JPH04258878A - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JPH04258878A
JPH04258878A JP3041315A JP4131591A JPH04258878A JP H04258878 A JPH04258878 A JP H04258878A JP 3041315 A JP3041315 A JP 3041315A JP 4131591 A JP4131591 A JP 4131591A JP H04258878 A JPH04258878 A JP H04258878A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体記憶装置に係り
、特に直列接続された複数のMOSトランジスタとそれ
らの各一端にそれぞれ一端が接続された情報記憶用のキ
ャパシタを備えたダイナミック型メモリセルのアレイを
有するダイナミック型ランダムアクセスメモリ(DRA
M)において、メモリセルから時系列で読み出される情
報を一時格納する格納手段をキャッシュメモリとして使
用する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】現在実用化されているDRAMのメモリ
セルは、ワード線およびビット線に接続される1個のト
ランスファゲート用MOS(絶縁ゲート型)トランジス
タと、これに接続される1個の情報記憶用キャパシタと
で構成されている。
【0003】一方、半導体メモリセルとして、より高い
集積度を達成し、ビット単価を低減することが要求され
ている。このような事情に鑑み、本願発明者は、例えば
図23あるいは図24に示すような新しい構成のダイナ
ミック型メモリセルを提案した(本願出願人に係る特願
平2−104576号出願)。このメモリセルは、複数
のMOSトランジスタが直列接続され、その各一端にそ
れぞれ情報記憶用のキャパシタの一端が接続されてなる
。このようなカスケード型のメモリセルは、既存の製造
プロセスで、あるいは、製造プロセスは変えても微細化
を伴わずに、従来の1トランジスタ・1キャパシタ型の
セルを用いたDRAMよりも高い集積度を実現でき、ビ
ット単価を大幅に低減することができる。
【0004】即ち、図23に示したメモリセルは、直列
接続されたトランジスタQ1 〜Q4 群を所定の順序
でオン/オフ制御することにより、複数のトランジスタ
の直列接続の一端(第1の読み出し/書込みノードN1
 )に近い側のキャパシタC1 から順に各キャパシタ
C1 〜C4 の記憶情報を第1の読み出し/書込みノ
ードN1 に読み出し、第1の読み出し/書込みノード
N1 に遠い側のキャパシタC4 から順に各キャパシ
タC4 〜C1 に第1の読み出し/書込みノードN1
 の情報を書込むことが可能になる。
【0005】これに対して、図24に示したメモリセル
は、複数のトランジスタQ1 〜Q4 の直列接続の他
端と第2の読み出し/書込みノードN2 との間にさら
にMOSトランジスタQ5 を接続しており、これらの
直列接続されたトランジスタ群を所定の順序でオン/オ
フ制御することにより、第1の読み出し/書込みノード
N1 に近い側のキャパシタC1 から各キャパシタC
1 〜C4 の記憶情報を第1の読み出し/書込みノー
ドN1 に順次読み出し、第1の読み出し/書込みノー
ドN1 に近い側のキャパシタC1 から各キャパシタ
C1 〜C4 に第2の読み出し/書込みノードN2 
の情報を順次書込むことが可能になる。この場合、直列
接続されたトランジスタ群のオン/オフ制御の順序を上
記とは逆にすれば、第2の読み出し/書込みノードN2
 に近い側のキャパシタC4  から各キャパシタC4
 〜C1 の記憶情報を第2の読み出し/書込みノード
N2 に順次読み出し、第2の読み出し/書込みノード
N2 に近い側のキャパシタC4 から各キャパシタC
4 〜C1 に第1の読み出し/書込みノードN1 の
情報を順次書き込むことが可能になる。
【0006】また、直列接続されたトランジスタ群の両
端のトランジスタQ1、Q5 を選択的に使用するよう
にスイッチ制御し、直列接続されたトランジスタ群を所
定の順序でオン/オフ制御することにより、メモリセル
と第1の読み出し/書込みノードN1 または第2の読
み出し/書込みノードN2との間で選択的に情報のやり
とりを行うことが可能になる。
【0007】なお、DRAMの記憶情報は破壊読み出し
されるのが特徴であり、常に再書込みする必要がある。 しかし、図23あるいは図24に示したメモリセルは、
1つのメモリセル内のキャパシタの読み出し、書込みの
順序が規定されるので、任意のキャパシタについてみる
と、記憶情報を読み出した直後に再書込みすることは許
されない。即ち、任意のキャパシタからの読み出しに続
く同一セル内の他のキャパシタからの読み出しを待たな
いと、再書込みすることができない。従って、図23あ
るいは図24に示したメモリセルを使用するDRAMに
おいては、メモリセルから必要な読み出しが終了した後
に順に再書込み(あるいは書込み)する必要があるので
、メモリセルから時系列で読み出される情報を一時格納
する格納手段が必要になる。
【0008】ところで、DRAMの速度とMPU(マイ
クロ・プロセッサ・ユニット)の速度との乖離は大きく
なる一方であり、両者の間のデータ転送速度がシステム
全体の性能を左右するボトルネックになっている。これ
を解消するための様々な改良がなされており、その代表
的なものは、MPUのサイクルタイムとメインメモリの
アクセス時間との差を埋めるために両者の間に置かれ、
MPUの使用効率の向上を可能とする高速メモリ(キャ
ッシュメモリ)の採用である。
【0009】現在、キャッシュメモリは3種類が知られ
ており、第1は、MPUからもDRAMからも独立した
SRAMで構成するものであり、第2は、MPUチップ
上に搭載されるオンチップ・キャッシュ(あるいは、エ
ンベデッド・メモリ)と称されるSRAMで構成するも
の(実際は、キャッシュメモリを搭載したMPUが、さ
らに、別チップのSRAMキャッシュを持つ場合もある
。)であり、第3は、DRAMチップ上に搭載されるS
RAMセルで構成するものである。
【0010】上記3種類のキャッシュメモリのうちでは
、第2あるいは第3の構成が、コンパクトであるので、
ワークステーションやパーソナル・コンピュータの高級
機などに広く用いられる可能性が大きい。特に、第3の
構成である、DRAMチップ上にSRAMセルからなる
キャッシュを搭載する点については、1990 Sym
posiumon VLSI Circuits,Di
gest of Technical Papers,
pp 79−80 ” A Circuit Desi
gnof Intelligent CDDRAM w
ith Automatic Write back 
Capability ”なる文献に、1トランジスタ
・1キャパシタのセルを用いたDRAMのカラム毎にS
RAMセルを付加し、これをキャッシュメモリとして使
用する技術が開示されている。また、この文献には、読
み出したいアドレスがキャッシュメモリにない(ミスヒ
ット)場合には、その時点でのキャッシュメモリの内容
を該当するアドレスのDRAMセルに書き戻し、その後
、アクセスしたいアドレスのDRAMセルを読み出す技
術についても言及している。このようなキャッシュ搭載
型のDRAMは、キャッシュメモリを搭載したMPUと
併用することも可能であり、この場合には、DRAM上
のキャッシュは第2のキャッシュとして使用されること
になる。
【0011】上記したようなキャッシュ搭載型のDRA
Mは、DRAMと比較すると、遥かに速い平均アクセス
タイムを実現し、システムスピードのボトルネックの解
消に大きな効果を発揮する。但し、従来の1トランジス
タ・1キャパシタのセルを用いたDRAMと比べて、S
RAMセルやこれに付随する回路を付加する必要がある
ので、チップサイズが大きくなってしまう。この点につ
いて、前記文献には、チップサイズが120%になると
記述されている。
【0012】しかし、このチップサイズの増大は、ビッ
トコストの増大を招き、優れた性能であるにも拘らず、
ユーザーの採用意欲を鈍らせることになる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上記したような事情に
鑑みて、本願発明者は、前記複数トランジスタ・複数キ
ャパシタ型のセルから時系列で読み出される情報を一時
格納するための格納手段の多くの具体例と共に、この格
納手段をキャッシュメモリとして使用し得る半導体記憶
装置を提案した(本願出願人の出願に係る特願平2−1
66914号出願)。
【0014】本発明は、上記格納手段をキャッシュメモ
リとして使用する技術を具体例に提案すべくなされたも
ので、搭載しているキャッシュメモリの実効的に高速な
動作を実現でき、しかも、従来の1トランジスタ・1キ
ャパシタ型のセルを用いた標準DRAMと同等かそれ以
下のチップサイズで実現し得る複数トランジスタ・複数
キャパシタ型のセルを用いたキャッシュ搭載型の半導体
記憶装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、直列接続され
た複数のMOSトランジスタとそれらの各一端にそれぞ
れ一端が接続された情報記憶用のキャパシタを備えたダ
イナミック型メモリセルのアレイを有する半導体記憶装
置において、上記メモリセルのアレイのカラムに設けら
れ、上記メモリセルから時系列で読み出される情報を一
時格納する格納手段と、この格納手段をメモリセルのア
レイとは独立にアクセスする手段とを具備することを特
徴とする。
【0016】
【作用】複数トランジスタ・複数キャパシタ型のメモリ
セルから時系列で読み出される情報を一時格納する格納
手段をメモリセルのアレイとは独立にアクセスすること
により、上記格納手段をキャッシュメモリとして使用す
ることが可能になる。
【0017】従って、1トランジスタ・1キャパシタの
メモリセルのアレイを有するDRAMの各カラムにSR
AMセルを設けた従来のキャッシュ搭載型のDRAMと
比較して、ミスヒット時のアクセスタイムは若干遅くな
るかもしれないが、ヒット時のアクセスタイムは同等か
それ以上を達成でき、平均的なアクセスタイムは殆んど
遜色がなく、実効的に高速な(つまり、期待値としての
フクセスタイムが速い)動作を実現でき、かつ、チップ
サイズは1トランジスタ・1キャパシタ型の従来のDR
AMと同等かそれ以下で実現することが可能になる。
【0018】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0019】まず、直列接続された複数のMOSトラン
ジスタとそれらの各一端にそれぞれ一端が接続された情
報記憶用のキャパシタを備えたダイナミック型メモリセ
ルのアレイを有する半導体記憶装置(前記した現在提案
中のもの)について、概要を説明する。
【0020】図1は、図23に示したようなメモリセル
のアレイを有するDRAMの1カラムを抜き出し、説明
の簡単化のため、相補的なビット線(BL、/BL)と
、1個のメモリセルMCと、ビット線センスアンプSA
と、メモリセルMCから時系列で読み出される情報を一
時格納するレジスタREGとを示している。
【0021】上記メモリセルMCは、第1の読み出し/
書込みノードN1 にドレインが接続された第1のMO
SトランジスタQ1 と、この第1のMOSトランジス
タQ1 のソース側に直列接続された1個以上(本例で
は3個)の第2のMOSトランジスタQ2 〜Q4 と
、これらの4個のトランジスタQ1 〜Q4 の各ソー
スにそれぞれ一端が接続された情報記憶用のキャパシタ
C1 〜C4 とからなり、本例では4ビットのメモリ
セルを示している。上記4個のトランジスタQ1 〜Q
4 の各ゲートは対応してワード線WL1 〜WL4 
に接続されており、上記第1の読み出し/書込みノード
N1 は一方のビット線BLに接続されており、上記キ
ャパシタC1 〜C4 の各他端は例えば同じキャパシ
タプレート電位VPLに接続されている。
【0022】前記レジスタREGは、上記メモリセルM
Cのキャパシタ数(ビット数)と同数の格納エレメント
を有する。
【0023】図2のタイミング波形は、図1のDRAM
におけるセンスアンプSA・メモリセルMC・レジスタ
REGの動作の一例を示している。即ち、ワード線WL
1 〜WL4 を図示のようなタイミングでオン/オフ
制御してトランジスタQ1 〜Q4 の順序でオン、ト
ランジスタQ4 〜Q1 の順序でオフさせるものとす
る。また、制御信号線RL1 〜RL4 を図示のよう
なタイミングでオン/オフ制御することにより、1回目
は第1〜第4エレメントの順序で動作させ、2回目は第
3〜第1エレメントの順序で動作させるものとする。ま
た、t1 はセンスアンプSAを動作させるタイミング
、t2 はビット線対(BL、/BL)を所定の電位(
例えば電源電位の1/2)にプリチャージ・イコライズ
するタイミングを示している。
【0024】このような制御により、メモリセルMCの
第1の読み出し/書込みノードN1 (メモリセルMC
が接続されているビット線BL)に近い側のキャパシタ
C1 から順に各キャパシタC1 〜C4 の記憶情報
を上記ビット線BLに順次読み出すと共にキャパシタC
1 〜C4 の記憶情報をレジスタREGに格納し、上
記ビット線BLに遠い側のキャパシタC4 から順に各
キャパシタC4 〜C1 に上記ビット線BLの情報を
順次書込むことが可能になる。
【0025】図3に示すレジスタは、それぞれ1トラン
ジスタ・1キャパシタのダイナミック型メモリセルから
なる1ビットの格納エレメントが4個(第1エレメント
REG1 〜第4エレメントREG4 )用いられ、第
1エレメントREG1 〜第4エレメントREG4 の
一部(本例では第1、第3エレメント)のトランジスタ
の一端が一方のビット線BL(または/BL)に接続さ
れ、残りのエレメント(本例では第2、第4エレメント
)のトランジスタの一端が他方のビット線/BL(また
はBL)に接続され、各エレメントのトランジスタのゲ
ートが対応して制御信号線RL1 〜RL4 に接続さ
れており、各エレメントのキャパシタRC1 〜RC4
 の各他端が例えば同じキャパシタプレート電位VPL
に接続されている。
【0026】図4に示すレジスタは、それぞれビット線
対(BL、/BL)に接続されると共に対応して制御信
号線RL1 〜RL4 に接続される第1エレメントR
EG1 〜第4エレメントREG4 が用いられている
【0027】図4中の各エレメントは、図5(a)に示
すように、例えば抵抗負荷を有するフリップフロップ回
路と2個のトランスファゲートとからなるスタティック
型メモリセル(SRAMセル)や抵抗負荷のかわりにP
チャネルMOSトランジスタを用いたSRAMセルを用
いたり、図5(b)に示すように、2個のトランジスタ
の間に1個のキャパシタが接続された2トランジスタ・
1キャパシタのダイナミック型メモリセル(文献;  
Y.Ohta,et al ”A Novel Mem
ory Cell Architecture for
  High−Density DRAMs” 198
9 Symposium on VLSI Circu
its, Digest of Technical 
Papers,pp.101−102,May 198
9 )を用いることができる。
【0028】図6は、図24に示したようなメモリセル
のアレイを有するDRAMの1カラムを抜き出し、相補
的なビット線(BL、/BL)と、1個のメモリセルM
Cと、ビット線センスアンプSAと、メモリセルMCか
ら時系列で読み出される情報を一時格納するレジスタR
EGとを示している。上記メモリセルMCは、図1中の
メモリセルと比べて、直列接続されたトランジスタQ1
 〜Q4 のうち第1のトランジスタQ1 に対して他
端側の第2のトランジスタQ4 のソースと第2の読み
出し/書込みノードN2 との間に第3のMOSトラン
ジスタQ5 が接続され、この第3のトランジスタQ5
のゲートはワード線WL5 に接続され、第2の読み出
し/書込みノードN2 は前記ビット線BLに第1の読
み出し/書込みノードN1 と共通に接続されている点
が異なり、その他は同じであるので図1中と同じ符号を
付している。上記レジスタREGは、4個のエレメント
REG1 〜REG4 のゲートが対応して制御信号線
RL1 〜RL4 に接続されている。
【0029】図7のタイミング波形は、図6のDRAM
におけるセンスアンプSA・メモリセルMC・レジスタ
REGの動作の一例を示しており、図中のタイミングt
1 、t2 は図2中と同じ意味を有する。この動作は
図2を参照して前述した動作に準じて行われるので、そ
の詳述は省略するが、キャパシタC1 〜C4 の順に
記憶情報をビット線BLに読み出すと共にレジスタRE
Gに格納し、引き続いてキャパシタC1 〜C4 の順
にビット線BLの情報を書込むことが可能になる。この
場合、メモリセルのトランジスタ群およびレジスタのエ
レメント群のオン/オフ制御の順序を上記とは逆にすれ
ば、キャパシタC4 〜C1 の順に記憶情報をビット
線BLに読み出すと共にレジスタREGに格納し、引き
続いてキャパシタC4 〜C1 の順にビット線BLの
情報を書き込むことが可能になる。
【0030】また、メモリセル1個当りのキャパシタ数
と同数のビット線センスアンプを設けて格納手段と兼用
するようにしてもよく、その例を図8に示す。このDR
AMにおいては、図1に示したDRAMと比べて、4個
のセンスアンプSA1 〜SA4 は各対応して制御信
号線φ1 〜φ4 により開閉制御されるトランスファ
ゲート対TG、TGを介してビット線対(BL、/BL
)に接続されている点が異なり、その他は同じであるの
で図1中と同一符号を付している。
【0031】図9のタイミング波形は、図8に示したD
RAMに例えば図23に示したようなメモリセルMCが
使用されている場合におけるセンスアンプSA1 〜S
A4 ・メモリセルMCの動作の一例を示しており、図
中のタイミングt1 、t2 は図2中と同じ意味を有
する。即ち、例えば制御信号線φ1 がオンになり、ビ
ット線対(BL、/BL)とセンスアンプSA1 とが
プリチャージされた状態でワード線WL1 がオンにな
り、メモリセルMCのキャパシタC1 からの読み出し
情報がセンスアンプSA1 に伝達される。次に、上記
制御信号線φ1 がオフになった後、上記センスアンプ
SA1 を動作させ、キャパシタC1 からの読み出し
情報を増幅すると同時にセンスアンプSA1 にラッチ
する。再書込み(または書込み)は、ビット線対(BL
、/BL)をプリチャージした後、該当するセンスアン
プを接続し、ビット線対(BL、/BL)を所定の電位
に充放電し、該当するワード線をオフにすることにより
達成される。センスアンプSA1 〜SA4 が例えば
CMOS構成であって、ビット線対(BL、/BL)の
電位をVcc電源側にもVss電源(接地電位)側にも
設定できる自由度があれば、再書込み(または書込み)
時のビット線対(BL、/BL)のプリチャージは省略
することも可能である。
【0032】なお、上記説明では、t1 のタイミング
でセンスアンプSAを動作させているが、このセンスア
ンプSAの動作時にビット線対(BL、/BL)の充放
電まで伴うとすると、1つのメモリセルMCの読み出し
の間にビット線対(BL、/BL)の電位が最低7回は
電源振幅まで変化することになり、消費電力が増大する
おそれがある。そこで、センスアンプSAとビット線対
(BL、/BL)との間にトランスファゲート対(TG
、TG)を挿入しておき、ワード線が立ち上がることに
よってメモリセルMCのキャパシタの情報を読み出して
レジスタREGに格納する際は、キャパシタの情報がセ
ンスアンプSAに伝達された後は上記トランスファゲー
ト対TG、TGをオフにしてセンスアンプSAを動作さ
せるという手法を用いることにより、ビット線対(BL
、/BL)の電位を電源振幅まで変化させずに済ませる
ことができる。これにより、ビット線対(BL、/BL
)の充放電は、キャパシタへの再書込み(または書込み
)する時のみ、即ち、4回で済ませることができ、消費
電力を削減することができる。
【0033】また、上記説明では、キャパシタC1 〜
C4 の各他端をキャパシタプレート電位VPLに共通
に接続している場合を示したが、キャパシタC1 〜C
4 の各他端を外部から与えられる電源電位Vccや接
地電位Vssに共通に接続してもよく、文献;  IE
EE JOURNAL OF SOLID−STATE
 CIRCUITS ” VOL.SC−17,NO.
5,p.872 OCT.1982” A Stora
ge−Node−Boosted RAM with 
Word−Line Delay Compensat
ion ” に示されているような、キャパシタプレー
トをクロック動作させる技術を用いてもよい。また、文
献;1989 Symposium of VLSI 
Circuits, Digest ofTech.P
apers, pp.101−102 ” A Nov
el Memory Cell Architectu
re for High−Density DRAMs
 ” Fig.1(b) に示されているようなキャパ
シタ両端に転送ゲートを接続する技術を用いてもよい。
【0034】次に、上記したようなレジスタREGをキ
ャッシュメモリとして使用するようにした本発明の第1
実施例に係るキャッシュ搭載型のDRAMについて、図
10を参照して説明する。図10は、DRAMの1カラ
ムを抜き出し、説明の簡単化のため、相補的なビット線
(BL、/BL)と、1個のメモリセルMCと、ビット
線センスアンプSAと、メモリセルMCから時系列で読
み出される情報を一時格納するレジスタREGと、第1
のトランスファゲート対(TG1、TG1 )と、第2
のトランスファゲート対(TG2 、TG2)と、入出
力線対(I/O)、/(I/O)を示している。上記第
1のトランスファゲートTG1 は、メモリセルMCが
接続されているビット線対とセンスアンプSAおよびレ
ジスタREGが接続されているデジット線対との間に挿
入されている。また、第2のトランスファゲートTG2
 はデジット線対(DL、/DL)と入出力線対との間
に挿入されており、これはカラム選択線CSL(カラム
デコーダの出力)により制御される。また、上記メモリ
セルMCは、図23に示したタイプのものでも図24に
示したタイプのものでもよい。また、上記レジスタRE
Gは、図3に示したタイプのものでも図4に示したタイ
プのものでもよい。
【0035】なお、図示していないが、上記ビット線対
、デジット線対の一方あるいは両方を所定のタイミング
で所定の電位にプリチャージ(リセット)するための手
段、アクセスしようとするアドレスがキャッシュメモリ
に割り当てられているかどうか、つまり、キャッシュメ
モリに格納されている情報を読もうとしているか否かを
判定する手段が設けられており、その具体例については
、キャッシュ搭載MPUなどで一般的であるのでその詳
細な説明を省略する。
【0036】さらに、キャッシュメモリ(レジスタRE
G)に格納されている情報を読み出す場合にはレジスタ
REGのエレメントをアクセスして該当するカラムのデ
ータを読み出し、レジスタREGに格納されていない情
報が必要な場合には、レジスタREGの現在の内容を該
当するメモリセルMCに書き戻した後、必要な情報を記
憶しているメモリセルMCからシリアルにデータを読み
出し、これをレジスタREGに格納すると共にチップ外
部に出力するような手段が設けられている。
【0037】次に、上記実施例のDRAMの動作につい
て、まず、概要を説明する。キャッシュメモリはタグ部
とデータ部とを有し、キャッシュメモリ用のアドレスは
セットアドレスとタグアドレスとからなり、セットアド
レスはキャッシュメモリ用のロウデコーダ(図示せず)
に入る。このロウデコーダのワード線駆動回路の出力に
よってキャッシュメモリのタグ部およびデータ部のワー
ド線が駆動され、それぞれのメモリセル(レジスタ・エ
レメント)が選択的に活性化される。このタグ部のメモ
リセル(レジスタ・エレメント)からの読みだし出力は
、センスアンプ(図示せず)によって増幅されて出力さ
れ、この出力は前記タグアドレスと共にコンパレータ(
図示せず)に入力して比較され、両者が一致した(ヒッ
ト)場合には一致出力が発生する。また、前記データ部
のメモリセル(レジスタ・エレメント)からの読みだし
出力は、センスアンプ(図示せず)によって増幅されて
出力される。この出力はデータバッファ回路(図示せず
)に入り、このデータバッファ回路は前記一致出力によ
り活性化され、このバッファ出力はチップ外部に読み出
されて例えばMPU(図示せず)に取り込まれる。もし
、前記コンパレータで一致出力が発生しなかった(ミス
ヒット)場合には、上記MPUはこの時のデータ部のメ
モリセル(レジスタ・エレメント)からの読みだし出力
が正しくないものと判断し、DRAMセルにアクセスし
に行くことになる。
【0038】上記の説明では、タグ部のメモリセル部も
レジスタエレメントによって構成される場合を述べたが
、タグ部はレジスタエレメントとは別個に設け、レジス
タエレメントは全てデータ部に使用するようにしてもよ
い(例えば、前記文献;1990Symposium 
on VLSI Circuits,Digest o
f Technical Papers,pp 79−
80 ”A Circuit Design of I
ntelligent CDDRAM with Au
tomatic Write back Capabi
lity ” 参照。)次に、上記キャッシュメモリへ
のアクセス動作について詳細に説明する。いま、読み出
そうとするアドレスがレジスタREGに割り当てられて
いる場合、つまり、ヒット時には、あらたにメモリセル
MCをアクセスすることなく、いきなり該当するレジス
タREGに対応するワード線(前記制御信号線RLiあ
るいはφi)を活性化させ、予めプリチャージしておい
たデジット線対(DL、/DL)に上記レジスタREG
の記憶情報を読み出す。この時、ビット線対の充放電ま
で伴うとすると消費電力が増大するおそれがあるので、
第1のトランスファゲートTG1 をオフにしておくこ
とが望ましく、これにより、レジスタREGの記憶情報
を読み出しす際にデジット線の小さな容量のみを充放電
すればよくなり、高速化と低消費電力化を同時に図るこ
とが可能になる。次に、センスアンプSAを活性化させ
、デジット線の信号を増幅する。次に、選択すべきカラ
ムのカラム選択線CSLを活性化して第2のトランスフ
ァゲートTG2 をオンにし、データを入出力線に出力
する。この実施例のキャッシュメモリでは、各カラムか
ら同時には1ビットが読み出されることになる。
【0039】なお、入出力線用のセンスアンプ(図示せ
ず)の形式によっては、カラム選択線CSLを活性化さ
せるタイミングを、前記センスアンプSAを活性化させ
るより前、さらには、前記制御信号線RLiあるいはφ
iを活性化させるより前に設定することも可能である。 また、レジスタREGの構成エレメントがSRAMセル
の場合には、前記センスアンプSAを活性化させなくて
もよい。即ち、前記制御信号線RLiあるいはφiを活
性化させてレジスタREGを選択するだけで、レジスタ
REGのSRAMセルによって第2のトランスファゲー
トTG2 を経由して入出力線を駆動することが可能に
なる。しかも、SRAMセルは非破壊読み出しが可能で
あり、リストアのためのセンスアンプ動作も不要になる
【0040】これに対して、読み出そうとするアドレス
がレジスタREGに割り当てられていない場合、つまり
、ミスヒット時には、メモリセルMCのアクセスから始
めなければならないが、この場合、レジスタREGの内
容が更新されてしまうので、その前に、レジスタREG
に現在割り当てられているアドレスのメモリセルMCに
レジスタREGの内容を書き戻す。この動作は、リスト
ア動作と全く同じである。次に、読み出すべきアドレス
のメモリセルMCの4ビットのデータを順次読み出す。 この過程で、レジスタREGの内容は更新される。
【0041】なお、図10のDRAMの場合、ミスヒッ
トの時にも必要なのは、時系列的に読み出される4ビッ
トのうちのi番目の1ビットのみとなる可能性が高い。 この場合、i番目の情報がセンスアンプSAiで増幅さ
れた時だけカラム選択線CSLを活性化させる(即ち、
カラムデコーダの出力を、4ビットのうちの何番目かと
いうことに対応するロウアドレスで制御する。)ように
構成することにより、目的を達成することができる。ま
た、レジスタREGに格納した内容にしたがってメモリ
セルの4ビットを再び順番にリストアしなければならな
いことはいうまでもない。
【0042】なお、前記トランスファゲートTG1 は
、省略しても差し支えないが、メモリセルを読み出す際
の電流を抑制するという観点からはあった方がよい。即
ち、メモリセルMCから4ビットのデータを順次破壊し
ながら読み出す場合、レジスタREGに格納するに際し
ては、メモリセルMCからの信号がビット線BLを経て
センスアンプSAに到達すればよく、ビット線BLを電
源電圧の全振幅で充放電する必要はない。ビット線BL
を全振幅で充放電する必要があるのは、リストア時であ
る。従って、第1のトランスファゲートTG1 を制御
することにより、読み出し時(リストア時ではない。)
にはビット線BLを全振幅で充放電しないようにし、低
消費電流化を図ることができる。
【0043】即ち、上記実施例によれば、直列接続され
た複数のMOSトランジスタとそれらの各一端にそれぞ
れ一端が接続された情報記憶用のキャパシタを備えたカ
スケード型のメモリセルのアレイを有するDRAMにお
いて、上記メモリセルのアレイのカラムに設けられ、上
記メモリセルから時系列で読み出される情報を一時格納
する格納手段をメモリセルのアレイとは独立にアクセス
するようにしてキャッシュメモリとして使用している。
【0044】従って、1トランジスタ・1キャパシタの
メモリセルのアレイを有するDRAMの各カラムにSR
AMセルを設けた従来のキャッシュ搭載型のDRAMと
比較して、ミスヒット時のアクセスタイムは若干遅くな
るかもしれないが、ヒット時のアクセスタイムは同等か
それ以上を達成でき、平均的なアクセスタイムは殆んど
遜色がなく、かつ、チップサイズは1トランジスタ・1
キャパシタ型の従来のDRAMと同等かそれ以下で実現
することが可能になる。また、上記したようなキャッシ
ュメモリにより、前記した複数トランジスタ・複数キャ
パシタのメモリセルMCがシリアルアクセス性を持つと
いう制限は大幅に補完される。
【0045】次に、図10のDRAMにおける他の動作
例(ミスヒット時の書き戻しを含む。)を説明する。こ
の動作は、図11に示すようなタイミングで行われ、キ
ャッシュメモリ(レジスタREG)のアクセスは、該当
するメモリセルMCのワード線WLai、WLbi、…
が開いた状態で行われるように設定され、メモリセルM
Cへのリストアは、キャッシュメモリの書き戻し(ライ
ト・バック)という形式で行われる。キャッシュメモリ
のアクセスが、該当するメモリセルのワード線WLai
、WLbi、…が閉じた状態で行われるように設定する
こともできるが、この場合、ワード線は図11中に破線
で示すような動作をする、すなわち、ミスヒットしてラ
イトバックする際には、まず、キャッシュメモリに該当
するメモリセルのワード線WLa1 〜WLa4 を開
く操作を行う(一斉でもよいし、時系列的に順次行って
もよい)。次に、制御信号線RL4を開いて、4番目の
レジスタエレメントの内容をデジット線に導き、センス
アンプを動作させてセルへの書き込み(書き戻し)レベ
ルをビット線に設定し、ワード線WLa4 を閉じる。 同様の操作を繰り返し、ワード線WLa3 、WLa2
 、WLa1 を順に閉じて、ライト・バックを完了さ
せる。その後は、選択すべきロウのワード線WLbi〜
WLb4 を順に開き、セルの内容をレジスタに移し、
これが完了した時点でワード線WLb1 〜WLb4 
を閉じる(この閉じる操作は一斉でもよいし、順次行っ
てもよい)。ここで、ヒット時のレジスタREGの読み
出しに関しては、レジスタREGの各エレメントがSR
AMセルの場合にはセンスアンプSAの動作を省略して
もよい。
【0046】なお、上記したようなDRAMのメモリセ
ルも、通常のDRAMセルと同様に定期的なリフレッシ
ュが必要になる。リフレッシュの際にも、ミスヒット時
に近い動作が必要であり、まず、レジスタREGの内容
を該当するメモリセルに書き戻すことから始める。次に
、リフレッシュすべきロウ(4本のワード線分)のメモ
リセルから順次読み出し、リストアする。この時、通常
の読み出しとは異なり、カラム選択線CSLを活性化さ
せる必要はない。リフレッシュの終了時には、再び、最
初にレジスタREGの内容を書き戻したメモリセルから
読み出しを行い、レジスタREGの内容をリフレッシュ
前の状態に復元しておく。
【0047】次に、第2実施例に係るキャッシュ搭載型
のDRAMとして、レジスタの各エレメントにSRAM
セルを用いた場合を図12に示す。このDRAMは、図
10に示したDRAMと比べて、センスアンプSAとレ
ジスタREGとの間に第3のトランスファゲートTG3
 を挿入しており、ヒット時には上記トランスファゲー
トTG3 をオフにしてSRAMセル(レジスタのエレ
メント)だけにより入出力線を駆動するようにしたもの
である。この場合、第1のトランスファゲートTG1 
は、省略しても差し支えないが、メモリセルを読み出す
際の電流を抑制するという観点からはあった方がよく、
その理由は、第1実施例の説明で述べた通りである。
【0048】図13は、第3実施例に係るキャッシュ搭
載型のDRAMとして、図12に示したDRAMのレジ
スタの各エレメントREGi(i=1〜4)をセンスア
ンプSAiに置き換え、センスアンプSAと兼用した場
合を示しており、ヒット時の動作は第2実施例と同様に
行われる。
【0049】図14は、第4実施例に係るキャッシュ搭
載型のDRAMとして、レジスタの各エレメントREG
iにSRAMセルを用い、かつ、各エレメントREGi
とデジット線DLとの間に接続されて制御信号線RLi
によりゲートが制御されるトランスファゲートTGのほ
かに、各エレメントREGiと入出力線I/Oiとの間
にそれぞれ対応して接続されてカラム選択線CSLによ
りゲートが制御されるトランスファゲートTG2 を設
けた場合を示している。
【0050】この第4実施例のDRAMにおいては、1
カラムから4ビット分が一斉に読み出される。この場合
、ヒット時には、制御信号線RLiを活性化させずに、
いきなり該当するカラムのカラム選択線CSLを活性化
させることにより、ヒット時のアクセスタイムの一層の
高速化が可能になる。また、制御信号線RLiによりゲ
ートが制御されるトランスファゲートTGが図12中に
示した第3のトランスファゲートTG3 と同様の機能
を果たすので、このような第3のトランスファゲートT
G3 は不要になる。
【0051】図15は、図14のDRAMにおけるレジ
スタの各エレメントREGiとして、SRAMセルをセ
ンスアンプSAiに置き換えた場合のエレメント1個分
を示しており、図14中と同一部分には同一符号を付し
ている。このDRAMは、図14のDRAMと同様に1
カラムから4ビット分が一斉に読み出され、トランスフ
ァゲートTGが前記したような第3のトランスファゲー
トTG3と同様の機能を果たすので、第3のトランスフ
ァゲートTG3 は不要になる。
【0052】なお、前記実施例では、セルアレイの構成
がフォールデッド・ビット線構造であるようなレイアウ
トを図示しているが、これに限らず、セルアレイの構成
がフォールデッド・ビット線構造である必然性はなく、
オープン・ビット線構造の場合でも本発明を適用できる
【0053】また、前記実施例では、各センスアンプの
一対の入力ノードが直接あるいはトランスファゲートな
どを経由して間接に相補的なビット線対に接続されてい
るように図示しているが、これに限らず、センスアンプ
の一方の入力ノードに一本のビット線BLのみが直接あ
るいは間接に接続される(いわゆる、シングルエンド型
センスアンプ)構成でも本発明を適用でき、その例を図
16乃至図22に示す。
【0054】図16は、図1に示した回路をシングルエ
ンド型センスアンプ構成にした場合を示しており、図1
中と同一部分には同一符号を付している。
【0055】図17は、図6に示した回路をシングルエ
ンド型センスアンプ構成にした場合を示しており、図6
中と同一部分には同一符号を付している。
【0056】図18は、図8に示した回路をシングルエ
ンド型センスアンプ構成にした場合を示しており、図8
中と同一部分には同一符号を付している。
【0057】図19は、図10に示した回路をシングル
エンド型センスアンプ構成にした場合を示しており、図
10中と同一部分には同一符号を付している。ここで、
一方のデジット線/DLの一端部に接続されているトラ
ンスファゲートTG1 ´は、ビット線BLとセンスア
ンプSAとの間に挿入されているトランスファゲートT
G1 による影響とのバランスをとるために付加されて
いるが、必ずしも必要ではないので削除してもよく、あ
るいは、このトランスファゲートTG1 ´を介してセ
ンスアンプSAに比較基準電位Vrefを与えるように
してもよい。
【0058】図20は、図15に示した回路をシングル
エンド型センスアンプ構成にした場合を示しており、図
15中と同一部分には同一符号を付している。ここで、
センスアンプSAiの一方の入力端側に接続されている
トランスファゲートTG´は、ビット線BLとセンスア
ンプSAiの他方の入力端との間に挿入されているトラ
ンスファゲートTGによる影響とのバランスをとるため
に付加されているが、必ずしも必要ではないので削除し
てもよく、あるいは、このトランスファゲートTG´を
介してセンスアンプSAiに比較基準電位Vrefを与
えるようにしてもよい。
【0059】図21は、図12に示した回路をシングル
エンド型センスアンプ構成にした場合を示しており、図
12中と同一部分には同一符号を付している。ここで、
一方のデジット線/DL´の一端部に接続されているト
ランスファゲートTG1 ´は、ビット線BLとセンス
アンプSAとの間に挿入されているトランスファゲート
TG1 による影響とのバランスをとるために付加され
ているが、必ずしも必要ではないので削除してもよく、
あるいは、このトランスファゲートTG1 ´を介して
センスアンプSAに比較基準電位Vrefを与えるよう
にしてもよい。
【0060】図22は、図13に示した回路をシングル
エンド型センスアンプ構成にした場合を示しており、図
13中と同一部分には同一符号を付している。ここで、
一方のデジット線/DLの一端部に接続されているトラ
ンスファゲートTG3 ´は、ビット線BLとセンスア
ンプSAとの間に挿入されているトランスファゲートT
G3 による影響とのバランスをとるために付加されて
いるが、必ずしも必要ではないので削除してもよく、あ
るいは、このトランスファゲートTG3 ´の一端側に
センスアンプSAi用の比較基準電位Vrefを与える
ようにしてもよい。
【0061】また、前記実施例において、ビット線とセ
ンスアンプとの間にトランスファゲートなどの接続手段
を設ける場合には、複数本(シングル・エンド型構造の
場合)または複数対(フォールデッド・ビット線構造ま
たはオープン・ビット線構造の場合)のビット線とトラ
ンスファゲートなどの接続手段が1つのセンスアンプを
共有し、このトランスファゲートなどの接続手段の制御
により複数本(シングル・エンド型構造の場合)または
複数対(フォールデッド・ビット線構造またはオープン
・ビット線構造の場合)のビット線のうちの一本または
一対のみが選択的にセンスアンプに電気的に接続される
ような構成(いわゆる、シェアード・センスアンプ方式
)でも本発明を適用できる。
【0062】
【発明の効果】上述したように本発明によれば、搭載し
ているキャッシュメモリの実効的に高速な動作を実現で
き、しかも、従来の1トランジスタ・1キャパシタのセ
ルを用いた標準DRAMと同等かそれ以下のチップサイ
ズで実現することができ、非常に有益なキャッシュ搭載
型のDRAMを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用しようとするDRAM(現在提案
中)の一例の一部を示す回路図。
【図2】図1のDRAMの動作の一例を示すタイミング
波形図。
【図3】図1中のレジスタのエレメントの一例を示す回
路図。
【図4】図1中のレジスタのエレメントの他の例を示す
回路図。
【図5】図4のエレメントの相異なる具体例を示す回路
図。
【図6】本発明が適用されるDRAM(現在提案中)の
他の例の一部を示す回路図。
【図7】図6のDRAMの動作の一例を示すタイミング
波形図。
【図8】本発明が適用されるDRAM(現在提案中)の
さらに他の例を示す回路図。
【図9】図8のDRAMの動作の一例を示すタイミング
波形図。
【図10】本発明の第1実施例に係るキャッシュ搭載型
のDRAMの一部を示す回路図。
【図11】図10のDRAMの動作の一例を示すタイミ
ング波形図。
【図12】本発明の第2実施例に係るキャッシュ搭載型
のDRAMの一部を示す回路図。
【図13】本発明の第3実施例に係るキャッシュ搭載型
のDRAMの一部を示す回路図。
【図14】本発明の第4実施例に係るキャッシュ搭載型
のDRAMの一部を示す回路図。
【図15】図14中のレジスタエレメントの他の例を示
す回路図。
【図16】図1の回路をシングルエンド型センスアンプ
構成にした例を示す回路図。
【図17】図6の回路をシングルエンド型センスアンプ
構成にした例を示す回路図。
【図18】図8の回路をシングルエンド型センスアンプ
構成にした例を示す回路図。
【図19】図10の回路をシングルエンド型センスアン
プ構成にした一例を示す回路図。
【図20】図15の回路をシングルエンド型センスアン
プ構成にした一例を示す回路図。
【図21】図12の回路をシングルエンド型センスアン
プ構成にした一例を示す回路図。
【図22】図13の回路をシングルエンド型センスアン
プ構成にした一例を示す回路図。
【図23】現在提案されている半導体メモリセルの一例
を示す等価回路図。
【図24】現在提案されている半導体メモリセルの他の
例を示す等価回路図。
【符号の説明】
MC…メモリセル、N1 …第1の読み出し/書込みノ
ード、N2 …第2の読み出し/書込みノード、Q1 
〜Q5 …メモリセルのMOSトランジスタ、C1 〜
C4 …メモリセルの情報記憶用のキャパシタ、WL1
 〜WL5 …ワード線、BL、/BL…ビット線、R
EG…レジスタ、REG1 〜REG4 …レジスタの
格納エレメント、RL1 〜RL4 …レジスタの制御
信号線、SA、SA1 〜SA4 …センスアンプ、φ
1 〜φ4 …センスアンプ制御信号線。

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  直列接続された複数のMOSトランジ
    スタとそれらの各一端にそれぞれ一端が接続された情報
    記憶用のキャパシタを備えたダイナミック型メモリセル
    のアレイを有する半導体記憶装置において、上記メモリ
    セルのアレイのカラムに設けられ、上記メモリセルから
    時系列で読み出される情報を一時格納する格納手段と、
    この格納手段を上記メモリセルのアレイとは独立にアク
    セスする手段とを具備することを特徴とする半導体記憶
    装置。
  2. 【請求項2】  請求項1記載の半導体記憶装置におい
    て、前記格納手段は、前記メモリセル1個当りのキャパ
    シタ数と同数の格納エレメントを有するレジスタである
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】  請求項2記載の半導体記憶装置におい
    て、前記格納エレメントは、1トランジスタ・1キャパ
    シタのダイナミック型メモリセルによって構成されてい
    ることを特徴とする半導体記憶装置。
  4. 【請求項4】  請求項2記載の半導体記憶装置におい
    て、前記格納エレメントは、スタティック型メモリセル
    によって構成されていることを特徴とする半導体記憶装
    置。
  5. 【請求項5】  請求項2記載の半導体記憶装置におい
    て、前記格納エレメントは、2個のトランジスタの間に
    1個のキャパシタが接続されたダイナミック型メモリセ
    ルによって構成されていることを特徴とする半導体記憶
    装置。
  6. 【請求項6】  請求項1記載の半導体記憶装置におい
    て、前記格納手段は、前記メモリセル1個当りのキャパ
    シタ数と同数のセンスアンプが用いられ、この複数個の
    センスアンプにより前記メモリセルの記憶情報の読み出
    し/書込みを制御すると共にデータの一時格納も行うこ
    とを特徴とする半導体記憶装置。
  7. 【請求項7】  請求項1乃至6のいずれか1項に記載
    の半導体記憶装置において、さらに、前記カラムのビッ
    ト線とビット線センスアンプとの間に挿入された第1の
    トランスファゲートと、この第1のトランスファゲート
    をオン/オフさせることにより、前記メモリセルからの
    情報読み出しの際には上記ビット線センスアンプによる
    上記ビット線の充放電を行わせず、再書込み(あるいは
    書込み)の際のみ上記ビット線センスアンプによる上記
    ビット線の充放電を行わせるように制御する手段とを具
    備することを特徴とする半導体記憶装置。
  8. 【請求項8】  請求項4記載の半導体記憶装置におい
    て、または、請求項7記載の半導体記憶装置において前
    記格納手段の各エレメントがスタティック型メモリセル
    である場合には、さらに、ビット線センスアンプと上記
    格納手段との間に挿入された第2のトランスファゲート
    と、上記格納手段をアクセスする時には上記第2のトラ
    ンスファゲートをオフ状態にしてスタティック型メモリ
    セルのみの駆動によりデータを出力させるように制御す
    る手段とを具備することを特徴とする半導体記憶装置。
  9. 【請求項9】  請求項4記載の半導体記憶装置におい
    て、または、請求項7記載の半導体記憶装置の格納手段
    の各エレメントがスタティック型メモリセルである場合
    には、上記格納手段の各エレメントとビット線との間に
    接続されて制御信号線によりゲートが制御される第3の
    トランスファゲートと、上記各エレメントと入出力線と
    の間にそれぞれ対応して接続されてカラム選択線により
    ゲートが制御される第4のトランスファゲートとを具備
    することを特徴とする半導体記憶装置。
  10. 【請求項10】  請求項6記載の半導体記憶装置にお
    いて、または、請求項7記載の半導体記憶装置において
    前記格納手段の各エレメントがセンスアンプである場合
    には、上記格納手段の各エレメントとビット線との間に
    接続されて制御信号線によりゲートが制御される第3の
    トランスファゲートと、上記各エレメントと入出力線と
    の間にそれぞれ対応して接続されてカラム選択線により
    ゲートが制御される第4のトランスファゲートとを具備
    することを特徴とする半導体記憶装置。
  11. 【請求項11】  請求項1乃至10のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、さらに、前記格納手段
    に読み出そうとする情報が格納されているか否かを判定
    する手段を具備することを特徴とする半導体記憶装置。
  12. 【請求項12】  請求項1乃至11のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、前記格納手段に読み出
    そうとする情報が格納されている場合には、あらたに前
    記メモリセルをアクセスすることなく、選択されたカラ
    ムの格納手段から必要なデータを読み出すように制御す
    る制御手段を具備することを特徴とする半導体記憶装置
  13. 【請求項13】  請求項12記載の半導体記憶装置に
    おいて、前記制御手段は、前記格納手段の各エレメント
    を対応して選択するための複数本の制御信号線のうちの
    1本を選択し、選択されたカラムから1ビットを読み出
    すことを特徴とする半導体記憶装置。
  14. 【請求項14】  請求項12記載の半導体記憶装置に
    おいて、前記格納手段の各エレメントがセンスアンプで
    ある場合には、前記制御手段は、選択されたカラムの1
    つのセンスアンプを選択し、選択されたカラムから1ビ
    ットを読み出すことを特徴とする半導体記憶装置。
  15. 【請求項15】  請求項9または10記載の半導体記
    憶装置において、前記各エレメントに対応して接続され
    ている第4のトランスファゲートを共通のカラム選択線
    により制御し、選択されているカラムから複数ビットを
    一斉に読み出すことを特徴とする半導体記憶装置。
  16. 【請求項16】  請求項1乃至15のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、前記格納手段に読み出
    そうとする情報が格納されていない場合には、上記格納
    手段の内容を該当するメモリセルに書き戻した後に必要
    な情報が記憶されているメモリセルをアクセスする手段
    を具備することを特徴とする半導体記憶装置。
  17. 【請求項17】  請求項1乃至15のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、前記メモリセルのリフ
    レッシュを行う場合には、前記格納手段の内容を該当す
    るメモリセルに書き戻した後にリフレッシュの対象とな
    るメモリセルのリフレッシュを行い、その後、リフレッ
    シュ前に書き戻したメモリセルをアクセスして上記格納
    手段の内容を復元する手段を具備することを特徴とする
    半導体記憶装置。
  18. 【請求項18】  請求項1乃至17のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、前記格納手段へのアク
    セスを、該当するメモリセルを選択した状態で行う手段
    を具備することを特徴とする半導体記憶装置。
  19. 【請求項19】  請求項1乃至18のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、ビット線センスアンプ
    の一対の入力端には一対の相補的なビット線が直接ある
    いは間接に接続されていることを特徴とする半導体記憶
    装置。
  20. 【請求項20】  請求項1乃至18のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、ビット線センスアンプ
    は、その一対の入力端に複数対の相補的なビット線が間
    接に接続され、その動作時には上記複数対のうちの一対
    のビット線が選択的に電気的に接続されることを特徴と
    する半導体記憶装置。
  21. 【請求項21】  請求項1乃至18のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、ビット線センスアンプ
    の一対の入力端のうちの一方のみに一本のビット線が直
    接あるいは間接に接続されていることを特徴とする半導
    体記憶装置。
  22. 【請求項22】  請求項1乃至18のいずれか1項に
    記載の半導体記憶装置において、前記ビット線センスア
    ンプは、その一対の入力端のうちの一方のみに複数本の
    ビット線が間接に接続され、その動作時には上記複数本
    のうちの一本のビット線が選択的に電気的に接続される
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
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