DE10234388A1

DE10234388A1 - Halbleiterbauelement mit Doppelspannungserzeugung und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE10234388A1
Application number: DE10234388A
Authority: DE
Inventors: Seong-Jin Jang; Young-Hyun Jun
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: KR100455389B1; KR20030011238A; GB0215042D0; JP2009151931A; JP4809452B2; ITMI20021609A1; JP4334830B2; TWI222081B; GB2382194B; JP2003059269A; US6654296B2; US20030016565A1; GB2382194A; DE10234388B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit Mitteln (610) zur Erzeugung eines Oszillationssignals und Mitteln (620) zur Erzeugung einer Pumpspannung in Reaktion auf das Oszillationssignal sowie auf ein zugehöriges Betriebsverfahren. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind Mittel (630) für ein erstes Schalten der Pumpspannung zur Erzeugung einer ersten Spannung (VBB1) für eine erste Komponente (603) und Mittel (630) für ein zweites Schalten der Pumpspannung zur Erzeugung einer zweiten Spannung (VBB2) für eine zweite Komponente (605) bevorzugt gleichzeitig mit der Erzeugung der ersten Spannung vorgesehen. DOLLAR A Verwendung z. B. für Halbleiterspeicherbauelemente.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Halbleiterspeicherbauelement, mit Doppelspannungserzeugung und auf ein zugehöriges Betriebsverfahren.
Halbleiterspeicherbauelemente speichern Daten in Speicherzellen und benutzen Wortleitungen zum Adressieren dieser Zellen. Es ist oftmals von Vorteil, an diese Komponenten Spannungen anzulegen, beispielsweise verhindert eine an eine p-Mulde, die eine Speicherzelle umgibt, angelegte Sperrspannung ein Löschen der in dieser Zelle gespeicherten Daten. Tatsächlich unterstützt eine derartige Spannung das Halten eines pn-Übergangs in einem Sperrzustand.
Es ist bekannt, zu diesem Zweck einen einzelnen Spannungsgenerator für verschiedene Bedürfnisse zu verwenden. Dies führte jedoch zu Pumpineffizienzen, da die optimalen Werte für die verschiedenen anzulegenden Spannungen normalerweise unterschiedlich sind. Die erzeugte Spannung war daher meist verschieden von den individuellen, optimalen Werten.
Des weiteren ist es bekannt, eine Vielzahl von Spannungsgeneratoren vorzusehen, jeden für eine der benötigten Spannungswerte. Eine solche Vielzahl von Spannungsgeneratoren benötigt jedoch eine große Chipfläche.

Fig. 1 zeigt im Blockschaltbild ein herkömmliches Bauelement 100, wie es in der Patentschrift US 5.886.932 offenbart ist. Dieses Bauelement stellt einen Fortschritt hinsichtlich Platzersparnis und Pumpeffizienz dar, es können jedoch nur unterschiedliche Spannungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugt werden.

Das Bauelement 100 beinhaltet einen VBB-Generator 110, der eine einzelne Sperrspannung abgibt. Die Ausgangsspannung kann nur jeweils einen von zwei Werten annehmen, nämlich VBB1 und VBB2, wozu zwei verschiedene Situationen gehören. In der ersten Situation wird ein normaler Wiederauffrischmodus indiziert, indem ein Steuersignal NORM dazu benutzt wird, einen Schalter N1 zu aktivieren. In der zweiten Situation wird ein Selbstwiederauffrischmodus indiziert, indem ein Steuersignal SREF benutzt wird, um einen Schalter N2 zu aktivieren. In jedem Fall wird ein Freigabesignal ENABLE-N bzw. ENABLE-S zum VBB- Generator 110 übertragen. Letzterer gibt sein Ausgangssignal an einen Pegeldetektor 120 bzw. 130, um es mit einem entsprechenden Referenzspannungspegel zu vergleichen und eine dementsprechende Steuerungsfunktion auszuführen. Auf diese Weise nimmt die Ausgangsspannung den Wert eines der Referenzspannungspegel an, wie durch die Freigabesignale ENABLE-N bzw. ENABLE-S gesteuert. Das Bauelement 100 eignet sich in Fällen, in denen kein Bedarf für eine gleichzeitige Erzeugung verschiedener Spannungen besteht. Es arbeitet hingegen nicht in Fällen, in denen unterschiedliche Spannungen gleichzeitig bereitgestellt werden müssen.

Fig. 2 zeigt im Blockschaltbild ein weiteres herkömmliches Bauelement 200, wie es in der Patentschrift US 5.889.664 offenbart ist. Dieses Bauelement stellt einen Fortschritt hinsichtlich einer gleichzeitigen Bereitstellung zweier verschiedener Spannungen dar und ermöglicht auch etwas Platzersparnis.

Bei diesem Bauelement 200 wird ein einzelner Oszillator 210 von zwei Ladungspumpschaltungen 220, 230 gemeinsam genutzt, was Platzersparnis bringt. Die beiden Ladungspumpschaltungen 220, 230 benötigen jedoch noch immer relativ viel Fläche des Bauelements 200. Sie empfangen jeweils ein Signal S212 bzw. S213 vom Oszillator 210 und erzeugen je eine Spannung VBB, VPP. Die Spannung VBB ist negativ, während die Spannung VPP positiv ist und einen höheren Spannungswert als eine Versorgungsspannung hat. Die Spannungen VBB und VPP werden von jeweiligen Detektoren 240, 250 abgetastet. Diese erzeugen je ein Detektionssignal S242, S252 für den Oszillator 210 und je ein Detektionssignal S246, S256 für eine Steuerlogikeinheit 260.

Fig. 3 zeigt im Blockschaltbild ein weiteres herkömmliches Bauelement 330, das zwar zusätzlichen Fortschritt bringt, jedoch relativ viel elektrischen Strom verbraucht.

Dieses Bauelement 300 beinhaltet einen einzelnen VBB2-Generator 310, der durch eine Ladungspumpe und einen Kondensator realisiert sein kann. Der Generator 310 erzeugt eine Spannung VBB2 an einem Knoten 320, die einem Substrat eines Speicherzellentransistors 330 eines Speicherbauelements zugeführt wird, um es in Sperrrichtung vorzuspannen. Außerdem wird eine Spannung VBB1 vom Knoten 320 durch Verwenden eines Transistors 340 und eines Differenzverstärkers 350 abgeleitet. Der Verstärker 350 besitzt einen negativen Eingang, an dem ein Referenzwert der gewünschten anderen Spannung VBB1 anliegt. Dies generiert eine Spannung VBB1, die an Wortleitungstreiberschaltungen 360 des Speicherbauelements angelegt wird. Dabei ist bei dieser Verschaltung die Spannung VBB1 höher als die Spannung VBB2.

Das Bauelement 300 weist gewisse Probleme hinsichtlich der Erzeugung der Spannung VBB1 vom Knoten 320 auf. Während der Differenzverstärker 350 versucht, das Ausgangssignal auf dem gewünschten Pegel zu halten, verbraucht er relativ viel elektrischen Strom, weil der Transistor 340 Strom vom Knoten 370 zieht. Dementsprechend ist die Pumpeffizienz verringert, da mehr VBB2-Spannung mit niedriger Effizienz erzeugt wird, um den gewünschten VBB1-Spannungspegel zu halten.

Mit kleiner werdenden Halbleiterbauelementen besteht die Anforderung, weniger Fläche für deren Komponenten, wie z. B. Spannungsgeneratoren, zu benötigen. Da die Bauelemente zudem mit weniger Leistung betrieben werden sollen, werden höhere Pumpeffizienzen benötigt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements mit Doppelspannungserzeugung und eines Betriebsverfahrens hierfür zugrunde, mit denen sich die oben erläuterten Schwierigkeiten herkömmlicher Bauelemente wenigstens teilweise vermeiden lassen und die insbesondere einen geringen Platzbedarf erlauben, den Stromverbrauch niedrig halten und die gleichzeitige Bereitstellung zweier Spannungen für zwei verschiedene Bauelementkomponenten ermöglichen.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Betriebsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 26.

Erfindungsgemäß ist nur ein Ladungspumpmittel erforderlich, um zwei gleich große oder unterschiedliche Spannungen für zwei verschiedene Bauelementkomponenten gleichzeitig bereitzustellen, wie eine Wortleitungstreiberschaltung, eine Steuerschaltung für einen Bitleitungs-Abtastverstärkerblock, ein Substrat eines Speicherzellentransistors etc. Umschalt-Schaltkreise können optional so eingestellt werden, dass sie die beiden Spannungen mit jeweils optimalen Spannungswerten liefern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben erläuterten, herkömmlichen Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten herkömmlichen Halbleiterbauelements,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten herkömmlichen Halbleiterbauelements,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines dritten herkömmlichen Halbleiterbauelements,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines dritten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Fig. 7 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Signalen bei Aktivierung eines ersten Detektors des Bauelements der Fig. 4, 5 oder 6,
Fig. 8 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Signalen, wenn ein zweiter Detektor des Bauelements der Fig. 4, 5 oder 6 aktiviert wird,
Fig. 9 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Signalen bei Aktivierung sowohl des ersten als auch des zweiten Detektors des Bauelements der Fig. 4, 5 oder 6 gemäß der Erfindung,
Fig. 10 ein Schaltbild eines Oszillators des Bauelements der Fig. 4, 5 oder 6 gemäß der Erfindung,
Fig. 11 ein Schaltbild eines Spannungsdetektors des Bauelements der Fig. 4, 5 oder 6 gemäß der Erfindung,
Fig. 12 ein Schaltbild von Komponenten des Bauelements der Fig. 4, 5 oder 6 gemäß der Erfindung und
Fig. 13 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Halbleiterspeicherbauelements 400, bei dem eine Wortleitungstreiberschaltung 403 und ein Substrat eines Speicherzellentransistors 405 mit Ausgangssignalen vorgeschalteter Komponenten beaufschlagt werden.
Das Bauelement 400 beinhaltet einen Oszillator 410, der ein Oszillationssignal OSC erzeugt. Der Oszillator 410 wird durch ein Signal EN gesteuert, wie weiter unten beschrieben.
Des weiteren enthält das Bauelement 400 eine Ladungspumpe 420, die das Oszillationssignal OSC empfängt und eine Pumpspannung an einem Pumpknoten PO erzeugt. Bevorzugt umfasst die Ladungspumpe 420 einen Pumpkondensator C1. Äquivalent kann der Pumpkondensator C1 als ein von der Ladungspumpe 420 separiertes Element realisiert sein. In jedem Fall ist es bevorzugt, dass der Pumpkondensator C1 mit einem Anschluss an den Pumpknoten PO angeschlossen ist.
Des weiteren weist das Bauelement 400 einen ersten Umschalt- Schaltkreis SW1 430 auf. Der Schaltkreis SW1 430 ist mit dem Pumpknoten PO gekoppelt, von dem er die Pumpspannung empfängt. Der Schaltkreis SW1 430 gibt eine erste Spannung VBB1 an die Treiberschaltung 403 ab.
Weiter beinhaltet das Bauelement 400 einen zweiten Umschalt- Schaltkreis SW2 440. Dieser ist mit dem Pumpknoten PO gekoppelt, von dem er die Pumpspannung empfängt. Er gibt eine zweite Spannung VBB2 an den Speicherzellentransistor 405 ab.
In diesem Ausführungsbeispiel des Bauelements 400 ist die Spannung VBB2 niedriger als die Spannung VBB1, wenngleich dies für die Erfindung nicht zwingend ist. Beide Spannungen können negativ sein, jedoch ist auch dies für die Erfindung nicht zwingend.
Als weitere Komponente weist das Bauelement 400 eine erste Steuereinheit 480 auf, die den ersten Umschalt-Schaltkreis SW1 430 in Reaktion auf das Oszillationssignal OSC steuert. Analog weist das Bauelement 400 eine zweite Steuereinheit 490 auf, die den zweiten Umschalt- Schaltkreis SW2 440 in Reaktion auf das Oszillationssignal OSC steuert.
Ein erster Spannungsdetektor 450 des Bauelements 400 gibt ein erstes Detektionssignal EN1 in Reaktion auf die erzeugte erste Spannung VBB1 ab. Das erste Detektionssignal EN1 wird bevorzugt von beiden Steuereinheiten 480, 490 empfangen. Ein zweiter Spannungsdetektor 460 des Bauelements 400 gibt ein zweites Detektionssignal EN2 in Reaktion auf die erzeugte zweite Spannung VBB2 ab. Das zweite Detektionssignal EN2 wird bevorzugt von beiden Steuereinheiten 480, 490 empfangen.
Eine Oszillatorsteuerschaltung 470 des Bauelements 400 dient zur selektiven Steuerung des Oszillators 410 in Abhängigkeit vom ersten Detektionssignal EN1 und zweiten Detektionssignal EN2. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist die Oszillatorsteuerschaltung 470 durch ein ODER-Gatter realisiert und gibt ein Signal EN ab.
Fig. 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Halbleiterspeicherbauelement, bei dem eine Wortleitungstreiberschaltung 503 und eine Steuerschaltung 505 für einen Bitleitungs-Abtastverstärkerblock mit Ausgangssignalen vorgeschalteter Einheiten beaufschlagt werden.
Das Bauelement 500 beinhaltet einen Oszillator 510 entsprechend dem Oszillator 410 von Fig. 4 sowie eine Ladungspumpe 520 entsprechend der Ladungspumpe 420, um Ladung über einen Pumpkondensator C1 zu einem Pumpknoten PO zu pumpen.
Des weiteren beinhaltet das Bauelement 500 einen ersten Umschalt- Schaltkreis SW1 530 entsprechend dem Umschaltkreis-Schaltkreis SW1 430 zum Empfangen der Pumpschaltung und Abgeben einer ersten Spannung VPP1 an die Treiberschaltung 503 sowie einen zweiten Umschalt-Schaltkreis SW2 540 entsprechend dem Umschalt-Schaltkreis SW2 440 zum Empfangen der Pumpspannung und Abgeben einer zweiten Spannung VPP2 an die Steuerschaltung 505.
Außerdem enthält das Bauelement 500 eine erste Steuereinheit 580 entsprechend der ersten Steuereinheit 480, eine zweite Steuereinheit 590 entsprechend der zweiten Steuereinheit 490, einen ersten Spannungsdetektor 550 entsprechend dem ersten Spannungsdetektor 450, einen zweiten Spannungsdetektor 560 entsprechend dem zweiten Spannungsdetektor 460 und eine Oszillatorsteuerschaltung 570 entsprechend der Steuerschaltung 470.
Im Ausführungsbeispiel des Bauelements 500 kann die Spannung VPP1 höher als eine Versorgungsspannung sein, wenngleich dies für die Erfindung nicht zwingend ist. Außerdem ist die Spannung VPP2 niedriger als die Spannung VPP1, jedoch ist auch dies für die Erfindung nicht zwingend.
Fig. 6 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Halbleiterspeicherbauelement 600, das ersichtlich wiederum einen ähnlichen Aufbau wie die Bauelemente der Fig. 4 und 5 besitzt.
Das Bauelement 600 weist eine erste Komponente 603 und eine zweite Komponente 605 auf, bei denen es sich um beliebige Komponenten eines Speicherbauelements handeln kann. Beispielsweise kann die Komponente 603 eine Wortleitungstreiberschaltung sein, während die Komponente 605 ein Substrat eines Speicherzellentransistors sein kann.
Des weiteren beinhaltet das Bauelement 600 einen Oszillator 610 entsprechend dem Oszillator 410 von Fig. 4 sowie eine Ladungspumpe 620 entsprechend der Ladungspumpe 420, die Ladung über einen Pumpkondensator C1 zu einem Pumpknoten PO pumpt.
Weiter enthält das Bauelement 600 einen ersten Umschalt-Schaltkreis 630 entsprechend dem Umschalt-Schaltkreis SW1 430, der die Pumpspannung empfängt und eine erste Spannung VBB1 an die erste Komponente 603 abgibt, sowie einen zweiten Umschalt-Schaltkreis 640 entsprechend dem Umschalt-Schaltkreis SW2 440, der die Pumpspannung empfängt und eine zweite Spannung VBB2 an die zweite Komponente 605 abgibt.
Außerdem weist das Bauelement 600 eine erste Steuerschaltung 680 entsprechend der ersten Steuerschaltung 480, eine zweite Steuereinheit 690 entsprechend der zweiten Steuereinheit 490, einen ersten Spannungsdetektor 650 entsprechend dem ersten Spannungsdetektor 450, einen zweiten Spannungsdetektor 660 entsprechend dem zweiten Spannungsdetektor 460 sowie eine Oszillatorsteuerschaltung 670 entsprechend der Oszillatorschaltung 470 auf.
Im Ausführungsbeispiel des Bauelements 600 ist die Spannung VBB2 kleiner als die Spannung VBB1, dies ist jedoch für die Erfindung nicht zwingend. Außerdem kann die Spannung VBB1 zwischen irgendeinem negativen Wert und einer Massespannung liegen. Alternativ kann die Spannung VBB1 gleich der Spannung VBB2 sein. Die Prinzipien der Erfindung sind für jeglichen Satz der beiden Spannungswerte VBB1 und VBB2 sowie VPP1 und VPP2 gleich.
Fig. 6 zeigt außerdem eine mögliche Realisierung für den ersten Umschalt-Schaltkreis 630 und den zweiten Umschalt-Schaltkreis 640 in einem genaueren Schaltungsaufbau. Dieser Aufbau kann auch für die entsprechenden ersten und zweiten Umschalt-Schaltkreise SW1 430 und SW2 440 von Fig. 4 bzw. SW1 530 und SW2 540 von Fig. 5 gewählt werden.
Hierbei beinhaltet der erste Umschalt-Schaltkreis 630 einen ersten Transfertransistor TP1 631, der zwischen den Pumpknoten PO und die erste Komponente 603 eingeschleift ist. Außerdem weist der erste Umschalt-Schaltkreis 630 einen ersten Steuertransistor TP3 632 auf, der zwischen den Pumpknoten PO und eine Gate-Elektrode S1 des ersten Transfertransistors TP1 631 eingeschleift ist. Die Gate-Elektrode S1 des ersten Transfertransistors TP1 631 und eine Gate-Elektrode D1 des erste Steuertransistors TP3 632 empfangen Steuersignale von der ersten Steuereinheit 680, wie weiter unten erläutert.
Der zweite Umschalt-Schaltkreis 640 umfasst einen zweiten Transfertransistor TP2 641, der zwischen den Pumpknoten PO und die zweite Komponente 605 eingeschleift ist. Des weiteren beinhaltet der zweite Umschalt-Schaltkreis 640 einen ersten Steuertransistor TP4 642, der zwischen den Pumpknoten PO und eine Gate-Elektrode S2 des zweiten Transfertransistors TP2 641 eingeschleift ist. Außerdem enthält der zweite Umschalt-Schaltkreis 640 einen zweiten Steuertransistor 643, der zwischen den Pumpknoten PO und die Gate-Elektrode S2 des zweiten Transfertransistors TP2 641 eingeschleift ist. Die Gate-Elektrode S2 des zweiten Transfertransistors TP2 641, eine Gate-Elektrode D2 des ersten Steuertransistors TP4 642 und eine Gate-Elektrode D3 des zweiten Steuertransistors 643 empfangen Steuersignale von der zweiten Steuereinheit 690, wie weiter unten erläutert.
Nachfolgend wird die Betriebsweise des Bauelements von Fig. 6 unter Bezugnahme auf die Fig. 7, 8 und 9 näher erläutert, wobei einige Ähnlichkeiten zu beobachten sind.
Fig. 7 zeigt im Zeitablaufdiagramm die relative Beziehung von Signalen zueinander, wenn der erste Detektor 650 des Bauelements von Fig. 6 aktiviert wird. Der erste Spannungsdetektor 650 detektiert, ob die Spannung VBB1 innerhalb eines geeigneten Spannungswertebereichs liegt.
Wenn VBB1 über einen oberen Endwert hinausdriftet, wird das Detektionssignal EN1 auf hohen Pegel aktiviert. Dies aktiviert das Ausgangssignal EN der Oszillatorsteuerschaltung 670 auf hohen Pegel. Äquivalent kann der Wertebereich lediglich ein Schwellwert sein, da die Ladungspumpe nur in einer einzigen Richtung korrigiert.
Da das Ausgangssignal EN auf hohen Pegel gelangt, werden der Oszillator 610 und die Ladungspumpensteuerschaltung 620 aktiv. Dadurch werden negative Ladungen durch den Pumpkondensator C1 zum Pumpknoten PO gepumpt, was die Spannung VBB1 über den ersten Umschalt-Schaltkreis 630 erniedrigt, bis sie in den geeigneten Bereich zurückkommt. Im Beispiel von Fig. 7 dauert dies drei Zyklen des Oszillationssignals OSC des Oszillators 610, während denen sich die Spannung VBB1 in Stufen verringert. Während dieser Zeit wird der erste Transfertransistor TP1 631 daran angepasst, alternierend leitend und sperrend geschaltet zu werden, mit einer Periode entsprechend derjenigen des Oszillationssignals OSC.
Genauer gesagt wird der Pumpknoten PO in dem Augenblick, in welchem er auf den Pegel der Massespannung VSS vorgeladen ist und das Oszillationssignal OSC auf hohen Pegel gelangt, auf einen Spannungswert -VEXT gesetzt. Gleichzeitig nimmt die Vorspannung an der Gate- Elektrode S1 des ersten Transfertransistors TP1 631 ebenfalls die Spannung -VEXT an, so dass negative Ladungen vom Pumpknoten PO zur Spannung VBB1 übertragen werden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Vorspannung an der Gate-Elektrode D1 des ersten Steuertransistors TP3 632 auf der Massespannung VSS gehalten. Mit anderen Worten arbeitet der erste Transfertransistor mit einer Phase, die derjenigen des ersten Steuertransistors entgegengesetzt ist. Dementsprechend sind der Pumpknoten PO und die Gate-Elektrode S1 des ersten Transfertransistors 631 getrennt.
Nachdem die negativen Ladungen zur Spannung VBB1 übertragen wurden, gelangt das Oszillationssignal OSC auf niedrigen Pegel, der Spannungspegel an der Gate-Elektrode S1 des ersten Transfertransistors TP1 631 gelangt auf die Massespannung VSS, und der Spannungspegel an der Gate-Elektrode D1 des ersten Steuertransistors TP3 632 nimmt den Spannungswert -VEXT an. Dementsprechend werden der Pumpknoten PO und die Spannung VBB1 zu einer Diode verbunden. Dadurch fließen die negativen Ladungen nicht vom VBB1-Knoten zum Pumpknoten PO zurück. Dies gilt selbst dann, wenn die Spannung am Pumpknoten PO durch Kopplung auf eine positive Spannung erhöht wird, d. h. auf VEXT-VBB1. In diesem Zustand ist der Pumpknoten PO auf die Massespannung VSS vorgeladen, und das Ladungspumpen wird im nächsten Zyklus des Oszillationssignals OSC wiederholt. Dabei arbeitet eine Vorspannung an der Gate-Elektrode D2 des Transistors TP4 642 auch mit dem ersten Steuertransistor 632, um den Spannungspegel an der Gate-Elektrode S2 des Transfertransistors 641 auf der Massespannung VSS zu halten.
Fig. 8 zeigt im Zeitablaufdiagramm Signale relativ zueinander, wenn der zweite Detektor 660 des Bauelements von Fig. 6 aktiviert wird. Wiederum aktiviert dies das Ausgangssignal EN der Oszillatorsteuerschaltung 670 auf hohen Pegel.
Die Betriebsweise gemäß Fig. 8 entspricht weitgehend derjenigen von Fig. 7. Das Ladungspumpen wird wiederholt durchgeführt, bis ein geeigneter Wert der Spannung VBB2 erhalten wird. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Gate-Vorspannungen der Transistoren 631 und 632 kontinuierlich auf der Massespannung VSS gehalten werden. Dementsprechend sind der VBB1-Knoten und der Pumpknoten PO voneinander getrennt. Die Gate-Elektrode D3 des Transistors 643 wird auf der Massespannung VSS gehalten.
Aus den Fig. 7 und 8 lässt sich die Beobachtung entnehmen, dass nur jeweils eine der beiden Ausgangsspannungen VBB1, VBB2 korrigiert werden kann. Mit anderen Worten arbeitet jeweils einer der Umschalt- Schaltkreise, während der andere nicht arbeitet.
Fig. 9 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung von Signalen relativ zueinander, wenn sowohl der erste Detektor 650 als auch der zweite Detektor 660 des Bauelements von Fig. 6 aktiviert werden. Dies geschieht, wenn beide Spannungen VBB1 und VBB2 nicht auf ihren Sollwerten liegen. Wiederum hat ein hoher Pegel der Signale EN1 und EN2 zur Folge, dass das Ausgangssignal EN der Oszillatorsteuerschaltung 670 auf hohen Pegel aktiviert wird.
Wie zu erkennen, wird die zweite Spannung VBB2 gleichzeitig mit der ersten Spannung VBB1 abgegeben. In diesem Fall arbeiten beide Umschalt-Schaltkreise 630, 640 gleichzeitig. Außerdem werden der erste Transfertransistor 631 und der zweite Transfertransistor 641 darauf eingestellt, in Phase zueinander leitend und sperrend geschaltet zu werden.
Spezieller arbeiten der erste Umschalt-Schaltkreis 630 und die erste Umschalt-Steuerschaltung 680 wie oben zu Fig. 7 erläutert. Im zweiten Umschalt-Schaltkreis 640 wird die Spannung VEXT alternierend an die Gate-Elektrode D2 des Transistors 642 und die Gate-Elektrode D3 des Transistors 643 über die zweite Umschalt-Steuerschaltung 690 angelegt, so dass der Pumpknoten PO mit der Gate-Elektrode S2 des Transfertransistors 641 verbunden wird. Dadurch wird die Spannung an der Gate-Elektrode S2 des Transfertransistors 641 gleich der Spannung am Pumpknoten PO gehalten. Der Transfertransistor 641 ist dann als Diode zwischen dem Pumpknoten PO und dem VBB2-Knoten konfiguriert. Daher werden die negativen Ladungen am Pumpknoten PO zur zweiten Komponente 605 übertragen. Dementsprechend fließen die negativen Ladungen des VBB2-Knotens nicht zum Pumpknoten PO zurück. Es tritt daher kein Problem auf, selbst wenn das Ladungspumpen für die Spannungen VBB1 und VBB2 gleichzeitig erfolgt.
Fig. 10 zeigt im Schaltbild eine mögliche erfindungsgemäße Realisierung für den Oszillator 410, 510, 610 des Bauelements von Fig. 4, 5 bzw. 6. Im Beispiel von Fig. 10 ist der Oszillator 410, 510, 610 durch eine Reihe von Invertern und ein NAND-Gatter implementiert.
Der Oszillator 410, 510, 610 arbeitet, wenn ein Eingangssignal EN über das NAND-Gatter auf hohem Pegel aktiviert ist. Dies ist der Fall, wenn das erste Detektionssignal EN1 oder das zweite Detektionssignal EN2 auf hohem Pegel liegt. Wenn hingegen beide Detektionssignale EN1, EN2 auf niedrigem Pegel liegen, arbeitet der Oszillator nicht. Diese Betriebsweise wiederholt sich in Abhängigkeit vom Eingangssignal EN nach Bedarf.
Fig. 11 zeigt im Schaltbild eine erfindungsgemäße Realisierung für einen jeweiligen von dem ersten und zweiten Spannungsdetektor 450, 460, 550, 560, 650, 660 des Bauelements von Fig. 4, 5 bzw. 6. In jedem dieser Einsatzfälle kann der Spannungsdetektor aus einer Gruppe von PMOS- und NMOS-Transistoren aufgebaut sein, wie dargestellt. Es gibt eine Anzahl unterschiedlicher Arten, die gewünschte Logik des Detektors zu implementieren, um die Spannung VBB1 oder VBB2 oder VPP1 oder VPP2 zu empfangen und das Detektionssignal EN1 oder EN2 abzugeben. Im gezeigten Beispiel wird das Detektionssignal EN1 auf hohem Pegel aktiviert, wenn der Pegel der Spannung VBB1 außerhalb des geeigneten Bereichs für den Spannungswert liegt. In diesem Fall werden vorab festgelegte Werte zum Vergleichen mit der Spannung VBB1 durch die Anordnung der PMOS- und NMOS-Transistoren festgelegt.
Fig. 12 zeigt in einem detaillierteren Schaltbild Komponenten des Bauelements von Fig. 4, 5 bzw. 6 in einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Realisierung. Speziell zeigt Fig. 12 im Schaltbild die Ladungspumpsteuerschaltung 620, den Pumpkondensator C1, die beiden Umschalt- Schaltkreise gemäß Fig. 6 sowie die erste und zweite Umschalt- Steuerschaltung 680, 690.
Die Ladungspumpsteuerschaltung 620 empfängt das Oszillationssignal OSC und führt das Ladungspumpen zum Pumpknoten PO über den Pumpkondensator C1 aus. Sie beinhaltet mehrere Inverter, deren Ausgangssignal an den Pumpkondensator C1 angelegt wird. Der Pumpknoten PO arbeitet, wie dies in den Zeitablaufdiagrammen der Fig. 7, 8 und 9 veranschaulicht ist.
Die erste Umschalt-Steuerschaltung 680 weist eine erste Logikschaltungsstufe 1200 zum Empfangen des Detektionssignals EN1 und des Oszillationssignals OSC auf. Dieser Empfang kann auch über einen Pegelschieber 1205 erfolgen. Die Schaltung 680 weist außerdem eine erste Pumpstufe 1210 zum Empfangen eines Ausgangssignals der ersten Logikschaltungsstufe 1200, um das Ladungspumpen durchzuführen, und eine zweite Pumpstufe 1220 zum Empfangen des Ausgangssignals der ersten Logikschaltungsstufe 1200 auf, um das Ladungspumpen durchzuführen. Ein Ausgangssignal der ersten Pumpstufe 1210 ist mit der Gate-Elektrode des ersten Transfertransistors TP1 631 des ersten Umschalt-Schaltkreises 630 verbunden. Ein Ausgangsanschluss der zweiten Pumpstufe 1220 ist mit der Gate-Elektrode des Steuertransistors 632 verbunden. Ein Oszillationssignal am Ausgangsanschluss der zweiten Pumpstufe 1220 wird empfangen, und dann wird der Transistor 632 leitend geschaltet. Dadurch werden negative Ladungen des Ausgangsknotens PO zu einem endgültigen Ausgangsanschluss über den ersten Transfertransistor 631 übertragen. Wie aus dem obigen ersichtlich, wird der Ladungspumpbetrieb durchgeführt, bis die Spannung VBB1 auf einen geeigneten Wert gebracht wurde, wonach er gestoppt wird.
Die zweite Umschalt-Steuerschaltung 690 beinhaltet in gleicher Weise eine zweite Logikschaltungsstufe 1230 zum Empfangen des Detektionssignals EN2 und des Oszillationssignals OSC. Sie weist außerdem eine dritte Pumpstufe 1240 zum Empfangen eines Ausgangssignals der zweiten Logikschaltungsstufe 1230, um das Ladungspumpen durchzuführen, eine vierte Pumpstufe 1250 zum Empfangen des Ausgangssignals der zweiten Logikschaltungsstufe 1230, um das Ladungspumpen durchzuführen, eine dritte Logikschaltungsstufe 1260 zum Empfangen des Detektionssignals EN1 und des Ausgangssignals der zweiten Logikschaltungsstufe 1230 und eine fünfte Pumpstufe 1270 zum Empfangen des Ausgangssignals der dritten Logikschaltungsstufe 1260 auf, um das Ladungspumpen auszuführen.
Ein Oszillationssignal des Ausgangsanschlusses der dritten Pumpstufe 1240 wird empfangen, und der Transfertransistor TP2 641 wird leitend geschaltet. Die negativen Ladungen am Pumpknoten PO werden daher zu einem endgültigen Ausgangsanschluss VBB2 übertragen. Außerdem wird das Detektionssignal EN1 an die zweite Umschalt-Steuerschaltung 690 angelegt. Wenn daher sowohl das Detektionssignal EN1 als auch das Detektionssignal EN2 auf hohen Pegel aktiviert sind, ist der Steuertransistor 642 leitend geschaltet. Dies verhindert, dass die negativen Ladungen am Ausgangsanschluss der Spannung VBB2 zum Pumpknoten PO zurückfließen. Zudem sind, wenn das Detektionssignal EN1 deaktiviert ist, während das Detektionssignal EN2 aktiviert ist, sowohl der Steuertransistor 642 als auch der Steuertransistor 643 sperrend geschaltet, so dass der Transfertransistor 641 leitend geschaltet ist. Die negativen Ladungen am Pumpknoten PO werden daher zum Knoten der Spannung VBB2 übertragen. Wenn hingegen das Detektionssignal EN1 aktiviert ist, während das Detektionssignal EN2 deaktiviert ist, wie in einer Situation niedrigen Pegels des OSC-Signals, ist der Steuertransistor 643 leitend geschaltet. Dies verhindert, dass die negativen Ladungen vom Ausgangsanschluss der Spannung VBB2 zum Pumpknoten PO zurückfließen.
Dieser Betrieb wird durchgeführt, bis die Spannung VBB2 auf einen geeigneten Wert gebracht wurde. Wenn somit der Wert der Spannung VBB2 den geeigneten Wert erreicht hat, wird das Detektionssignal EN2 deaktiviert, und dadurch werden die Transistoren 641 und 642 sperrend geschaltet. Wenn hingegen der Pegel der Spannung VBB2 noch vom geeigneten Wert abweicht, wird der Betriebsvorgang wiederholt, um den geeigneten Wert der Spannung VBB2 zu erhalten.
Fig. 13 veranschaulicht in einem Flussdiagramm 1300 ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren. Das Flussdiagramm 1300 ist dabei als Endlosschleife zu verstehen, der das Verfahren folgt. Das Betriebsverfahren gemäß dem Flussdiagramm 1300 kann insbesondere von den Bauelementen 400, 500 und 600 der Fig. 4 bis 6 ausgeführt werden.
In einem Schritt 1310 wird ein Oszillationssignal erzeugt. In einem nächsten Schritt 1320 wird das Oszillationssignal abgetastet. Dann wird in einem nächsten Schritt 1330 eine Pumpspannung in Abhängigkeit vom Oszillationssignal erzeugt. Anschließend wird in einem Schritt 1340 die Pumpspannung derart geschaltet, dass eine erste Spannung für eine erste Komponente erzeugt wird. Außerdem wird die Pumpspannung derart geschaltet, dass eine zweite Spannung für eine zweite Komponente erzeugt wird. Vorzugsweise wird das letztgenannte Schatten gleichzeitig mit dem erstgenannten Schalten durchgeführt.
Bevorzugt und optional wird das erste und zweite Schalten gesteuert durch Detektionssignale ausgeführt. Deren Erzeugung wird nachfolgend erläutert.
In einem nächsten Schritt 1350 werden die Erzeugte erste und zweite Spannung abgetastet und mit vorab festgelegten Werten verglichen. Als Ergebnis dieses Vergleichs werden ein erstes und zweites Detektionssignal abgegeben.
In einem nächsten Schritt 1360 wird abgefragt, ob das erste oder zweite Detektionssignals aktiv ist. In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der aktive Zustand durch einen hohen Pegel der Signale EN1 und EN2 implementiert, diese Implementierung ist jedoch nicht die einzige Option. Wenn die Abfrage verneint wird, bedeutet dies, dass die erste und zweite Ausgangsspannung innerhalb eines Sollbereichs oder auf einem Sollwert liegen. Der Verfahrensablauf kehrt dann zum Schritt 1350 zurück.
Wenn die Abfrage bejaht wird, wird die Erzeugung des Oszillationssignals im Schritt 1310 in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Detektionssignal gesteuert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dies einfach dadurch implementiert, dass zum Schrift 1310 zurückgekehrt wird, um den Oszillator zu aktivieren bzw. ihn zu reaktivieren, wenn er im Ruhezustand war.

Claims

1. Halbleiterbauelement, insbesondere Halbleiterspeicherbauelement, mit
Mitteln (410, 510, 610) zur Erzeugung eines Oszillationssignals (OSC) und Mitteln (420, 520, 620) zur Erzeugung einer Pumpspannung in Reaktion auf das Oszillationssignal, gekennzeichnet durch
Mittel (430, 530, 630) für ein erstes Schalten der Pumpspannung zur Erzeugung einer ersten Spannung (VBB1) für eine erste Komponente (403, 503, 603) und
Mittel (440, 540, 640) für ein zweites Schalten der Pumpspannung zur Erzeugung einer zweiten Spannung (VBB2) für eine zweite Komponente (405, 505, 605).

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannung gleichzeitig mit der ersten Spannung bereitgestellt wird.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schalten mittels abwechselnden Leitend- und Sperrendschaltens eines ersten Transfertransistors mit einer Periode durchgeführt wird, die von einer Periode des Oszillationssignals abgeleitet ist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schalten mittels abwechselnden Leitend- und Sperrendschaltens eines zweiten Transfertransistors mit einer Periode durchgeführt wird, die von einer Periode des Oszillationssignals abgeleitet ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Transfertransistor in Phase leitend und sperrend geschaltet werden.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter gekennzeichnet durch
Mittel (450, 460, 550, 560, 650, 660) zum Abtasten der erzeugten ersten und zweiten Spannung,
Mittel (450, 460, 550, 560, 650, 660) zum Vergleichen der abgetasteten ersten und zweiten Spannung mit vorgegebenen Werten,
Mittel (450, 460, 550, 560, 650, 660) zum Abgeben eines jeweiligen ersten und zweiten Detektionssignals (EN1, EN2) in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis und
Mittel (470, 480, 490, 570, 580, 590, 670, 680, 690) zur Steuerung der Erzeugung des Oszillationssignals und/oder zur Steuerung des Schaltens eines ersten und/oder eines zweiten Transfertransistors in Abhängigkeit von den Detektionssignalen.

7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die das Oszillationssignal erzeugenden Mittel einen Oszillator (410, 510, 610) beinhalten, die Mittel zur Erzeugung einer Pumpspannung eine Ladungspumpe (420, 520, 620) beinhalten, welche die Pumpspannung an einem Pumpknoten (PO) bereitstellt, die Mittel zum ersten Schalten der Pumpspannung einen ersten Umschalt-Schaltkreis (430, 530, 630) beinhalten, der mit dem Pumpknoten gekoppelt ist, um die erste Spannung für die erste Komponente anhand der Pumpspannung abzugeben, und die Mittel zum zweiten Schalten einen zweiten Umschalt-Schaltkreis (440, 540, 640) beinhalten, der mit dem Pumpknoten gekoppelt ist, um die zweite Spannung für die zweite Komponente anhand der Pumpspannung abzugeben.

8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung gleich groß wie die zweite Spannung ist.

9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung negativ und höher als die zweite Spannung ist.

10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung eine über eine Versorgungsspannung angehobene Spannung ist, die größer als die zweite Spannung ist.

11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umschalt-Schaltkreis den ersten Transfertransistor beinhaltet und dieser zwischen den Pumpknoten und die erste Komponente eingeschleift ist.

12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transfertransistor darauf ausgelegt ist, abwechselnd mit einer Periode leitend und sperrend geschaltet zu werden, die derjenigen des Oszillationssignals entspricht.

13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 12, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umschalt-Schaltkreis den zweiten Transfertransistor beinhaltet und dieser zwischen den Pumpknoten und die zweite Komponente eingeschleift ist.

14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Transfertransistor darauf ausgelegt sind, in Phase zueinander leitend und sperrend geschaltet zu werden.

15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 14, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umschalt-Schaltkreis einen ersten Steuertransistor beinhaltet, der zwischen den Pumpknoten und eine Gate-Elektrode des ersten Transfertransistors eingeschleift ist.

16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transfertransistor mit zu derjenigen des ersten Steuertransistors entgegengesetzter Phase arbeitet.

17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 16, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umschalt-Schaltkreis einen zweiten Steuertransistor beinhaltet, der zwischen den Pumpknoten und die Gate-Elektrode des ersten Transfertransistors eingeschleift ist.

18. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 17, weiter gekennzeichnet durch eine erste Steuereinheit zur Steuerung des ersten Umschalt-Schaltkreises in Reaktion auf das Oszillationssignal.

19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abtasten der erzeugten ersten und zweiten Spannung und Vergleichen derselben mit vorgegebenen Werten einen ersten Spannungsdetektor beinhalten, der das erste Detektionssignal in Reaktion auf die erzeugte erste Spannung abgibt, wobei die erste Steuereinheit das erste Detektionssignal empfängt.

20. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 19, weiter gekennzeichnet durch eine Oszillatorsteuerschaltung zum selektiven Steuern des Oszillators in Reaktion auf das erste Detektionssignal.

21. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 20, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abtasten der erzeugten ersten und zweiten Spannung und Vergleichen derselben mit vorgegebenen Werten einen zweiten Spannungsdetektor zum Abgeben des zweiten Detektionssignals in Reaktion auf die erzeugte zweite Spannung beinhalten, wobei die erste Steuereinheit das zweite Detektionssignal empfängt.

22. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 21, weiter dadurch gekennzeichnet, dass es ein Halbleiterspeicherbauelement ist, bei dem die erste Komponente eine Wortleitungstreiberschaltung ist und die zweite Komponente eine Steuerschaltung für einen Bitleitungs-Abtastverstärkerblock und/oder ein Substrat eines Speicherzellentransistors umfasst, wobei der zweite Umschalt-Schaltkreis die zweite Spannung der Steuerschaltung des Bitleitungs-Abtastverstärkerblocks oder dem Substrat des Speicherzellentransistors zuführt.

23. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 22, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umschalt-Schaltkreis arbeitet, wenn der zweite Umschalt-Schaltkreis arbeitet, und auch, wenn der zweite Umschalt-Schaltkreis nicht arbeitet.

24. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 23, weiter gekennzeichnet durch eine zweite Steuereinheit zur Steuerung des zweiten Umschalt-Schaltkreises in Reaktion auf das Oszillationssignal.

25. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 24, weiter gekennzeichnet durch eine Oszillatorsteuerschaltung zum selektiven Steuern des Oszillators in Reaktion auf das erste Detektionssignal und das zweite Detektionssignal.

26. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem
ein Oszillationssignal (OSC) erzeugt wird und
eine Pumpspannung in Reaktion auf das Oszillationssignal erzeugt wird,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
erstes Schalten der Pumpspannung zur Erzeugung einer ersten Spannung (VBB1) für eine erste Komponente (403, 503, 603) und
zweites Schalten der Pumpspannung zur Erzeugung einer zweiten Spannung (VBB2) für eine zweite Komponente (405, 505, 605) gleichzeitig mit der Erzeugung der ersten Spannung.

27. Verfahren nach Anspruch 26, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schalten mittels abwechselnden Leitend- und Sperrendschaltens eines ersten Transfertransistors mit einer Periode durchgeführt wird, die von einer Periode des Oszillationssignals abgeleitet wird.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schalten mittels abwechselnden Leitend- und Sperrendschaltens eines zweiten Transfertransistors mit einer Periode durchgeführt wird, die von einer Periode des Oszillationssignals abgeleitet wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Transfertransistor in Phase leitend und sperrend geschaltet werden.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, weiter gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Abtasten der erzeugten ersten und zweiten Spannung,

- Vergleichen der abgetasteten ersten und zweiten Spannung mit vorgegebenen Werten,

- Abgeben eines jeweiligen ersten und zweiten Detektionssignals in Abhängigkeit vom Vergleichsresultat und

- Steuern der Erzeugung des Oszillationssignals und/oder Steuern des Schaltens des ersten Transfertransistors und/oder des zweiten Transfertransistors in Abhängigkeit von den Detektionssignalen.