JP2019079589A - Semiconductor storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device.
近年、多くのアプリケーションに搭載されるシステムオンチップ(SoC)に不揮発性メモリが用いられている。特に、アクティブ率の低いアプリケーション(センサネットワークや生体モニタリングなど)では、バッテリの容量やシステムモジュールのサイズを削減するために、スタンバイ時の消費電力に厳しい制約がある。 BACKGROUND In recent years, non-volatile memory is used in a system on chip (SoC) mounted in many applications. In particular, in applications with low active rates (such as sensor networks and biological monitoring), there are severe restrictions on power consumption at standby in order to reduce battery capacity and system module size.
仮に、上記したアプリケーションのデータバッファとして揮発性メモリ(例えばSRAM[static random access memory])を用いると、そのリーク電流がシステムの総消費電力に大きな影響を及ぼすおそれがある。一方、データバッファとして不揮発性メモリを用いれば、電力供給を受けずにデータを不揮発的に保持することができるので、スタンバイ時の省電力化に大きく貢献することができる。このことから、アクティブ率の低いアプリケーションのデータバッファとしては、不揮発性メモリが非常に好適であると言える。 If a volatile memory (for example, a static random access memory (SRAM)) is used as a data buffer for the above-described application, the leak current may significantly affect the total power consumption of the system. On the other hand, if a non-volatile memory is used as the data buffer, data can be held in a non-volatile manner without receiving power supply, which can greatly contribute to power saving during standby. From this, it can be said that non-volatile memory is very suitable as a data buffer for applications with low activity rate.
不揮発性メモリとしては、強誘電体キャパシタを利用するFeRAM[ferroelectric random access memory])が実用化されている(例えば非接触ICカード)。ただし、FeRAMには、アクティブ時の駆動速度や消費電力、並びに、その耐久性に課題がある。 As a non-volatile memory, FeRAM [ferroelectric random access memory] using a ferroelectric capacitor is put to practical use (for example, contactless IC card). However, the FeRAM has problems in the driving speed and power consumption at the active time, and the durability thereof.
なお、従来より、FeRAMの課題を解消すべく、6T構造のSRAMと強誘電体キャパシタとを組み合わせた6T−4C構造(または6T−2C構造)のシャドウメモリ(以下では強誘電体シャドウメモリと呼ぶ)が提案されている。 Conventionally, a shadow memory of 6T-4C structure (or 6T-2C structure) (hereinafter referred to as a ferroelectric shadow memory) in which an SRAM of 6T structure and a ferroelectric capacitor are combined to solve the problem of FeRAM ) Has been proposed.
強誘電体シャドウメモリは、アクティブ時(データのリード/ライト動作時)には6T構造のSRAMとして動作し、スタンバイ時には強誘電体キャパシタにデータをストアして不揮発化する。従って、強誘電体シャドウメモリであれば、アクティブ時の高速動作とスタンバイ時の省電力化(リーク電流削減)を両立することができる。 The ferroelectric shadow memory operates as a 6T SRAM when active (data read / write operation), and stores data in a ferroelectric capacitor to make it non-volatile during standby. Therefore, in the case of the ferroelectric shadow memory, it is possible to achieve both high speed operation at the active time and power saving (leakage current reduction) at the standby time.
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、非特許文献1や非特許文献2を挙げることができる。 Note that Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 can be given as an example of the prior art related to the above.
しかしながら、強誘電体シャドウメモリは、6T構造のSRAMと比べると、(1)アクティブ時の消費電力が大きい、(2)アクティブ時の動作速度が遅い、(3)製造ばらつき等による強誘電体キャパシタの不良診断が難しい、という課題があった。 However, the ferroelectric shadow memory has (1) large power consumption at the time of active, (2) slow operation speed at the time of active, (3) ferroelectric capacitor due to manufacturing variation, etc., compared to 6T structure SRAM. The problem was that it was difficult to diagnose
本発明は、本願の発明者らにより見出された上記の問題点に鑑み、アクティブ時の省電力化、アクティブ時の高速化、ないしは、歩留まりの向上を実現することのできる半導体記憶装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems found by the inventors of the present invention, the present invention provides a semiconductor memory device capable of realizing power saving at the active time, speeding up at the active time, or improvement of yield. The purpose is to
本明細書中に開示されている半導体記憶装置は、複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルに共通接続されるワード線と、前記複数のメモリセルに各々接続される複数のビット線及び反転ビット線と、前記複数のメモリセルに対するアクセス制御を行うメモリコントローラと、を有し、前記複数のメモリセルは、それぞれ、第1ノードと第2ノードとの間に接続されたインバータループと、前記第1ノードと前記ビット線との間に接続されており前記ワード線の印加電圧に応じてオン/オフされる第1アクセストランジスタと、前記第2ノードと前記反転ビット線との間に接続されており前記ワード線の印加電圧に応じてオン/オフされる第2アクセストランジスタと、前記第1ノードに接続されており前記ビット線の寄生キャパシタよりも大容量の第1ノードキャパシタと、前記第2ノードに接続されており前記反転ビット線の寄生キャパシタよりも大容量の第2ノードキャパシタを含み、前記メモリコントローラは、リード/ライト対象のメモリセルにアクセスする際、リード/ライト対象外のメモリセルに接続されているビット線及び反転ビット線のプリチャージを行うことなく前記ワード線を駆動して前記第1アクセストランジスタ及び前記第2アクセストランジスタをオンさせる構成(第1の構成)とされている。 The semiconductor memory device disclosed in the present specification includes a plurality of memory cells, a word line commonly connected to the plurality of memory cells, and a plurality of bit lines and inversions respectively connected to the plurality of memory cells. A memory controller for performing access control to the plurality of memory cells, the plurality of memory cells each including an inverter loop connected between a first node and a second node; Connected between a first access transistor connected between a first node and the bit line and turned on / off according to the voltage applied to the word line, and connected between the second node and the inverted bit line A second access transistor that is turned on / off according to the voltage applied to the word line, and a parasitic capacitor connected to the first node and connected to the first node The memory controller includes a large first node capacitor and a second node capacitor connected to the second node and having a larger capacity than the parasitic capacitor of the inversion bit line, and the memory controller is configured to read / write memory cells. At the time of access, the word line is driven to precharge the first access transistor and the second access transistor without precharging the bit line and the inverted bit line connected to the memory cell other than the read / write target. It is set as the configuration (first configuration).
なお、第1の構成から成る半導体記憶装置は、一対のビット線と反転ビット線との間に各々接続された複数のトランスミッションゲートをさらに有し、前記メモリコントローラは、リード/ライト対象のメモリセルにアクセスする際、リード/ライト対象外のメモリセルに接続されているビット線と反転ビット線との間のトランスミッションゲートをオンさせる構成(第2の構成)にするとよい。 The semiconductor memory device having the first configuration further includes a plurality of transmission gates respectively connected between the pair of bit lines and the inverted bit line, and the memory controller is a memory cell to be read / written. It is preferable that the transmission gate between the bit line connected to the memory cell other than the read / write target and the inverted bit line be turned on (second structure) when accessing.
また、第1または第2の構成から成る半導体記憶装置において、前記第1ノードキャパシタ及び前記第2ノードキャパシタは、それぞれ、プレート線と前記第1ノード及び前記第2ノードとの間に各々接続された強誘電体キャパシタであり、前記メモリコントローラは、前記メモリセルのデータをストア/リコールする際、前記プレート線をパルス駆動させる構成(第3の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the first or second configuration, the first node capacitor and the second node capacitor are respectively connected between a plate line and the first node and the second node. The memory controller may be configured (the third configuration) to pulse-drive the plate line when storing / recalling data of the memory cell.
また、本明細書中に開示されている半導体記憶装置は、複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルに各々接続される複数のプレート線と、前記複数のプレート線を各々駆動するプレート線ドライバと、前記複数のメモリセルに対するアクセス制御を行うメモリコントローラと、を有し、前記複数のメモリセルは、それぞれ、第1ノードと第2ノードとの間に接続されたインバータループと、前記第1ノードとビット線との間に接続された第1アクセストランジスタと、前記第2ノードと反転ビット線との間に接続された第2アクセストランジスタと、前記第1ノードと前記プレート線との間に接続された第1強誘電体キャパシタと、前記第2ノードと前記プレート線との間に接続された第2強誘電体キャパシタと、を含み、前記メモリコントローラは、前記メモリセルのデータをストア/リコールする際、前記プレート線ドライバを用いて前記複数のプレート線を逐次的にパルス駆動させるものであり、かつ、前記プレート線ドライバを用いて未チャージのプレート線をパルス駆動させる前に既チャージのプレート線と未チャージのプレート線との間でチャージシェアを実施させる構成(第4の構成)とされている。 In the semiconductor memory device disclosed in the present specification, a plurality of memory cells, a plurality of plate lines connected to the plurality of memory cells, and a plate line driver for driving the plurality of plate lines, respectively. And a memory controller for controlling access to the plurality of memory cells, the plurality of memory cells each including an inverter loop connected between a first node and a second node; Between a first access transistor connected between the node and the bit line, a second access transistor connected between the second node and the inverted bit line, and between the first node and the plate line And a second ferroelectric capacitor connected between the second node and the plate line. The roller is used to pulse drive the plurality of plate lines sequentially using the plate line driver when storing / recalling data of the memory cells, and is not charged using the plate line driver. A configuration is adopted (fourth configuration) in which charge sharing is performed between the already charged plate line and the uncharged plate line before pulse drive of the plate line.
なお、第4の構成から成る半導体記憶装置は、隣接するプレート線間に接続された複数のトランスミッションゲートをさらに有し、前記メモリコントローラは、前記プレート線ドライバを用いて未チャージのプレート線をパルス駆動させる前に既チャージのプレート線と未チャージのプレート線との間のトランスミッションゲートをオンさせる構成(第5の構成)にするとよい。 The semiconductor memory device having the fourth configuration further includes a plurality of transmission gates connected between adjacent plate lines, and the memory controller pulses the uncharged plate lines using the plate line driver. The transmission gate between the already charged plate line and the uncharged plate line may be turned on (fifth configuration) before driving.
また、本明細書中に開示されているワード線ドライバは、ワード線イネーブル信号に応じてメモリセルのワード線を駆動する出力段と、ブーストイネーブル信号に応じて強誘電体キャパシタのカップリング制御を行うことにより前記ワード線の印加電圧を前記出力段の電源電圧よりも引き上げるブースト段と、を有する構成(第6の構成)とされている。 In addition, the word line driver disclosed in the present specification controls the coupling control of the ferroelectric capacitor in response to the output stage driving the word line of the memory cell in response to the word line enable signal and the boost enable signal. And a boost stage that raises the voltage applied to the word line more than the power supply voltage of the output stage.
なお、第6の構成から成るワード線ドライバにおいて、前記出力段は、入力端が前記ワード線イネーブル信号の印加端に接続されたインバータと、ソースが電源端に接続されてゲートが前記インバータの出力端に接続されたPチャネル型の第1トランジスタと、ドレインが前記ワード線に接続されてソースが接地端に接続されてゲートが前記インバータの出力端に接続されたNチャネル型の第2トランジスタと、を含み、前記ブースト段は、ソースが前記第1トランジスタのドレインに接続されてドレインが前記ワード線に接続されてゲートが前記ブーストイネーブル信号の印加端に接続されたPチャネル型の第3トランジスタと、前記ブーストイネーブル信号の印加端と前記ワード線との間に接続された強誘電体キャパシタと、を含む構成(第7の構成)にするとよい。 In the word line driver having the sixth configuration, the output stage has an inverter whose input end is connected to the application end of the word line enable signal, a source is connected to a power supply end, and a gate is an output of the inverter A P-channel type first transistor connected to an end, and an N-channel type second transistor having a drain connected to the word line, a source connected to the ground end, and a gate connected to the output end of the inverter , And the boost stage is a P-channel third transistor having a source connected to the drain of the first transistor, a drain connected to the word line, and a gate connected to the application end of the boost enable signal. And a ferroelectric capacitor connected between the application terminal of the boost enable signal and the word line. Better to seventh configuration).
また、本明細書中に開示されている半導体記憶装置は、メモリセルと、前記メモリセルに対するアクセス制御を行うメモリコントローラと、前記メモリセルのワード線を駆動する第6または第7の構成から成るワード線ドライバとを有する構成(第8の構成)とされている。 In addition, the semiconductor memory device disclosed in the present specification comprises a memory cell, a memory controller for controlling access to the memory cell, and a sixth or seventh configuration for driving a word line of the memory cell. A configuration (eighth configuration) having a word line driver is adopted.
なお、第8の構成から成る半導体記憶装置は、前記ワード線イネーブル信号を所定の遅延時間だけ遅らせて前記ブーストイネーブル信号を生成する遅延段を有する構成(第9の構成)にするとよい。 The semiconductor memory device having the eighth configuration may have a configuration (ninth configuration) including a delay stage that delays the word line enable signal by a predetermined delay time to generate the boost enable signal.
また、第9の構成から成る半導体記憶装置において、前記遅延段は、インバータチェインを含む構成(第10の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the ninth configuration, the delay stage may have a configuration including an inverter chain (10th configuration).
なお、第8〜第10いずれかの構成から成る半導体記憶装置において、前記メモリセルは、第1ノードと第2ノードとの間に接続されたインバータループと、前記第1ノードとビット線との間に接続されており前記ワード線の印加電圧に応じてオン/オフされる第1アクセストランジスタと、前記第2ノードと反転ビット線との間に接続されており前記ワード線の印加電圧に応じてオン/オフされる第2アクセストランジスタと、前記第1ノードに接続されており前記ビット線の寄生キャパシタよりも大容量の第1ノードキャパシタと、前記第2ノードに接続されており前記反転ビット線の寄生キャパシタよりも大容量の第2ノードキャパシタと、を含む構成(第11の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having any one of the eighth to tenth configurations, the memory cell includes an inverter loop connected between a first node and a second node, and the first node and the bit line. Is connected between the first access transistor connected between and turned on / off according to the voltage applied to the word line, and connected between the second node and the inverted bit line according to the voltage applied to the word line A second access transistor to be turned on / off, a first node capacitor connected to the first node and having a capacitance larger than that of the parasitic capacitor of the bit line, and the second node connected to the second node An eleventh configuration may include a second node capacitor having a larger capacity than a parasitic capacitor of a line.
また、第11の構成から成る半導体記憶装置において、前記第1ノードキャパシタ及び前記第2ノードキャパシタは、それぞれ、プレート線と前記第1ノード及び前記第2ノードとの間に各々接続された強誘電体キャパシタであり、前記メモリコントローラは、前記メモリセルのデータをストア/リコールする際、前記プレート線をパルス駆動させる構成(第12の構成)にするとよい。 Further, in the semiconductor memory device having an eleventh configuration, the first node capacitor and the second node capacitor are respectively connected between a plate line and the first node and the second node. The memory controller may be configured (12th configuration) to pulse-drive the plate line when storing / recalling data of the memory cell.
また、本明細書中に開示されているプレート線ドライバは、第1プレート線イネーブル信号に応じて第2プレート線イネーブル信号を生成する第1出力段と、前記第2プレート線イネーブル信号に応じてメモリセルのプレート線を駆動する第2出力段と、ブーストイネーブル信号に応じて強誘電体キャパシタのカップリング制御を行うことにより前記第2プレート線イネーブル信号を負電圧まで引き下げて前記第2出力段の駆動能力を増強するブースト段と、を有する構成(第13の構成)とされている。 Further, the plate line driver disclosed in the present specification generates a second plate line enable signal in response to the first plate line enable signal, and the first output stage in response to the second plate line enable signal. A second output stage driving a plate line of a memory cell and coupling control of a ferroelectric capacitor according to a boost enable signal pulls down the second plate line enable signal to a negative voltage to perform the second output stage And a boost stage that enhances the driving capability of the drive circuit (13th configuration).
なお、第13の構成から成るプレート線ドライバにおいて、前記第1出力段は、ソースが電源端に接続されてゲートが前記第1プレート線イネーブル信号の印加端に接続されてドレインが前記第2プレート線イネーブル信号の印加端に接続されたPチャネル型の第1トランジスタと、ソースが接地端に接続されてゲートが前記第1プレート線イネーブル信号の印加端に接続されたNチャネル型の第2トランジスタとを含み、前記第2出力段は、ソースが電源端に接続されてドレインが前記プレート線に接続されてゲートが前記第2プレート線イネーブル信号の印加端に接続されたPチャネル型の第3トランジスタと、ドレインが前記プレート線に接続されてソースが接地端に接続されてゲートが前記第2プレート線イネーブル信号の印加端に接続されたNチャネル型の第4トランジスタと、を含み、前記ブースト段は、入力端が前記ブーストイネーブル信号の印加端に接続されたインバータと、ドレインが前記第2プレート線イネーブル信号の印加端に接続されてソースが前記第2トランジスタのドレインに接続されてゲートが前記インバータの出力端に接続されたNチャネル型の第5トランジスタと、前記インバータの出力端と前記第2プレート線イネーブル信号の印加端との間に接続された強誘電体キャパシタと、を含む構成(第14の構成)にするとよい。 In the plate line driver having the thirteenth configuration, in the first output stage, the source is connected to the power supply end, the gate is connected to the application end of the first plate line enable signal, and the drain is the second plate A P-channel type first transistor connected to a line enable signal application end, and an N-channel type second transistor having a source connected to the ground end and a gate connected to the first plate line enable signal application end The second output stage has a source connected to the power supply end, a drain connected to the plate line, and a gate connected to the application end of the second plate line enable signal, and a third output stage The transistor and the drain are connected to the plate line, the source is connected to the ground end, and the gate is connected to the application end of the second plate line enable signal. The boost stage includes an inverter having an input end connected to the application end of the boost enable signal, and a drain connected to the application end of the second plate line enable signal. An N-channel fifth transistor connected with the source connected to the drain of the second transistor and the gate connected to the output end of the inverter, and the application of the output end of the inverter and the second plate line enable signal A ferroelectric capacitor connected between the end and the end may be configured (fourteenth configuration).
また、本明細書中に開示されている半導体記憶装置は、メモリセルと、前記メモリセルに対するアクセス制御を行うメモリコントローラと、前記メモリセルのプレート線を駆動する第13または第14の構成から成るプレート線ドライバと、を有する構成(第15の構成)とされている。 The semiconductor memory device disclosed in the present specification comprises a memory cell, a memory controller for controlling access to the memory cell, and a thirteenth or fourteenth structure for driving a plate line of the memory cell. And a plate line driver (fifteenth configuration).
なお、第15の構成から成る半導体記憶装置において、前記メモリセルは、第1ノードと第2ノードとの間に接続されたインバータループと、前記第1ノードとビット線との間に接続された第1アクセストランジスタと、前記第2ノードと反転ビット線との間に接続された第2アクセストランジスタと、前記第1ノードと前記プレート線との間に接続された第1強誘電体キャパシタと、前記第2ノードと前記プレート線との間に接続された第2強誘電体キャパシタと、を含み、前記メモリコントローラは、前記メモリセルのデータをストア/リコールする際、前記プレート線をパルス駆動させる構成(第16の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the fifteenth configuration, the memory cell is connected between an inverter loop connected between a first node and a second node, and between the first node and a bit line. A first access transistor, a second access transistor connected between the second node and the inversion bit line, and a first ferroelectric capacitor connected between the first node and the plate line. And a second ferroelectric capacitor connected between the second node and the plate line, wherein the memory controller pulse-drives the plate line when storing / recalling data of the memory cell. The configuration (sixteenth configuration) is preferable.
また、本明細書中に開示されている半導体記憶装置は、第1ノードと第2ノードとの間に接続されたインバータループと、前記第1ノードとビット線との間に接続された第1アクセストランジスタと、前記第2ノードと反転ビット線との間に接続された第2アクセストランジスタと、前記第1ノードとプレート線との間に接続された第1強誘電体キャパシタと、前記第2ノードと前記プレート線との間に接続された第2強誘電体キャパシタと、前記ビット線及び前記反転ビット線にそれぞれ任意のアナログ電圧を印加するための外部端子と、を有する構成(第17の構成)とされている。 In the semiconductor memory device disclosed in the present specification, an inverter loop connected between a first node and a second node, and a first connected between the first node and a bit line An access transistor, a second access transistor connected between the second node and the inversion bit line, a first ferroelectric capacitor connected between the first node and the plate line, the second A second ferroelectric capacitor connected between a node and the plate line, and an external terminal for applying an arbitrary analog voltage to the bit line and the inverted bit line, respectively Configuration).
なお、第17の構成から成る半導体記憶装置は、前記第1アクセストランジスタのゲートに接続される第1ワード線と、前記第2アクセストランジスタのゲートに接続される第2ワード線と、を別個独立に有する構成(第18の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the seventeenth configuration, the first word line connected to the gate of the first access transistor and the second word line connected to the gate of the second access transistor are separately independent. It is preferable that the configuration (the eighteenth configuration) is included in
また、本明細書中に開示されている半導体記憶装置の試験方法は、第17または第18の構成から成る半導体記憶装置を対象とするものであって、前記外部端子から前記ビット線または前記反転ビット線の一方に任意のリファレンス電圧を印加するステップと、前記インバータループをディセーブルにした状態で前記プレート線をパルス駆動するステップと、前記第1アクセストランジスタ及び前記第2アクセストランジスタの両方または前記リファレンス電圧が印加されていない一方のみをオンさせるステップと、前記ビット線と前記反転ビット線との間で各々の電圧を比較するステップと、を有する構成(第19の構成)とされている。 The semiconductor memory device testing method disclosed in the present specification is directed to a semiconductor memory device having a seventeenth or eighteenth configuration, wherein the external terminal is connected to the bit line or the inversion. Applying any reference voltage to one of the bit lines, pulsating the plate line with the inverter loop disabled, both the first access transistor and the second access transistor, or A configuration (19th configuration) includes a step of turning on only one side to which a reference voltage is not applied and a step of comparing each voltage between the bit line and the inversion bit line.
また、本明細書中に開示されている半導体記憶装置の試験方法は、第17または第18の構成から成る半導体記憶装置を対象とするものであって、前記外部端子から前記ビット線または前記反転ビット線の一方に任意のオフセット電圧を印加するステップと、前記第1アクセストランジスタ及び前記第2アクセストランジスタをオンさせるステップと、前記インバータループをディセーブルにした状態で前記プレート線をパルス駆動するステップと、前記インバータループをイネーブルにするステップと、前記ビット線と前記反転ビット線との間で各々の電圧を比較するステップと、を有する構成(第20の構成)とされている。 The semiconductor memory device testing method disclosed in the present specification is directed to a semiconductor memory device having a seventeenth or eighteenth configuration, wherein the external terminal is connected to the bit line or the inversion. Applying any offset voltage to one of the bit lines, turning on the first access transistor and the second access transistor, and pulsing the plate line with the inverter loop disabled And (20th configuration), comprising the steps of: enabling the inverter loop; and comparing respective voltages between the bit line and the inversion bit line.
本明細書中に開示されている半導体記憶装置によれば、アクティブ時の省電力化、アクティブ時の高速化、ないしは、歩留まりの向上を実現することが可能となる。 According to the semiconductor memory device disclosed in the present specification, it is possible to realize power saving at the active time, speeding up at the active time, or improvement of the yield.
<半導体記憶装置>
図1は、半導体記憶装置の全体構成を示すブロック図である。本構成例の半導体記憶装置100は、メモリブロック1とメモリコントローラ2を有する。
<Semiconductor storage device>
FIG. 1 is a block diagram showing an entire configuration of a semiconductor memory device. The semiconductor memory device 100 of this configuration example has a memory block 1 and a memory controller 2.
メモリブロック1は、データを記憶するための回路ブロックであり、メモリセルアレイ10と、ワード線ドライバ20と、Xデコーダ30と、プレート線ドライバ40と、Yデコーダ兼コラムセレクタ50と、ライト回路60と、リード回路70とを含む。メモリコントローラ2は、メモリブロック1(延いては複数のメモリセル11)に対するアクセス制御を行う回路ブロックであり、例えば、CPU[central processing unit]などを好適に用いることができる。 Memory block 1 is a circuit block for storing data, and includes memory cell array 10, word line driver 20, X decoder 30, plate line driver 40, Y decoder and column selector 50, and write circuit 60. , And the read circuit 70. The memory controller 2 is a circuit block that performs access control to the memory block 1 (and the plurality of memory cells 11), and, for example, a CPU (central processing unit) can be suitably used.
メモリセルアレイ10は、マトリクス状に配列された複数のメモリセル11を含む。メモリセル11としては、6T−4C構造や6T−2C構造の強誘電体シャドウメモリが用いられる。メモリセル11には、リード/ライト動作時におけるアクセス制御用のワード線WL、リード/ライト動作時におけるデータ入出力用のビット線BL及び反転ビット線XBL、並びに、ストア/リコール時における強誘電体キャパシタ駆動用の第1プレート線PL1及び第2プレート線PL2などが接続されている。メモリセル11の構成及び動作については、後ほど詳細に説明する。 Memory cell array 10 includes a plurality of memory cells 11 arranged in a matrix. As the memory cell 11, a ferroelectric shadow memory having a 6T-4C structure or a 6T-2C structure is used. Memory cell 11 includes word line WL for access control at the time of read / write operation, bit line BL and inverted bit line XBL for data input / output at the time of read / write operation, and ferroelectrics at the time of store / recall The first plate line PL1 and the second plate line PL2 for driving the capacitor are connected. The configuration and operation of the memory cell 11 will be described in detail later.
ワード線ドライバ20は、Xデコーダ30からの指示に応じて、リード/ライト対象のメモリセル11に接続されたワード線WLを駆動する。 The word line driver 20 drives the word line WL connected to the memory cell 11 to be read / written in response to an instruction from the X decoder 30.
Xデコーダ30は、メモリコントローラ2からの指示に応じて、ワード線ドライバ20を駆動する。 The X decoder 30 drives the word line driver 20 in response to an instruction from the memory controller 2.
プレート線ドライバ40は、Yデコーダ兼コラムセレクタ50からの指示に応じて、ストア/リコール対象のメモリセル11に接続されたプレート線PL1及びPL2を各々駆動する。 The plate line driver 40 drives the plate lines PL1 and PL2 connected to the memory cell 11 to be stored / recalled, in response to an instruction from the Y decoder and column selector 50.
Yデコーダ兼コラムセレクタ50は、メモリコントローラ2からの指示に応じて、プレート線ドライバ40を駆動する。また、Yデコーダ兼コラムセレクタ50は、メモリコントローラ2からの指示に応じて、リード/ライト対象のメモリセル11に接続されたビット線BL及び反転ビット線XBLとライト回路60またはリード回路70との間を選択的に導通させる。 The Y decoder and column selector 50 drives the plate line driver 40 in response to an instruction from the memory controller 2. In addition, Y decoder and column selector 50 responds to an instruction from memory controller 2 to connect bit line BL and inverted bit line XBL connected to memory cell 11 to be read / written and write circuit 60 or read circuit 70. Selectively conduct between them.
ライト回路60は、メモリセル11に書き込むべきデータに応じて、ビット線BL及び反転ビット線XBLを駆動する。 Write circuit 60 drives bit line BL and inverted bit line XBL in accordance with data to be written to memory cell 11.
リード回路70は、ビット線BLと反転ビット線XBLとの間で各々の電圧を比較(差分増幅)することによりメモリセル11からデータを読み出すセンスアンプを含む。 Read circuit 70 includes a sense amplifier for reading data from memory cell 11 by comparing (differential amplifying) each voltage between bit line BL and inverted bit line XBL.
<メモリセル>
図2はメモリセル11の一構成例を示す回路図である。本構成例のメモリセル11は、6T−4C構造の強誘電体メモリであり、Nチャネル型の駆動トランジスタM2及びM4と、Pチャネル型の負荷トランジスタM1及びM3と、Nチャネル型のアクセストランジスタM5及びM6と、強誘電体キャパシタFC1〜FC4と、を含む。以下では、説明の便宜上、駆動トランジスタM2及びM4、負荷トランジスタM1及びM3、並びに、アクセストランジスタM5及びM6をそれぞれトランジスタM1〜M6と略称する。
<Memory cell>
FIG. 2 is a circuit diagram showing one configuration example of the memory cell 11. The memory cell 11 of this configuration example is a ferroelectric memory having a 6T-4C structure, and includes N-channel drive transistors M2 and M4, P-channel load transistors M1 and M3, and an N-channel access transistor M5. And M6, and ferroelectric capacitors FC1 to FC4. Hereinafter, for convenience of explanation, the drive transistors M2 and M4, the load transistors M1 and M3, and the access transistors M5 and M6 are abbreviated as transistors M1 to M6, respectively.
トランジスタM1及びM3のソースは、いずれも電源端に接続されている。トランジスタM1及びM2のドレインとトランジスタM3及びM4のゲートは、いずれも内部ノードNode1に接続されている。トランジスタM3及びM4のドレインとトランジスタM1及びM2のゲートは、いずれも内部ノードNode2に接続されている。トランジスタM2及びM4のソースは、いずれも接地端に接続されている。 The sources of the transistors M1 and M3 are both connected to the power supply terminal. The drains of the transistors M1 and M2 and the gates of the transistors M3 and M4 are both connected to the internal node Node1. The drains of the transistors M3 and M4 and the gates of the transistors M1 and M2 are both connected to the internal node Node2. The sources of the transistors M2 and M4 are both connected to the ground terminal.
なお、トランジスタM1及びM2は、入力端が内部ノードNode2に接続されて出力端が内部ノードNode1に接続されたインバータを形成している。また、トランジスタM3及びM4は、入力端が内部ノードNode1に接続されて出力端が内部ノードNode2に接続されたインバータを形成している。すなわち、トランジスタM1〜M4は、内部ノードNode1と内部ノードNode2との間に接続されたインバータループとして機能する。 The transistors M1 and M2 form an inverter whose input end is connected to the internal node Node2 and whose output end is connected to the internal node Node1. The transistors M3 and M4 form an inverter whose input end is connected to the internal node Node1 and whose output end is connected to the internal node Node2. That is, transistors M1 to M4 function as an inverter loop connected between internal node Node1 and internal node Node2.
トランジスタM5は、内部ノードNode1とビット線BLとの間に接続されており、ゲートに接続されたワード線WLの印加電圧に応じてオン/オフされる。一方、トランジスタM6は、内部ノードNode2と反転ビット線XBLとの間に接続されており、ゲートに接続されたワード線WLの印加電圧に応じてオン/オフされる。 The transistor M5 is connected between the internal node Node1 and the bit line BL, and is turned on / off according to the voltage applied to the word line WL connected to the gate. On the other hand, the transistor M6 is connected between the internal node Node2 and the inverted bit line XBL, and is turned on / off according to the voltage applied to the word line WL connected to the gate.
強誘電体キャパシタFC1は、内部ノードNode1とプレート線PL2との間に接続されている。強誘電体キャパシタFC2は、内部ノードNode1とプレート線PL2との間に接続されている。強誘電体キャパシタFC3は、内部ノードNode1とプレート線PL1との間に接続されている。強誘電体キャパシタFC4は、内部ノードNode2とプレート線PL1との間に接続されている。 The ferroelectric capacitor FC1 is connected between the internal node Node1 and the plate line PL2. The ferroelectric capacitor FC2 is connected between the internal node Node1 and the plate line PL2. The ferroelectric capacitor FC3 is connected between the internal node Node1 and the plate line PL1. The ferroelectric capacitor FC4 is connected between the internal node Node2 and the plate line PL1.
なお、上記構成から成るメモリセル11において、内部ノードNode1及びNode2は、いずれもメモリセル11のストレージノードとして機能し、各々のノード電圧は、メモリセル11で記憶される論理データ「0」または「1」に応じた電圧値となる。 In memory cell 11 configured as described above, internal nodes Node1 and Node2 both function as storage nodes of memory cell 11, and each node voltage is set to logic data "0" or "0" stored in memory cell 11. It becomes a voltage value according to 1 ".
図3は、メモリセル11の一動作例((a)欄:ライト動作、(b)欄:リード動作、(c)欄:ストア動作、(d)欄:リコール動作)を示すタイミングチャートである。なお、(a)欄〜(d)欄のそれぞれには、上から順に、ワード線WL、ビット線BL、反転ビット線XBL、プレート線PL1及びPL2、並びに、電源電圧VDD(インバータループのイネーブル/ディセーブル状態に相当)が描写されている。 FIG. 3 is a timing chart showing an operation example ((a) column: write operation, (b) column: read operation, (c) column: store operation, (d) column: recall operation) of the memory cell 11 . In each of columns (a) to (d), word line WL, bit line BL, inverted bit line XBL, plate lines PL1 and PL2, and power supply voltage VDD (enable of inverter loop Corresponding to the disabled state is depicted.
メモリセル11のライト動作時には、ワード線WLがハイレベルに立ち上げられてトランジスタM5及びM6がオンされる。このとき、ビット線BLがハイレベルで反転ビット線XBLがローレベルであれば、トランジスタM1及びM4がオンとなり、トランジスタM2及びM3がオフとなる。このようにしてインバータループの動作状態が確定されることにより、内部ノードNode1がハイレベルに固定されて内部ノードNode2がローレベルに固定される。この状態は、メモリセル11に論理データ「1」が書き込まれた状態に相当し、電源電圧VDDが供給されている限り、ワード線WLがローレベルに立ち下げられた後も維持される。上記と逆に、メモリセル11に論理データ「0」を書き込む場合には、ワード線WLのハイレベル期間中にビット線BLをローレベルとして反転ビット線XBLをハイレベルとすればよい。なお、メモリセル11のライト動作時には、プレート線PL1及びPL2がいずれもローレベルに固定される。 At the time of the write operation of the memory cell 11, the word line WL is raised to the high level, and the transistors M5 and M6 are turned on. At this time, if the bit line BL is high level and the inverted bit line XBL is low level, the transistors M1 and M4 are turned on and the transistors M2 and M3 are turned off. By thus determining the operating state of the inverter loop, the internal node Node1 is fixed at the high level, and the internal node Node2 is fixed at the low level. This state corresponds to the state where the logic data "1" is written to the memory cell 11, and as long as the power supply voltage VDD is supplied, it is maintained even after the word line WL falls to the low level. Conversely, when writing logic data "0" in the memory cell 11, the bit line BL may be made low during the high level period of the word line WL, and the inverted bit line XBL may be made high. In the write operation of the memory cell 11, the plate lines PL1 and PL2 are both fixed at the low level.
メモリセル11のリード動作時には、ビット線BL及び反転ビット線XBLをフローティング状態とした上で、ワード線WLがハイレベルに立ち上げられてトランジスタM5及びM6がオンされる。このとき、ビット線BL及び反転ビット線XBLには、内部ノードNode1及びNode2の印加電圧が現れる。従って、ビット線BLと反転ビット線XBLとの間で各々の電圧を比較(差分増幅)することにより、メモリセル11に書き込まれていた論理データが「1」であるか「0」であるかを読み出すことができる。 At the time of the read operation of the memory cell 11, the bit line BL and the inverted bit line XBL are brought into the floating state, and then the word line WL is raised to the high level to turn on the transistors M5 and M6. At this time, voltages applied to internal nodes Node1 and Node2 appear on bit line BL and inverted bit line XBL. Therefore, whether the logical data written in the memory cell 11 is "1" or "0" by comparing (differential amplifying) each voltage between the bit line BL and the inverted bit line XBL Can be read out.
このように、6T−4C構造のメモリセル11では、6T構造のSRAMと基本的に同様のリード/ライト動作が実施される。 As described above, in the memory cell 11 having the 6T-4C structure, basically the same read / write operation as that of the SRAM having the 6T structure is performed.
メモリセル11のストア動作は、内部ノードNode1及びNode2から強誘電体キャパシタFC1〜FC4にデータを移送して不揮発化する動作であり、アクティブ状態からスリープ状態への移行時(インバータループに対する電源電圧VDDの供給が遮断される前)に行われる。より具体的に述べると、メモリセル11のストア動作時には、プレート線PL1及びPL2がいずれもパルス駆動されて、強誘電体キャパシタFC1〜FC4の残留分極状態が設定される。 The store operation of memory cell 11 is an operation of transferring data from internal nodes Node1 and Node2 to ferroelectric capacitors FC1 to FC4 for non-volatilization, transitioning from the active state to the sleep state (power supply voltage VDD for the inverter loop Before the supply is cut off). More specifically, at the time of the store operation of the memory cell 11, the plate lines PL1 and PL2 are both pulse-driven to set the residual polarization states of the ferroelectric capacitors FC1 to FC4.
例えば、メモリセル11に論理データ「1」が記憶されている場合、すなわち、内部ノードNode1がハイレベルであり内部ノードNode2がローレベルである場合を考える。この場合、プレート線PL1及びPL2がローレベルとされている間、強誘電体キャパシタFC2及びFC4の両端間には電圧が印加されない状態となり、強誘電体キャパシタFC1及びFC3の両端間には互いに逆極性の電圧が印加される状態となる。一方、プレート線PL1及びPL2がハイレベルとされている間、強誘電体キャパシタFC2及びFC4の両端間には電圧が印加されない状態となり、強誘電体キャパシタFC1及びFC3の両端間には互いに逆極性の電圧が印加される状態となる。その結果、強誘電体キャパシタFC1〜FC4の残留分極状態は、強誘電体キャパシタFC1及びFC3が互いに逆極性、強誘電体キャパシタFC2及びFC4が互いに逆極性、強誘電体キャパシタFC1及びFC2が互いに逆極性、並びに、強誘電体キャパシタFC3及びFC4が互いに逆極性となる。なお、メモリセル11に論理データ「0」が記憶されている場合、強誘電体キャパシタFC1〜FC4の残留分極状態は上記と逆になる。 For example, it is assumed that the memory cell 11 stores logic data "1", that is, the case where the internal node Node1 is at high level and the internal node Node2 is at low level. In this case, while the plate lines PL1 and PL2 are at a low level, no voltage is applied across the ferroelectric capacitors FC2 and FC4, and the voltages across the ferroelectric capacitors FC1 and FC3 are reversed. A voltage of polarity is applied. On the other hand, while the plate lines PL1 and PL2 are at the high level, no voltage is applied between both ends of the ferroelectric capacitors FC2 and FC4, and the polarities opposite to each other between both ends of the ferroelectric capacitors FC1 and FC3 Voltage is applied. As a result, the remanent polarization state of the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 is that the ferroelectric capacitors FC1 and FC3 have opposite polarities, the ferroelectric capacitors FC2 and FC4 have opposite polarities, and the ferroelectric capacitors FC1 and FC2 have opposite polarities. The polarities and the ferroelectric capacitors FC3 and FC4 have opposite polarities to each other. When the logic data "0" is stored in the memory cell 11, the remanent polarization states of the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 are reverse to the above.
その後、電源電圧VDDの供給が遮断されてアクティブ状態からスリープ状態への移行が行われる。ただし、強誘電体キャパシタFC1〜FC4の残留分極状態は、いずれも電源遮断前の状態に保持される。この状態は、内部ノードNode1及びNode2から強誘電体キャパシタFC1〜FC4にデータが移送されて不揮発化された状態に相当する。 Thereafter, the supply of the power supply voltage VDD is cut off, and transition from the active state to the sleep state is performed. However, the remanent polarization states of the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 are all maintained in the state before the power is turned off. This state corresponds to a state in which data is transferred from internal nodes Node1 and Node2 to ferroelectric capacitors FC1 to FC4 to be nonvolatile.
メモリセル11のリコール動作は、強誘電体キャパシタFC1〜FC4から内部ノードNode1及びNode2にデータを復帰させる動作であり、スリープ状態からアクティブ状態への復帰時(インバータループに対する電源電圧VDDの供給が再開される前)に行われる。より具体的に述べると、メモリセル11のリコール動作時には、プレート線PL1及びPL2の一方がパルス駆動されて、強誘電体キャパシタFC1〜FC4の残留分極状態に対応した電圧が内部ノードNode1及びNode2に誘起される。 The recall operation of memory cell 11 is an operation of restoring data from ferroelectric capacitors FC1 to FC4 to internal nodes Node1 and Node2, and when returning from the sleep state to the active state (supply of power supply voltage VDD to the inverter loop resumes) Before being done). More specifically, at the time of the recall operation of memory cell 11, one of plate lines PL1 and PL2 is pulse driven, and voltages corresponding to the residual polarization states of ferroelectric capacitors FC1 to FC4 are applied to internal nodes Node1 and Node2. It is induced.
例えば、強誘電体キャパシタFC1〜FC4に論理データ「1」がストアされている場合を考える。この場合、プレート線PL1をローレベルからハイレベルに切り替えると、内部ノードNode1には、強誘電体キャパシタFC1及びFC3の残留分極状態に応じて、内部ノードNode2よりも相対的に高い電圧wkH(weak high)が誘起される。一方、内部ノードNode2には、強誘電体キャパシタFC2及びFC4の残留分極状態に応じて、内部ノードNode1よりも相対的に低い電圧wkL(weak low)が誘起される。すなわち、内部ノードNode1と内部ノードNode2との間には、強誘電体キャパシタFC1〜FC4の残留分極状態に応じた電圧差が生じる。 For example, it is assumed that logic data "1" is stored in the ferroelectric capacitors FC1 to FC4. In this case, when the plate line PL1 is switched from the low level to the high level, a voltage wkH (weak which is relatively higher than the internal node Node2) is applied to the internal node Node1 according to the remanent polarization state of the ferroelectric capacitors FC1 and FC3. high) is induced. On the other hand, a voltage wkL (weak low) relatively lower than that of the internal node Node1 is induced in the internal node Node2 according to the remanent polarization state of the ferroelectric capacitors FC2 and FC4. That is, a voltage difference corresponding to the residual polarization state of the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 is generated between the internal node Node1 and the internal node Node2.
その後、インバータループに対する電源電圧VDDの供給が再開されると、インバータループの増幅作用により、内部ノードNode1が不安定な電圧wkHからハイレベルに引き上げられ、内部ノードNode2が不安定な電圧wkLからローレベルに引き下げられる。この状態は、強誘電体キャパシタFC1〜FC4から内部ノードNode1及びNode2にデータが復帰された状態となる。なお、強誘電体キャパシタFC1〜FC4に論理データ「0」がストアされている場合には、プレート線PL1のパルス駆動によって内部ノードNode1及びNode2に誘起される電圧が上記と逆になる。 Thereafter, when the supply of power supply voltage VDD to the inverter loop is resumed, internal node Node1 is pulled high from unstable voltage wkH by the amplification action of the inverter loop, and internal node Node2 is pulled low from unstable voltage wkL. It is lowered to the level. In this state, data is restored from the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 to the internal nodes Node1 and Node2. When the logic data "0" is stored in the ferroelectric capacitors FC1 to FC4, the voltages induced on the internal nodes Node1 and Node2 by the pulse driving of the plate line PL1 become reverse to the above.
<第1実施形態>
次に、リード/ライト動作時にビット線及び反転ビット線のプリチャージを行わないビット線ノンプリチャージ手法について説明する。
First Embodiment
Next, a bit line non-precharge method in which the bit line and the inverted bit line are not precharged in the read / write operation will be described.
図4は、6T構造のSRAMメモリセルにおけるビット線プリチャージの必要性を説明するための図である。本図で示したように、同一の行に属する複数のSRAMメモリセル11−1及び11−2には、単一のワード線WLが共通接続されている。一方、異なる列に属するSRAMメモリセル11−1及び11−2には、各々に対応したビット線BL1及びBL2並びに反転ビット線XBL1及びXLB2が接続されている。 FIG. 4 is a diagram for explaining the necessity of bit line precharging in the SRAM memory cell of 6T structure. As shown in the figure, a single word line WL is commonly connected to a plurality of SRAM memory cells 11-1 and 11-2 belonging to the same row. On the other hand, bit lines BL1 and BL2 and inverted bit lines XBL1 and XLB2 corresponding to the respective SRAM memory cells 11-1 and 11-2 belonging to different columns are connected.
SRAMメモリセル11−1へのリード/ライトを行う場合には、ワード線WLがハイレベルに立ち上げられる。その結果、リード/ライト対象のSRAMメモリセル11−1は、これに対応したビット線BL1及び反転ビット線XBL1に接続された状態となる。ただし、ワード線WLは、リード/ライト対象外のSRAMメモリセル11−2にも接続されている。従って、ワード線WLがハイレベルに立ち上げられると、リード/ライト対象外のSRAMメモリセル11−2も、これに対応したビット線BL2及び反転ビット線XBL2に接続された状態となる。 When reading / writing to the SRAM memory cell 11-1, the word line WL is raised to the high level. As a result, the SRAM memory cell 11-1 to be read / written is connected to the corresponding bit line BL1 and inverted bit line XBL1. However, the word line WL is also connected to the SRAM memory cell 11-2 which is not the read / write target. Therefore, when the word line WL is raised to the high level, the SRAM memory cell 11-2 other than the read / write target is also connected to the corresponding bit line BL2 and inverted bit line XBL2.
ところで、SRAMメモリセル11−1及び11−2の内部ノードには、ごく小容量の寄生キャパシタCp1が付随しているだけである。一方、非常に配線長の長いビット線BL及び反転ビット線XBLには、より大容量の寄生キャパシタCp2が付随している。 The internal nodes of the SRAM memory cells 11-1 and 11-2 are only accompanied by a parasitic capacitor Cp1 of very small capacity. On the other hand, a parasitic capacitor Cp2 having a larger capacity is attached to the bit line BL and the inverted bit line XBL, which have a very long wiring length.
そのため、SRAMメモリセル11−1へのリード/ライトを行うためにワード線WLがハイレベルに立ち上げられた時点で、SRAMメモリセル11−2に接続されたビット線BL2及び反転ビット線XBL2がプリチャージされていない状態(寄生キャパシタCp2が充電されていない状態)であると、寄生キャパシタCp1と寄生キャパシタCp2との電荷再分配によりSRAMメモリセル11−2のデータ化けを生じるおそれがある。 Therefore, when the word line WL is raised to a high level to read / write to the SRAM memory cell 11-1, the bit line BL2 and the inverted bit line XBL2 connected to the SRAM memory cell 11-2 are selected. In the non-precharged state (the parasitic capacitor Cp2 is not charged), charge redistribution between the parasitic capacitor Cp1 and the parasitic capacitor Cp2 may cause data corruption of the SRAM memory cell 11-2.
上記のデータ化けを防止すべく、従来の運用では、ワード線WLをハイレベルに立ち上げる前に、リード/ライト対象外のSRAMメモリセル11−2に接続されたビット線BL2及び反転ビット線XBL2に所定の電圧(VDDまたはVDD/2)を印加して、寄生キャパシタCp2を予め充電しておくビット線プリチャージ手法が採用されていた。 In order to prevent the above-described data corruption, in the conventional operation, before the word line WL is raised to the high level, the bit line BL2 and the inverted bit line XBL2 connected to the SRAM memory cell 11-2 other than the read / write target A predetermined voltage (VDD or VDD / 2) is applied to the bit line precharge method to previously charge the parasitic capacitor Cp2.
一方、図2で示したメモリセル11(強誘電体シャドウメモリ)の内部ノードNode1及びNode2には、寄生容量Cp2よりも遥かに容量の大きい強誘電体キャパシタFC1〜FC4が接続されている。そのため、ワード線WLがハイレベルに立ち上げられた時点で、ビット線BL及び反転ビット線XBLがプリチャージされていない状態であっても、寄生容量Cp2と強誘電体キャパシタFC1〜FC4との電荷再分配による内部ノードNode1及びNode2の電圧変動幅はごく小さいものとなる。 On the other hand, ferroelectric capacitors FC1 to FC4 having a much larger capacity than the parasitic capacitance Cp2 are connected to the internal nodes Node1 and Node2 of the memory cell 11 (ferroelectric shadow memory) shown in FIG. Therefore, even when bit line BL and inverted bit line XBL are not precharged when word line WL is raised to the high level, charges of parasitic capacitance Cp2 and ferroelectric capacitors FC1 to FC4 are generated. The voltage fluctuation range of the internal nodes Node1 and Node2 due to the redistribution is extremely small.
しかしながら、従来では、強誘電体シャドウメモリの運用時においても、そのベースとなるSRAMメモリセルの駆動手法を踏襲して、半ば盲目的にビット線プリチャージが行われていた。 However, conventionally, even during operation of the ferroelectric shadow memory, bit line precharging is performed for semi-blind purposes by following the driving method of the SRAM memory cell as the base.
本願の発明者らは、このようなビット線プリチャージの意義に疑念を抱き、鋭意研究を重ねた結果、データの不揮発化を主目的として設けられた強誘電体キャパシタFC1〜FC4がアクティブ時におけるメモリセル11のデータ化け防止にも貢献し得るという新規な知見を獲得し、強誘電体シャドウメモリの運用時にはビット線プリチャージが不要であるとの結論に至った。 The inventors of the present application have doubts over the significance of such bit line precharging, and as a result of intensive studies, ferroelectric capacitors FC1 to FC4 provided mainly for nonvolatility of data are active. The novel knowledge that it can contribute to the prevention of data corruption of the memory cell 11 is acquired, and it is concluded that the bit line precharging is not necessary at the operation of the ferroelectric shadow memory.
図5は、強誘電体シャドウメモリにおけるビット線ノンプリチャージ手法を示す図である。(a)欄で示すように、SRAMメモリセルの運用時には、ワード線WLをハイレベルに立ち上げる前に、ビット線BL及び反転ビット線XBLのプリチャージが行われていた。一方、(b)欄で示すように、強誘電体シャドウメモリの運用時には、先述の知見に基づき、ビット線BL及び反転ビット線XBLのプリチャージを行うことなく、ワード線WLをハイレベルに立ち上げることができる。 FIG. 5 is a diagram showing a bit line non-precharge method in the ferroelectric shadow memory. As shown in the column (a), at the time of operation of the SRAM memory cell, precharging of the bit line BL and the inverted bit line XBL is performed before raising the word line WL to the high level. On the other hand, as shown in the column (b), during operation of the ferroelectric shadow memory, the word line WL is made high level without precharging the bit line BL and the inverted bit line XBL based on the above-mentioned findings. You can raise it.
すなわち、メモリセル11として強誘電体シャドウメモリを採用した半導体記憶装置100において、メモリコントローラ2は、リード/ライト対象のメモリセルにアクセスする際、リード/ライト対象外のメモリセルに接続されているビット線BL及び反転ビット線XBLのプリチャージを行うことなくワード線WLを駆動してトランジスタM5及びM6をオンさせるように、その動作シーケンスを組んでおくことが望ましい。 That is, in the semiconductor storage device 100 employing the ferroelectric shadow memory as the memory cell 11, the memory controller 2 is connected to a memory cell other than the read / write target when accessing the read / write target memory cell. It is desirable to configure the operation sequence so as to drive the word line WL and turn on the transistors M5 and M6 without performing the precharging of the bit line BL and the inverted bit line XBL.
また、ビット線ノンプリチャージ手法を採用する場合には、一対のビット線BLと反転ビット線XBLとを同電位とするイコライザを設けることが望ましい。 Further, in the case of employing the bit line non-precharge method, it is desirable to provide an equalizer which makes the pair of bit lines BL and the inverted bit line XBL have the same potential.
図6は、ビット線BLと反転ビット線XBLとの間でイコライジングを実現するための一構成例を示す図である。本構成例では、一対のビット線BLと反転ビット線XBLとの間にトランスミッションゲートSWが接続されている。なお、本図では必ずしも明示されていないが、トランスミッションゲートSWは、複数設けられたビット線BL及び反転ビット線XBLのペア毎にそれぞれ設けられている。 FIG. 6 is a diagram showing a configuration example for realizing equalization between the bit line BL and the inverted bit line XBL. In this configuration example, the transmission gate SW is connected between the pair of bit lines BL and the inversion bit line XBL. Although not shown in the figure, the transmission gate SW is provided for each pair of a plurality of bit lines BL and inverted bit lines XBL.
なお、トランスミッションゲートSWは、メモリコントローラ2によってオン/オフ制御される。より具体的に述べると、メモリコントローラ2は、リード/ライト対象のメモリセルにアクセスする際、リード/ライト対象外のメモリセルに接続されているビット線BLと反転ビット線XBLとの間のトランスミッションゲートSWをオンさせる。 The transmission gate SW is on / off controlled by the memory controller 2. More specifically, when the memory controller 2 accesses a read / write target memory cell, transmission between the bit line BL and the inverted bit line XBL connected to a read / write non-target memory cell is performed. Turn on the gate SW.
トランスミッションゲートSWをオンさせることにより、リード/ライト対象外のメモリセルに接続されたビット線BLと反転ビット線XBLとをショートさせて各々を同電位とすることができる。従って、メモリセル11のデータ化けを招くおそれのあるワーストケース(例えば、ローレベル側の内部ノードにハイレベルが印加されて、ハイレベル側の内部ノードにローレベルが印加される状況)の発生を未然に回避することができるので、メモリセル11のデータ化け防止をさらに確実なものとすることが可能となる。 By turning on the transmission gate SW, the bit line BL and the inverted bit line XBL connected to the memory cell other than the read / write target can be short-circuited to make them have the same potential. Therefore, occurrence of the worst case (for example, a high level is applied to the internal node on the low level side and a low level is applied to the internal node on the high level side) which may cause data corruption of the memory cell 11 Since this can be avoided in advance, the prevention of data corruption of the memory cell 11 can be further ensured.
以上で説明したように、第1実施形態では、メモリセル11の内部ノードNode1及びNode2に接続された大容量の強誘電体キャパシタFC1〜FC4を利用して、リード/ライト動作時のビット線プリチャージを省略し、トランスミッションゲートSWを用いたイコライジングのみで動作する半導体記憶装置100を提案する。本構成を採用することにより、リード/ライト動作時の消費電力を大幅に削減することが可能となる。 As described above, in the first embodiment, using the large capacity ferroelectric capacitors FC1 to FC4 connected to the internal nodes Node1 and Node2 of the memory cell 11, the bit line precharging at the time of read / write operation is performed. A semiconductor memory device 100 is proposed which operates with only equalization using a transmission gate SW while omitting charge. By adopting this configuration, it is possible to significantly reduce the power consumption at the time of read / write operation.
図7は、ビット線ノンプリチャージ手法の有用性を示す図である。本図に示すように、ビット線ノンプリチャージ手法を採用することにより、ライト動作時の消費電力を従来比で74%削減することが可能となり、また、リード動作時の消費電力を従来比で77%削減することが可能となる。 FIG. 7 shows the usefulness of the bit line non-precharge method. As shown in the figure, by adopting the bit line non-precharge method, it is possible to reduce the power consumption during the write operation by 74% compared to the conventional case, and the power consumption during the read operation compared with the conventional case. It is possible to reduce by%.
なお、ビット線BLと反転ビット線XBLとの間をトランスミッションゲートSWでショートさせるイコライジング手法は、従来のビット線プリチャージ手法と比べて、高速動作の面でも優位である。 The equalizing method in which the bit line BL and the inverted bit line XBL are shorted by the transmission gate SW is superior to the conventional bit line precharging method also in terms of high speed operation.
図8は、上記イコライジング手法の優位点を示す図である。本図(a)欄で示したように、ビット線BL及び反転ビット線XBLを電源電圧VDDでプリチャージする場合、ワーストケース(BL=XBL=GND)では、ビット線BL及び反転ビット線XBLが電源電圧VDDに達するまでに時間T1を要する。従って、ビット線プリチャージ時間は、時間T1以上に設定しなければならない。 FIG. 8 is a diagram showing the advantages of the above equalization method. As shown in the column (a) of the figure, when the bit line BL and the inverted bit line XBL are precharged with the power supply voltage VDD, the bit line BL and the inverted bit line XBL are at the worst case (BL = XBL = GND). It takes time T1 to reach the power supply voltage VDD. Therefore, the bit line precharge time must be set to time T1 or more.
一方、本図(b)欄で示したように、ビット線BLと反転ビット線XBLとの間をショートさせる場合、ビット線BLと反転ビット線XBLが同電位となるまでに要する時間T2は、ワーストケース(BL=VDD、XBL=GND)であっても、上記の時間T1と比べれば短くなる。従って、イコライジング処理を速やかに完了してワード線WLをハイレベルに立ち上げることが可能となり、延いては、リード/ライト時間を短縮することが可能となる。また、リード/ライト時間を短縮することは、アクティブ時間の短縮(スリープ時間の延長)に直結するので、システム全体の省電力化にも貢献することができる。 On the other hand, as shown in the column (b) of this figure, when shorting between the bit line BL and the inverted bit line XBL, the time T2 required for the bit line BL and the inverted bit line XBL to have the same potential is Even in the worst case (BL = VDD, XBL = GND), it is shorter than the above time T1. Therefore, the equalizing process can be completed promptly to raise the word line WL to the high level, which can shorten the read / write time. In addition, shortening the read / write time directly leads to shortening of the active time (longening of the sleep time), which can also contribute to power saving of the entire system.
さらに、ビット線ノンプリチャージ手法を採用すれば、半導体記憶装置10の大容量化にも貢献することができる。従来では、或るメモリセルのリード/ライトを行う際には、リード/ライト対象外のメモリセルに各々接続された全てのビット線BL及び反転ビット線XBLをプリチャージしていた。そのため、ビット線プリチャージに要する電力を鑑みると、1本のワード線WLに接続されるメモリセル11の個数(延いてはワード線WLの配線長)には自ずと上限があった。また、ビット線BL及び反転ビット線XBLの配線長が延びるほど、これに付随する寄生キャパシタCp2の容量が増えるので、より大きなプリチャージ電力が必要となる。そのため、ビット線BL及び反転ビット線XBLの配線長にも自ずと上限があった。 Furthermore, adopting the bit line non-precharge method can contribute to the increase in capacity of the semiconductor memory device 10. Conventionally, when performing read / write of a certain memory cell, all bit lines BL and inverted bit lines XBL connected to memory cells other than the read / write target are precharged. Therefore, in view of the power required for bit line precharging, the number of memory cells 11 connected to one word line WL (and the wiring length of the word line WL) naturally has an upper limit. Further, as the interconnection lengths of the bit line BL and the inverted bit line XBL extend, the capacitance of the parasitic capacitor Cp2 accompanying this increases, and therefore, a larger pre-charge power is required. Therefore, the wiring lengths of the bit line BL and the inverted bit line XBL naturally have an upper limit.
一方、ビット線ノンプリチャージ手法を採用すれば、プリチャージ電力を考慮せずにメモリセルアレイ10を大型化(ワード線WL、ないしは、ビット線BL及び反転ビット線XBLの延長)することができる。従って、メモリブロック1全体に占めるメモリセルアレイ10の面積比率(メモリセルアレイ10と周辺回路20〜70との面積比率)を大きくすることができるので、半導体記憶装置100のデバイスサイズを不要に大型化せずにその記憶容量(単位面積当たりの記憶密度)を高めることが可能となる。 On the other hand, if the bit line non-precharge method is adopted, the memory cell array 10 can be enlarged (word line WL or extension of bit line BL and inverted bit line XBL) without considering precharge power. Therefore, the area ratio of the memory cell array 10 (area ratio of the memory cell array 10 and the peripheral circuits 20 to 70) occupied in the entire memory block 1 can be increased, so the device size of the semiconductor memory device 100 is unnecessarily increased. It is possible to increase the storage capacity (storage density per unit area) without.
なお、上記では、ビット線ノンプリチャージ手法の適用対象として、強誘電体シャドウメモリを例に挙げたが、その適用対象はこれに限定されるものではなく、例えば、6T構造のSRAMメモリセルをベースとし、その内部ノードに寄生キャパシタCp2よりも大容量のノードキャパシタが接続されているものであれば、上記のビット線ノンプリチャージ手法を好適に適用することが可能である。すなわち、メモリセル11のデータ保持に寄与し得るノードキャパシタは、必ずしもプレート線PL1及びPL2に接続された強誘電体キャパシタFC1〜FC4には限定されない。 Although the ferroelectric shadow memory has been exemplified as an application target of the bit line non-precharge method in the above description, the application target is not limited to this, and for example, a 6T structure SRAM memory cell is used as a base If the node capacitor having a capacitance larger than that of the parasitic capacitor Cp2 is connected to the internal node thereof, the above-mentioned bit line non-precharge method can be suitably applied. That is, the node capacitors that can contribute to the data retention of the memory cell 11 are not necessarily limited to the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 connected to the plate lines PL1 and PL2.
<第2実施形態>
次に、ストア/リコール時に逐次駆動されるプレート線PL1及びPL2の電荷を共有するプレート線チャージシェア手法について説明する。
Second Embodiment
Next, a plate line charge sharing method will be described in which the charges of the plate lines PL1 and PL2, which are sequentially driven at the time of store / recall, are shared.
図9は、プレート線チャージシェアを実現するための一構成例を示す図である。本構成例の半導体記憶装置100は、先に述べた通り、マトリクス状に配列された複数のメモリセル11と、複数のメモリセル11に各々接続されるプレート線PL1(a、b、…)及びPL2(a、b、…)と、プレート線PL1(a、b、…)及びPL2(a、b、…)を各々駆動するプレート線ドライバ40と、複数のメモリセル11に対するアクセス制御を行うメモリコントローラ2とを有する。 FIG. 9 is a diagram showing a configuration example for realizing plate line charge sharing. As described above, semiconductor memory device 100 of this configuration example includes a plurality of memory cells 11 arranged in a matrix, plate lines PL1 (a, b,...) Connected to the plurality of memory cells 11, and A plate line driver 40 for driving PL2 (a, b, ...), plate lines PL1 (a, b, ...) and PL2 (a, b, ...), and a memory for controlling access to a plurality of memory cells 11 And a controller 2.
また、本構成例の半導体記憶装置100は、隣接するプレート線間に接続された複数のトランスミッションゲートSW1(ab、bc、…)及びSW2(ab、bc、…)をさらに有する。より具体的に述べると、トランスミッションゲートSW1abは、プレート線PL1aとプレート線PL1bとの間に接続されており、トランスミッションゲートSW1bcは、プレート線PL1bとプレート線PL1c(不図示)との間に接続されている。同様にして、トランスミッションゲートSW2abは、プレート線PL2aとプレート線PL2bとの間に接続されており、トランスミッションゲートSW2bcは、プレート線PL2bとプレート線PL2c(不図示)との間に接続されている。 The semiconductor memory device 100 of this configuration example further includes a plurality of transmission gates SW1 (ab, bc,...) And SW2 (ab, bc,...) Connected between adjacent plate lines. More specifically, transmission gate SW1ab is connected between plate line PL1a and plate line PL1b, and transmission gate SW1bc is connected between plate line PL1b and plate line PL1c (not shown). ing. Similarly, transmission gate SW2ab is connected between plate line PL2a and plate line PL2b, and transmission gate SW2bc is connected between plate line PL2b and plate line PL2c (not shown).
メモリコントローラ2は、メモリセル11のデータをストア/リコールする際、プレート線ドライバ40を用いてプレート線PL1(a、b、…)及びPL2(a、b、…)を逐次的にパルス駆動させる。 The memory controller 2 uses the plate line driver 40 to pulse drive the plate lines PL1 (a, b,...) And PL2 (a, b,...) Sequentially when storing / recalling the data of the memory cell 11 .
その際、メモリコントローラ2は、プレート線ドライバ40を用いて未チャージのプレート線をパルス駆動させる前に、既チャージのプレート線と未チャージのプレート線との間でチャージシェアを実施させる。より具体的に述べると、メモリコントローラ2は、プレート線ドライバ40を用いて未チャージのプレート線をパルス駆動させる前に、既チャージのプレート線と未チャージのプレート線との間のトランスミッションゲートをオンさせることにより、両プレート間をショートさせる。以下では、図10を参照しながら、より詳細に説明する。 At this time, the memory controller 2 performs charge sharing between the already charged plate line and the uncharged plate line before pulsing the uncharged plate line using the plate line driver 40. More specifically, the memory controller 2 turns on the transmission gate between the charged and uncharged plate lines before pulsing the uncharged plate lines using the plate line driver 40. Short circuit between the two plates. In the following, this will be described in more detail with reference to FIG.
図10は、プレート線チャージシェアの一動作例を示すタイミングチャートであり、上から順に、プレート線ドライバ40の出力イネーブル信号OUT_EN、プレート線PL1(a、b、c)の印加電圧、及び、トランスミッションゲートSW1(ab、bc)のオン/オフ状態が描写されている。なお、プレート線PL2(a、b、…)及びトランスミッションゲートSW2(a、b、…)については、プレート線PL1(a、b、…)及びトランスミッションゲートSW1(a、b、…)と同様の挙動で制御されるので、ここでは図示を割愛する。 FIG. 10 is a timing chart showing one operation example of the plate line charge sharing, and from the top, the output enable signal OUT_EN of the plate line driver 40, the applied voltage of the plate line PL1 (a, b, c), and the transmission The on / off state of the gate SW1 (ab, bc) is depicted. The plate line PL2 (a, b, ...) and the transmission gate SW2 (a, b, ...) are similar to the plate line PL1 (a, b, ...) and the transmission gate SW1 (a, b, ...). Because it is controlled by behavior, illustration is omitted here.
時刻t1において、プレート線ドライバ40の出力イネーブル信号OUT_ENがハイレベル(出力イネーブル時の論理レベル)に立ち上げられると、プレート線PL1aが電源電圧VDDまでチャージされる。 At time t1, when the output enable signal OUT_EN of the plate line driver 40 is raised to a high level (logical level at output enable), the plate line PL1a is charged to the power supply voltage VDD.
時刻t2において、プレート線ドライバ40の出力イネーブル信号OUT_ENがローレベルに立ち下げられると、プレート線PL1aがフローティング状態となる。従って、プレート線PL1aは、時刻t2以後もほぼ電源電圧VDDに維持される。 At time t2, when the output enable signal OUT_EN of the plate line driver 40 falls to a low level, the plate line PL1a is brought into a floating state. Therefore, the plate line PL1a is maintained substantially at the power supply voltage VDD even after time t2.
時刻t3において、トランスミッションゲートSW1abがオンされると、既チャージのプレート線PL1aと未チャージのプレート線PL1bとの間が導通されるので、双方が同一電圧(=VDD/2)となるまでチャージシェア(電荷再分配)が実施される。 When transmission gate SW1ab is turned on at time t3, conduction is established between already charged plate line PL1a and uncharged plate line PL1b, and charge sharing is performed until both have the same voltage (= VDD / 2). (Charge redistribution) is performed.
時刻t4において、トランスミッションゲートSW1abがオフされると、プレート線PL1aとプレート線PL1bとの間が遮断される。なお、プレート線PL1a及びPL1bは、時刻t4以後もほぼ同一電圧(=VDD/2)に維持される。 When transmission gate SW1ab is turned off at time t4, plate line PL1a is disconnected from plate line PL1b. The plate lines PL1a and PL1b are maintained at substantially the same voltage (= VDD / 2) even after time t4.
時刻t5において、プレート線ドライバ40の出力イネーブル信号OUT_ENがハイレベル(出力イネーブル時の論理レベル)に立ち上げられると、プレート線PL1bが電源電圧VDDまでチャージされる一方、プレート線PL1aが接地電圧GNDまで放電される。このとき、プレート線PL1bは、既にVDD/2までチャージされている。従って、プレート線ドライバ40から供給すべき電力は、プレート線PL1aを初回チャージしたときよりも少ない電力(理想的には1/2)で済む。 At time t5, when output enable signal OUT_EN of plate line driver 40 is raised to a high level (logical level at output enable), plate line PL1b is charged to power supply voltage VDD while plate line PL1a is at ground voltage GND. Is discharged. At this time, the plate line PL1 b is already charged to VDD / 2. Therefore, the power to be supplied from the plate line driver 40 can be less power (ideally 1/2) than when the plate line PL1a is initially charged.
時刻t6以降も、上記と同様にして、既チャージのプレート線と未チャージのプレート線との間でチャージシェアが実施される。 After time t6, charge sharing is performed between the already charged plate line and the uncharged plate line in the same manner as described above.
なお、時刻t2〜t3、時刻t4〜t5、時刻t6〜t7で示したフローティング期間については、適宜、短縮ないし省略が可能である。 The floating periods shown at time t2 to t3, time t4 to t5, and time t6 to t7 can be shortened or omitted as appropriate.
このように、プレート線チャージシェア手法を採用すれば、複数のプレート線を各個独立にチャージしていた従来手法と異なり、先のプレート線チャージで蓄えられた電荷を全て捨てるのではなく、その一部を次のプレート線チャージに流用することができるので、プレート線ドライバ40の消費電力を大幅に(理想的にはほぼ1/2まで)削減することが可能となる。 As described above, when the plate line charge sharing method is employed, unlike the conventional method in which a plurality of plate lines are charged individually, not all the charges accumulated in the previous plate line charge are discarded, but one of them. Since the part can be diverted to the next plate line charge, the power consumption of the plate line driver 40 can be largely reduced (ideally, to about one half).
なお、図10では、プレート線を1本ずつ逐次的に駆動する例を挙げたが、例えば、プレート線を複数本ずつ複数回に分けて駆動する構成としてもよい。ただし、同時に駆動するプレート線の本数が増えるほど駆動電流のピーク値が増大する上、初回チャージ時の必要電力が増大するので、プレート線の同時駆動本数については、スピードと電力のトレードオフを考慮して適宜設計すればよい。 In addition, although the example which drives a plate line | wire one by one sequentially was mentioned in FIG. 10, it is good also as a structure which divides and drives a plurality of plate lines in multiple times, for example. However, as the number of plate lines driven simultaneously increases, the peak value of the drive current increases, and the power required for the first charge increases, so the number of plate lines simultaneously driven considers the trade-off between speed and power. And design appropriately.
図11は、プレート線チャージシェア手法の有用性を示す図である。本図で示したように、プレート線チャージシェア手法を採用することにより、ストア動作時の消費電力を従来比で22%削減することが可能となり、また、リコール動作時の消費電力を従来比で11%削減することが可能となる。 FIG. 11 is a diagram showing the usefulness of the plate line charge sharing method. As shown in the figure, by adopting the plate line charge sharing method, it is possible to reduce the power consumption during store operation by 22% compared to the conventional case, and the power consumption during recall operation compared to the conventional case It is possible to reduce by 11%.
<第3実施形態>
先の図2で示したように、6T−4C構造の強誘電体シャドウメモリは、その内部ノードNode1及びNode2に容量の大きい強誘電体キャパシタFC1〜FC4が接続されている。そのため、強誘電体シャドウメモリは、6T構造のSRAMと比べてアクティブ時のデータ書き込みに長時間を要する。以下では、このような課題を解決するための手段として、ライト動作時にワード線WLを昇圧するワード線ブースト手法の説明を行う。
Third Embodiment
As shown in FIG. 2, the ferroelectric shadow memory having the 6T-4C structure has large capacitance ferroelectric capacitors FC1 to FC4 connected to the internal nodes Node1 and Node2. Therefore, the ferroelectric shadow memory requires a long time to write data when active as compared to the SRAM of 6T structure. In the following, as means for solving such a problem, a word line boosting method for boosting the word line WL at the time of write operation will be described.
図12は、ワード線ドライバ20の一構成例を示す回路図である。本構成例のワード線ドライバ20は、Pチャネル型電界効果トランジスタ21及び22と、Nチャネル型電界効果トランジスタ23と、インバータ24と、キャパシタ素子25と、を含む。 FIG. 12 is a circuit diagram showing one configuration example of the word line driver 20. As shown in FIG. The word line driver 20 of this configuration example includes P-channel field effect transistors 21 and 22, an N-channel field effect transistor 23, an inverter 24, and a capacitor element 25.
トランジスタ21のソースは、電源端に接続されている。トランジスタ21のドレインは、トランジスタ22のソースに接続されている。トランジスタ22及び23のドレインは、いずれもワード線WLに接続されている。トランジスタ23のソースは、接地端に接続されている。トランジスタ21及び23のゲートは、いずれもインバータ24の出力端に接続されている。インバータ24の入力端は、ワード線イネーブル信号WL_ENの印加端に接続されている。トランジスタ22のゲートは、ブーストイネーブル信号BST_ENの印加端に接続されている。キャパシタ素子25は、ブーストイネーブル信号BST_ENの印加端とワード線WLとの間に接続されている。 The source of the transistor 21 is connected to the power supply terminal. The drain of the transistor 21 is connected to the source of the transistor 22. The drains of the transistors 22 and 23 are both connected to the word line WL. The source of the transistor 23 is connected to the ground terminal. The gates of the transistors 21 and 23 are both connected to the output end of the inverter 24. The input end of the inverter 24 is connected to the application end of the word line enable signal WL_EN. The gate of the transistor 22 is connected to the application end of the boost enable signal BST_EN. Capacitor element 25 is connected between the application end of boost enable signal BST_EN and word line WL.
なお、トランジスタ21及び23とインバータ24は、ワード線イネーブル信号WL_ENに応じてメモリセル11のワード線WLを駆動する出力段として機能する。また、トランジスタ22及びキャパシタ素子25は、ブーストイネーブル信号BST_ENに応じてキャパシタ素子25のカップリング制御を行うことにより、ワード線WLの印加電圧を出力段の電源電圧VDDよりも引き上げるブースト段として機能する。 The transistors 21 and 23 and the inverter 24 function as an output stage for driving the word line WL of the memory cell 11 according to the word line enable signal WL_EN. The transistor 22 and the capacitor element 25 function as a boost stage that raises the voltage applied to the word line WL more than the power supply voltage VDD of the output stage by performing coupling control of the capacitor element 25 according to the boost enable signal BST_EN. .
従来より、上記ブースト段を形成するためのキャパシタ素子25としては、(a)MOS[metal-oxide-semiconductor]キャパシタ、(c)MIM[metal-insulator-metal]キャパシタ、ないしは、(d)MOM[metal-oxide-metal]キャパシタが一般的に用いられていた。一方、本構成例のワード線ドライバ20では、キャパシタ素子25として、(b)強誘電体キャパシタ(Feキャパシタ)が用いられている。 Conventionally, (a) MOS [metal-oxide-semiconductor] capacitor, (c) MIM [metal-insulator-metal] capacitor, or (d) MOM [capacitor element 25 for forming the above-mentioned boost stage. [metal-oxide-metal] capacitors were commonly used. On the other hand, in the word line driver 20 of this configuration example, (b) a ferroelectric capacitor (Fe capacitor) is used as the capacitor element 25.
図13は、各種キャパシタの面積比較テーブル(同容量の各種キャパシタを用いたワード線ドライバ20の面積、及び、16Kbitメモリブロック1の面積)である。本図で示すように、強誘電体キャパシタは、他のキャパシタと比べて小さい占有面積で同一の容量を持つ。従って、キャパシタ素子25として強誘電体キャパシタを用いることにより、ワード線ドライバ20(延いてはメモリブロック1)の回路面積を不必要に増大することなく、ワード線ブーストを実現することが可能となる。 FIG. 13 is an area comparison table of various capacitors (the area of the word line driver 20 using various capacitors of the same capacity, and the area of the 16 Kbit memory block 1). As shown in the figure, the ferroelectric capacitor has the same capacitance with a smaller occupied area as compared with other capacitors. Therefore, by using a ferroelectric capacitor as capacitor element 25, it is possible to realize word line boost without unnecessarily increasing the circuit area of word line driver 20 (and memory block 1). .
また、ブースト段を形成するキャパシタ素子25については、容量の線形性がさほど重要ではないので、分極特性の大きい強誘電体キャパシタを何ら支障なく用いることができる。また、強誘電体シャドウメモリには、その不揮発化を実現するために強誘電体キャパシタが元々組み込まれているので、キャパシタ素子25として強誘電体キャパシタを採用しても、半導体記憶装置100の製造プロセスには何ら変更が生じない。 Further, for the capacitor element 25 forming the boost stage, since the linearity of the capacitance is not so important, a ferroelectric capacitor having a large polarization characteristic can be used without any problem. In addition, since ferroelectric capacitors are originally incorporated in ferroelectric shadow memories to realize their nonvolatility, the semiconductor memory device 100 can be manufactured even if the ferroelectric capacitors are adopted as the capacitor elements 25. There is no change in the process.
図14は、ワード線ブーストの一動作例を示すタイミングチャートであり、上から順番に、ワード線イネーブル信号WL_EN、ブーストイネーブル信号BST_EN、及び、ワード線WLの印加電圧が描写されている。 FIG. 14 is a timing chart showing an operation example of the word line boost, in which the word line enable signal WL_EN, the boost enable signal BST_EN, and the applied voltage of the word line WL are depicted sequentially from the top.
メモリセル11へのライト動作時には、まず、ワード線イネーブル信号WL_ENがハイレベルに立ち上げられて、ワード線WLの印加電圧が上昇していく。なお、この時点では、ブーストイネーブル信号BST_ENがローレベルに維持されている。従って、キャパシタ素子25の両端間に電位差が生じるので、キャパシタ素子25がチャージされる。 At the time of the write operation to the memory cell 11, first, the word line enable signal WL_EN is raised to the high level, and the voltage applied to the word line WL is increased. At this point, boost enable signal BST_EN is maintained at low level. Therefore, since a potential difference occurs between both ends of the capacitor element 25, the capacitor element 25 is charged.
ワード線イネーブル信号BL_ENがハイレベルに立ち上げられてから、所定の遅延時間(ブーストディレイ)が経過すると、ブーストイネーブル信号BST_ENがハイレベル(例えばVDD=1.8V)に立ち上げられる。この時点でキャパシタ素子25(強誘電体キャパシタ)の両端間には電荷がチャージされているので、電荷の保存則により、ワード線WLが電源電圧VDD+α(例えば1.8V+α)まで持ち上げられる。 When a predetermined delay time (boost delay) elapses after the word line enable signal BL_EN is raised to the high level, the boost enable signal BST_EN is raised to the high level (for example, VDD = 1.8 V). At this point in time, charge is charged between both ends of the capacitor element 25 (ferroelectric capacitor), and therefore the word line WL is lifted to the power supply voltage VDD + α (for example, 1.8 V + α) according to the charge conservation law.
その結果、ワード線WLに電源電圧VDDを加えた場合(ブーストなし)と比べて、メモリセル11を形成するアクセストランジスタM5及びM6の導通度が大きくなる。従って、ライト回路60の駆動能力を不必要に高めることなく、アクティブ時のデータ書き込みに要する時間を短縮することが可能となる。 As a result, the conductivity of the access transistors M5 and M6 forming the memory cell 11 is larger than when the power supply voltage VDD is applied to the word line WL (without boosting). Therefore, it is possible to shorten the time required for the data writing at the active time without unnecessarily increasing the drive capability of the write circuit 60.
図15は、ワード線ブースト手法の有用性を示す図である。なお、本図の(a)欄にはワード線ブーストなしの挙動が示されており、本図の(b)欄にはワード線ブーストありの挙動が示されている。(a)欄と(b)欄とを対比すれば分かるように、上記したワード線ブースト手法を採用することにより、ライト動作時に内部ノードNode1及びNode2の印加電圧が交差するまでのデータ書き換え時間を短縮することが可能となる。 FIG. 15 shows the usefulness of the word line boosting method. The behavior without word line boost is shown in the (a) column of this figure, and the behavior with word line boost is shown in the (b) column of this figure. As can be seen by comparing the (a) column and the (b) column, by adopting the above-described word line boosting method, the data rewrite time until the applied voltages of the internal nodes Node1 and Node2 cross at the time of the write operation It becomes possible to shorten.
図16、ブーストディレイの最適化について説明するための図である。なお、以下の説明では、ワード線イネーブル信号WL_ENをハイレベルに立ち上げてからブーストイネーブル信号BST_ENをハイレベルに立ち上げるまでの遅延時間をブーストディレイTbdと呼ぶ。また、ワード線イネーブル信号ENがハイレベルに立ち上げられてから、内部ノードNode1及びNode2の印加電圧が交差するまでの時間をデータ書き換え時間Twrと呼ぶ。また、データ書き換え時間Twrを最も短縮することのできるブーストディレイを理想ブーストディレイT0と呼ぶ。 FIG. 16 is a diagram for describing optimization of boost delay. In the following description, the delay time from the rising of the word line enable signal WL_EN to the high level to the rising of the boost enable signal BST_EN to the high level is referred to as a boost delay Tbd. In addition, the time from the rise of the word line enable signal EN to the high level to the crossing of the voltages applied to the internal nodes Node1 and Node2 is referred to as a data rewrite time Twr. Further, a boost delay that can shorten the data rewrite time Twr most is called an ideal boost delay T0.
図17及び図18は、それぞれブーストディレイTbdの延長に伴うデータ書き換え時間Twrの変化挙動を示す図である。図17では、ブーストディレイTbdが理想ブーストディレイT0よりも短い場合(Tbd<T0)を示しており、図18は、ブーストディレイTbdが理想ブーストディレイT0よりも長い場合(Tbd>T0)を示している。 FIG. 17 and FIG. 18 are diagrams showing the change behavior of the data rewrite time Twr accompanying the extension of the boost delay Tbd. FIG. 17 shows the case where the boost delay Tbd is shorter than the ideal boost delay T0 (Tbd <T0), and FIG. 18 shows the case where the boost delay Tbd is longer than the ideal boost delay T0 (Tbd> T0). There is.
図17で示したように、Tbd<T0の領域では、ブーストディレイTbdを延ばして理想ブーストディレイT0に近付けるほど、昇圧後におけるワード線WLの電位が上がるので、データ書き換え時間Twrの改善効果が大きくなる。 As shown in FIG. 17, in the region of Tbd <T0, the potential of the word line WL after boosting rises as the boost delay Tbd is extended and approaches the ideal boost delay T0, so the improvement effect of the data rewrite time Twr is large. Become.
一方、図18で示したように、Tbd>T0の領域では、ブーストディレイTbdを延ばして理想ブーストディレイT0から乖離させるほど、ワード線WLを昇圧している時間が短くなるので、データ書き換え時間Twrの改善効果が小さくなる。 On the other hand, as shown in FIG. 18, in the region of Tbd> T0, the longer the boost delay Tbd is made to deviate from the ideal boost delay T0, the shorter the time during which the word line WL is boosted. The improvement effect of
図19は、ブーストディレイTbdとデータ書き換え時間Twrとの相関図である。本図で示したように、データ書き換え時間Twrは、ブーストディレイTbdが理想ブーストディレイT0と一致しているときに最短となり、ブーストディレイTbdが理想ブーストディレイT0から乖離するほど長くなる。以下の説明では、ブーストディレイTbdが短過ぎて、データ書き換え時間Twrがブーストなしと同じになってしまうブーストディレイTbdを下限ブーストディレイT1とする。また、ブーストディレイTbdが長過ぎて、データ書き換え時間Twrがブーストなしと同じになってしまうブーストディレイTbdを上限ブーストディレイT2とする。 FIG. 19 is a correlation diagram between the boost delay Tbd and the data rewrite time Twr. As shown in the figure, the data rewrite time Twr is shortest when the boost delay Tbd matches the ideal boost delay T0, and becomes longer as the boost delay Tbd deviates from the ideal boost delay T0. In the following description, the boost delay Tbd where the boost delay Tbd is too short and the data rewrite time Twr becomes equal to that without boost is taken as the lower limit boost delay T1. Further, the boost delay Tbd where the boost delay Tbd is too long and the data rewrite time Twr becomes equal to that without boost is taken as the upper limit boost delay T2.
図20は、下限ブーストディレイT1、上限ブーストディレイT2、及び、理想ブーストディレイT0の決定要因を説明するための図である。 FIG. 20 is a diagram for explaining determining factors of the lower limit boost delay T1, the upper limit boost delay T2, and the ideal boost delay T0.
本図(a)欄及び(b)欄で示すように、下限ブーストディレイT1及び理想ブーストディレイT0は、それぞれ、ブーストイネーブル信号BST_ENをハイレベルに立ち上げた時点でワード線WLの印加電圧がどの程度上昇しているかにより決定される。一方、本図(c)欄で示すように、上限ブーストディレイT2は、ブーストイネーブル信号BST_ENがハイレベルに立ち上げられた時点で内部ノードNode1及びNode2の電位差がどの程度縮まっているかにより決定される。 As shown in column (a) and column (b) of this figure, the lower limit boost delay T1 and the ideal boost delay T0 each receive an applied voltage of the word line WL when the boost enable signal BST_EN is raised to a high level. It is decided by whether it is rising to some extent. On the other hand, as shown in the column (c) of the figure, the upper limit boost delay T2 is determined by how much the potential difference between the internal nodes Node1 and Node2 is reduced when the boost enable signal BST_EN is raised to the high level. .
図21は、ワード線WLの立ち上げ時間に応じた理想ブーストディレイT0の変化挙動を示す図である。 FIG. 21 is a diagram showing the change behavior of the ideal boost delay T0 according to the rise time of the word line WL.
半導体記憶装置100(特に、ワード線ドライバ20)を形成するトランジスタの製造ばらつきにより、ワード線WLの立ち上げ時間やデータ書き込み時間は変動する。そのため、下限ブーストディレイT1、上限ブーストディレイT2、及び、理想ブーストディレイT0についても、トランジスタの製造ばらつきに起因して変動する。 The rise time of the word line WL and the data write time fluctuate due to manufacturing variations of the transistors forming the semiconductor memory device 100 (particularly, the word line driver 20). Therefore, the lower limit boost delay T1, the upper limit boost delay T2, and the ideal boost delay T0 also fluctuate due to manufacturing variations of the transistors.
例えば、本図(a)欄で示したように、ワード線WLの立ち上げ時間が短くなると、理想ブーストディレイT0も短くなる。逆に、本図(b)欄で示したように、ワード線WLの立ち上げ時間が長くなると、理想ブーストディレイT0も長くなる。 For example, as shown in the column (a) of the figure, when the rise time of the word line WL becomes short, the ideal boost delay T0 also becomes short. Conversely, as shown in the column (b) of this figure, when the rise time of the word line WL becomes long, the ideal boost delay T0 also becomes long.
このように、理想ブーストディレイT0は、ワード線WLの立ち上げ時間に依存して変動する。従って、ワード線ブースト手法によるデータ書き換え時間Twrの改善効果を最大限に発揮させるためには、理想ブーストディレイT0の変動に応じてブーストディレイTbdを生成する必要がある。 Thus, the ideal boost delay T0 fluctuates depending on the rise time of the word line WL. Therefore, in order to make the most of the improvement effect of the data rewrite time Twr by the word line boost method, it is necessary to generate the boost delay Tbd according to the fluctuation of the ideal boost delay T0.
図22は、遅延段26の一構成例を示す回路図である。本構成例の遅延段26は、ワード線ドライバ20の前段に組み込まれており、ワード線イネーブル信号WL_ENをブーストディレイTbdだけ遅らせてブーストイネーブル信号BST_ENを生成する。 FIG. 22 is a circuit diagram showing an exemplary configuration of delay stage 26. Referring to FIG. The delay stage 26 of this configuration example is incorporated in the front stage of the word line driver 20, and delays the word line enable signal WL_EN by the boost delay Tbd to generate the boost enable signal BST_EN.
より具体的に述べると、遅延段26は、基準イネーブル信号DRV_ENに所定の遅延を与えてワード線イネーブル信号WL_ENを生成するx段のインバータチェイン261と、ワード線イネーブル信号WL_ENをブーストディレイTbdだけ遅らせてブーストイネーブル信号BST_ENを生成するy段のインバータチェイン262と、を含む。 More specifically, the delay stage 26 delays the word line enable signal WL_EN by the boost delay Tbd by providing a predetermined delay to the reference enable signal DRV_EN to generate the word line enable signal WL_EN and the word line enable signal WL_EN. And an y-stage inverter chain 262 for generating a boost enable signal BST_EN.
なお、インバータチェイン261及び262を各々形成するトランジスタは、いずれもワード線ドライバ20を形成する他のトランジスタと同一のプロセスで形成されている。従って、トランジスタの製造ばらつきが生じた場合であっても、ワード線ドライバ20と遅延段26は、各々の特性が同一の挙動で変化する。 The transistors forming the inverter chains 261 and 262 are all formed in the same process as other transistors forming the word line driver 20. Therefore, even if transistor manufacturing variations occur, the characteristics of the word line driver 20 and the delay stage 26 change with the same behavior.
より具体的に述べると、トランジスタの製造ばらつきにより、ワード線ドライバ20の駆動能力が大きくなったときには、ワード線WLの立ち上げ時間が短くなり、理想ブーストディレイT0も短くなる(先出の図21(a)欄を参照)。このとき、インバータチェイン262の駆動能力も同様に大きくなるので、ブーストディレイTbdは、理想ブーストディレイT0に追従して短くなる。 More specifically, when the drive capability of the word line driver 20 is increased due to the manufacturing variation of the transistor, the rise time of the word line WL is shortened and the ideal boost delay T0 is also shortened (FIG. 21 mentioned earlier). See (a)). At this time, since the drive capability of the inverter chain 262 also increases, the boost delay Tbd follows the ideal boost delay T0 and becomes shorter.
逆に、トランジスタの製造ばらつきにより、ワード線ドライバ20の駆動能力が小さくなったときには、ワード線WLの立ち上げ時間が長くなり、理想ブーストディレイT0も長くなる(先出の図21(b)欄を参照)。このとき、インバータチェイン262の駆動能力も同様に小さくなるので、ブーストディレイTbdは、理想ブーストディレイT0に追従して長くなる。 Conversely, when the drive capability of the word line driver 20 decreases due to manufacturing variations of the transistors, the rise time of the word line WL becomes longer, and the ideal boost delay T0 also becomes longer (preceding FIG. 21 (b) column See). At this time, since the drive capability of the inverter chain 262 also decreases, the boost delay Tbd follows the ideal boost delay T0 and becomes longer.
このように、遅延段26をインバータチェイン261及び262で形成すれば、ブーストディレイTbdを理想ブーストディレイT0に合わせて適切に変動することができる。従って、トランジスタの製造ばらつきに依ることなく、ワード線ブースト手法によるデータ書き換え時間Twrの改善効果を最大限に発揮させることが可能となる。 As described above, if the delay stage 26 is formed by the inverter chains 261 and 262, the boost delay Tbd can be appropriately varied in accordance with the ideal boost delay T0. Therefore, it is possible to maximize the effect of improving the data rewrite time Twr by the word line boosting method without depending on the manufacturing variation of the transistor.
図23は、遅延段26の有用性を示す図である。遅延段26(インバータチェイン)で生成されるブーストディレイTbdは、室温(25℃)におけるTTコーナーにおいて、ブーストディレイTbdが理想ブーストディレイT0と一致するように調整されている。本図で示したように、遅延段26で生成されるブーストディレイTbdは、いずれのプロセスコーナー(FF[fast/fast]、SF[slow/fast]、TT[typical/typical]、FS[fast/slow]、SS[slow/slow])でも理想ブーストディレイT0と一致している。理想ブーストディレイT0とブーストディレイTbdとの最大乖離は、−40℃におけるFFコーナーの−18%である。 FIG. 23 illustrates the usefulness of delay stage 26. Referring to FIG. The boost delay Tbd generated by the delay stage 26 (inverter chain) is adjusted so that the boost delay Tbd matches the ideal boost delay T0 at the TT corner at room temperature (25 ° C.). As shown in the figure, the boost delay Tbd generated by the delay stage 26 has any process corner (FF [fast / fast], SF [slow / fast], TT [typical / typical], FS [fast / fast] Even in [slow] and SS [slow / slow]), they coincide with the ideal boost delay T0. The maximum difference between the ideal boost delay T0 and the boost delay Tbd is -18% of the FF corner at -40.degree.
図24は、ワード線ブースト手法の性能評価を行う際に用いたSPICEシミュレーションの諸条件を示すテーブルである。本図で示したように、シミュレーション条件は、プロセス:130nm、温度:25℃、電源電圧:1.5V、マクロ構成:16bits/word、ワード線BLに接続されるメモリセル数:256、及び、ビット線BLに接続されるメモリセル数:256である。 FIG. 24 is a table showing various conditions of SPICE simulation used to evaluate the performance of the word line boost method. As shown in the figure, the simulation conditions are: process: 130 nm, temperature: 25 ° C., power supply voltage: 1.5 V, macro configuration: 16 bits / word, number of memory cells connected to word line BL: 256, and The number of memory cells connected to the bit line BL is 256.
図25は、ライトアクセス時間の比較図である。本図で示すように、SPICEシミュレーションでは、最低でもライトアクセス時間が21%改善するという結果が得られた。 FIG. 25 is a comparison diagram of write access time. As shown in the figure, the SPICE simulation shows that the write access time is improved by at least 21%.
図26は、ワード線ブーストのシミュレーション結果(TTコーナー、25℃)を示すテーブルである。本図で示すように、これまでに説明してきたワード線ブースト手法の採用に伴い、ワード線ドライバ20の消費電力は、ブーストなしと比べて47.8%増大するという結果が得られた。ただし、16Kbのメモリブロック1全体でみると、その消費電力は、ブーストなしと比べて僅かに1.3%しか増大しないという結果が得られた。 FIG. 26 is a table showing simulation results (TT corner, 25 ° C.) of word line boost. As shown in the figure, with the adoption of the word line boosting method described above, the power consumption of the word line driver 20 is increased by 47.8% as compared to the case without the boosting. However, in the whole of the 16 Kb memory block 1, the power consumption was increased by only 1.3% as compared with that without the boost.
すなわち、上記で説明したワード線ブースト手法によれば、僅か1.3%の電力増大だけでライトアクセス時間を21%も短縮することが可能となる。 That is, according to the word line boosting method described above, it is possible to shorten the write access time by 21% with an increase in power of only 1.3%.
なお、上記では、強誘電体シャドウメモリを駆動対象するワード線ドライバを例に挙げたが、ワード線ブースト手法の適用対象はこれに限定されるものではなく、例えば、6T構造のSRAMメモリセルをベースとし、その内部ノードに寄生キャパシタCp2よりも大容量のノードキャパシタが接続されているものを駆動対象とする場合においても、上記のワード線ブースト手法を好適に適用することが可能である。 Although the word line driver for driving the ferroelectric shadow memory has been described above as an example, the application target of the word line boosting method is not limited to this. For example, an SRAM memory cell of 6T structure is used. The word line boosting method described above can be suitably applied even in the case where a drive target is a base whose node is connected to a node capacitor of a larger capacity than the parasitic capacitor Cp2 at its internal node.
<第4実施形態>
メモリセル11(強誘電体シャドウメモリ)の不揮発化を行うためには、電源電圧VDDの遮断/復帰前に、プレート線ドライバ40を用いてプレート線PL1及びPL2をパルス駆動することにより、データのストア/リコール動作を行う必要がある。
Fourth Embodiment
In order to non-volatile the memory cell 11 (ferroelectric shadow memory), the plate line driver 40 is used to pulse-drive the plate lines PL1 and PL2 before blocking / returning the power supply voltage VDD. It is necessary to perform store / recall operation.
しかし、プレート線PL1及びPL2に接続された強誘電体キャパシタFC1〜FC4は大きな容量を持つので、プレート線PL1及びPL2を所定の電位までチャージするためには長時間を要する。以下では、プレート線PL1及びPL2のチャージ時間を短縮してストア/リコール動作を高速化するための手段として、ストア/リコール時にプレート線ドライバ40の駆動能力を高めるプレート線ドライバブースト手法の説明を行う。 However, since the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 connected to the plate lines PL1 and PL2 have large capacitances, it takes a long time to charge the plate lines PL1 and PL2 to a predetermined potential. In the following, as a means for shortening the charge time of plate lines PL1 and PL2 to speed up the store / recall operation, a plate line driver boost method for enhancing the driving capability of plate line driver 40 at the time of store / recall will be described. .
図27は、プレート線ドライバ40の一構成例を示す回路図である。プレート線ドライバ40は、Pチャネル型電界効果トランジスタ41及び42と、Nチャネル型電界効果トランジスタ43〜45と、インバータ46と、強誘電体キャパシタ47と、を含む。 FIG. 27 is a circuit diagram showing a configuration example of the plate line driver 40. As shown in FIG. The plate line driver 40 includes P-channel field effect transistors 41 and 42, N-channel field effect transistors 43-45, an inverter 46, and a ferroelectric capacitor 47.
トランジスタ41のソースは、電源端に接続されている。トランジスタ41及び43のドレインは、いずれも第2プレート線イネーブル信号PL_EN2の印加端(ブースト対象ノードに相当)に接続されている。トランジスタ43のソースは、トランジスタ44のドレインに接続されている。トランジスタ44のソースは、接地端に接続されている。トランジスタ41及び44のゲートは、いずれもプレート線イネーブル信号PL_ENの印加端に接続されている。トランジスタ43のゲートは、インバータ46の出力端(反転ブーストイネーブル信号B_ENBの印加端)に接続されている。インバータ46の入力端は、ブーストイネーブル信号B_ENの印加端に接続されている。強誘電体キャパシタ47は、インバータ46の出力端と第2プレート線イネーブル信号PL_EN2の印加端との間に接続されている。トランジスタ42のソースは、電源端に接続されている。トランジスタ42及び45のドレインは、いずれもプレート線PLに接続されている。トランジスタ45のソースは、接地端に接続されている。トランジスタ42及び45のゲートは、いずれも第2プレート線イネーブル信号PL_EN2の印加端に接続されている。 The source of the transistor 41 is connected to the power supply end. The drains of the transistors 41 and 43 are both connected to the application end (corresponding to a boost target node) of the second plate line enable signal PL_EN2. The source of the transistor 43 is connected to the drain of the transistor 44. The source of the transistor 44 is connected to the ground terminal. The gates of the transistors 41 and 44 are both connected to the application end of the plate line enable signal PL_EN. The gate of the transistor 43 is connected to the output end of the inverter 46 (application end of the inverted boost enable signal B_ENB). The input end of the inverter 46 is connected to the application end of the boost enable signal B_EN. The ferroelectric capacitor 47 is connected between the output end of the inverter 46 and the application end of the second plate line enable signal PL_EN2. The source of the transistor 42 is connected to the power supply end. The drains of the transistors 42 and 45 are both connected to the plate line PL. The source of the transistor 45 is connected to the ground terminal. The gates of the transistors 42 and 45 are both connected to the application end of the second plate line enable signal PL_EN2.
なお、トランジスタ41及び44は、プレート線イネーブル信号PL_ENに応じて第2プレート線イネーブル信号PL_EN2を生成する第1出力段(第1インバータ段)として機能する。また、トランジスタ42及び45は、第2プレート線イネーブル信号PL_EN2に応じてメモリセル11のプレート線PLを駆動する第2出力段(第2インバータ段)として機能する。また、トランジスタ43、インバータ46、及び、強誘電体キャパシタ47は、ブーストイネーブル信号B_ENに応じて強誘電体キャパシタ47のカップリング制御を行うことにより、第2プレート線イネーブル信号PL_EN2を負電圧まで引き下げて第2出力段の駆動能力を増強するブースト段として機能する。 The transistors 41 and 44 function as a first output stage (first inverter stage) that generates a second plate line enable signal PL_EN2 in response to the plate line enable signal PL_EN. The transistors 42 and 45 function as a second output stage (second inverter stage) that drives the plate line PL of the memory cell 11 according to the second plate line enable signal PL_EN2. Also, the transistor 43, the inverter 46, and the ferroelectric capacitor 47 pull down the second plate line enable signal PL_EN2 to a negative voltage by performing coupling control of the ferroelectric capacitor 47 according to the boost enable signal B_EN. Function as a boost stage that enhances the drive capability of the second output stage.
なお、先出のワード線ドライバ20と同様、ブースト段を形成するキャパシタ素子としては、単位面積当たりの容量が大きい強誘電体キャパシタ47を用いることが望ましい。ただし、強誘電体キャパシタ47に代えて、MOSキャパシタ、MIMキャパシタ、ないし、MOMキャパシタを用いることも可能である。 As in the word line driver 20 described above, it is desirable to use a ferroelectric capacitor 47 having a large capacity per unit area as a capacitor element forming the boost stage. However, in place of the ferroelectric capacitor 47, it is also possible to use a MOS capacitor, an MIM capacitor, or a MOM capacitor.
図28は、プレート線ドライバブーストの一動作例を示すタイミングチャートであり、紙面の上から順に、プレート線イネーブル信号PL_EN、反転ブーストイネーブル信号B_ENB、第2プレート線イネーブル信号PL_EN2、及び、プレート線PLの印加電圧が描写されている。 FIG. 28 is a timing chart showing an operation example of the plate line driver boost, and the plate line enable signal PL_EN, the inverted boost enable signal B_ENB, the second plate line enable signal PL_EN2, and the plate line PL in this order from the top of the page. The applied voltage of is depicted.
メモリセル11のストア/リコール動作時には、まず、プレート線イネーブル信号PL_ENがハイレベルに立ち上げられて第2プレート線イネーブル信号PL_EN2がローレベルに引き下げられる。その結果、トランジスタ42がオンするので、プレート線PLの印加電圧が上昇していく。なお、この時点では、ブーストイネーブル信号B_ENがローレベルのままであり、反転ブーストイネーブル信号B_ENBがハイレベルに維持されている。従って、強誘電体キャパシタ47の両端間に電位差が生じるので、強誘電体キャパシタ47がチャージされる。 In the store / recall operation of the memory cell 11, first, the plate line enable signal PL_EN is raised to the high level, and the second plate line enable signal PL_EN2 is pulled to the low level. As a result, the transistor 42 is turned on, and the voltage applied to the plate line PL rises. At this point, the boost enable signal B_EN remains at the low level, and the inverted boost enable signal B_ENB is maintained at the high level. Therefore, since a potential difference occurs between both ends of the ferroelectric capacitor 47, the ferroelectric capacitor 47 is charged.
次に、第2プレート線イネーブル信号PL_EN2が接地電圧GNDとなるタイミングで、ブーストイネーブル信号B_ENがハイレベルとなり、反転ブーストイネーブル信号B_ENBがローレベルに立ち下げられる。この時点で強誘電体キャパシタ47の両端間には電荷がチャージされているので、電荷の保存則により、第2プレート線イネーブル信号PL_EN2が負電圧(=GND−α)まで引き下げられる。 Next, at the timing when the second plate line enable signal PL_EN2 becomes the ground voltage GND, the boost enable signal B_EN becomes high level, and the inverted boost enable signal B_ENB falls to low level. At this time, since the charge is charged between both ends of the ferroelectric capacitor 47, the second plate line enable signal PL_EN2 is pulled down to a negative voltage (= GND−α) according to the charge conservation law.
その結果、第2プレート線イネーブル信号PL_EN2が接地電圧GNDとされた場合(ブーストなし)と比べて、トランジスタ42の導通度が大きくなり、延いては、第2出力段の駆動能力(トランジスタ42のオン電流)が増強される。このように、プレート線PLのハイレベル電圧を高めるのではなく、プレート線ドライバ40の駆動能力を増大することにより、プレート線PLのチャージ時間を短縮してストア/リコール動作を高速化することが可能となる。 As a result, the conductivity of the transistor 42 is larger than when the second plate line enable signal PL_EN2 is set to the ground voltage GND (without the boost), and hence the drivability of the second output stage (the transistor 42 On current) is increased. As described above, the charge time of the plate line PL can be shortened to accelerate the store / recall operation by increasing the driving capability of the plate line driver 40 instead of increasing the high level voltage of the plate line PL. It becomes possible.
図29は、プレート線ドライバブーストのシミュレーション結果(TTコーナー、25℃)を示すテーブルである。なお、シミュレーション条件は、先出の図24で示した通りである。本図で示すように、これまでに説明してきたプレート線ドライバブースト手法を採用すれば、僅か0.43%の電力増大だけでプレート線チャージ時間が約33%も短縮されるという結果が得られた。 FIG. 29 is a table showing simulation results (TT corner, 25 ° C.) of plate line driver boost. The simulation conditions are as shown in FIG. 24 described above. As shown in this figure, if the plate line driver boost method described above is adopted, the result is that the plate line charge time is reduced by about 33% with only a 0.43% increase in power. The
図30は、間欠起動型センシングアプリケーションを対象として、上記のワード線ブースト手法とプレート線ドライバブースト手法を適用した場合におけるシステムレベルでの作用効果(アクティブ時間の短縮と消費電力の低減)を示す概念図である。また、図31は、アクティブ時間の比較テーブルである。 FIG. 30 is a concept showing the action and effect (shortening of active time and reduction of power consumption) at the system level when the above word line boost method and plate line driver boost method are applied to an intermittent start sensing application. FIG. FIG. 31 is a comparison table of active time.
本評価では、間欠起動型アプリケーションの一例として、環境モニタリング用のセンサネットワークを想定している。なお、このセンサネットワークにおいて、センサのMCU[micro control unit]は、1秒毎にスリープ状態からアクティブ状態に復帰し、160ビットの計測データをリード/ライトして演算処理を行った後に、再びアクティブ状態からスリープ状態へ移行する。なお、スリープ状態ではセンサへの電力供給が遮断される。 In this evaluation, a sensor network for environmental monitoring is assumed as an example of the intermittent activation type application. In this sensor network, the MCU [micro control unit] of the sensor returns from the sleep state to the active state every one second, reads / writes the measurement data of 160 bits, performs the arithmetic processing, and then becomes active again. Transition from state to sleep state. In the sleep state, the power supply to the sensor is cut off.
両図で示すように、ワード線ブースト手法を単独で採用した場合には、アクティブ時間が4%短縮され、これに加えてプレート線ドライバブースト手法を採用した場合にはアクティブ時間がさらに25%短縮された。最終的に、ワード線ブースト手法とプレート線ドライバブースト手法を併用した場合には、最大1.3%のアクティブ電力増大によって総アクセス時間を29%短縮することができるという結果が得られた。 As shown in both figures, the active time is reduced by 4% when the word line boost method is adopted alone, and the active time is further reduced by 25% when the plate line driver boost method is adopted. It was done. Finally, when the word line boosting method and the plate line driver boosting method are used in combination, the result is obtained that the total access time can be reduced by 29% by the increase of the active power up to 1.3%.
<第5実施形態>
図32は、経年劣化によるリコール不良について説明するための図である。本図(a)欄で示したように、製造時点でのリコールマージン(リコール動作時に生じる内部ノードNode1及びNode2の電位差のこと、以下では単にマージンと略称する)が十分に大きい正常メモリセルであれば、経年劣化によってマージンが多少縮小しても、電源遮断前にストアされたデータを正しくリコールすることができる。
Fifth Embodiment
FIG. 32 is a diagram for explaining a recall failure due to aged deterioration. As shown in the column (a) of this figure, it may be a normal memory cell having a sufficiently large recall margin (a potential difference between internal nodes Node1 and Node2 generated at the time of recall operation, hereinafter simply referred to as margin) at the manufacturing time. For example, even if the margin is slightly reduced due to aging, data stored before power-off can be correctly recalled.
一方、本図(b)欄で示したように、製造時点でのマージンが小さい不良メモリセルでは、出荷直後に正しくリコール動作を行うことができていても、経年劣化によってマージンが縮小することにより、リコール不良を生じるおそれが高い。そのため、半導体記憶装置100の信頼性を高めるためには、出荷前検査でメモリセル11のマージンテストを行い、不良メモリセルをスクリーニングすることが重要となる。 On the other hand, as shown in the column (b) of this figure, in the case of a defective memory cell with a small margin at the manufacturing time, the margin is reduced due to age deterioration even though the recall operation can be correctly performed immediately after shipment. , There is a high risk of recall failure. Therefore, in order to improve the reliability of the semiconductor memory device 100, it is important to perform a margin test of the memory cell 11 in a pre-shipment inspection to screen for a defective memory cell.
そこで、以下では、ビット線の電位をチップ外から任意に設定し、強誘電体キャパシタの不良を検出するマージンテスト手法について提案する。 Therefore, in the following, a margin test method for detecting a defect of a ferroelectric capacitor by arbitrarily setting the potential of the bit line from outside the chip is proposed.
図33は、マージンテストの対象となる半導体記憶装置の第1構成例を示す回路図である。本構成例の半導体記憶装置100は、基本的に先出の図2と同様の構成であり、外部端子TA及びTBと、トランスミッションゲートSWA及びSWBと、を有する。 FIG. 33 is a circuit diagram showing a first configuration example of a semiconductor memory device to be subjected to a margin test. The semiconductor memory device 100 of this configuration example is basically the same configuration as that of FIG. 2 described above, and has external terminals TA and TB, and transmission gates SWA and SWB.
外部端子TAは、半導体記憶装置100の外部からビット線BLに対して任意のアナログ電圧を印加するための端子である。外部端子TBは、半導体装置100の外部から反転ビット線XBLに対して任意のアナログ電圧を印加するための端子である。トランスミッションゲートSWAは、外部端子TAとビット線BLとの間に接続されており、テストイネーブル信号TEST1_Eに応じてオン/オフされる。トランスミッションゲートSWBは、外部端子TBと反転ビット線XBLとの間に接続されており、テストイネーブル信号TEST2_Eに応じてオン/オフされる。 The external terminal TA is a terminal for applying an arbitrary analog voltage to the bit line BL from the outside of the semiconductor memory device 100. The external terminal TB is a terminal for applying an arbitrary analog voltage to the inversion bit line XBL from the outside of the semiconductor device 100. The transmission gate SWA is connected between the external terminal TA and the bit line BL, and turned on / off in response to the test enable signal TEST1_E. The transmission gate SWB is connected between the external terminal TB and the inversion bit line XBL, and turned on / off according to the test enable signal TEST2_E.
また、本図では、メモリセル11を形成する回路要素として、インバータループへの電力供給をオン/オフするための電源スイッチM7及びM8が明示されている。電源スイッチM7は、電源端とインバータループとの間に接続されたPチャネル型の電界効果トランジスタであり、反転メモリセルイネーブル信号MC_ENに応じてオン/オフされる。一方、電源スイッチM8は、インバータループと接地端との間に接続されたNチャネル型の電界効果トランジスタであり、メモリセルイネーブル信号MC_Eに応じてオン/オフされる。ただし、これらの電源スイッチM7及びM8は、図2でその描写が省略されていただけであり、本構成例において別途新たに追加された回路要素ではない。また、リード回路70(センスアンプ)は、センスアンプイネーブル信号SA_Eに応じてイネーブル/ディセーブルが切り替えられる。 Further, in the drawing, power supply switches M7 and M8 for turning on / off power supply to the inverter loop are clearly shown as circuit elements forming the memory cell 11. The power supply switch M7 is a P-channel type field effect transistor connected between the power supply terminal and the inverter loop, and is turned on / off in response to the inverted memory cell enable signal MC_EN. On the other hand, the power switch M8 is an N-channel type field effect transistor connected between the inverter loop and the ground terminal, and is turned on / off according to the memory cell enable signal MC_E. However, these power switches M7 and M8 are only the depiction thereof omitted in FIG. 2 and are not circuit elements newly added separately in this configuration example. The read circuit 70 (sense amplifier) is switched between enable / disable in response to the sense amplifier enable signal SA_E.
図34は、第1構成例(図33)の半導体記憶装置100を検査対象とした第1テストのパスパターン(合格パターン)を示すタイミングチャートであり、上から順に、プレート線PL1及びPL2、ワード線WL、センスアンプイネーブル信号SA_E、内部ノードNode1及びNode2、ビット線BL、反転ビット線XBL、テストイネーブル信号TEST1_E及びTEST2_E、並びに、メモリセルイネーブル信号MC_E及び反転メモリセルイネーブル信号MC_ENの各状態が描写されている。 FIG. 34 is a timing chart showing a pass pattern (passing pattern) of the first test targeting the semiconductor memory device 100 of the first configuration example (FIG. 33) as an inspection target, and plate lines PL1 and PL2, word from top to bottom The states of line WL, sense amplifier enable signal SA_E, internal nodes Node1 and Node2, bit line BL, inverted bit line XBL, test enable signals TEST1_E and TEST2_E, and memory cell enable signal MC_E and inverted memory cell enable signal MC_EN are depicted. It is done.
期間(1)では、プレート線PL1及びPL2がパルス駆動されて強誘電体キャパシタFC1〜FC4にデータ(本図の例ではNode1=H、Node2=L)がストアされる。その後、メモリセルイネーブル信号MC_Eがローレベルに立ち上げられて反転メモリセルイネーブル信号MC_ENがハイレベルに立ち上げられることにより、電源スイッチM7及びM8がいずれもオフされて、インバータチェインへの電源供給が遮断される。 In period (1), the plate lines PL1 and PL2 are pulse-driven, and data (Node1 = H, Node2 = L in the example of this figure) are stored in the ferroelectric capacitors FC1 to FC4. Thereafter, the memory cell enable signal MC_E is raised to the low level, and the inverted memory cell enable signal MC_EN is raised to the high level, whereby both of the power switches M7 and M8 are turned off to supply the power to the inverter chain. It is cut off.
期間(2)では、テストイネーブル信号TEST2_Eが所定期間に亘ってハイレベルに立ち上げられることにより、トランスミッションゲートSWBがオンされて、外部端子TBから反転ビット線XBLに任意のリファレンス電圧REFが印加される。 In period (2), the test enable signal TEST2_E is raised to a high level for a predetermined period, whereby the transmission gate SWB is turned on, and an arbitrary reference voltage REF is applied from the external terminal TB to the inversion bit line XBL. Ru.
期間(3)では、インバータループをディセーブル(MC_E=L、MC_EN=H)にした状態で、プレート線PL1がパルス駆動(ハイレベルに立ち上げ)されることにより、メモリセル11のリコール動作が行われる。このとき、内部ノードNode1及びNode2には、それぞれ、強誘電体キャパシタFC1〜FC4の残留分極状態に応じた電圧wkH及びwkLが現れる。 In period (3), with the inverter loop disabled (MC_E = L, MC_EN = H), the plate line PL1 is pulse-driven (raised to a high level), whereby the recall operation of the memory cell 11 is performed. To be done. At this time, voltages wkH and wkL corresponding to the residual polarization states of the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 appear on the internal nodes Node1 and Node2, respectively.
期間(4)では、ワード線WLがハイレベルに立ち上げられてトランジスタM5及びM6が両方ともオンされることにより、内部ノードNode1とビット線BLとの間、並びに、内部ノードNode2と反転ビット線XBLとの間で各電位が互いに一致される。すなわち、ビット線BLと内部ノードNode1はいずれも電圧wkHとなり、反転ビット線XBLと内部ノードNode2はいずれもリファレンス電圧REFとなる。 In period (4), word line WL is raised to a high level to turn on both transistors M5 and M6, whereby internal node Node1 and bit line BL, and internal node Node2 and an inverted bit line Each potential is matched with each other between XBL and XBL. That is, the bit line BL and the internal node Node1 both have the voltage wkH, and the inverted bit line XBL and the internal node Node2 both have the reference voltage REF.
期間(5)では、センスアンプイネーブル信号SA_Eがハイレベルに立ち上げられてリード回路70によるリード動作が行われる。すなわち、ビット線BLと反転ビット線XBLとの間で、各々に印加された電圧wkHとリファレンス電圧REFとが比較される。 In period (5), the sense amplifier enable signal SA_E is raised to the high level, and the read operation by the read circuit 70 is performed. That is, the voltage wkH applied to each of the bit line BL and the inverted bit line XBL is compared with the reference voltage REF.
なお、本図の例では、内部ノードNode1にリコールされる電圧wkHがリファレンス電圧REFよりも高い。従って、リード回路70の差分増幅作用により、ビット線BL及び内部ノードNode1がハイレベルに引き上げられて、反転ビット線XBL及び内部ノードNode2がローレベルに引き下げられる。この状態は、電源遮断前の状態と同一であるので、検査結果はパス(合格)となる。 In the example of the present drawing, the voltage wkH recalled to the internal node Node1 is higher than the reference voltage REF. Therefore, the bit line BL and the internal node Node1 are pulled high by the differential amplification action of the read circuit 70, and the inverted bit line XBL and the internal node Node2 are pulled low. Since this state is the same as the state before power-off, the inspection result is a pass (pass).
図35は、第1構成例(図33)の半導体記憶装置100を検査対象とした第1テストのフェイルパターン(不合格パターン)を示すタイミングチャートであり、上から順に、プレート線PL1及びPL2、ワード線WL、センスアンプイネーブル信号SA_E、内部ノードNode1及びNode2、ビット線BL、反転ビット線XBL、テストイネーブル信号TEST1_E及びTEST2_E、並びに、メモリセルイネーブル信号MC_E及び反転メモリセルイネーブル信号MC_ENの各状態が描写されている。 FIG. 35 is a timing chart showing a fail pattern (rejected pattern) of the first test targeting the semiconductor memory device 100 of the first configuration example (FIG. 33) as an inspection target, and plate lines PL1 and PL2, Each state of word line WL, sense amplifier enable signal SA_E, internal nodes Node1 and Node2, bit line BL, inverted bit line XBL, test enable signals TEST1_E and TEST2_E, and memory cell enable signal MC_E and inverted memory cell enable signal MC_EN It is depicted.
期間(1)〜(5)に亘る一連のテスト動作自体は、先出の図34と同様である。ただし、本図の例では、内部ノードNode1にリコールされる電圧wkHがリファレンス電圧REFよりも低い。従って、リード回路70の差動増幅作用により、ビット線BL及び内部ノードNode1がローレベルに引き下げられて、反転ビット線XBL及び内部ノードNode2がハイレベルに引き上げられる。この状態は、電源遮断前の状態と逆であるので、検査結果はフェイル(不合格)となる。 A series of test operations per se (1) to (5) are similar to FIG. 34 described above. However, in the example of the present drawing, the voltage wkH recalled to the internal node Node1 is lower than the reference voltage REF. Therefore, the bit line BL and the internal node Node1 are pulled low by the differential amplification action of the read circuit 70, and the inverted bit line XBL and the internal node Node2 are pulled high. Since this state is the reverse of the state before the power interruption, the inspection result is a failure.
なお、反転ビット線XBLに印加されるリファレンス電圧REFをスイープしながら、上記の検査結果(パス/フェイル)を逐一確認することにより、内部ノードNode1にリコールされる電圧wkHの絶対値を知ることができる。例えば、リファレンス電圧REFとして、電圧REF1を印加したときの検査結果がパスであって電圧REF2(>REF1)を印加したときの検査結果がフェイルであった場合、REF1<wkH<REF2であることが分かる。 Note that the absolute value of voltage wkH recalled to internal node Node1 can be known by checking the above inspection results (pass / fail) one by one while sweeping reference voltage REF applied to inverted bit line XBL. it can. For example, when the inspection result when applying the voltage REF1 is a pass and the inspection result when applying the voltage REF2 (> REF1) as the reference voltage REF is fail, it is that REF1 <wkH <REF2 I understand.
また、期間(2)において、テストイネーブル信号TEST1_Eをハイレベルに立ち上げれば、トランスミッションゲートSWAをオンして、外部端子TAからビット線BLに任意のリファレンス電圧REFを印加することができる。従って、先と同様に、ビット線BLに印加されるリファレンス電圧REFをスイープしながら、上記の検査結果を逐一確認することにより、内部ノードNode2にリコールされる電圧wkLの絶対値を知ることもできる。 In the period (2), when the test enable signal TEST1_E is raised to a high level, the transmission gate SWA can be turned on to apply an arbitrary reference voltage REF from the external terminal TA to the bit line BL. Therefore, it is possible to know the absolute value of voltage wkL recalled to internal node Node2 by checking the above inspection results while sweeping reference voltage REF applied to bit line BL in the same manner as described above. .
このように、内部ノードNode1及びNode2にリコールされる電圧wkH及びwkLの絶対値を知ることにより、メモリセル11のマージンVm(=wkH−wkL)を検査することができる。従って、経年劣化によってリコール不良を生じるおそれの高い不良メモリセルを出荷前検査でスクリーニングすることが可能となる。 Thus, the margin Vm (= wkH−wkL) of the memory cell 11 can be checked by knowing the absolute values of the voltages wkH and wkL recalled to the internal nodes Node1 and Node2. Therefore, it becomes possible to screen a defective memory cell which is highly likely to cause a recall failure due to aged deterioration by inspection before shipment.
なお、外部端子TA及びTBを複数のメモリセル11で共用する場合、テスト対象外のメモリセルについては、リファレンス電圧REFが印加されるビット線BL(または反転ビット線XBL)とプレート線PL1及びPL2との間をショートさせておくことが望ましい。このような構成とすることにより、テスト対象外のメモリセルでデータ化けが生じないので、当該メモリセルをテスト対象とする際にデータを書き直す作業が不要となる。 When external terminals TA and TB are shared by a plurality of memory cells 11, for memory cells not to be tested, bit line BL (or inverted bit line XBL) to which reference voltage REF is applied and plate lines PL1 and PL2 It is desirable to short between them. With such a configuration, data corruption does not occur in memory cells not to be tested, and therefore, when the memory cells are to be tested, there is no need to rewrite data.
図36は、マージンテストの対象となる半導体記憶装置の第2構成例を示す回路図である。本構成例の半導体記憶装置100は、基本的に先出の図33と同様の構成であり、トランジスタM5のゲートに接続されるワード線WL1と、トランジスタM6のゲートに接続されるワード線WL2と、を別個独立に有する。 FIG. 36 is a circuit diagram showing a second configuration example of the semiconductor memory device to be subjected to the margin test. The semiconductor memory device 100 of this configuration example basically has the same configuration as that of FIG. 33 described above, and includes the word line WL1 connected to the gate of the transistor M5 and the word line WL2 connected to the gate of the transistor M6. , Have independently.
図37及び図38は、それぞれ、第2構成例(図36)の半導体記憶装置100を検査対象とした第2テストのパスパターン及びフェイルパターンを示すタイミングチャートであり、上から順に、プレート線PL1及びPL2、ワード線WL1及びWL2、センスアンプイネーブル信号SA_E、内部ノードNode1及びNode2、ビット線BL、反転ビット線XBL、テストイネーブル信号TEST1_E及びTEST2_E、並びに、メモリセルイネーブル信号MC_E及び反転メモリセルイネーブル信号MC_ENの各状態が描写されている。 FIGS. 37 and 38 are timing charts showing a pass pattern and a fail pattern of the second test for testing the semiconductor memory device 100 of the second configuration example (FIG. 36), respectively. And PL2, word lines WL1 and WL2, sense amplifier enable signal SA_E, internal nodes Node1 and Node2, bit line BL, inverted bit line XBL, test enable signals TEST1_E and TEST2_E, and memory cell enable signal MC_E and inverted memory cell enable signal Each state of MC_EN is depicted.
期間(1)〜(5)に亘る一連のテスト動作自体は、先の図34及び図35と基本的に同様である。ただし、第2テストでは、期間(4)において、ワード線WL1がハイレベルとされる一方、ワード線WL2がローレベルに維持される。すなわち、トランジスタM5及びM6のうち、リファレンス電圧REFが印加されていないトランジスタM5のみがオンされて、トランジスタM6はオフされたままとなる。 A series of test operations per se (1) to (5) are basically the same as those in FIGS. 34 and 35 described above. However, in the second test, in the period (4), the word line WL1 is set to the high level, and the word line WL2 is maintained at the low level. That is, among the transistors M5 and M6, only the transistor M5 to which the reference voltage REF is not applied is turned on, and the transistor M6 remains turned off.
その結果、内部ノードNode2は、リファレンス電圧REFが印加される反転ビット線XBLから遮断された状態に維持されるので、リコール動作によって得られた電圧wkLを保持したままとなる。 As a result, the internal node Node2 is maintained in the state of being disconnected from the inverted bit line XBL to which the reference voltage REF is applied, and thus holds the voltage wkL obtained by the recall operation.
このような構成とすることにより、反転ビット線XBLにリファレンス電圧REFを印加しても内部ノードNode2のデータ化けが生じないので、内部ノードNode1の絶対値を計測した後、ビット線BLにリファレンス電圧REFを印加して内部ノードNode2の絶対値を計測する際には、メモリセル11へデータを書き直す作業が不要となる。 With such a configuration, data corruption of internal node Node2 does not occur even if reference voltage REF is applied to inverted bit line XBL. Therefore, after measuring the absolute value of internal node Node1, the reference voltage to bit line BL is obtained. When applying the REF to measure the absolute value of the internal node Node2, the operation of rewriting the data in the memory cell 11 is unnecessary.
図39は、第1構成例(図33)の半導体記憶装置100を検査対象とした第3テストのパスパターン(合格パターン)を示すタイミングチャートであり、上から順に、プレート線PL1及びPL2、ワード線WL、センスアンプイネーブル信号SA_E、内部ノードNode1及びNode2、ビット線BL、反転ビット線XBL、テストイネーブル信号TEST1_E及びTEST2_E、並びに、メモリセルイネーブル信号MC_E及び反転メモリセルイネーブル信号MC_ENの各状態が描写されている。 FIG. 39 is a timing chart showing a pass pattern (passing pattern) of the third test targeting the semiconductor memory device 100 of the first configuration example (FIG. 33) as an inspection target, and plate lines PL1 and PL2, word from top to bottom The states of line WL, sense amplifier enable signal SA_E, internal nodes Node1 and Node2, bit line BL, inverted bit line XBL, test enable signals TEST1_E and TEST2_E, and memory cell enable signal MC_E and inverted memory cell enable signal MC_EN are depicted. It is done.
期間(1)では、プレート線PL1及びPL2がパルス駆動されて強誘電体キャパシタFC1〜FC4にデータ(本図の例ではNode1=H、Node2=L)がストアされる。その後、メモリセルイネーブル信号MC_Eがローレベルに立ち上げられて反転メモリセルイネーブル信号MC_ENがハイレベルに立ち上げられることにより、電源スイッチM7及びM8がいずれもオフされて、インバータチェインへの電源供給が遮断される。 In period (1), the plate lines PL1 and PL2 are pulse-driven, and data (Node1 = H, Node2 = L in the example of this figure) are stored in the ferroelectric capacitors FC1 to FC4. Thereafter, the memory cell enable signal MC_E is raised to the low level, and the inverted memory cell enable signal MC_EN is raised to the high level, whereby both of the power switches M7 and M8 are turned off to supply the power to the inverter chain. It is cut off.
期間(2)では、テストイネーブル信号TEST2_Eが所定期間に亘ってハイレベルに立ち上げられることにより、トランスミッションゲートSWBがオンされて、外部端子TBから反転ビット線XBLに任意のオフセット電圧OFSが印加される。このとき、ビット線BLは、接地端に接続しておくことが望ましい。 In period (2), the test enable signal TEST2_E is raised to a high level for a predetermined period, whereby the transmission gate SWB is turned on, and an arbitrary offset voltage OFS is applied from the external terminal TB to the inversion bit line XBL. Ru. At this time, it is desirable that the bit line BL be connected to the ground end.
期間(3)では、ワード線WLがハイレベルに立ち上げられてトランジスタM5及びM6が両方ともオンされることにより、内部ノードNode1とビット線BLとの間、並びに、内部ノードNode2と反転ビット線XBLとの間で各電位が互いに一致される。その結果、内部ノードNode1は接地電圧GNDとなり、内部ノードNode2はオフセット電圧OFSとなる。このように、第3テストではメモリセル11のリコール動作に先立って内部ノードNode1と内部ノードNode2との間にオフセットが与えられる。なお、オフセット電圧OFSは、メモリセル11のマージンVmをより厳しく設定するためのものである。従って、オフセット電圧OFSは、相対的に低い電圧wkLがリコールされる方の内部ノード(本図の例では内部ノードNode2)に与えられる。 In period (3), word line WL is raised to the high level to turn on both transistors M5 and M6, whereby internal node Node1 and bit line BL, and internal node Node2 and the inverted bit line Each potential is matched with each other between XBL and XBL. As a result, the internal node Node1 becomes the ground voltage GND, and the internal node Node2 becomes the offset voltage OFS. Thus, in the third test, an offset is given between the internal node Node1 and the internal node Node2 prior to the recall operation of the memory cell 11. The offset voltage OFS is for setting the margin Vm of the memory cell 11 more strictly. Therefore, the offset voltage OFS is applied to the internal node (the internal node Node2 in the example of the present drawing) from which the relatively low voltage wkL is recalled.
期間(4)では、インバータループをディセーブル(MC_E=L、MC_EN=H)にした状態で、プレート線PL1がパルス駆動(ハイレベルに立ち上げ)されることにより、メモリセル11のリコール動作が行われる。このとき、内部ノードNode1及びNode2には、それぞれ、強誘電体キャパシタFC1〜FC4の残留分極状態に応じた電圧wkH及びwkLが現れる。ただし、内部ノードNode2は、メモリセル11のリコール動作に先立ってオフセット電圧OFSまで引き上げられているので、リコール動作後の電圧値は(wkL+OFS)となる。 In period (4), with the inverter loop disabled (MC_E = L, MC_EN = H), the plate line PL1 is pulse-driven (rised to a high level), whereby the recall operation of the memory cell 11 is performed. To be done. At this time, voltages wkH and wkL corresponding to the residual polarization states of the ferroelectric capacitors FC1 to FC4 appear on the internal nodes Node1 and Node2, respectively. However, since the internal node Node2 is pulled up to the offset voltage OFS prior to the recall operation of the memory cell 11, the voltage value after the recall operation is (wkL + OFS).
期間(5)では、インバータループがイネーブル(MC_E=H、MC_EN=L)とされて内部ノードNode1及びNode2の論理レベルが確定される。本図の例では、内部ノードNode1にリコールされる電圧wkHが内部ノードNode2にリコールされるオフセット付き電圧(wkL+OFS)よりも高い。従って、インバータループの増幅作用により、内部ノードNode1がハイレベルに引き上げられ、内部ノードNode2がローレベルに引き下げられる。この状態は、電源遮断前の状態と同一であるので、検査結果はパス(合格)となる。なお、メモリセル11のリコール結果が正しいか否かを知るためには、リード回路70を用いて通常のリード動作を行い、ビット線BLと反転ビット線XBLとの間で各々の電圧を比較すればよい。 In period (5), the inverter loop is enabled (MC_E = H, MC_EN = L), and the logic levels of internal nodes Node1 and Node2 are determined. In the example of this figure, the voltage wkH recalled to the internal node Node1 is higher than the offset voltage (wkL + OFS) recalled to the internal node Node2. Therefore, the internal node Node1 is pulled high by the amplification action of the inverter loop, and the internal node Node2 is pulled low. Since this state is the same as the state before power-off, the inspection result is a pass (pass). In order to know whether or not the recall result of memory cell 11 is correct, a normal read operation is performed using read circuit 70, and each voltage is compared between bit line BL and inverted bit line XBL. Just do it.
図40は、第1構成例(図33)の半導体記憶装置100を検査対象とした第3テストのフェイルパターン(不合格パターン)を示すタイミングチャートであり、上から順に、プレート線PL1及びPL2、ワード線WL、センスアンプイネーブル信号SA_E、内部ノードNode1及びNode2、ビット線BL、反転ビット線XBL、テストイネーブル信号TEST1_E及びTEST2_E、並びに、メモリセルイネーブル信号MC_E及び反転メモリセルイネーブル信号MC_ENの各状態が描写されている。 FIG. 40 is a timing chart showing a fail pattern (rejected pattern) of the third test targeting the semiconductor memory device 100 of the first configuration example (FIG. 33), in order from the top to the plate lines PL1 and PL2, Each state of word line WL, sense amplifier enable signal SA_E, internal nodes Node1 and Node2, bit line BL, inverted bit line XBL, test enable signals TEST1_E and TEST2_E, and memory cell enable signal MC_E and inverted memory cell enable signal MC_EN It is depicted.
期間(1)〜(5)に亘る一連のテスト動作自体は、先出の図39と同様である。ただし、本図の例では、内部ノードNode1にリコールされる電圧wkHが内部ノードNode2にリコールされるオフセット付き電圧(wkL+OFS)よりも低い。従って、インバータループの増幅作用により、内部ノードNode1がローレベルに引き下げられ、内部ノードNode2がハイレベルに引き上げられる。この状態は、電源遮断前の状態と逆であるので、検査結果はフェイル(不合格)となる。 A series of test operations per se (1) to (5) are the same as in FIG. 39 described above. However, in the example of the present drawing, the voltage wkH recalled to the internal node Node1 is lower than the voltage with offset (wkL + OFS) recalled to the internal node Node2. Therefore, the amplification action of the inverter loop pulls down the internal node Node1 to the low level, and pulls up the internal node Node2 to the high level. Since this state is the reverse of the state before the power interruption, the inspection result is a failure.
なお、反転ビット線XBLに印加されるオフセット電圧OFSをスイープしながら、上記の検査結果(パス/フェイル)を逐一確認することにより、メモリセル11が持つマージンVmの絶対値を知ることができる。例えば、オフセット電圧OFSとして、電圧OFS1を印加したときの検査結果がパスであって電圧OFS2(>OFS1)を印加したときの検査結果がフェイルであった場合、OFS1<Vm<OFS2であることが分かる。 The absolute value of the margin Vm of the memory cell 11 can be known by checking the above inspection results (pass / fail) one by one while sweeping the offset voltage OFS applied to the inversion bit line XBL. For example, when the inspection result when applying the voltage OFS1 is a pass and the inspection result when applying the voltage OFS2 (> OFS1) is Fail as the offset voltage OFS, OFS1 <Vm <OFS2 I understand.
先述の第1テストや第2テストでは、インバータループで論理レベルを確定させる前のノード電圧をビット線BL(または反転ビット線XBL)に引き出した上で、リード回路70を用いてリファレンス電圧REFと比較する、といった非通常的な動作を行う必要がある。一方、第3テストであれば、リコール動作の前に任意のオフセット電圧OFSを印加しさせすれば、それ以降は何ら通常と変わらないリコール動作とリード動作を行うことによりメモリセル11のマージンVmを検査することができる。従って、より実際に近い特性(ビット線の寄生容量などに依存しない状態)でマージンテストを実施することができるので、その検査精度を高めることが可能となる。 In the first test and the second test described above, the node voltage before the logic level is determined in the inverter loop is drawn to bit line BL (or inverted bit line XBL), and read circuit 70 is used to generate reference voltage REF and It is necessary to perform an unusual operation such as comparing. On the other hand, in the case of the third test, if an arbitrary offset voltage OFS is applied before the recall operation, the margin Vm of the memory cell 11 can be obtained by performing the recall operation and the read operation which are not different from normal after that. It can be inspected. Therefore, the margin test can be performed with characteristics closer to actual values (in a state not depending on the parasitic capacitance of the bit line etc.), so that the inspection accuracy can be improved.
また、第3テストであれば、先述の第1テストや第2テストと異なり、内部ノードNode1及びNode2に各々リコールされる電圧の絶対値を個別に測定することなく、より直接的にメモリセル11のマージンVmを検査することができる。従って、第1テストや第2テストと比べて、マージンテストの所要時間を短縮することも可能となる。 Further, in the case of the third test, unlike the first test and the second test described above, the memory cell 11 can be more directly directly measured without individually measuring the absolute value of the voltage recalled to each of the internal nodes Node1 and Node2. The margin Vm of can be checked. Therefore, compared to the first test and the second test, it is also possible to shorten the time required for the margin test.
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態では、6T−4C構造の強誘電体シャドウメモリを例に挙げて詳細な説明を行ったが、強誘電体シャドウメモリの構造はこれに限定されるものではなく、例えば、強誘電体キャパシタFC3及びFC4(ないしは強誘電体キャパシタFC1及びFC2)を省略した6T−2C構造を採用しても構わない。
<Other Modifications>
In addition to the embodiments described above, various technical features disclosed in the present specification can be modified in various ways without departing from the scope of the technical creation. For example, in the above embodiment, the ferroelectric shadow memory having the 6T-4C structure has been described in detail as an example, but the structure of the ferroelectric shadow memory is not limited to this. A 6T-2C structure may be adopted in which the dielectric capacitors FC3 and FC4 (or ferroelectric capacitors FC1 and FC2) are omitted.
すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 That is, the above embodiment should be considered as illustrative in all points and not restrictive, and the technical scope of the present invention is shown by the claims rather than the description of the above embodiment. It is to be understood that the present invention includes all modifications that fall within the meaning and scope equivalent to the claims.
本発明は、例えば、「スリープ時のスタンバイ電力削減」と「スリープ時間の最大化」が要求されるアプリケーション(例えば、アクティブ率の低いセンサーネットワークや生体モニタリングなど)のデータバッファとして好適に利用することが可能である。 The present invention is preferably used, for example, as a data buffer of an application (for example, a sensor network with a low active rate, biological monitoring, etc.) where "standby power reduction in sleep" and "maximize sleep time" are required. Is possible.
1 メモリブロック
2 メモリコントローラ
10 メモリセルアレイ
11 メモリセル(強誘電体シャドウメモリ)
20 ワード線ドライバ
21、22 Pチャネル型電界効果トランジスタ
23 Nチャネル型電界効果トランジスタ
24 インバータ
25 キャパシタ素子(強誘電体キャパシタ)
26 遅延段
261、262 インバータチェイン
30 Xデコーダ
40 プレート線ドライバ
41、42 Pチャネル型電界効果トランジスタ
43〜45 Nチャネル型電界効果トランジスタ
46 インバータ
47 キャパシタ(強誘電体キャパシタ)
50 Yデコーダ兼コラムセレクタ
60 ライト回路
70 リード回路
100 半導体記憶装置
M1、M3 負荷トランジスタ
M2、M4 駆動トランジスタ
M5、M6 アクセストランジスタ
M7、M8 電源スイッチ
FC1〜FC4 強誘電体キャパシタ
SW トランスミッションゲート
SW1ab、SW1bc、SW2ab、SW2bc トランスミッションゲート
SWA、SWB トランスミッションゲート
TA、TB 外部端子
1 memory block 2 memory controller 10 memory cell array 11 memory cell (ferroelectric shadow memory)
Reference Signs List 20 word line driver 21, 22 P-channel field effect transistor 23 N-channel field effect transistor 24 inverter 25 capacitor element (ferroelectric capacitor)
26 delay stage 261, 262 inverter chain 30 X decoder 40 plate line driver 41, 42 P channel type field effect transistor 43 to 45 N channel type field effect transistor 46 inverter 47 capacitor (ferroelectric capacitor)
50 Y decoder and column selector 60 Write circuit 70 Read circuit 100 Semiconductor memory device M1, M3 Load transistor M2, M4 Drive transistor M5, M6 Access transistor M7, M8 Power switch FC1 to FC4 Ferroelectric capacitor SW Transmission gate SW1ab, SW1bc, SW2ab, SW2bc Transmission gate SWA, SWB Transmission gate TA, TB External terminal
Claims (2)
前記複数のメモリセルに各々接続される複数のプレート線と、
前記複数のプレート線を各々駆動するプレート線ドライバと、
前記複数のメモリセルに対するアクセス制御を行うメモリコントローラと、
を有し、
前記複数のメモリセルは、それぞれ、
第1ノードと第2ノードとの間に接続されたインバータループと、
前記第1ノードとビット線との間に接続された第1アクセストランジスタと、
前記第2ノードと反転ビット線との間に接続された第2アクセストランジスタと、
前記第1ノードと前記プレート線との間に接続された第1強誘電体キャパシタと、
前記第2ノードと前記プレート線との間に接続された第2強誘電体キャパシタと、
を含み、
前記メモリコントローラは、前記メモリセルのデータをストア/リコールする際、前記プレート線ドライバを用いて前記複数のプレート線を逐次的にパルス駆動させるものであり、かつ、前記プレート線ドライバを用いて未チャージのプレート線をパルス駆動させる前に既チャージのプレート線と未チャージのプレート線との間でチャージシェアを実施させる、
ことを特徴とする半導体記憶装置。 With multiple memory cells,
A plurality of plate lines respectively connected to the plurality of memory cells;
A plate line driver for driving each of the plurality of plate lines;
A memory controller for controlling access to the plurality of memory cells;
Have
Each of the plurality of memory cells is
An inverter loop connected between the first node and the second node;
A first access transistor connected between the first node and a bit line;
A second access transistor connected between the second node and the inverted bit line;
A first ferroelectric capacitor connected between the first node and the plate line;
A second ferroelectric capacitor connected between the second node and the plate line;
Including
The memory controller is configured to pulse drive the plurality of plate lines sequentially using the plate line driver when storing / recalling data of the memory cells, and not using the plate line driver. Perform charge sharing between the charged and uncharged plate lines before pulsing the charged plate lines,
Semiconductor memory device characterized by the above.
前記メモリコントローラは、前記プレート線ドライバを用いて未チャージのプレート線をパルス駆動させる前に既チャージのプレート線と未チャージのプレート線との間のトランスミッションゲートをオンさせる、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 Further comprising a plurality of transmission gates connected between adjacent plate lines,
The memory controller turns on the transmission gate between the charged and uncharged plate lines before pulsing the uncharged plate lines using the plate line driver.
The semiconductor memory device according to claim 1,
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