JP3760022B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置技術に関し、特に階層形ワード線方式の利点を維持しながら、この低面積化、具体的にはサブワードドライバを単純化し、その面積低減を図ることが可能な半導体記憶装置に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
たとえば、本発明者が検討した技術として、半導体記憶装置の一例としてのDRAMにおいては、ワードドライバ自身を高速化するためにCMOS構造を採用し、さらにワード線自身の製造歩留まりを向上させ、配線遅延を低減するために、比較的高抵抗のポリシリコンまたはポリサイド層からなるワード線をメタル配線で裏打ちして抵抗を下げる、いわゆるワード線シャント方式に代わり、いわゆる階層形ワード線方式が実用化されてきている。
【0003】
すなわち、ワード線シャント方式は、近年の64Mビット、256Mビットなどの高集積大容量化の傾向に対して、細くて長いアルミニウム配線の遅延が増大し、高速化の妨げとなっており、これを抜本的に解決するための技術として、階層形ワード線方式が採用されてきている。この階層形ワード線方式は、ワード線を多分割にしてサブワード線とし、1組の行デコーダとワードドライバを複数のサブワード線で共有することにより、金属配線ピッチ(メインワード線、プリデコーダ線)をメモリセルのピッチより緩和し、金属配線の製造歩留まりを高めるものである。
【0004】
なお、このような階層形ワード線方式を含む半導体記憶装置に関する技術としては、たとえば1994年11月5日、株式会社培風館発行の「アドバンスト エレクトロニクスI−9 超LSIメモリ」P151〜P161などに記載される技術などが挙げられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、前記のような階層形ワード線方式による半導体記憶装置において、階層形ワード線方式の利点を維持しながら、この低面積化を図ることに着目して、特にサブワードドライバの構造について検討した。以下において本発明者によって検討された内容を図6および図7を用いて説明する。
【0006】
図6は、階層形ワード線方式でのワード線構造を示すものであり、メインローデコーダ領域11、メインワードドライバ領域12、メモリセルサブアレー15、センスアンプ領域16、サブワードドライバ領域17、交差領域18などが図示されている。メインワード線MWB(BはMW(真:ツルー)の反転(バー)表記、以後同様)とプリデコーダ線FXBは金属配線層(たとえばアルミニウム層)、サブワード線SWはポリシリコンまたはポリサイド層で構成する。サブワード線SWがメモリセルのトランジスタを駆動するので、サブワード線SWの繰り返しピッチはメモリセルの繰り返しピッチと等しく微細である。
【0007】
たとえば、図6のメモリセルサブアレー15が256本のサブワード線SWからなるとき、メインワード線MWBが32本、プリデコーダ線FXBが8本で、サブワードドライバで論理動作を行い、256本のサブワード線SWから1本を選択する。金属配線層はメインワード線MWBが32本、プリデコーダ線FXBが8本で済むので、その繰り返しピッチはメモリセルの繰り返しピッチに比べて256/(32+8)=6.4倍に緩和される。サブワード線SWはメモリセルサブアレー15の両側のサブワードドライバから交互に出力される。
【0008】
また、センスアンプ領域16とサブワードドライバ領域17の交差領域18にはFXドライバが置かれ、プリデコーダ線FXBの入力から整形されたプリデコーダ線FXの出力を作り、サブワードドライバに供給する。この交差領域18にはセンスアンプ群の制御回路(スイッチMOSトランジスタなど)も置かれる。この図6において、Mは金属配線層を示しており、メタル2層M2、メタル3層M3で表し、また後述の図7に示すFGはMOSトランジスタのゲート層を表している。
【0009】
図7は、代表的なサブワードドライバの回路構成と動作波形である。PMOSトランジスタMP1、NMOSトランジスタMN1,MN2の3個のトランジスタからなり、面積が大きくなるという欠点がある。図7(b) に動作波形図を示す。ここでVPPとはワード線の選択電圧となるチップ内昇圧電圧である。
【0010】
たとえば、メインワード線MWBがLow、プリデコーダ線FXBがLow、プリデコーダ線FXがHighのとき、サブワード線SWはHighレベル(VPP)の選択状態となる。NMOSトランジスタMN2が必要な理由はメインワード線が選択、プリデコーダ線が非選択(MWBがLow、FXBがHigh、FXがLow)のとき、サブワード線SWをVSSレベル(0V)に固定するためである。このNMOSトランジスタMN2がないと、この入力状態ではサブワード線SWはPMOSトランジスタMP1のスレッショルド電圧Vth以下には下げられず、また信号間の誘導雑音によって非選択であるにもかかわらず容易に電位が浮き上がってしまい、メモリセルトランジスタにリーク電流が流れ、メモリセル情報が破壊される。
【0011】
このように階層形ワード線方式は周知のワード線シャント方式に比べてワード線ピッチの緩和(図6では6.4倍)による製造歩留まりの向上が得られる反面、多数のサブワードドライバによりチップ面積が大きくなるという欠点がある。
【0012】
そこで、本発明の目的は、階層形ワード線方式の利点を維持しながら、この欠点であるサブワードドライバの面積を小さくし、さらに高速化も図ることができる半導体記憶装置を提供するものである。
【0013】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0015】
すなわち、本発明による半導体記憶装置は、階層形ワード線構成の半導体記憶装置に適用されるものであり、サブワードドライバは1個のPMOSトランジスタ(MP1)と1個のNMOSトランジスタ(MN1)とからなり、メインワード線(MWB)のLowレベルを負電圧とし、サブワード線(SW)の出力レベルは非選択時には0V、選択時にはHighレベルとするものである。
【0016】
これにより、サブワードドライバの素子数を3個から2個のMOSトランジスタに低減してサブワードドライバを縮小し、チップ面積の縮小を図ることができる。
【0017】
特に、メインワード線の負電圧Lowレベルは基板電圧と同じ電圧とすることもできる。これにより、基板電圧発生回路の出力電圧を利用することができるので、新たに特別な負電圧発生回路を設ける必要はない。他の結果として、メインワード線の負電圧によりPMOSトランジスタのゲート・ソース間電圧が大きくなるので、サブワード線の負荷駆動能力も上がり、高速化の効果も期待できる。
【0018】
さらに、メインワード線のHighレベルから負電圧Lowレベルへの変化の過程は、いったん0Vに変化させ、次いで負電圧へと2段階に変化させるようにしたものである。これにより、メインワード線の負電圧利用による高速化を図り、さらにメインワード線の放電電流の大部分を0Vに流し、負電圧発生回路の電流供給負担を軽減して消費電流の増加を抑えることができる。
【0019】
また、本発明による半導体記憶装置は、プリデコーダ線(FX)をメモリセルサブアレー上に直接配置し、メインワードドライバ付近のFXドライバからサブワードドライバを直接駆動するようにしたものである。これにより、プリデコーダ線の負荷を減少して高速化を図ることができる。
【0020】
具体的に、サブワードドライバは、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとのゲートは共通にメインワード線、ドレインは共通にサブワード線にそれぞれ接続され、PMOSトランジスタのソースはプリデコーダ線、NMOSトランジスタのソースは0Vにそれぞれ接続されて構成されるものである。
【0021】
この際に、メインワード線を負電圧の第1電圧と正電圧の第2電圧とし、プリデコーダ線を0Vの第3電圧と第2電圧とし、サブワード線の出力レベルは非選択時には第3電圧、選択時には第2電圧とするようにしたものである。
【0022】
特に、半導体記憶装置としては、大容量のDRAM、たとえば64M、256M以上のDRAM、シンクロナスDRAMなどに適用するようにしたものである。
【0023】
よって、前記半導体記憶装置によれば、たとえば大容量化の傾向にあるDRAM、シンクロナスDRAMなどのメモリセル占有率向上の上でネックとなっているサブワードドライバの面積を縮小してチップ面積を低減し、さらにメインワード線の負電圧利用、サブワード線の負荷駆動能力の向上、プリデコーダ線の負荷を減少して高速化を実現することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一の部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0025】
図1(a),(b) は本発明の一実施の形態である半導体記憶装置を示すレイアウト図と部分拡大図、図2(a),(b) は本実施の形態におけるサブワードドライバを示す回路図と動作波形図、図3(a),(b) はメインワードドライバと、それに関連するメインローデコーダ、FXBドライバを示す回路図と動作波形図、図4(a),(b) はサブワードドライバを示すレイアウト図と断面図、図5は負電圧VBB発生回路を示す回路図である。
【0026】
まず、図1により本実施の形態の半導体記憶装置の構成を説明する。
【0027】
本実施の形態の半導体記憶装置は、たとえば階層形ワード線構成を用いた64Mビットあるいは256MビットDRAMとされ、このメモリチップ10には、メインローデコーダ領域11、メインワードドライバ領域12、カラムデコーダ領域13、周辺回路/ボンディングパッド領域14、メモリセルサブアレー15、センスアンプ領域16、サブワードドライバ領域17、交差領域18などが周知の半導体製造技術によって1個の半導体チップ上に形成されている。この図1においては、水平方向が行方向(ワード線方向)、垂直方向が列方向(ビット線方向)である。
【0028】
このDRAMにおいては、たとえば図1に示すように、メモリチップ10の行方向における左側と右側、列方向における上側と下側にメモリセルサブアレー15などからなるメモリ領域が分割して配置される。この左側と右側とに配置されたメモリ領域は、それぞれのメモリ領域に対応するメインワードドライバ領域12を介して中央に配置されたメインローデコーダ領域11を挟んで対で配置されている。
【0029】
また、上側と下側に配置されたメモリ領域の中央側には、それぞれのメモリ領域に対応するカラムデコーダ領域13が配置されている。さらに、その中央部には、周辺回路/ボンディングパッド領域14として、ローアドレスバッファ、カラムアドレスバッファ、プリデコーダ、タイミング発生回路、データ入出力回路などが配置され、さらに外部接続用のボンディングパッドが設けられている。
【0030】
メモリ領域は、メモリセルサブアレー15の列方向にセンスアンプ領域16が配置され、また行方向にサブワードドライバ領域17が配置され、このセンスアンプ領域16とサブワードドライバ領域17との交差領域18にはFXドライバ、さらにセンスアンプ群の制御回路(スイッチMOSトランジスタなど)も配置されている。このメモリセルサブアレー15に対して、ワード線は行方向、ビット線は列方向としている。これとは逆の配置でも本発明を用いることができることは自明である。
【0031】
以上のように構成される階層形ワード線構成においては、行方向に並ぶサブワード線はサブワードドライバの出力であり、サブワードドライバにはメインワードドライバから出力されたメインワード線と別のプリデコーダ線が入力され、論理動作を行う。ある特定のサブワードドライバは、その入力であるメインワード線が選択され、さらに列方向のプリデコーダ線が選択されると、サブワード線にHighレベルの電圧が出力され、そのサブワード線に接続される全てのメモリセルの読み出し動作、書き込み動作などが開始される。
【0032】
図2は、本発明の実施の形態におけるサブワードドライバの一例の回路図と動作波形図である。
【0033】
本実施の形態においては、サブワードドライバが1個のPMOSトランジスタMP1と、1個のNMOSトランジスタMN1との2個のMOSトランジスタからなる。さらに、メインワード線MWBのLowレベル電位を負電圧とすることが特徴である。
【0034】
具体的には、PMOSトランジスタMP1とNMOSトランジスタMN1とのゲートが共通にメインワード線MWBに接続され、ドレインが共通にサブワード線SWに接続され、PMOSトランジスタMP1のソースがプリデコーダ線FXに接続され、かつNMOSトランジスタMN1のソースが0Vに接続されて構成されている。この場合に、メインワード線MWBのLowレベルは負電圧、Highレベルは電圧VPPとし、プリデコーダ線FXを0Vと電圧VPPとする。
【0035】
たとえば、メインワード線MWBが選択のLowレベル、プリデコーダ線FXが非選択の0Vであっても、PMOSトランジスタMP1のゲートへの−|Vth|以下の負電圧印加により、サブワード線SWは0Vに固定され、前記図7のところで説明したように非選択レベルが0V以上に浮き上がることはない。この回路の単純化によりサブワードドライバの専有面積を約15%縮小(ワード線方向の長さが40μmから35μmに縮小)できる。
【0036】
メインワード線MWBの負電圧は、もともとDRAMで必要な基板バイアス発生回路の出力電圧を利用すれば、特に新たに特別な負電圧発生回路を設ける必要はない。本発明の付随した効果では、メインワード線MWBの負電圧によりPMOSトランジスタMP1のゲート・ソース間電圧が大きくなるので、PMOSトランジスタMP1のサブワード線SWに対する負荷駆動能力も上がり、高速化の効果も期待できる。
【0037】
プリデコーダ線FXの駆動方法としては、前記図6のようにプリデコーダ線FXBをメモリセルサブアレー上に配置し、交差領域内のFXドライバで整形されたプリデコーダ線FXの信号を作り、サブワードドライバに供給する方法がある。あるいはプリデコーダ線FXBの信号は図2のサブワードドライバにはもはや不要なので、これと交差領域上のFXドライバを廃止し、代わりにプリデコーダ線FXをメモリセルサブアレー上に直接配置し、メインワードドライバ付近のFXドライバからサブワードドライバを直接駆動してもよい。
【0038】
図3は、本発明の実施の形態におけるメインワードドライバと、それに関連するメインローデコーダ、FXBドライバの回路図と動作波形図である。
【0039】
ここで、VPPとはワード線の選択電位となるチップ内昇圧電圧である。VDDとは、たとえば3.3Vあるいは5Vの外部印加の電源電圧である。DRAMの種類によっては、消費電力を下げるために内部降圧方式をとり、電圧VDDより低い電圧VLで大部分の周辺回路を動作させる場合がある。そのときは電圧VDDのレベルでなく、電圧VLのレベルの信号を印加するのは当然である。
【0040】
このメインワードドライバは、VPP振幅のプリチャージ信号XDPHk、VDD振幅のプリデコーダ入力AX3i,AX6j,MSBkから電圧VPPの振幅への通常のレベル変換回路に加え、破線で囲んだ負電圧変換部を具備している。破線部はメインワード線MWBのLow電位として負電圧を供給する回路である。
【0041】
この回路の特徴は、メインワード線MWBのHigh(VPP)レベルからLowレベルへの変化時に、まず0Vまでは図において左側のPMOSトランジスタとNMOSトランジスタからなるインバータでグランドに向けて放電し、その後、破線部の回路の動作により最終的には電圧VBBのレベルまで引き下げる。これはメインワード線MWBの放電電流の大部分を電圧VSSに流すことで、負電圧VBB発生回路の負担を軽減し、消費電流の増加を抑えるためである。
【0042】
周知のように、負電圧VBB発生回路はチャージポンピング動作により負電圧を発生するので、エネルギー効率が悪く、電圧VBBに流れ込む電流はできるだけ抑えることが必要である。これらメインワード線MWBを引き下げるためのNMOSを形成するところのPWELL電圧は図示のように電圧VBBに引くべきである。同一チップ内にNMOSのPWELL電圧が電圧VBBと0Vといった2種類を実現するにはトリプルウェル構造が必要である。この構造も近年の高集積DRAMでは他の理由(雑音防止、MOS高性能化など)から必須の構造であるのでそれを利用すればよい。
【0043】
本実施の形態のような64Mビットあるいは256MビットDRAM、またはシンクロナスDRAMを想定した場合、メインローデコーダの入力信号のうち、XDPHkはデコーダのプリチャージ信号、AX3iはA3〜A5から作る8本のプリデコーダ信号のうちの1本、AX6jはA6,A7から作る4本のプリデコーダ信号のうちの1本、MSBkはA8〜A11から作る16本のマット選択信号のうちの1本である。FXBドライバではA0〜A2のアドレス情報とMSBkのマット選択情報より電圧VPPのレベルのプリデコーダ線FXBの信号を作る。こちらは負電圧は不要である。
【0044】
厳密にいえば、前記図7のサブワードドライバではプリデコーダ線FXBのHighレベルは電圧VDDのレベルでよいが、プリデコーダ線FXのHighレベルには電圧VPPのレベルが必要で、狭い交差領域で電圧VPPへのレベル変換回路を設けることは不可能であるので、面積にゆとりのあるFXBドライバで電圧VPPのレベルに変換しておく。
【0045】
図4は、図2のサブワードドライバ回路を実現するための平面レイアウト図と、ゲート下部の断面構造図で、いずれも概略図である。
【0046】
このレイアウトでは、8本のサブワード線SW0〜SW14(偶数番号)が出力されていることを示すが、図示しない左右隣接のサブワードドライバからも交互に8本のサブワード線SW1〜SW15(奇数番号)が配線されるので、合わせて16本のサブワード線SW0〜SW15がこの図において縦寸法の中に配置される。
【0047】
横方向にメタル2層M2のメインワード線MWBとポリサイド層のサブワード線SWが走り、縦方向にはメタル3層M3のプリデコーダ線FXと電源線(VPP,VSS)が置かれる。サブワードドライバ内のソース/ドレインの取り出しはメタル1層M1で行う。ビット線層を素子間接続に使えばメタルは3層でなく、2層でも可能である。サブワードドライバの左右両端でサブワード線SWの出力はメタル1層M1からゲート層FGに変換し、メモリセルサブアレーに送られる。
【0048】
図5は、周知の負電圧VBB発生回路の一例を示す回路図である。
【0049】
負電圧VBB発生回路は、チャージポンピング動作により負電圧を発生する。従来よりDRAMでは基板電圧に印加するためにこの回路はあるが、本実施の形態においてはメインワードドライバにも印加し、図3のようにメインワード線MWBの負電圧発生のためにも使用する。このため負電圧VBB発生回路の電流供給能力は従来よりやや強化する必要があるが、図3で述べたようにメインワード線MWBを2段階で引き下げる方式では電圧VBBの電流負担はそれほど増加しない。
【0050】
この負電圧VBB発生回路(図5)は、2個のCMOSチャージポンプ回路を並列接続したものであり、たとえば常に動作する低電力ポンプ回路と、大きな供給電流を必要な場合にだけ高速に動作する高電力ポンプ回路とを組み合わせた回路構成となっている。高電力ポンプ回路は、チップ外部からアクセスされる毎(RASBのLowレベルの印加)に動作し、アクセス時に発生する電流の大きさに見合った大きな供給電流を発生することができる。
【0051】
ここで、DRAMの代表的な動作モードである読み出し動作、書き込み動作、リフレッシュ動作、高速カラムモードをとりあげ、それぞれの概要を簡単に説明する。
【0052】
(1).読み出し動作
この読み出し動作において、たとえばアドレスマルチプレクスではアドレス信号は時分割で入力するため、ローアドレスストローブ信号RASBとカラムアドレスストローブ信号CASBの2つの同期信号が必要である。RASBがHighレベルの期間は、行系回路がプリチャージされる期間で、この間はチップ内部ではいかなるメモリ動作も行われない。一方、CASBがHighレベルの期間中は、データ出力バッファやデータ入力バッファなどの列系回路がプリチャージされる期間で、この間はチップ外部との読み出し動作、書き込み動作は行われない。
【0053】
RASBがLowレベルになると行系回路が活性化され、メモリ動作が始まる。続いて、CASBがLowレベルになると読み出し動作あるいは書き込み動作が始まり、チップ外部とのデータの授受が行われる。このようにDRAMでは、プリチャージ期間と活性期間が交互に繰り返される。通常、RASBのサイクル時間がチップのサイクル時間となる。
【0054】
読み出し動作の指定は、書き込み制御信号WEBをCASBの立ち下がり時点よりも前にHighレベルにして、CASBが立ち上がるまでそれを保持することにより行う。データがいったん出力されると、CASBが立ち上がるまでデータを保持する。このアクセス時間には3種類あって、RASBおよびCASBの立ち下がり時点からデータ出力端子にデータが出力されるまでの時間を、それぞれRASBアクセス時間、CASBアクセス時間と呼び、列アドレスが確定された時点からデータが出力されるまでの時間をアドレスアクセス時間と呼ぶ。
【0055】
(2).書き込み動作
この書き込み動作において、アドレス信号とRASB,CASBとの関係は、読み出し動作と同じなので省略する。またサイクル時間などのRASB,CASBのタイミング規格も読み出し動作と全く同じである。ただし、ライトイネーブル信号WEBをCASBの立ち下がり時点よりも前にLowレベルにすることによって書き込み動作を指定する。このサイクル中はデータ出力端子は高インピーダンス(High−Z)状態に保持される。なお、RASBをLowレベルのままの状態で、いったんチップ外部に読み出したデータを外部で変更して再び同じメモリセルに書き込むという、Read Modify Write動作の仕様もある。
【0056】
(3).リフレッシュ動作
このリフレッシュ動作においては、読み出し・書き込みといったランダムアクセス動作中に割り込んで行うリフレッシュ動作と、電池バックアップ期間中のようにチップ内の記憶情報を保持するためだけに行うリフレッシュ動作がある。前者では、RASB only リフレッシュと、CBR(CASB before RASB)リフレッシュが、また後者ではセルフリフレッシュが標準になっている。その他、データを出力しながらリフレッシュを行うヒドン(hidden)リフレッシュもある。
【0057】
たとえば、RASB only リフレッシュにおいては、読み出し・書き込み動作と同じタイミング規格のRASB 1サイクル中に、1行(ワード線)の全メモリセルが同時にリフレッシュされる。ただし、CASBをHighレベルにしてチップ外部からリフレッシュアドレスを与えなければならない。最大リフレッシュ時間の期間内にアドレス信号の組み合わせでワード線を順次選択してリフレッシュしなければならない。
【0058】
このリフレッシュのしかたには集中リフレッシュと分散リフレッシュがある。集中リフレッシュは、最小サイクルでリフレッシュを繰り返し、この期間はチップ外部からメモリアクセスはできないが、残りの全期間は、リフレッシュを割り込ませず外部からメモリアクセスを受け付ける方法である。分散リフレッシュは、リフレッシュ動作の1サイクルを最大リフレッシュ時間の期間中に等しく分散したものである。実際には分散リフレッシュが多用されるので、リフレッシュ動作の1サイクルが通常の読み出し・書き込み動作のサイクルに割り込んだタイミングとなる。
【0059】
また、CBRリフレッシュにおいては、CASBをRASBに先行させてLowレベルにすることによって、リフレッシュ動作であることを内部で判定する。この判定パルスによって内部のリフレッシュアドレスカウンタからアドレスが発生し、ワード線が選ばれリフレッシュされる。従って、外部からアドレス信号を与える必要はない。
【0060】
さらに、セルフリフレッシュにおいては、通常のメモリサイクル終了後、CBRタイミングにしてRASBのパルス幅を、たとえば100μs以上に設定する。内部ではこの時間以上になるとリフレッシュアドレスカウンタとリフレッシュタイマーを用いたリフレッシュ動作が始まり、CASB,RASBがともにLowレベルである限りセルフリフレッシュが続く。リフレッシュされる頻度が少ないほどチップの消費電力は低くなるが、この頻度はチップ内の温度を検出するタイマーによって自動的に調整される。なお、セルフリフレッシュから通常サイクルに移る場合には、RASBのプリチャージ期間が必要である。
【0061】
(4).高速列アクセス動作
キャッシュメモリを採用したシステムや画像メモリなどでは、行アドレスは固定したままで、列アドレスの異なる、それも連続した列アドレスの多数ビットをアクセスする場合が多い。列アクセスモードは、メモリセルサブアレーの超並列でアクセス可能な構造上の特徴を利用したものである。列アドレスの多数ビットのデータを高速に処理できるので、前記した用途に近年注目されている。
【0062】
この動作では、まず行アドレスによって行(ワード)線を選択し、ワード線上の全てのメモリセルを、センスアンプで増幅した状態でいったんそれぞれのデータ線に読み出しておく。次に、列アドレスによってあるデータ線の読み出し情報をチップの外部に取り出し、次に他の列アドレスによって他のデータ線の情報を取り出すというように列アドレスを順次変えていけば、ワード線上の全てのセル情報を連続して取り出すことができ、この動作は高速である。
【0063】
この場合のアクセス時間は、列アドレスが入力してデータが出力するまでの時間、すなわち前記したアドレスアクセス時間そのものであり、長時間を要する行系回路の動作時間、たとえばワード線の駆動時間やセンス時間を考慮する必要がないためである。サイクル時間もこの分だけ速くなる。
【0064】
書き込み動作についても、データ線に読み出されているセル信号増幅データを、外部から与えた書き込みデータで順次置き換えていくだけなので高速である。所望のデータ線の全てに書き込みデータ電圧を印加した後に、ワード線をオフにすることで列アクセスモードの書き込みは完了する。このように、行アドレスは同じままで、列アドレスのみを切り換える列アクセスモードは種々提案されているが、ここでは代表的な高速ページモード、ニブルモード、スタティックカラムモードの動作タイミングを説明する。
【0065】
たとえば、高速ページモードの読み出しタイミングにおいては、列アドレスの選択はランダムであり、サイクル時間はたとえば40nsである。チップ内部ではATD(Address Transition Detector)回路によって主な列系回路はサイクル毎にプリチャージされ、列アドレスで選ばれたデータ線の読み出しデータが、データ出力バッファ近くでCASBで制御されて出力される。CASBとのアドレスセットアップ時間、アドレスホールド時間などの規格のために、チップとしての高速化には限界がある。
【0066】
また、ニブルモードの読み出しタイミングにおいては、たとえば4ビットのシフトレジスタ単位でデータが入出力される。ただし、2ビットのアドレス信号を用いて4ビットの中の先頭ビットだけはランダムに指定できる。すなわち最初の1ビット目は通常の読み出しあるいは書き込み動作であるが、それに続く3ビットはCASBのクロックパルスだけで連続出力する。先頭ビット以外は列アドレスの指定は不要である。
【0067】
このモードでは、データ出力端子近くに4個のデータラッチ回路と、その出力を入力とする4ビットのデコード機能付きリングカウンタ形シフトレジスタが設けられている。4個のメモリセルサブアレーから並列に入力して4個のデータラッチ回路にいったん蓄えられた読み出しデータは、シフトレジスタで直列に変換されてCASBに同期して連続に外部出力される。このシフトレジスタはもともと高速なので、ニブルモードサイクルはCASBサイクルで決まり、たとえば35nsと比較的速い。
【0068】
さらに、スタティックカラムモードの読み出しタイミングにおいては、同じ行アドレスのもとで列アドレスを換えて、データ線に読み出されている増幅データの読み出し・書き込みを行うというものである。連続サイクル中はCASBはLowレベルのままで、アドレス信号はdon’t careの部分がない。CASBで列アドレスをラッチできないためである。列アドレスの指定はランダムであり、サイクル時間はアドレスの切り換えだけで決まる。ATD回路と列アドレスバッファの動作だけで列系回路の選択動作が行われる。
【0069】
以上のようにして、DRAMのメモリセルに対する読み出し動作、書き込み動作、リフレッシュ動作、高速列アクセス動作が行われる。なお、DRAMはRASB、CASB、WEBの制御信号の立ち上がり/下がりで制御されるのに対して、シンクロナスDRAMの場合はコマンドにより制御され、このコマンドはチップセレクト信号CSB、RASB、CASB、WEBの組み合わせにより定義される。
【0070】
従って、本実施の形態の半導体記憶装置によれば、サブワードドライバが1個のPMOSトランジスタMP1と1個のNMOSトランジスタMN1との2個のMOSトランジスタからなり、さらにメインワード線MWBのLowレベル電位を負電圧とすることにより、レイアウトの面においてサブワードドライバの小型化によるチップ面積の低減を可能とし、さらに動作性能の面における高速化を実現することができる。
【0071】
また、本実施の形態においては、プリデコーダ線FXBの信号は不要なので、代わりにプリデコーダ線FXをメモリセルサブアレー上に直接配置し、メインワードドライバ付近のFXドライバからサブワードドライバを直接駆動し、プリデコーダ線FXBの負荷減少による高速化を実現することができる。
【0072】
さらに、メインワード線MWBを、電圧VPPから0Vにして放電し、その後、電圧VBBのレベルまで引き下げることにより、メインワード線MWBの放電電流の大部分をグランドに流すことで、負電圧VBB発生回路の負担を軽減し、消費電流の増加を抑えることができる。
【0073】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0074】
以上の説明では、主として本発明者によってなされた発明をその属する技術分野であるDRAMによる半導体記憶装置に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、SRAM、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROMなどの他の半導体記憶装置についても広く適用可能である。
【0075】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【0076】
(1).サブワードドライバを2個のMOSトランジスから構成することで、MOSトランジスタ数を低減することができるので、サブワードドライバを縮小することが可能となる。この結果、チップレイアウトにおいて、チップ面積の縮小を可能とすることができる。
【0077】
(2).メインワード線のLowレベルを負電圧とし、サブワード線の出力レベルは非選択時には0V、選択時にはHighレベルとすることで、メインワード線の負電圧利用によって高速化を図ることが可能となる。さらにメインワード線の負電圧によりPMOSトランジスタのゲート・ソース間電圧が大きくなるので、サブワード線の負荷駆動能力が上がり、高速化の効果も期待することが可能となる。
【0078】
(3).メインワード線のLowレベルを基板電圧とすることで、基板電圧発生回路の出力電圧を利用することができるので、新たな負電圧発生回路を設ける必要はない。
【0079】
(4).メインワード線のHighレベルからLowレベルへの変化の過程を、0V、負電圧へと2段階に変化させて行うことで、メインワード線の放電電流の大部分を0Vに流すことができるので、負電圧発生回路の負担を軽減して消費電流の増加を抑えることが可能となる。
【0080】
(5).プリデコーダ線をメモリセルサブアレー上に直接配置し、メインワードドライバ付近のFXドライバからサブワードドライバを直接駆動することで、プリデコーダ線の負荷を減少して高速化を図ることが可能となる。
【0081】
(6).前記(1) 〜(5) により、大容量化の傾向にあるDRAM、シンクロナスDRAMなどの階層形ワード線構成の半導体記憶装置において、この階層形ワード線方式のワード線ピッチの緩和による製造歩留まりの向上が得られる利点を維持しながら、サブワードドライバを縮小してチップ面積の増大を抑制するとともに、メインワード線の負電圧利用、サブワード線の負荷駆動能力の向上、プリデコーダ線の負荷の減少によって高速化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a),(b) は本発明の一実施の形態である半導体記憶装置を示すレイアウト図と部分拡大図である。
【図2】 (a),(b) は本発明の一実施の形態におけるサブワードドライバを示す回路図と動作波形図である。
【図3】 (a),(b) は本発明の一実施の形態におけるメインワードドライバと、それに関連するメインローデコーダ、FXBドライバを示す回路図と動作波形図である。
【図4】 (a),(b) は本発明の一実施の形態におけるサブワードドライバを示すレイアウト図と断面図である。
【図5】本発明の一実施の形態における負電圧VBB発生回路を示す回路図である。
【図6】 (a),(b) は本発明の前提となる半導体記憶装置における階層形ワード線構成を示すレイアウト図と部分拡大図である。
【図7】 (a),(b) は本発明の前提となる半導体記憶装置におけるサブワードドライバを示す回路図と動作波形図である。
【符号の説明】
10 メモリチップ
11 メインローデコーダ領域
12 メインワードドライバ領域
13 カラムデコーダ領域
14 周辺回路/ボンディングパッド領域
15 メモリセルサブアレー
16 センスアンプ領域
17 サブワードドライバ領域
18 交差領域
MWB メインワード線(反転)
FXB プリデコーダ線(反転)
FX プリデコーダ線
SW サブワード線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device technology, and particularly to a semiconductor memory device capable of reducing the area, specifically, simplifying a sub word driver and reducing the area while maintaining the advantages of the hierarchical word line system. It is related to effective technology.
[0002]
[Prior art]
For example, as a technique studied by the present inventor, a DRAM as an example of a semiconductor memory device employs a CMOS structure in order to increase the speed of the word driver itself, further improves the manufacturing yield of the word line itself, and reduces the wiring delay. In order to reduce the resistance, the so-called hierarchical word line method has been put into practical use instead of the so-called word line shunt method in which the resistance is lowered by lining the word line made of polysilicon or polycide layer of relatively high resistance with metal wiring. ing.
[0003]
In other words, the word line shunt system has been hampered by the increase in delay of thin and long aluminum wiring in response to the recent trend toward higher integration and larger capacity such as 64M bits and 256M bits. As a technique for drastically solving, a hierarchical word line system has been adopted. In this hierarchical word line system, the word lines are divided into multiple sub-word lines, and a set of row decoders and word drivers are shared by a plurality of sub-word lines, so that the metal wiring pitch (main word line, pre-decoder line) Is relaxed from the pitch of the memory cells, and the manufacturing yield of the metal wiring is increased.
[0004]
A technique related to a semiconductor memory device including such a hierarchical word line system is described in, for example, “Advanced Electronics I-9 VLSI Memory” P151 to P161 issued on November 5, 1994, published by Baifukan Co., Ltd. Technology.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor of the present invention pays attention to reducing the area while maintaining the advantages of the hierarchical word line system in the semiconductor memory device using the hierarchical word line system as described above, particularly about the structure of the sub word driver. investigated. The contents studied by the present inventor will be described below with reference to FIGS.
[0006]
FIG. 6 shows a word line structure in a hierarchical word line system. The main
[0007]
For example, when the
[0008]
Further, an FX driver is placed in the
[0009]
FIG. 7 shows the circuit configuration and operation waveforms of a typical subword driver. It consists of three transistors, a PMOS transistor MP1 and NMOS transistors MN1 and MN2, and has the disadvantage that the area becomes large. Fig. 7 (b) shows the operation waveform diagram. Here, VPP is an in-chip boost voltage that becomes a selection voltage of the word line.
[0010]
For example, when the main word line MWB is Low, the predecoder line FXB is Low, and the predecoder line FX is High, the sub word line SW is in a selected state of High level (VPP). The reason why the NMOS transistor MN2 is necessary is that when the main word line is selected and the predecoder line is not selected (MWB is Low, FXB is High, and FX is Low), the sub word line SW is fixed to the VSS level (0 V). is there. Without this NMOS transistor MN2, in this input state, the sub word line SW is not lowered below the threshold voltage Vth of the PMOS transistor MP1, and the potential easily rises even though it is not selected due to induction noise between signals. As a result, a leak current flows through the memory cell transistor, and the memory cell information is destroyed.
[0011]
As described above, the hierarchical word line method can improve the manufacturing yield by reducing the word line pitch (6.4 times in FIG. 6) as compared with the well-known word line shunt method, but the chip area is increased by a large number of sub word drivers. There is a disadvantage of becoming larger.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of reducing the area of a sub word driver, which is the drawback, and further increasing the speed while maintaining the advantages of the hierarchical word line system.
[0013]
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
[0015]
That is, the semiconductor memory device according to the present invention is applied to a semiconductor memory device having a hierarchical word line configuration, and the sub word driver is composed of one PMOS transistor (MP1) and one NMOS transistor (MN1). The low level of the main word line (MWB) is set to a negative voltage, and the output level of the sub word line (SW) is set to 0 V when not selected and set to the high level when selected.
[0016]
As a result, the number of sub-word drivers can be reduced from three to two MOS transistors, the sub-word drivers can be reduced, and the chip area can be reduced.
[0017]
In particular, the negative voltage Low level of the main word line can be the same voltage as the substrate voltage. As a result, the output voltage of the substrate voltage generation circuit can be used, so that it is not necessary to newly provide a special negative voltage generation circuit. As another result, the gate-source voltage of the PMOS transistor is increased by the negative voltage of the main word line, so that the load driving capability of the sub-word line is improved and the effect of speeding up can be expected.
[0018]
Further, the process of changing the main word line from the high level to the negative voltage low level is changed to 0V once and then to the negative voltage in two stages. As a result, high speed is achieved by using the negative voltage of the main word line, and most of the discharge current of the main word line is made to flow to 0 V, reducing the current supply burden of the negative voltage generation circuit and suppressing an increase in current consumption. Can do.
[0019]
In the semiconductor memory device according to the present invention, the predecoder line (FX) is directly arranged on the memory cell subarray, and the subword driver is directly driven from the FX driver near the main word driver. As a result, the load on the predecoder line can be reduced to increase the speed.
[0020]
Specifically, in the sub word driver, the gates of the PMOS transistor and the NMOS transistor are commonly connected to the main word line, the drain is commonly connected to the sub word line, the source of the PMOS transistor is the predecoder line, and the source of the NMOS transistor is 0V. They are connected to each other.
[0021]
At this time, the main word line is set to the negative first voltage and the positive second voltage, the predecoder line is set to the third voltage and the second voltage of 0 V, and the output level of the sub word line is the third voltage when not selected. The second voltage is selected at the time of selection.
[0022]
In particular, the semiconductor memory device is applied to a large capacity DRAM, for example, a DRAM of 64M, 256M or more, a synchronous DRAM, and the like.
[0023]
Therefore, according to the semiconductor memory device, the chip area is reduced by reducing the area of the sub-word driver, which is a bottleneck in improving the memory cell occupancy ratio such as DRAM and synchronous DRAM, which tend to increase in capacity. In addition, the negative voltage of the main word line, the improvement of the load driving capability of the sub-word line, and the load on the predecoder line can be reduced to achieve high speed.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same members are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof is omitted.
[0025]
1A and 1B are a layout view and a partially enlarged view showing a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A and 2B show a sub word driver in the present embodiment. 3A and 3B are a circuit diagram and an operation waveform diagram showing a main word driver, a related main row decoder and an FXB driver, and FIGS. 4A and 4B are diagrams. FIG. 5 is a circuit diagram showing a negative voltage VBB generating circuit.
[0026]
First, the configuration of the semiconductor memory device of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0027]
The semiconductor memory device of the present embodiment is, for example, a 64-Mbit or 256-Mbit DRAM using a hierarchical word line configuration. The
[0028]
In this DRAM, for example, as shown in FIG. 1, memory regions including
[0029]
In addition,
[0030]
In the memory region, a
[0031]
In the hierarchical word line configuration configured as described above, the sub word lines arranged in the row direction are outputs of the sub word driver, and the sub word driver has a pre-decoder line different from the main word line output from the main word driver. Input and perform logic operation. When a main word line as an input is selected and a pre-decoder line in the column direction is further selected, a specific sub word driver outputs a high level voltage to the sub word line, and all the sub word drivers connected to the sub word line The read operation and write operation of the memory cell are started.
[0032]
FIG. 2 is a circuit diagram and an operation waveform diagram of an example of the sub word driver in the embodiment of the present invention.
[0033]
In this embodiment, the sub-word driver is composed of two MOS transistors, one PMOS transistor MP1 and one NMOS transistor MN1. Further, the low level potential of the main word line MWB is a negative voltage.
[0034]
Specifically, the gates of the PMOS transistor MP1 and the NMOS transistor MN1 are commonly connected to the main word line MWB, the drains are commonly connected to the sub word line SW, and the source of the PMOS transistor MP1 is connected to the predecoder line FX. The source of the NMOS transistor MN1 is connected to 0V. In this case, the low level of the main word line MWB is a negative voltage, the high level is a voltage VPP, and the predecoder line FX is 0 V and the voltage VPP.
[0035]
For example, even when the main word line MWB is at a selected low level and the predecoder line FX is at a non-selected 0V, the sub word line SW is set to 0V by applying a negative voltage equal to or lower than − | Vth | to the gate of the PMOS transistor MP1. As described with reference to FIG. 7, the non-selection level does not rise above 0V. By simplifying this circuit, the area occupied by the sub-word driver can be reduced by about 15% (the length in the word line direction is reduced from 40 μm to 35 μm).
[0036]
As for the negative voltage of the main word line MWB, if the output voltage of the substrate bias generation circuit originally required for the DRAM is used, it is not necessary to provide a special negative voltage generation circuit. The accompanying effect of the present invention is that the gate-source voltage of the PMOS transistor MP1 is increased by the negative voltage of the main word line MWB, so that the load driving capability of the PMOS transistor MP1 with respect to the sub-word line SW is increased, and the effect of increasing the speed is also expected. it can.
[0037]
As a driving method of the predecoder line FX, as shown in FIG. 6, the predecoder line FXB is arranged on the memory cell subarray, a signal of the predecoder line FX shaped by the FX driver in the intersection region is generated, and the subword driver There are ways to supply. Alternatively, since the signal on the predecoder line FXB is no longer necessary for the sub word driver of FIG. 2, the FX driver on the intersection region with this is eliminated, and instead, the predecoder line FX is directly arranged on the memory cell subarray, and the main word driver The subword driver may be directly driven from a nearby FX driver.
[0038]
FIG. 3 is a circuit diagram and an operation waveform diagram of the main word driver, the related main row decoder, and FXB driver in the embodiment of the present invention.
[0039]
Here, VPP is an in-chip boost voltage that becomes a selection potential of the word line. VDD is an externally applied power supply voltage of 3.3 V or 5 V, for example. Depending on the type of DRAM, an internal step-down method may be used to reduce power consumption, and most peripheral circuits may be operated at a voltage VL lower than the voltage VDD. At that time, it is natural to apply a signal at the voltage VL level instead of the voltage VDD level.
[0040]
This main word driver has a negative voltage conversion unit surrounded by a broken line in addition to a normal level conversion circuit for converting a VPP amplitude precharge signal XDPHk, a VDD amplitude predecoder input AX3i, AX6j, and MSBk to a voltage VPP amplitude. is doing. A broken line portion is a circuit that supplies a negative voltage as a low potential of the main word line MWB.
[0041]
The feature of this circuit is that when the main word line MWB changes from the High (VPP) level to the Low level, first, until the voltage reaches 0 V, the inverter is composed of a PMOS transistor and an NMOS transistor on the left side in FIG. By the operation of the circuit shown by the broken line, the voltage is finally lowered to the level of the voltage VBB. This is because most of the discharge current of the main word line MWB is caused to flow to the voltage VSS, thereby reducing the burden on the negative voltage VBB generation circuit and suppressing an increase in current consumption.
[0042]
As is well known, since the negative voltage VBB generation circuit generates a negative voltage by a charge pumping operation, the energy efficiency is poor, and it is necessary to suppress the current flowing into the voltage VBB as much as possible. The PWELL voltage for forming the NMOS for pulling down the main word line MWB should be pulled to the voltage VBB as shown in the figure. In order to realize two kinds of NMOS PWELL voltages VBB and 0 V in the same chip, a triple well structure is required. This structure is also an essential structure in recent highly integrated DRAMs for other reasons (noise prevention, MOS performance enhancement, etc.), so it can be used.
[0043]
Assuming a 64-Mbit or 256-Mbit DRAM or a synchronous DRAM as in this embodiment, among the input signals of the main row decoder, XDPHk is the precharge signal of the decoder, and AX3i is the eight signals generated from A3 to A5. One of the predecoder signals, AX6j is one of the four predecoder signals made from A6 and A7, and MSBk is one of the 16 mat selection signals made from A8 to A11. The FXB driver generates a signal of the predecoder line FXB at the voltage VPP level from the address information of A0 to A2 and the mat selection information of MSBk. This does not require a negative voltage.
[0044]
Strictly speaking, in the sub-word driver of FIG. 7, the high level of the predecoder line FXB may be the level of the voltage VDD, but the high level of the predecoder line FX requires the level of the voltage VPP, and the voltage in a narrow crossing region. Since it is impossible to provide a level conversion circuit for the VPP, the level is converted to the level of the voltage VPP by an FXB driver having a sufficient area.
[0045]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a plan layout for realizing the sub-word driver circuit of FIG. 2 and a cross-sectional structure diagram under the gate.
[0046]
This layout shows that eight sub-word lines SW0 to SW14 (even number) are output, but eight sub-word lines SW1 to SW15 (odd number) are alternately displayed from left and right adjacent sub-word drivers (not shown). Since they are wired, a total of 16 sub word lines SW0 to SW15 are arranged in the vertical dimension in this figure.
[0047]
The main word line MWB of the metal 2 layer M2 and the sub word line SW of the polycide layer run in the horizontal direction, and the predecoder line FX and the power supply lines (VPP, VSS) of the
[0048]
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a known negative voltage VBB generation circuit.
[0049]
The negative voltage VBB generation circuit generates a negative voltage by a charge pumping operation. Conventionally, this circuit is provided to apply to the substrate voltage in DRAM, but in this embodiment, it is also applied to the main word driver and used to generate a negative voltage on the main word line MWB as shown in FIG. . For this reason, the current supply capability of the negative voltage VBB generating circuit needs to be slightly strengthened as compared with the prior art. However, as described in FIG. 3, the current burden of the voltage VBB does not increase so much in the method of pulling down the main word line MWB in two stages.
[0050]
This negative voltage VBB generation circuit (FIG. 5) is obtained by connecting two CMOS charge pump circuits in parallel. For example, a low power pump circuit that always operates and a high-speed operation only when a large supply current is required. The circuit configuration is combined with a high power pump circuit. The high power pump circuit operates every time it is accessed from the outside of the chip (application of a low level of RASB), and can generate a large supply current commensurate with the magnitude of the current generated during access.
[0051]
Here, a typical operation mode of a DRAM, which is a read operation, a write operation, a refresh operation, and a high-speed column mode, will be briefly described.
[0052]
(1) Read operation
In this read operation, for example, in the address multiplex, the address signal is input in a time-sharing manner, so two synchronization signals of the row address strobe signal RASB and the column address strobe signal CASB are required. The period when RASB is at a high level is a period during which the row-related circuit is precharged. During this period, no memory operation is performed inside the chip. On the other hand, while CASB is at a high level, column-related circuits such as a data output buffer and a data input buffer are precharged, and during this period, reading and writing operations outside the chip are not performed.
[0053]
When RASB goes low, the row-related circuit is activated and the memory operation starts. Subsequently, when CASB becomes Low level, a read operation or a write operation starts, and data is exchanged with the outside of the chip. Thus, in the DRAM, the precharge period and the active period are alternately repeated. Normally, the RASB cycle time becomes the chip cycle time.
[0054]
The designation of the read operation is performed by setting the write control signal WEB to a high level before the falling edge of CASB and holding it until CASB rises. Once the data is output, it is held until CASB rises. There are three types of access time, and the time from when RASB and CASB fall to when data is output to the data output terminal is called RASB access time and CASB access time, respectively. The time from the start to the output of data is called the address access time.
[0055]
(2) Write operation
In this write operation, the relationship between the address signal and the RASB and CASB is the same as that in the read operation, and is therefore omitted. Also, the RASB and CASB timing standards such as the cycle time are exactly the same as the read operation. However, the write operation is designated by setting the write enable signal WEB to the Low level before the falling edge of CASB. During this cycle, the data output terminal is held in a high impedance (High-Z) state. There is also a specification of Read Modify Write operation in which the data once read out of the chip is changed outside and written to the same memory cell again while the RASB remains at the Low level.
[0056]
(3). Refresh operation
In this refresh operation, there are a refresh operation that is interrupted during a random access operation such as reading and writing, and a refresh operation that is performed only for holding stored information in the chip during a battery backup period. In the former, RASB only refresh and CBR (CASB before RASB) refresh are standard, and in the latter, self-refresh is standard. In addition, there is a hidden refresh that refreshes while outputting data.
[0057]
For example, in RASB only refresh, all memory cells in one row (word line) are refreshed simultaneously during one RASB cycle of the same timing standard as the read / write operation. However, the refresh address must be given from outside the chip by setting CASB to High level. Within a maximum refresh time period, word lines must be sequentially selected and refreshed by a combination of address signals.
[0058]
There are two types of refresh methods: centralized refresh and distributed refresh. Centralized refresh is a method in which refresh is repeated in the minimum cycle and memory access from outside the chip is not possible during this period, but memory access is accepted from outside without interrupting refresh during the remaining period. In the distributed refresh, one cycle of the refresh operation is equally distributed during the maximum refresh time. Actually, since distributed refresh is frequently used, one cycle of the refresh operation is a timing at which the cycle of the normal read / write operation is interrupted.
[0059]
In CBR refresh, CASB is set to Low level before RASB to determine internally that it is a refresh operation. By this determination pulse, an address is generated from the internal refresh address counter, and a word line is selected and refreshed. Therefore, it is not necessary to give an address signal from the outside.
[0060]
Further, in the self-refresh, after the end of a normal memory cycle, the RASB pulse width is set to, for example, 100 μs or more at the CBR timing. Internally, when this time is exceeded, a refresh operation using a refresh address counter and a refresh timer starts, and self-refreshing continues as long as both CASB and RASB are at a low level. The lower the refresh frequency, the lower the power consumption of the chip. This frequency is automatically adjusted by a timer that detects the temperature in the chip. It should be noted that a RASB precharge period is required when shifting from the self-refresh to the normal cycle.
[0061]
(4) .High-speed column access operation
In a system employing a cache memory, an image memory, or the like, in many cases, a row address is fixed and a column address is different, and many bits of a continuous column address are accessed. The column access mode utilizes structural features of the memory cell subarray that can be accessed in parallel. Since the multi-bit data of the column address can be processed at high speed, attention has recently been paid to the above-mentioned use.
[0062]
In this operation, first, a row (word) line is selected by a row address, and all memory cells on the word line are once read out to the respective data lines in a state amplified by a sense amplifier. Next, if the column address is sequentially changed so that the read information of a certain data line is taken out of the chip by the column address and then the information of the other data line is taken out by another column address, all the data on the word line Cell information can be extracted continuously, and this operation is fast.
[0063]
The access time in this case is the time from the input of the column address to the output of the data, that is, the address access time itself, and the operation time of the row-related circuit that takes a long time, for example, the driving time of the word line and the sense This is because there is no need to consider time. The cycle time is also faster by this amount.
[0064]
The write operation is also fast because the cell signal amplified data read to the data line is simply replaced with the write data supplied from the outside. After applying the write data voltage to all of the desired data lines, the word line is turned off to complete the write in the column access mode. As described above, various column access modes in which only the column address is switched while the row address remains the same have been proposed. Here, operation timings of typical high-speed page mode, nibble mode, and static column mode will be described.
[0065]
For example, at the read timing in the high-speed page mode, the column address selection is random and the cycle time is 40 ns, for example. Inside the chip, an ATD (Address Transition Detector) circuit precharges the main column circuits for each cycle, and the read data of the data line selected by the column address is controlled and output by the CASB near the data output buffer. . Due to standards such as address setup time and address hold time with CASB, there is a limit to speeding up the chip.
[0066]
At the nibble mode read timing, data is input / output, for example, in units of 4-bit shift registers. However, only the first bit in 4 bits can be specified at random using a 2-bit address signal. That is, the first bit is a normal read or write operation, but the subsequent 3 bits are continuously output only by the CASB clock pulse. It is not necessary to specify a column address except for the first bit.
[0067]
In this mode, four data latch circuits near the data output terminal and a ring counter type shift register with a 4-bit decoding function that receives the output are provided. Read data input in parallel from the four memory cell subarrays and temporarily stored in the four data latch circuits are converted in series by the shift register and continuously output to the outside in synchronization with CASB. Since this shift register is originally high speed, the nibble mode cycle is determined by the CASB cycle and is relatively fast, for example, 35 ns.
[0068]
Further, at the read timing of the static column mode, the column address is changed under the same row address, and the amplified data read to the data line is read / written. During the continuous cycle, CASB remains at the low level, and the address signal has no don't care portion. This is because the column address cannot be latched by CASB. The column address designation is random, and the cycle time is determined only by address switching. The column-related circuit is selected only by the operations of the ATD circuit and the column address buffer.
[0069]
As described above, the read operation, the write operation, the refresh operation, and the high-speed column access operation for the DRAM memory cells are performed. The DRAM is controlled by the rising / falling of the control signals of RASB, CASB, and WEB, whereas in the case of a synchronous DRAM, it is controlled by a command. This command is controlled by the chip select signals CSB, RASB, CASB, and WEB. Defined by combination.
[0070]
Therefore, according to the semiconductor memory device of the present embodiment, the sub word driver is composed of two MOS transistors of one PMOS transistor MP1 and one NMOS transistor MN1, and further the low level potential of the main word line MWB is set. By using a negative voltage, it is possible to reduce the chip area by reducing the size of the sub word driver in terms of layout, and it is possible to realize higher speed in terms of operation performance.
[0071]
In this embodiment, since the signal of the predecoder line FXB is unnecessary, instead, the predecoder line FX is directly arranged on the memory cell subarray, and the subword driver is directly driven from the FX driver near the main word driver. Higher speed can be realized by reducing the load on the predecoder line FXB.
[0072]
Further, the main word line MWB is discharged from the voltage VPP to 0 V, and then lowered to the level of the voltage VBB, so that most of the discharge current of the main word line MWB is caused to flow to the ground, thereby generating a negative voltage VBB generating circuit. Can be reduced, and an increase in current consumption can be suppressed.
[0073]
As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
[0074]
In the above description, the case where the invention made mainly by the present inventor is applied to a semiconductor memory device using DRAM, which is the technical field to which the present invention belongs, has been described. However, the present invention is not limited to this, and SRAM, RAM, ROM, PROM The present invention can also be widely applied to other semiconductor memory devices such as EPROM and EEPROM.
[0075]
【The invention's effect】
Of the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
[0076]
(1) Since the sub word driver is composed of two MOS transistors, the number of MOS transistors can be reduced, so that the sub word driver can be reduced. As a result, the chip area can be reduced in the chip layout.
[0077]
(2) By making the low level of the main word line a negative voltage, the output level of the sub word line is 0V when not selected, and the high level when selecting, the speed can be increased by utilizing the negative voltage of the main word line. It becomes. Furthermore, since the voltage between the gate and source of the PMOS transistor is increased by the negative voltage of the main word line, the load driving capability of the sub word line is increased and the effect of speeding up can be expected.
[0078]
(3) Since the output voltage of the substrate voltage generation circuit can be used by setting the low level of the main word line to the substrate voltage, it is not necessary to provide a new negative voltage generation circuit.
[0079]
(4) By changing the main word line from the high level to the low level in two steps from 0V to a negative voltage, most of the discharge current of the main word line flows to 0V. Therefore, it is possible to reduce the burden on the negative voltage generation circuit and suppress an increase in current consumption.
[0080]
(5) By placing the predecoder line directly on the memory cell subarray and driving the subword driver directly from the FX driver near the main word driver, it is possible to reduce the load on the predecoder line and increase the speed. It becomes.
[0081]
(6) According to the above (1) to (5), in a semiconductor memory device having a hierarchical word line structure such as a DRAM or a synchronous DRAM which tends to have a large capacity, the word line pitch of the hierarchical word line system can be increased. While maintaining the advantage that the manufacturing yield can be improved due to the relaxation, the sub word driver is reduced to suppress the increase of the chip area, the negative voltage of the main word line is used, the load driving capability of the sub word line is improved, the predecoder line It is possible to realize a high speed by reducing the load.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a layout view and a partially enlarged view showing a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are a circuit diagram and an operation waveform diagram showing a sub-word driver in an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are a circuit diagram and an operation waveform diagram showing a main word driver, a main row decoder and an FXB driver related to the main word driver in an embodiment of the present invention, respectively.
FIGS. 4A and 4B are a layout diagram and a cross-sectional view showing a sub-word driver in an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a negative voltage VBB generation circuit according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are a layout diagram and a partially enlarged view showing a hierarchical word line configuration in a semiconductor memory device as a premise of the present invention.
7A and 7B are a circuit diagram and an operation waveform diagram showing a sub word driver in a semiconductor memory device as a premise of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 memory chips
11 Main row decoder area
12 Main word driver area
13 Column decoder area
14 Peripheral circuit / bonding pad area
15 Memory cell subarray
16 sense amplifier area
17 Subword driver area
18 Intersection area
MWB main word line (inverted)
FXB predecoder line (inverted)
FX predecoder line
SW Sub word line
Claims (4)
サブワードドライバは1個のPMOSトランジスタと1個のNMOSトランジスタとからなり、前記メインワード線のLowレベルを負電圧とし、前記サブワード線の出力レベルは非選択時には0V、選択時にはHighレベルであり、
前記メインワード線のHighレベルから負電圧によるLowレベルへの変化の過程は、いったん0Vに変化させ、次いで負電圧へと2段階の過程を経て変化させ、
前記メインワード線の負電圧によるLowレベルは基板電圧とし、
前記PMOSトランジスタと前記NMOSトランジスタとのゲートは共通に前記メインワード線に接続され、前記PMOSトランジスタと前記NMOSトランジスタとのドレインは共通に前記サブワード線に接続され、前記PMOSトランジスタのソースはプリデコーダ線に接続され、かつ前記NMOSトランジスタのソースは0Vに接続され、
前記メインワード線を負電圧の第1電圧と正電圧の第2電圧とし、前記プリデコーダ線を0Vの第3電圧と前記第2電圧とし、前記サブワード線の出力レベルは非選択時には前記第3電圧、選択時には前記第2電圧であることを特徴とする半導体記憶装置。A semiconductor memory device having a hierarchical word line configuration comprising a main word line and a sub word line,
The sub word driver is composed of one PMOS transistor and one NMOS transistor, the low level of the main word line is a negative voltage, and the output level of the sub word line is 0 V when not selected, and is high level when selected.
The process of changing the main word line from the high level to the low level due to the negative voltage is once changed to 0 V and then changed to the negative voltage through two steps.
The low level due to the negative voltage of the main word line is the substrate voltage,
The gates of the PMOS transistor and the NMOS transistor are commonly connected to the main word line, the drains of the PMOS transistor and the NMOS transistor are commonly connected to the sub word line, and the source of the PMOS transistor is a predecoder line. And the source of the NMOS transistor is connected to 0V,
The main word line is set to a negative first voltage and a positive second voltage, the predecoder line is set to a third voltage of 0V and the second voltage, and the output level of the sub word line is set to the third voltage when not selected. A semiconductor memory device, wherein the voltage is the second voltage when selected.
サブワードドライバは1個のPMOSトランジスタと1個のNMOSトランジスタとからなり、前記メインワード線のLowレベルを負電圧とし、前記サブワード線の出力レベルは非選択時には0V、選択時にはHighレベルであり、
前記メインワード線のHighレベルから負電圧によるLowレベルへの変化の過程は、いったん0Vに変化させ、次いで負電圧へと2段階の過程を経て変化させ、
前記PMOSトランジスタと前記NMOSトランジスタとのゲートは共通に前記メインワード線に接続され、前記PMOSトランジスタと前記NMOSトランジスタとのドレインは共通に前記サブワード線に接続され、前記PMOSトランジスタのソースはプリデコーダ線に接続され、かつ前記NMOSトランジスタのソースは0Vに接続され、
前記メインワード線を負電圧の第1電圧と正電圧の第2電圧とし、前記プリデコーダ線を0Vの第3電圧と前記第2電圧とし、前記サブワード線の出力レベルは非選択時には前記第3電圧、選択時には前記第2電圧であることを特徴とする半導体記憶装置。A semiconductor memory device having a hierarchical word line configuration comprising a main word line and a sub word line,
The sub word driver is composed of one PMOS transistor and one NMOS transistor, the low level of the main word line is a negative voltage, and the output level of the sub word line is 0 V when not selected, and is high level when selected.
The process of changing the main word line from the high level to the low level due to the negative voltage is once changed to 0 V and then changed to the negative voltage through two steps.
The gates of the PMOS transistor and the NMOS transistor are commonly connected to the main word line, the drains of the PMOS transistor and the NMOS transistor are commonly connected to the sub word line, and the source of the PMOS transistor is a predecoder line. And the source of the NMOS transistor is connected to 0V,
The main word line is set to a negative first voltage and a positive second voltage, the predecoder line is set to a third voltage of 0V and the second voltage, and the output level of the sub word line is set to the third voltage when not selected. A semiconductor memory device, wherein the voltage is the second voltage when selected.
前記プリデコーダ線をメモリセルサブアレー上に直接配置し、メインワードドライバ付近のFXドライバから前記サブワードドライバを直接駆動することを特徴とする半導体記憶装置。The semiconductor memory device according to claim 1 , wherein
A semiconductor memory device, wherein the predecoder line is directly arranged on a memory cell subarray, and the subword driver is directly driven from an FX driver near a main word driver.
前記半導体記憶装置は、大容量のDRAMであることを特徴とする半導体記憶装置。A semiconductor memory device according to claim 1, wherein,
The semiconductor memory device is a large capacity DRAM.
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