が実現できる。また、データ線長を長くしても安定した読み出し動作が可能となる。この理由を以下に簡単に説明する。一般的には、データ線長を長くするとデータ線寄生容量が大きくなるため、データ線に出力される信号量が小さくなってしまう。その結果、センスアンプ回路に印加される電圧差が小さくなり、センスアンプ動作が不安定になる。しかし、本実施のセンスアンプ回路SA0を用いれば、センスアンプ回路SA0に印加される電圧差が小さい場合でも、プルダウン回路NDRV0のオフセットが充分に小さいため、データ線をプリアンプすることができる。つまり、プルダウン回路NDRV0を用いて、プルダウン回路NDRV1、プルアップ回路PDRVのオフセット以上にデータ線をプリアンプできるので、データ線長を長くしても安定した読み出し動作が可能となる。言い換えれば、メモリ占有率の高い、高集積な半導体記憶装置が実現できる。 As described above, by adding the pull-down circuit NDRV0 in which the offset is sufficiently reduced, a read malfunction can be prevented. In addition, the so-called sense amplifier offset margin in the DRAM signal amount design can be suppressed. Therefore, even when the data line voltage VDL is lowered to reduce the signal amount, the above-described sense amplifier offset margin is almost unnecessary, so that a stable read operation is possible. That is, low voltage operation is possible, and low power consumption can be realized. Further, a stable read operation can be performed even if the data line length is increased. The reason for this will be briefly described below. In general, when the data line length is increased, the data line parasitic capacitance increases, so that the amount of signal output to the data line decreases. As a result, the voltage difference applied to the sense amplifier circuit becomes small and the sense amplifier operation becomes unstable. However, if the sense amplifier circuit SA0 of the present embodiment is used, even if the voltage difference applied to the sense amplifier circuit SA0 is small, the offset of the pull-down circuit NDRV0 is sufficiently small, so that the data line can be preamplified. That is, since the data line can be preamplified using the pull-down circuit NDRV0 beyond the offset of the pull-down circuit NDRV1 and the pull-up circuit PDRV, a stable read operation can be performed even if the data line length is increased. In other words, a highly integrated semiconductor memory device with a high memory occupancy rate can be realized.
図4、図5は、図1の実施例であるセンスアンプ回路SA0を複数用いて構成した、センスアンプアレイSAA-Rの平面レイアウトである。破線部で囲まれた部分を示す記号の一部は、それぞれ図1のセンスアンプ回路SA0を構成する各回路に対応している。それ以外の、YS0-YS2はカラムスイッチ駆動線、LIO0T、LIO0B、LIO1T、LIO1Bはローカルデータ線を示している。なお、図5は、コンタクトV2と第2層の配線層M2の配線レイアウトの一例が示されている。また、図4、図5における記号の意味は、ゲート電極と第1層の配線層M1(データ線)を接続するゲートコンタクトFGCNT、拡散層LN、LP、ゲート電極FG、拡散層LN、LPと配線層M1を接続する拡散層コンタクトLCNT、第2層の配線層M2と第3層の配線層M3を接続するコンタクトV2である。尚、第1層の配線層M1と第2層の配線層M2を接続するコンタクトV1は図示されていない。また図4において、コモンソースドライバVSS_DRV0、VSS_DRV1、VDL_DRVは、コモンソース線CSN0、CSN1、CSPを駆動するために用いられ、例えば、複数のセンスアンプ回路SA0-SA5にそれぞれひとつずつ配置される、いわゆる分散ドライブ方式のレイアウトの一例を示している。 4 and 5 are plan layouts of a sense amplifier array SAA-R configured by using a plurality of sense amplifier circuits SA0 according to the embodiment of FIG. A part of a symbol indicating a part surrounded by a broken line part corresponds to each circuit constituting the sense amplifier circuit SA0 of FIG. Other than that, YS0-YS2 indicate column switch drive lines, and LIO0T, LIO0B, LIO1T, and LIO1B indicate local data lines. FIG. 5 shows an example of the wiring layout of the contact V2 and the second wiring layer M2. The meanings of the symbols in FIGS. 4 and 5 are the gate contact FGCNT, diffusion layer LN, LP, gate electrode FG, diffusion layer LN, LP that connect the gate electrode and the first wiring layer M1 (data line). A diffusion layer contact LCNT connecting the wiring layer M1, and a contact V2 connecting the second wiring layer M2 and the third wiring layer M3. Note that the contact V1 connecting the first wiring layer M1 and the second wiring layer M2 is not shown. In FIG. 4, common source drivers VSS_DRV0, VSS_DRV1, and VDL_DRV are used to drive the common source lines CSN0, CSN1, and CSP, for example, so-called one each arranged in a plurality of sense amplifier circuits SA0 to SA5. An example of a distributed drive layout is shown.
すなわち、一つのサブアレイSARY0に対し、複数のプルダウン回路NDRV0及び、対として動作する複数のプルダウン回路NDRV1と複数のプルアップ回路PDRVとの間に、複数のコモンソース線を駆動する回路VDL_DRV、VSS_DRV0、VSS_DRV1が分散配置されている。これらの駆動回路をVDL_DRV、VSS_DRV0、VSS_DRV1を制御する制御線ΦCSN0、ΦCSN1、ΦCSPは、プリチャージ電圧VDLRを供給する電源線と、ローカルデータ線LIOT、LIO0T、LIO1T、LIOB、LIO0B、LIO1Bと、コモンソース線CSN0、CSN1、CSP、CSPと、データ線電圧VDL、接地電圧VSSを供給する電源線と、同方向に延在し、同じ配線層で形成される。これらの配線はワード線と同方向に形成される。カラムスイッチ駆動線YS0-YS2は、コンタクトV2を介してカラムスイッチYSWと接続され、第2層の配線層M2より上層の第3層の配線層M3に形成され、データ線と同じ方向に延在する。 That is, for one subarray SARY0, a plurality of pull-down circuits NDRV0 and circuits VDL_DRV, VSS_DRV0, driving a plurality of common source lines between a plurality of pull-down circuits NDRV1 and a plurality of pull-up circuits PDRV operating as a pair. VSS_DRV1 is distributed. The control lines ΦCSN0, ΦCSN1, and ΦCSP that control these drive circuits for VDL_DRV, VSS_DRV0, and VSS_DRV1 are common to the power supply line that supplies the precharge voltage VDLR and the local data lines LIOT, LIO0T, LIO1T, LIOB, LIO0B, and LIO1B The source lines CSN0, CSN1, CSP, and CSP and the power supply line that supplies the data line voltage VDL and the ground voltage VSS extend in the same direction and are formed of the same wiring layer. These wirings are formed in the same direction as the word lines. The column switch drive lines YS0 to YS2 are connected to the column switch YSW via the contact V2, are formed in the third wiring layer M3 above the second wiring layer M2, and extend in the same direction as the data lines. To do.
以上のように、サブアレイSARY0に対応するセンスアンプアレイSAA-Rで毎に駆動回路を分散配置することで、高速にコモンソース線を駆動することができ、またプルダウン回路NDRV1とプルアップ回路PDRVの間に配置することで、効率よくレイアウトを行うことが可能となる。なお、図面が煩雑になるため、配線層の一部は省略した。
図4、図5に示したように、図1に実施したセンスアンプ回路SA0の追加回路は、プルダウン回路NDRV0だけである。したがって図4からわかるように、センスアンプ回路SA0の面積増加も少ない。また、レイアウトの対称性にも優れているため、データ線ノイズも小さいという利点もある。さらに、従来のプルダウン回路NDRV1と同様のレイアウトが可能であり、追加回路に伴う追加配線は、コモンソース線CSN0のみであり実現が容易である。プルダウン回路NDRV0,NDRV1とプルアップ回路PDRV内のトランジスタのゲートはリング状のトランジスタで形成されている。このようにゲート電極をリング状にすることで、よりセンスアンプ回路のオフセットを低減できる。
As described above, the common source line can be driven at high speed by distributing the drive circuit for each sense amplifier array SAA-R corresponding to the subarray SARY0, and the pull-down circuit NDRV1 and the pull-up circuit PDRV can be driven. By arranging them in between, it becomes possible to perform layout efficiently. Note that a part of the wiring layer is omitted because the drawing becomes complicated.
As shown in FIGS. 4 and 5, the pull-down circuit NDRV0 is the only additional circuit of the sense amplifier circuit SA0 implemented in FIG. Therefore, as can be seen from FIG. 4, the area increase of the sense amplifier circuit SA0 is also small. In addition, since the layout has excellent symmetry, there is also an advantage that the data line noise is small. Furthermore, a layout similar to that of the conventional pull-down circuit NDRV1 is possible, and the additional wiring accompanying the additional circuit is only the common source line CSN0, which is easy to realize. The gates of the transistors in the pull-down circuits NDRV0 and NDRV1 and the pull-up circuit PDRV are formed by ring-shaped transistors. Thus, by making the gate electrode into a ring shape, the offset of the sense amplifier circuit can be further reduced.
なお図4においては、プルダウン回路NDRV0など、ゲート電極FGの形状をリング状で示したが、もちろん本発案がこれに限定されるものではない。コの字型や矩形のゲート電極FGなどさまざまな変形が可能である。また、コモンソースドライバVSS_DRV0のチャネル幅を、図4に示したチャネル幅よりも狭くする、あるいはコモンソース制御線ΦCSN0をゆっくり駆動するといった方法を適用して、図3に示されたコモンソース線CSN0の駆動速度をより遅くして、センスアンプ回路SA0を動作させてもよい。このようにすることで、プルダウン回路NDRV0のオフセットが大きくなった場合においても、データ線DLT0を正確にプリアンプできるという利点がある。また、図では示していないが、コモンソース線CSPを、データ線のハイレベルVDL以上に昇圧する、所謂オーバードライブ方式と組み合わせて利用してもよい。その場合も、低電圧動作、高速動作といった効果が得られる。以上のように、本発案の主旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能であることは言うまでもない。 In FIG. 4, the shape of the gate electrode FG such as the pull-down circuit NDRV0 is shown in a ring shape, but the present invention is of course not limited to this. Various modifications such as a U-shaped or rectangular gate electrode FG are possible. Further, the common source driver VSS_DRV0 has a channel width narrower than the channel width shown in FIG. 4, or the common source control line ΦCSN0 is slowly driven to apply the common source line CSN0 shown in FIG. The sense amplifier circuit SA0 may be operated at a lower drive speed. By doing so, there is an advantage that the data line DLT0 can be accurately preamplified even when the offset of the pull-down circuit NDRV0 becomes large. Although not shown in the figure, the common source line CSP may be used in combination with a so-called overdrive system that boosts the data line to a high level VDL or higher. Even in such a case, effects such as low voltage operation and high speed operation can be obtained. As described above, it goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
図6は、図1に示したメモリセルMCの平面レイアウトと、それに接続されるセンスアンプアレイSAA-L、SAA-Rを示した図である。アクセストランジスタTN0は、サブワード線WL、拡散層ACTから構成され、セルキャパシタCS0は、蓄積ノードSNとプレート電極PLTからなる。その他の記号は、拡散層ACTをその上部の配線やコンタクトに接続するためのセルコンタクトCCNT、データ線DLT、DLBとセルコンタクトCCNTを接続するデータ線コンタクトDLCNT、ランディングパッドLPADとセルコンタクトCCNTを接続する蓄積ノードコンタクトSNCNTである。ここで、ランディングパッドLPADは蓄積ノードSNと蓄積ノードコンタクトSNCNTを接続するコンタクトであり、セルキャパシタCS0の位置を最適化することができるので、セルキャパシタCS0の表面積を大きくすることができる。もちろん、セルキャパシタCS0の容量が充分に確保できるのであれば、ランディングパッドLPADを利用しなくてもよい。その場合、プロセス工程を削減できるのでコストを低減できる。 FIG. 6 is a diagram showing a planar layout of the memory cell MC shown in FIG. 1 and sense amplifier arrays SAA-L and SAA-R connected thereto. Access transistor TN0 includes sub word line WL and diffusion layer ACT, and cell capacitor CS0 includes storage node SN and plate electrode PLT. For other symbols, cell contact CCNT for connecting diffusion layer ACT to the wiring or contact above it, data line DLT, data line contact DLCNT for connecting DLB and cell contact CCNT, landing pad LPAD and cell contact CCNT are connected The storage node contact SNCNT. Here, the landing pad LPAD is a contact connecting the storage node SN and the storage node contact SNCNT, and the position of the cell capacitor CS0 can be optimized, so that the surface area of the cell capacitor CS0 can be increased. Of course, if the capacity of the cell capacitor CS0 can be sufficiently secured, the landing pad LPAD may not be used. In that case, since process steps can be reduced, costs can be reduced.
また、図6のようにメモリセルMCのレイアウトは様々な変形が可能である。図6(a)は、所謂折り返し型データ線構造であり、拡散層ACTが単純な矩形であるため、微細化が容易であるという利点がある。また図6(b)は、擬似折り返し型データ線構造である。(a)との違いは、拡散層ACTがサブワード線WLに対して斜めにレイアウトされていることである。このため、実効的にチャネル幅が大きく取れるため、アクセストランジスタTN0のオン電流を大きくとれるという利点がある。したがって、本実施のセンスアンプ回路SA0と組み合わせるとで、より高速動作が可能な半導体記憶装置を実現できる。図6(c)、(d)は、開放型データ線構造である。折り返し型データ線構造に比べると、セル面積を低減できるという利点がある。図6(c)はデータ線ピッチが広いため、データ線寄生容量も低減できる。そのため、本実施のセンスアンプ回路SA0と組み合わせることで、より高集積で、低電圧動作が可能な半導体記憶装置を実現できる。図6(d)は、(c)に比べさらにセル面積が小さくでき、本実施のセンスアンプ回路SA0と組み合わせることでより高集積な半導体記憶装置が実現できる。 Further, as shown in FIG. 6, the layout of the memory cell MC can be variously modified. FIG. 6 (a) shows a so-called folded data line structure, and since the diffusion layer ACT is a simple rectangle, there is an advantage that miniaturization is easy. FIG. 6B shows a pseudo folded data line structure. The difference from (a) is that the diffusion layer ACT is laid out obliquely with respect to the sub-word line WL. For this reason, since the channel width can be effectively increased, there is an advantage that the on-current of the access transistor TN0 can be increased. Therefore, when combined with the sense amplifier circuit SA0 of the present embodiment, a semiconductor memory device capable of higher speed operation can be realized. FIGS. 6C and 6D show an open data line structure. Compared to the folded data line structure, there is an advantage that the cell area can be reduced. In FIG. 6C, since the data line pitch is wide, the data line parasitic capacitance can be reduced. Therefore, by combining with the sense amplifier circuit SA0 of the present embodiment, a semiconductor memory device capable of higher integration and low voltage operation can be realized. In FIG. 6D, the cell area can be further reduced as compared with FIG. 6C, and a highly integrated semiconductor memory device can be realized by combining with the sense amplifier circuit SA0 of this embodiment.
もちろん本発案のセンスアンプに適用できるレイアウトは、これに限定されない。例えば、(d)の開放型データ線構造において、サブワード線WLに対して斜めにレイアウトされている拡散層ACTを、(a)のように直交するようにレイアウトしてもよい。その場合、形状が矩形であるため微細化が容易であるという利点がある。さらに、サブワード線SWLAの、左右の隣接セルの拡散層ACTを共有し、サブワード線WLAに常にロウレベルのVSSを印加する事で、素子分離するなどの応用も可能である。この場合、データ線と平行な方向に、絶縁体からなる素子分離領域を形成する必要がないため、プロセス工程を削減でき、コストを低減できる。 Of course, the layout applicable to the sense amplifier of the present invention is not limited to this. For example, in the open data line structure of (d), the diffusion layer ACT laid out obliquely with respect to the sub-word line WL may be laid out so as to be orthogonal as shown in (a). In that case, since the shape is rectangular, there is an advantage that miniaturization is easy. Furthermore, the sub-word line SWLA can share the diffusion layer ACT of the adjacent cells on the left and right sides, and can always be applied to the sub-word line WLA by applying a low level VSS to the element isolation. In this case, since it is not necessary to form an element isolation region made of an insulator in a direction parallel to the data line, process steps can be reduced and costs can be reduced.
図7は、図6に示した複数のメモリセルMCとセンスアンプ回路SA0の断面図の一部を示した図である。図中の記号は、第2層の配線層M2、第3層の配線層M3、Pウェル基板PW、Nウェル基板NW、ディープNウェル基板DNWELLおよびP型基板PSUBである。なお、これらの形成方法は、一般的な半導体記憶装置、特に所謂汎用DRAMと同様なのでここでは説明の詳細は省略する。また、セルキャパシタCS0の構造は、これに限定されるものではない。例えばクラウン型のキャパシタをはじめとして、様々な変更が可能であることはいうまでもない。
このように、本実施のセンスアンプ回路SA0は、NMOSトランジスタを二つと、コモンソース線CSN0の配線追加だけでよいため、実現が容易である。プルダウン回路NDRV0のNMOSトランジスタの拡散層は、メモリセル内のトランジスタとプルダウン回路NDRV1のNMOSトランジスタの拡散層と同じP型ウエルPW内に構成することが可能である。また、サブアレイSARY0の上部に追加配線を配置する必要もないので、配線ノイズも発生しない。したがって、メモリ動作に悪影響を及ぼすことがない。
FIG. 7 is a diagram illustrating a part of a cross-sectional view of the plurality of memory cells MC and the sense amplifier circuit SA0 illustrated in FIG. Symbols in the figure are the second wiring layer M2, the third wiring layer M3, the P well substrate PW, the N well substrate NW, the deep N well substrate DNWELL, and the P type substrate PSUB. Since these forming methods are the same as those of a general semiconductor memory device, particularly a so-called general-purpose DRAM, the detailed description thereof is omitted here. Further, the structure of the cell capacitor CS0 is not limited to this. Needless to say, various modifications are possible including, for example, a crown type capacitor.
As described above, the sense amplifier circuit SA0 according to the present embodiment is easy to implement because only two NMOS transistors and a common source line CSN0 need to be added. The diffusion layer of the NMOS transistor of the pull-down circuit NDRV0 can be configured in the same P-type well PW as the diffusion layer of the NMOS transistor of the pull-down circuit NDRV1. Further, since there is no need to arrange additional wiring above the subarray SARY0, no wiring noise is generated. Therefore, the memory operation is not adversely affected.
図8は、図2に示したバンクBANKを複数用いて構成した、DRAMのブロック図の一例を示している。図に示した記号は、アドレスバッファADDRESS BUFFER、カラムアドレスバッファCOLUMN ADDRESS BUFFER、カラムアドレスカウンタCOLUMN ADDRESS COUNTER、ロウアドレスバッファROW ADDRESS BUFFER、リフレッシュカウンタREFRESH COUNTER、バンクセレクトBANK SELECT、モードレジスタMODE RESISTER、ロウデコーダROW DEC、カラムデコーダCOLUMN DEC、メインセンスアンプSENSE AMP、メモリセルアレイMEMORY CELL ARRAY、データ入力バッファDin BUFFER、データ出力バッファDout BUFFER、データバッファDQS BUFFER、ディレイロックドループDLL、コントロールロジックCONTROL LOGIC、クロックCLK、/CLK、クロックイネーブル信号CKE、チップセレクト信号/CS、ロウアドレスストローブ信号/RAS、カラムアドレスストローブ信号/CAS、ライトイネーブル信号/WE、データライト信号DW、データストローブ信号DQS、データDQである。なお、これらの回路や信号の制御方法は、公知のSDRAMなどと同様であるため、ここでは説明を省略する。本実施例のセンスアンプ回路SA0を用いて、図8のようにバンクBANKを構成することで、シンクロナスダイナミックメモリSDRAM等の半導体記憶装置が実現できる。もちろん言うまでもないが、本実施のセンスアンプ回路SA0を用いることで、前述したように低電圧動作が可能となる等の効果があることは言うまでもない。また、ブロックの構成は、図8に特に限定されない。メモリセルアレイMEMORY CELL ARRAYの数を増やしても良いし、本発案の主旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。 FIG. 8 shows an example of a block diagram of a DRAM configured using a plurality of banks BANK shown in FIG. Symbols shown in the figure are address buffer ADDRESS BUFFER, column address buffer COLUMN ADDRESS BUFFER, column address counter COLUMN ADDRESS COUNTER, row address buffer ROW ADDRESS BUFFER, refresh counter REFRESH COUNTER, bank select BANK SELECT, mode register MODE RESISTER, row decoder ROW DEC, column decoder COLUMN DEC, main sense amplifier SENSE AMP, memory cell array MEMORY CELL ARRAY, data input buffer Din BUFFER, data output buffer Dout BUFFER, data buffer DQS BUFFER, delay locked loop DLL, control logic CONTROL LOGIC, clock CLK, / CLK, clock enable signal CKE, chip select signal / CS, row address strobe signal / RAS, column address strobe signal / CAS, write enable signal / WE, data write signal DW, data strobe signal DQS, data It is a DQ. Note that the control method of these circuits and signals is the same as that of a known SDRAM or the like, and the description thereof is omitted here. By configuring the bank BANK as shown in FIG. 8 using the sense amplifier circuit SA0 of this embodiment, a semiconductor memory device such as a synchronous dynamic memory SDRAM can be realized. Needless to say, it is needless to say that the use of the sense amplifier circuit SA0 of this embodiment has the effect of enabling a low voltage operation as described above. Further, the configuration of the block is not particularly limited to FIG. The number of memory cell arrays MEMORY CELL ARRAY may be increased, and various changes can be made without departing from the gist of the present idea.
図9は、図1に示したセンスアンプ回路SA0を複数用いて構成した、センスアンプアレイSAA-Rの平面レイアウトの変形例である。図4と異なる点は、プルダウン回路NDRV2のゲート電極形状がリング型ではなく、矩形であることである。図4、図5のように、リング型のゲート電極を利用した場合、プルダウン回路NDRV1の駆動電流が小さくなる場合がある。その場合は、図9のようにゲート電極を矩形にすることで、駆動電流を大きくすることができ、より安定した読み出し動作が可能となる。なお、コンタクトV1、第2層の配線層M2およびコンタクトV2のレイアウトは、図5とほぼ同様であるため、ここでは図面による説明を省略した。 FIG. 9 is a modification of the planar layout of the sense amplifier array SAA-R configured using a plurality of sense amplifier circuits SA0 shown in FIG. The difference from FIG. 4 is that the gate electrode shape of the pull-down circuit NDRV2 is not a ring type but a rectangle. As shown in FIGS. 4 and 5, when a ring-type gate electrode is used, the drive current of the pull-down circuit NDRV1 may be small. In that case, the drive current can be increased by making the gate electrode rectangular as shown in FIG. 9, and a more stable read operation is possible. The layout of the contact V1, the second wiring layer M2, and the contact V2 is substantially the same as that in FIG.
図10は、図9に示したセンスアンプのレイアウトを適用した場合の、動作波形を示している。基本的な動作は、図3と同様なので説明の詳細は省略する。図3と異なる点は、プルダウン回路NDRV2とプルアップ回路PDRVを駆動した際に、プルダウン回路NDRV2の駆動電流が、図4のリング型のプルダウン回路NDRV1に比べて大きいので、プリアンプしたデータ線対をより高速に増幅できることである。このため、高速動作が可能な半導体記憶装置が実現できる。また、図9では、プルダウン回路NDRV2を矩形のゲート電極FGを用いて構成した場合を示したが、もちろんプルアップ回路PDRVに適用してもよい。この場合も、プルアップ回路PDRVの駆動電流が大きく取れるので、前述と同様に高速動作が可能となる。以上が実施例1の説明である。 FIG. 10 shows operation waveforms when the layout of the sense amplifier shown in FIG. 9 is applied. The basic operation is the same as in FIG. The difference from FIG. 3 is that when the pull-down circuit NDRV2 and the pull-up circuit PDRV are driven, the drive current of the pull-down circuit NDRV2 is larger than that of the ring-type pull-down circuit NDRV1 in FIG. It can be amplified at higher speed. Therefore, a semiconductor memory device capable of high speed operation can be realized. Further, FIG. 9 shows the case where the pull-down circuit NDRV2 is configured using the rectangular gate electrode FG, but it may be applied to the pull-up circuit PDRV. Also in this case, since a large drive current can be obtained for the pull-up circuit PDRV, a high-speed operation is possible as described above. The above is the description of the first embodiment.
実施例1では、非選択時にメモリセルMCのサブワード線WLに接地電圧VSSを印加した場合について説明したが、負電圧を印加してもよい。図11、図12は本実施のセンスアンプ回路SA0にネガティブワードドライバNSWDを適用した場合を示している。図11は、図2におけるサブワードアレイSWDA-U、SWDA-Dを構成するサブワードドライバSWDの変形例である。図中の記号は、ワード線電圧VPP、ネガティブワード線電圧VKK、メインワード線MWL、サブワード線制御信号FX、FXB、インバータINV0、INV1である。各信号の制御方法は一般的なサブワードドライバと同様であるので、ここでは説明を省略する。 In the first embodiment, the case where the ground voltage VSS is applied to the sub-word line WL of the memory cell MC when not selected has been described, but a negative voltage may be applied. 11 and 12 show the case where the negative word driver NSWD is applied to the sense amplifier circuit SA0 of the present embodiment. FIG. 11 shows a modification of the sub word driver SWD constituting the sub word arrays SWDA-U and SWDA-D in FIG. Symbols in the figure are a word line voltage VPP, a negative word line voltage VKK, a main word line MWL, sub word line control signals FX and FXB, and inverters INV0 and INV1. Since the control method of each signal is the same as that of a general sub-word driver, description thereof is omitted here.
図12は、本実施のセンスアンプ回路SA0に図11のネガティブサブワードドライバNSWDを適用した場合の動作波形である。図3の動作波形と異なる点は、非選択時のワード線電圧がプルダウン回路を駆動するときの電位よりも低い負電圧である、という点である。このように、ワード線の非選択時に、負電圧を印加することで、実効的にアクセストランジスタの閾値電圧を上げることができる。言い換えると、アクセストランジスタTN0の閾値電圧を低く設定しても、DRAMの所謂リテンション特性の劣化を招く恐れがない。すなわち、チャネル領域の不純物濃度を低減できるので、拡散層ACTとPウェル基板PWとの接合電界を低減できる。その結果、拡散層ACTを流れるリーク電流を低減できるので、より消費電力の少ない半導体記憶装置が実現できる。また、不純物濃度を低減できることから、アクセストランジスタTN0の閾値電圧のバラツキも低減できる。その結果、書込み動作において、ワード線電圧VPPを必要以上に高く設定しなくてもよい。すなわち、アクセストランジスタTN0のゲート絶縁膜厚を薄膜化することができるので、より微細化が容易となり、高集積な半導体記憶装置が実現できる。 FIG. 12 shows operation waveforms when the negative sub-word driver NSWD of FIG. 11 is applied to the sense amplifier circuit SA0 of the present embodiment. The difference from the operation waveform of FIG. 3 is that the word line voltage when not selected is a negative voltage lower than the potential when the pull-down circuit is driven. Thus, the threshold voltage of the access transistor can be effectively increased by applying a negative voltage when the word line is not selected. In other words, even if the threshold voltage of the access transistor TN0 is set low, there is no possibility that the so-called retention characteristic of the DRAM is deteriorated. That is, since the impurity concentration in the channel region can be reduced, the junction electric field between the diffusion layer ACT and the P well substrate PW can be reduced. As a result, the leakage current flowing through the diffusion layer ACT can be reduced, so that a semiconductor memory device with less power consumption can be realized. Further, since the impurity concentration can be reduced, the variation in threshold voltage of the access transistor TN0 can also be reduced. As a result, the word line voltage VPP need not be set higher than necessary in the write operation. That is, since the gate insulating film thickness of the access transistor TN0 can be reduced, miniaturization is facilitated and a highly integrated semiconductor memory device can be realized.
また、本実施のセンスアンプ回路SA0を組み合わせることで、より効果が得られることは言うまでもない。すなわち、本実施のセンスアンプ回路SA0は、低電圧化した際、読み出し信号量が低下しても、充分に安定した読み出し動作を実現できることは前述した通りである。さらに、図9に示したような、矩形のゲート電極の形状を適用したレイアウトと組み合わせて利用すれば、高速動作が可能であることは言うまでもない。また、ネガティブサブワードドライバNSWDを用いれば、アクセストランジスタTN0を微細化できる、すなわちメモリセルMCをより微細化できるので、データ線寄生容量を低減できる。その結果、より低電圧動作が可能で、かつ高集積な半導体記憶装置が実現できることは言うまでもない。 In addition, it goes without saying that a further effect can be obtained by combining the sense amplifier circuit SA0 of the present embodiment. That is, as described above, the sense amplifier circuit SA0 of this embodiment can realize a sufficiently stable read operation even when the read signal amount is reduced when the voltage is lowered. Furthermore, it goes without saying that high-speed operation is possible when used in combination with a layout to which a rectangular gate electrode shape as shown in FIG. 9 is applied. Further, if the negative sub word driver NSWD is used, the access transistor TN0 can be miniaturized, that is, the memory cell MC can be further miniaturized, so that the data line parasitic capacitance can be reduced. As a result, it goes without saying that a low-voltage operation and a highly integrated semiconductor memory device can be realized.
実施例1、実施例2では複数のプルダウン回路を適用した場合について示した。この場合、プルダウン回路のオフセットの大きさで、安定した読み出し動作が可能であるか、誤動作が生じるかが決まる。したがって、プルアップ回路のオフセットを必要以上に低減しなくてもよいため、所謂埋め込みチャネル型のPMOSトランジスタを利用して、PMOSトランジスタ形成に必要なマスク枚数を削減することができる。また本発案は、前述した実施例に限定されることはなく、もちろん複数のプルアップ回路を用いてセンスアンプ回路SA0を構成してもよい。この場合、プルアップ回路を構成するPMOSトランジスタを、所謂埋め込みチャネル型トランジスタではなく、所謂デュアルゲート型トランジスタで形成するとよい。このようにすると、PMOSトランジスタ形成に必要なマスク枚数は増えるが、トランジスタ構造が簡素化されるので、PMOSトランジスタの閾値電圧のバラツキを抑えることができる。 In the first and second embodiments, the case where a plurality of pull-down circuits are applied is shown. In this case, the magnitude of the offset of the pull-down circuit determines whether stable read operation is possible or malfunction occurs. Therefore, since it is not necessary to reduce the offset of the pull-up circuit more than necessary, a so-called buried channel type PMOS transistor can be used to reduce the number of masks necessary for forming the PMOS transistor. The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the sense amplifier circuit SA0 may be configured using a plurality of pull-up circuits. In this case, the PMOS transistor constituting the pull-up circuit may be formed of a so-called dual gate transistor rather than a so-called buried channel transistor. In this way, the number of masks necessary for forming the PMOS transistor increases, but the transistor structure is simplified, so that variations in the threshold voltage of the PMOS transistor can be suppressed.
図13から図15は、複数のプルアップ回路を用いたセンスアンプ回路SA0の回路図と、動作波形および平面レイアウトを示している。
図13に示すように、本実施例のセンスアンプ回路SA0は、複数のプルアップ回路PDRV0、PDRV1から構成される。その他の記号は前述した実施例と同じであり、説明を省略する。また、前述の実施例と同様に、図13に示すプルアップ回路PDRV0を構成するPMOSトランジスタは、プルアップ回路PDRV1を構成するPMOSトランジスタに比べて、チャネル長やチャネル幅といったトランジスタの駆動力(定数)が大きい。その理由は、プルアップ回路PDRV0のオフセットを十分に低減し、後段において駆動するプルアップ回路PDRV1、プルダウン回路NDRVのオフセットよりも大きな電圧差まで、データ線対を充分にプリアンプするためである。このようにすることで、読み出しの誤動作を防ぐことができる。
13 to 15 show circuit diagrams, operation waveforms, and a planar layout of the sense amplifier circuit SA0 using a plurality of pull-up circuits.
As shown in FIG. 13, the sense amplifier circuit SA0 of this embodiment is composed of a plurality of pull-up circuits PDRV0 and PDRV1. Other symbols are the same as those in the above-described embodiment, and a description thereof will be omitted. Similarly to the above-described embodiment, the PMOS transistor that constitutes the pull-up circuit PDRV0 shown in FIG. ) Is big. This is because the offset of the pull-up circuit PDRV0 is sufficiently reduced and the data line pair is sufficiently preamplified to a voltage difference larger than the offset of the pull-up circuit PDRV1 and the pull-down circuit NDRV that are driven in the subsequent stage. By doing so, a read malfunction can be prevented.
図14は図13に実施のセンスアンプ回路SA0の動作を説明する動作波形である。基本的な動作は、図3と同様であるので詳細な説明は省略する。図3と異なる点は、微小な信号差dVsigがデータ線対に出力された後、コモンソースドライバVDL_DRVをアサートして、コモンソース線CSP0をデータ線電圧VDLまで駆動し、プルアップ回路PDRV0を活性化して、データ線対をプリアンプする点である。このようにすることで、データ線DLB0がデータ線DLT0に比べて強くVDL側にドライブされる。次に、プルアップ回路PDRV1およびプルダウン回路NDRVを駆動して、データ線対をハイレベルのVDLとロウレベルのVSSまで増幅する。以上が、実施例3のセンスアンプ回路SA0の動作である。 FIG. 14 is an operation waveform for explaining the operation of the sense amplifier circuit SA0 implemented in FIG. Since the basic operation is the same as that in FIG. 3, detailed description thereof is omitted. The difference from Fig. 3 is that after a minute signal difference dVsig is output to the data line pair, the common source driver VDL_DRV is asserted to drive the common source line CSP0 to the data line voltage VDL and activate the pull-up circuit PDRV0 In other words, the data line pair is preamplified. By doing so, the data line DLB0 is driven to the VDL side more strongly than the data line DLT0. Next, the pull-up circuit PDRV1 and the pull-down circuit NDRV are driven to amplify the data line pair to the high level VDL and the low level VSS. The above is the operation of the sense amplifier circuit SA0 of the third embodiment.
図15は、実施例3のセンスアンプ回路SA0を複数用いて構成した、センスアンプアレイSAA-Rの平面レイアウトの一例である。図4と異なる点は、複数のプルアップ回路PDRV0、PDRV1と、それらを駆動する、コモンソースドライバVDL_DRV0、VDL_DRV1を有する点である。なお、これら以外の図中の記号は、前述の実施例と同様であるので、説明は省略する。また、コンタクトV1、第2層の配線層M2およびコンタクトV2のレイアウトは、図4と同様なので、ここでは図面を省略した。図15に示すように、複数のプルアップ回路を用いた場合も、レイアウトの対称性に優れており、データ線ノイズの小さい。追加トランジスタも二つであり、追加配線も少なく、実現が容易であることがわかる。 FIG. 15 is an example of a planar layout of a sense amplifier array SAA-R configured using a plurality of sense amplifier circuits SA0 of the third embodiment. The difference from FIG. 4 is that a plurality of pull-up circuits PDRV0 and PDRV1 and common source drivers VDL_DRV0 and VDL_DRV1 for driving them are provided. In addition, since symbols in the drawings other than these are the same as those in the above-described embodiment, description thereof will be omitted. The layout of the contact V1, the second wiring layer M2, and the contact V2 is the same as that in FIG. As shown in FIG. 15, even when a plurality of pull-up circuits are used, the symmetry of the layout is excellent and the data line noise is small. It can be seen that the number of additional transistors is two, the number of additional wirings is small, and implementation is easy.
以上実施例3について、図13から図15を用いて説明したが、本発案はもちろんこれに限定されない。例えば、図9に示したような矩形のゲート電極形状のプルアップ回路を適用しても良いし、実施例2のようにネガティブサブワードドライバNSWDを用いてもよい。また、図15の例では、図4と同様に、所謂分散ドライブ方式のレイアウトの例を示したが、もちろんこれに限定されない。コモンソース線CSP0を、データ線のハイレベルVDL以上に昇圧する、所謂オーバードライブ方式と組み合わせて利用してもよい。この場合、前述した通りの効果が得られることは言うまでもない。以上のように、本発案の主旨を逸脱しない範囲で、様々な変更が可能である。 Although the third embodiment has been described with reference to FIGS. 13 to 15, the present invention is of course not limited thereto. For example, a pull-up circuit having a rectangular gate electrode shape as shown in FIG. 9 may be applied, or a negative subword driver NSWD may be used as in the second embodiment. Further, in the example of FIG. 15, as in FIG. 4, an example of a so-called distributed drive system layout is shown, but of course the present invention is not limited to this. The common source line CSP0 may be used in combination with a so-called overdrive system that boosts the data line to a high level VDL or higher. In this case, it goes without saying that the effects as described above can be obtained. As described above, various modifications can be made without departing from the gist of the present idea.
実施例1から実施例3においては、複数のプルダウン回路、もしくは複数のプルアップ回路を用いてセンスアンプ回路を構成したが、高速動作が要求されない場合には、それぞれ一つずつのプルダウン回路とプルアップ回路を用いてセンスアンプ回路を構成してもよい場合がある。その場合、例えばプルダウン回路、及びプルアップ回路を構成するトランジスタのチャネル長を長くする、あるいはチャネル幅を広くして、オフセットを低減する。さらに、例えばプルダウン回路を、プルアップ回路に先行して駆動することで、プルアップ回路のオフセット以上にデータ線対をプリアンプすればよい。 In the first to third embodiments, the sense amplifier circuit is configured using a plurality of pull-down circuits or a plurality of pull-up circuits. However, when high speed operation is not required, one pull-down circuit and one pull-down circuit are used. In some cases, a sense amplifier circuit may be configured using an up circuit. In that case, for example, the channel length of the pull-down circuit and the transistors constituting the pull-up circuit is increased or the channel width is increased to reduce the offset. Furthermore, for example, by driving the pull-down circuit prior to the pull-up circuit, the data line pair may be preamplified beyond the offset of the pull-up circuit.
図16は、本実施例のセンスアンプ回路SA0を示す図である。前述の実施例と異なる点は、プルダウン回路とプルアップ回路がそれぞれ一つずつしかないことである。また図中の記号は、前述の実施例と同じであるため、ここでは説明を省略する。このように、本実施例では、従来のセンスアンプ回路に対して追加回路がないため、前述の実施例に比べセンスアンプ回路SA0の面積を低減できる。また、追加駆動信号もないため、制御信号用の配線追加も不要でありプロセスコストも低減できる。すなわち、安定した読み出し動作と、センスアンプの面積低減を両立した半導体記憶装置が実現できる。 FIG. 16 is a diagram illustrating the sense amplifier circuit SA0 of the present embodiment. The difference from the previous embodiment is that there is only one pull-down circuit and one pull-up circuit. Further, the symbols in the figure are the same as those in the above-described embodiment, and thus the description thereof is omitted here. Thus, in this embodiment, since there is no additional circuit compared to the conventional sense amplifier circuit, the area of the sense amplifier circuit SA0 can be reduced as compared with the above-described embodiment. Further, since there is no additional drive signal, no additional wiring for the control signal is required, and the process cost can be reduced. That is, it is possible to realize a semiconductor memory device that achieves both a stable read operation and a reduced area of the sense amplifier.
図17は、図16に示した実施例の動作波形を示す図である。基本的な動作は、図3と同様であるので詳細な説明は省略する。図3と異なる点は、微小な信号差dVsigがデータ線対に出力された後、コモンソースドライバVSS_DRVをアサートして、コモンソース線CSNをVSSに駆動し、まずプルダウン回路NDRVを活性化する。データ線DLT0がプルアップ回路PDRVのオフセット以上まで充分に増幅された後、コモンソースドライバVDL_DRVをアサートして、コモンソース線CSPをハイレベルのVDLに駆動し、プルアップ回路PDRVを活性化する。先行して活性化したプルダウン回路NDRVによって、充分にデータ線DLT0が増幅されているので、プルアップ回路PDRVは、データ線DLB0をハイレベルのVDLまで誤動作なく増幅できる。以上が実施例4のセンスアンプ回路SA0の動作である。 FIG. 17 is a diagram showing operation waveforms of the embodiment shown in FIG. Since the basic operation is the same as that in FIG. 3, detailed description thereof is omitted. The difference from FIG. 3 is that after a minute signal difference dVsig is output to the data line pair, the common source driver VSS_DRV is asserted to drive the common source line CSN to VSS, and the pull-down circuit NDRV is first activated. After the data line DLT0 is sufficiently amplified up to the offset of the pull-up circuit PDRV, the common source driver VDL_DRV is asserted, the common source line CSP is driven to the high level VDL, and the pull-up circuit PDRV is activated. Since the data line DLT0 is sufficiently amplified by the pull-down circuit NDRV activated in advance, the pull-up circuit PDRV can amplify the data line DLB0 to the high level VDL without malfunction. The above is the operation of the sense amplifier circuit SA0 of the fourth embodiment.
なお、本実施例ではプルダウン回路NDRVを先行して活性化したが、もちろんプルアップ回路PDRVを先行して駆動しても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、前述の実施例と組み合わせることで、低電圧動作が可能になる、高集積化が可能になるといった効果が得られることも言うまでもない。このように、本実施例においても、本発案の主旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることは言うまでもない。また、実施例1から実施例4において説明したメモリセルMCは、1トランジスタ型のDRAMセルで説明したが、もちろん2トランジスタ型の所謂ツインセルでもよい。また、二つのメモリセルを利用して、その論理和をとる所謂ORセルでもよい。もちろんDRAMセルではなく、6トランジスタ型のスタティックランダムアクセスメモリでもよく、様々なメモリセルと本発案のセンスアンプ回路を組み合わせて利用することができる。 In this embodiment, the pull-down circuit NDRV is activated in advance, but it goes without saying that the same effect can be obtained even if the pull-up circuit PDRV is driven in advance. In addition, it goes without saying that, in combination with the above-described embodiments, effects such as low voltage operation and high integration can be obtained. Thus, it goes without saying that various modifications can be made in the present embodiment without departing from the gist of the present invention. The memory cell MC described in the first to fourth embodiments has been described as a one-transistor type DRAM cell, but may be a two-transistor type so-called twin cell. Also, a so-called OR cell that takes the logical sum of two memory cells may be used. Of course, instead of a DRAM cell, a 6-transistor type static random access memory may be used, and various memory cells and the sense amplifier circuit of the present invention can be used in combination.
また、オフセットを低減する手段として、トランジスタのチャネル長を長くする、チャネル幅を広くするといった具体例を説明したが、本発案はもちろんこれに限定されない。センスアンプを構成するトランジスタ基板の不純物濃度を低くして、不純物揺らぎによる閾値電圧のバラツキを抑える手段を利用してもよい。また、センスアンプ回路を構成するNMOSトランジスタやPMOSトランジスタの閾値電圧を低くして、センスアンプを構成しても良い。この場合、センスアンプ回路に印加される電圧が、実効的に大きくなるので、より高速動作が可能となる。さらに、閾値電圧を低くすると、不純物濃度が低くなるため、閾値電圧のバラツキが抑えられる。そのため、オフセットを低減できるので、プルダウン回路やプルアップ回路のトランジスタのチャネル長やチャネル幅といった、トランジスタの駆動力(定数)を必要以上に大きくしなくてもよい。すなわち、センスアンプ回路の面積を低減することができる。あるいは、前述のセンスアンプ回路を構成するトランジスタの基板電圧を、読み出し動作時に動的に変化させてもよい。この場合も、センスアンプ回路に印加される電圧差が実効的に大きくなるので、より高速動作が可能となる。 In addition, specific examples of increasing the channel length of the transistor and increasing the channel width have been described as means for reducing the offset, but the present invention is of course not limited thereto. Means may be used in which the impurity concentration of the transistor substrate constituting the sense amplifier is lowered to suppress variation in threshold voltage due to impurity fluctuation. Further, the sense amplifier may be configured by lowering the threshold voltage of the NMOS transistor or the PMOS transistor constituting the sense amplifier circuit. In this case, since the voltage applied to the sense amplifier circuit is effectively increased, higher speed operation is possible. Further, when the threshold voltage is lowered, the impurity concentration is lowered, so that variations in the threshold voltage can be suppressed. Therefore, since the offset can be reduced, the driving force (constant) of the transistor such as the channel length and channel width of the transistor of the pull-down circuit or pull-up circuit does not need to be increased more than necessary. That is, the area of the sense amplifier circuit can be reduced. Alternatively, the substrate voltage of the transistors constituting the above-described sense amplifier circuit may be dynamically changed during the read operation. Also in this case, since the voltage difference applied to the sense amplifier circuit is effectively increased, higher speed operation is possible.
なお、動的にトランジスタの基板電圧を変えるために、追加回路が必要となるが、一般的な回路変更で容易に実現できるので、ここでは図面を省略した。またこの場合、メモリセル部分とセンスアンプ部分で、異なる基板電圧を印加する必要があるが、簡単な回路変更で実現できるので、ここでは説明を省略した。以上のように、本発案のセンスアンプ回路は、低電圧動作や高速動作、高集積化といった目的に応じて、様々な変更が可能である。 In order to dynamically change the substrate voltage of the transistor, an additional circuit is required, but since it can be easily realized by a general circuit change, the drawing is omitted here. In this case, it is necessary to apply different substrate voltages to the memory cell portion and the sense amplifier portion, but since this can be realized by a simple circuit change, the description is omitted here. As described above, the sense amplifier circuit according to the present invention can be variously modified in accordance with purposes such as low voltage operation, high speed operation, and high integration.
SA0-SA2 センスアンプ回路、SHR - スイッチトランジスタ、SHRL、SHRR - スイッチトランジスタ駆動線、YSW - カラムスイッチ、YS、YS0、YS1、YS2 カラムスイッチ駆動線、LIOT、LIO0T、LIO1T、LIOB、LIO0B、LIO1B ローカルデータ線、PCH プリチャージ回路、DLEQ プリチャージ回路駆動線、VDLR プリチャージ電圧、NDRV、NDRV0、NDRV1、NDRV2 プルダウン回路、PDRV、PDRV0、PDRV1 プルアップ回路、CSN、CSN0、CSN1、CSP、CSP0、CSP1 - コモンソース線、ΦCSN0、ΦCSN1、ΦCSP コモンソース制御線、WL、WL0-WL5 サブワード線、DLT、DLT0-DLT2、DLB、DLB0-DLB1、データ線、MC メモリセル、CS0 セルキャパシタ、PLT プレート電極、TN0 - アクセストランジスタ、SAA-R、SAA-L - センスアンプアレイ、SARY、SARY0 - サブアレイ、VSS-U、VSS-D - 接地電圧、SWD - サブワードドライバ、SWDA-U、SWDA-D サブワードドライバアレイ、BANK、BANK0-BANK3 - バンク、VDL_DRV、VDL_DRV0、VDL_DRV1、VSS_DRV、VSS_DRV0、VSS_DRV1 コモンソースドライバ、CCNT セルコンタクト、FGCNT ゲートコンタクト、LCNT - 拡散層コンタクト、DLCNT - データ線コンタクト、SN - 蓄積ノード、SNCNT- 蓄積ノードコンタクト、LPAD - ランディングパッド、LN、LP、ACT 拡散層および拡散層配線層、FG - ゲート電極およびゲート配線層、M1 第一層の金属配線層、M2 第二層の金属配線層、M3 第三層の金属配線層、V1、V2 コンタクト、PW Pウェル基板、NW Nウェル基板、DNWELL ディープNウェル基板、PSUB P型基板、VBB - 基板電位、SDRAM シンクロナスダイナミックメモリ、ADDRESS BUFFER - アドレスバッファ、COLUMN ADDRESS BUFFER - カラムアドレスバッファ、COLUMN ADDRESS COUNTER - カラムアドレスカウンタ、ROW ADDRESS BUFFER - ロウアドレスバッファ、REFRESH COUNTER - リフレッシュカウンタ、BANK SELECT - バンクセレクト、MODE RESISTER - モードレジスタ、ROW DEC - ロウデコーダ、COLUMN DEC - カラムデコーダ、SENSE AMP - メインセンスアンプ、MEMORY CELL ARRAY - メモリセルアレイ、Din BUFFER - データ入力バッファ、Dout BUFFER - データ出力バッファ、DQS BUFFER - データバッファ、DLL ディレイロックドループ、CONTROL LOGIC - コントロールロジック、CLK、/CLK - クロック、CKE - クロックイネーブル信号、/CS - チップセレクト信号、/RAS - ロウアドレスストローブ信号、/CAS - カラムアドレスストローブ信号、/WE - ライトイネーブル信号、DW - データライト信号、DQS - データストローブ信号、DQ データ、 INV0、INV1 インバータ、TN1-TN4 - NMOSトランジスタ、TP1-TP3 - PMOSトランジスタ、VPP ワード線電圧、 VKK ネガティブワード線電圧、 VDL データ線電圧、 VSS 接地電圧、MWL メインワード線、 FX、FXB サブワード線制御信号、NSWD - ネガティブサブワードドライバ。 SA0-SA2 Sense amplifier circuit, SHR-Switch transistor, SHRL, SHRR-Switch transistor drive line, YSW-Column switch, YS, YS0, YS1, YS2 Column switch drive line, LIOT, LIO0T, LIO1T, LIOB, LIO0B, LIO1B Local Data line, PCH precharge circuit, DLEQ precharge circuit drive line, VDLR precharge voltage, NDRV, NDRV0, NDRV1, NDRV2 pull-down circuit, PDRV, PDRV0, PDRV1 pull-up circuit, CSN, CSN0, CSN1, CSP, CSP0, CSP1 -Common source line, ΦCSN0, ΦCSN1, ΦCSP Common source control line, WL, WL0-WL5 sub word line, DLT, DLT0-DLT2, DLB, DLB0-DLB1, data line, MC memory cell, CS0 cell capacitor, PLT plate electrode, TN0-Access transistor, SAA-R, SAA-L-Sense amplifier array, SARY, SARY0-Subarray, VSS-U, VSS-D-Ground voltage, SWD-Subword driver, SWDA-U, SWDA-D Subword driver Eva array, BANK, BANK0-BANK3-Bank, VDL_DRV, VDL_DRV0, VDL_DRV1, VSS_DRV, VSS_DRV0, VSS_DRV1 Common source driver, CCNT cell contact, FGCNT gate contact, LCNT-Diffusion layer contact, DLCNT-Data line contact, SN-Storage node, SNCNT- Storage node contact, LPAD-Landing pad, LN, LP, ACT Diffusion layer and diffusion layer wiring layer, FG-Gate electrode and gate wiring layer, M1 First layer metal wiring layer, M2 Second layer metal wiring layer , M3 3rd layer metal wiring layer, V1, V2 contact, PW P well substrate, NW N well substrate, DNWELL deep N well substrate, PSUB P type substrate, VBB-substrate potential, SDRAM synchronous dynamic memory, ADDRESS BUFFER- Address buffer, COLUMN ADDRESS BUFFER-Column address buffer, COLUMN ADDRESS COUNTER-Column address counter, ROW ADDRESS BUFFER-Row address Buffer, REFRESH COUNTER-Refresh counter, BANK SELECT-Bank select, MODE RESISTER-Mode register, ROW DEC-Row decoder, COLUMN DEC-Column decoder, SENSE AMP-Main sense amplifier, MEMORY CELL ARRAY-Memory cell array, Din BUFFER-Data Input buffer, Dout BUFFER-Data output buffer, DQS BUFFER-Data buffer, DLL delay locked loop, CONTROL LOGIC-Control logic, CLK, / CLK-Clock, CKE-Clock enable signal, / CS-Chip select signal, / RAS- Row address strobe signal, / CAS-column address strobe signal, / WE-write enable signal, DW-data write signal, DQS-data strobe signal, DQ data, INV0, INV1 inverter, TN1-TN4-NMOS transistor, TP1-TP3 -PMOS transistor, VPP word line voltage, VKK negative word Line voltage, VDL data line voltage, VSS ground voltage, MWL main word line, FX, FXB sub word line control signal, NSWD-Negative sub word driver.
Claims (9)
複数のデータ線と、
その交点に配置される複数のメモリセルを具備するメモリアレーと、
第1ソース線と、
第2ソース線と、
第3ソース線と、
前記複数のデータ線と接続された複数のセンスアンプ回路とを有し、
前記複数のセンスアンプ回路は、一方のゲートと他方のドレインが互いに接続されソースが前記第1ソース線に接続された第1導電型の第1MISFET対と、一方のゲートと他方のドレインが互いに接続されソースが前記第2ソース線に接続された前記第1導電型の第2MISFET対と、一方のゲートと他方のドレインが互いに接続されソースが前記第3ソース線に接続された第2導電型の第3MISFET対と、を各々具備し、
前記第1MISFET対を構成するトランジスタの閾値電圧は、前記第2MISFET対を構成するトランジスタの閾値電圧よりも低く、
前記第1ソース線及び前記第2ソース線は、第1電圧から第2電圧に変化し、
前記第3ソース線は、前記第1電圧から前記第2電圧とは異なる第3電圧に変化する半導体装置。 Multiple word lines,
Multiple data lines,
A memory array comprising a plurality of memory cells disposed at the intersection;
A first source line;
A second source line;
A third source line;
A plurality of sense amplifier circuits connected to the plurality of data lines;
The plurality of sense amplifier circuits include a first conductivity type first MISFET pair in which one gate and the other drain are connected to each other and a source is connected to the first source line, and one gate and the other drain are connected to each other. The second conductivity type second MISFET pair whose source is connected to the second source line, one gate and the other drain are connected to each other, and the source is connected to the third source line. A third MISFET pair,
The threshold voltage of the transistors constituting the first MISFET pair is lower than the threshold voltage of the transistors constituting the second MISFET pair,
The first source line and the second source line change from a first voltage to a second voltage,
The semiconductor device in which the third source line changes from the first voltage to a third voltage different from the second voltage.
前記第1導電型はN型であり、
前記第2電圧は、前記第1電圧より低く、
前記第3電圧は、前記第1電圧より高い半導体装置。 In claim 1,
The first conductivity type is N-type;
The second voltage is lower than the first voltage;
The semiconductor device in which the third voltage is higher than the first voltage.
前記第1ソース線は、前記第2ソース線より先に駆動される半導体装置。 In claim 1,
The semiconductor device in which the first source line is driven before the second source line.
前記第2ソース線と前記第3ソース線は同じ信号に応じて、それぞれ前記第1電圧から前記第2電圧、前記第1電圧から前記第3電圧に変化する半導体装置。 In claim 3,
The semiconductor device in which the second source line and the third source line change from the first voltage to the second voltage and from the first voltage to the third voltage, respectively, according to the same signal.
前記第1ソース線を前記第1電圧から前記第2電圧に変化させる第1駆動回路と、
前記第2ソース線を前記第1電圧から前記第2電圧に変化させる第2駆動回路と、をさらに有し、
前記第2駆動回路内のMISFETのオフセットは、前記第1駆動回路内のMISFETのオフセットより小さい半導体装置。 In claim 1,
A first drive circuit for changing the first source line from the first voltage to the second voltage;
A second drive circuit that changes the second source line from the first voltage to the second voltage;
The semiconductor device in which the offset of the MISFET in the second drive circuit is smaller than the offset of the MISFET in the first drive circuit.
前記第1MISFET対は、ゲートの形状がリング状のトランジスタで構成され、
前記第2MISFET対は、ゲートの形状が矩形のトランジスタで構成される半導体装置。 In claim 3,
The first MISFET pair is composed of a ring-shaped transistor with a gate shape,
The second MISFET pair is a semiconductor device configured with a transistor having a rectangular gate shape.
前記複数のセンスアンプ回路は、メモリアレーの対抗する2辺に沿って配置され、その一方に配置された複数の前記第1MISFET対のソースは、前記第1ソース線に共通接続されている半導体装置。 In claim 3,
The plurality of sense amplifier circuits are arranged along two opposing sides of the memory array, and the sources of the plurality of first MISFET pairs arranged on one side thereof are commonly connected to the first source line .
前記複数のワード線のうち非選択状態のワード線には、前記第2電圧よりも低い電圧が供給される半導体装置。 In claim 2,
A semiconductor device in which a voltage lower than the second voltage is supplied to an unselected word line among the plurality of word lines.
前記複数のメモリセルは、MISFETとキャパシタをそれぞれ具備し、
前記複数のメモリセル内のMISFETの拡散層は、前記第1MISFET対及び前記第2MISFET対の拡散層と同じウエルに形成されている半導体装置。 In claim 1,
The plurality of memory cells each include a MISFET and a capacitor,
The semiconductor device in which the diffusion layer of the MISFET in the plurality of memory cells is formed in the same well as the diffusion layer of the first MISFET pair and the second MISFET pair.
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